Die wichtigsten nachhaltigen Technologien von Panasonic (Ein in Nature veröffentlichter Werbeartikel)

Der Textinhalt dieses Artikels wurde ursprünglich in Zusammenarbeit mit Nature Portfolio als Werbematerial erstellt und am 1. September 2023 in der Online-Version von Nature (nature.com) veröffentlicht, einer wöchentlichen internationalen Zeitschrift, die die besten peer-reviewten Forschungsergebnisse in den Bereichen Wissenschaft und Wissenschaft veröffentlicht Technologie. In diesem Artikel wird die vollständige Kopie der Werbefunktion für Leser von Panasonic Newsroom Global vorgestellt. (Den Originalartikel finden Sie unter: Drei nachhaltige japanische Technologien, die man im Auge behalten sollte (nature.com))

Forscher machen Fortschritte in Richtung transparenter Solarzellen für Fenster und Wände, sauberer Wasserstoffenergie und pflanzlicher Biokunststoffe.

Die japanische Regierung hat kürzlich feste Zusagen zur Nachhaltigkeit gemacht, darunter das Ziel, bis 2050 keinen Plastikmüll mehr in die Ozeane zu bringen und CO2-Neutralität zu erreichen.

Das Land ist bereits führend bei Biokunststoffen und Wasserstoffenergie, und 2009 stellte ein Forschungsteam einer japanischen Universität fest, dass bestimmte kristalline Mineralien, sogenannte Perowskite, photovoltaisch wirken, Licht in Spannung umwandeln und so die Tür zu neuen Arten transparenter Solarzellen öffnen (Bild unten).

Kommerzielle Solartechnologie konzentriert sich heute auf Silizium-Photovoltaikzellen (PV) auf Hausdächern. Doch obwohl Silizium-PV viele positive Eigenschaften hat, schränken die für die Zellen erforderlichen festen, undurchsichtigen Siliziumschichten ihren Einsatz auf transparenten Oberflächen wie Fenstern ein, erklärt Yukihiro Kaneko, Leiter der Perowskit PV-Aktivitäten der Panasonic Group im japanischen Osaka.

Perowskite bestehen aus tintenähnlichen Materialien, die sich fein auf Glas drucken lassen, manchmal als transparente oder getönte Verbundwerkstoffe. Bei Hochhäusern kann die vertikale Fläche eines Gebäudes, die oft aus Fenstern besteht, die zur Einfangung von Sonnenlicht auf Dächern verfügbare Fläche bei weitem übersteigen. Der Einbau Perowskit in Fenster und Wände könnte die Energieerzeugung in städtischen Gebieten drastisch steigern, sagt Kaneko.

Damit Japan seine Dekarbonisierungsziele mit den heutigen Silizium-PVs erreichen kann, müsste es jedes Jahr mehr als 1.300 Sportfeld-große Solarprojekte bauen. „Der Einbau von Solarzellen in Fenster und Wände dürfte die Ausbreitung von Solarparks drastisch reduzieren.“

Seit 2009 hat die Entwicklung von Perowskit Materialien für eine effiziente Energieumwandlung große Fortschritte gemacht. Ein aktueller Bericht des Verbandes Deutscher Maschinen- und Anlagenbau prognostiziert, dass Perowskite bis 2025 in kommerziellen Solarzellen eingesetzt werden.

An der Spitze dieser kommerziellen Entwicklung stehen Unternehmen wie Oxford PV, ein von einem Physikprofessor der Universität Oxford im Vereinigten Königreich gegründetes Unternehmen, und Panasonic, das 2020 eine 804 cm² große Perowskit und Glaszelle mit weltweit führendem Wirkungsgrad produzierte.

Während die Oxford PV-Gruppe Fortschritte macht, indem sie Silizium-basierten Solarzellen Schichten aus Perowskit hinzufügt, um die Effizienz um etwa 30 Prozent zu steigern, bleiben bei dieser Neuformulierung einige der Einschränkungen der älteren Siliziumtechnologie bestehen.

Panasonic hingegen nutzt seine Expertise im Tintenstrahldruck und bei der Entwicklung Perowskit Photovoltaikmaterialien, um einige der weltweit effizientesten Perowskit und Glas-Solarzellen zu entwickeln. Durch die Optimierung des Kristallwachstums und der Dickengleichmäßigkeit bei der Glasbeschichtung mit Perowskiten arbeitet Panasonic daran, die Effizienz heutiger Silizium-Photovoltaikzellen zu erreichen und gleichzeitig die Vorteile flexibler und transparenter Designs zu nutzen.

Die Frage ist: Wie nahe sind wir dran? In der akademischen Forschung wurden Perowskit Solarzellen mit Solarenergie-Umwandlungswirkungsgraden von über 26 % beschrieben, die mit den besten Silizium-Solarzellen konkurrieren. Diese Rekorde werden jedoch typischerweise mit Solarzellen im Forschungsmaßstab von höchstens einem Quadratzentimeter erreicht.

Panasonic konzentriert sich auf die Produktion sehr großer Perowskit-Solarzellen, so Kaneko. „Generell nimmt der Wirkungsgrad einer Solarzelle mit zunehmender Größe ab. Laut den Diagrammen des US-amerikanischen National Renewable Energy Lab war der Wirkungsgrad unserer 804 cm² großen Zellen mit 17,9 % im Jahr 2020 der Weltrekord für eine Perowskit Solarzelle dieser Größe.“ Als nächstes stellt das Unternehmen auf metergroße Zellen um.

Ein weiterer Vorteil der Perowskit Solartechnologie besteht darin, dass sie nur Verarbeitungstemperaturen von 100 bis 200 °C benötigt und damit energieeffizienter ist als aktuelle Technologien, betont Kaneko. Im Gegensatz dazu erfolgt der Prozess zur Herstellung von hochreinem Silizium für Solarzellen aus Quarzit bei über 1.000 °C.

Die Möglichkeit, die Zellen zu drucken, bietet weitere Vorteile. „Mit dem Tintenstrahldruck können wir in jeder Größe drucken“, sagt Kaneko. Für die vom Unternehmen geplanten Anwendungen ist diese Flexibilität wichtig. „Fenster und Wände gibt es in den unterschiedlichsten Größen“, erklärt er. Durch Laserritzen nach dem Drucken kann das Unternehmen Perowskit-Filme herstellen, die transparent oder getönt für Fenster oder undurchsichtig für Wände sind.

Für reale Anwendungen liege die Herausforderung jedoch darin, die Lebensdauer von Perowskit zu verbessern, so Kaneko. Perowskite seien besonders feuchtigkeitsempfindlich. Panasonics Strategie bestehe darin, Perowskite im Tintenstrahlverfahren auf Glas zu drucken und anschließend eine zweite Glasplatte hinzuzufügen, um das Perowskit zwischen zwei feuchtigkeitsundurchlässigen Schichten einzukapseln. Das Unternehmen habe zudem Modifikationen Perowskit-Tintenformulierung eingeführt, beispielsweise durch die Verwendung von Rubidium- oder Cäsiumzusätzen, um die thermische Stabilität der Zelle zu verbessern (Ref. 1).

Kaneko hofft, im Jahr 2025 über groß angelegte Demonstrationsmaterialien verfügen zu können und innerhalb von fünf Jahren auf den Markt zu kommen.

Der Übergang zu Energiesystemen, die weniger CO ₂ produzieren, erfordert eine saubere Energiespeicherung, im Fall von Solarenergie beispielsweise, um überschüssigen Strom, der während der Spitzensonneneinstrahlung erzeugt wird, zu erfassen und in Zeiten mit wenig Licht wieder freizugeben.

Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, erneuerbare Energien zu nutzen, um die Elektrolyse voranzutreiben, um Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Dieser „grüne Wasserstoff“ hat viele potenzielle Einsatzmöglichkeiten, darunter die Umwandlung gespeicherter Energie in Strom für den Betrieb von Brennstoffzellen und der Ersatz von Wasserstoff, der mit fossilen Brennstoffen wie Erdgas erzeugt wird. Ölraffinerien sowie die Ammoniak- und Methanolproduktion verwenden beispielsweise Wasserstoff, der mit fossilen Brennstoffen hergestellt wird, sodass ein Übergang zu grünem Wasserstoff die CO ₂-Emissionen erheblich reduzieren könnte.

„Panasonic entwickelt Perowskit-Photovoltaik, Batterien und Brennstoffzellen. Daher war es offensichtlich, dass wir eine Technologie zur Produktion von grünem Wasserstoff entwickeln sollten, um diese Lücke zu schließen“, sagt Yukimune Kani, der die Wasserelektrolyse-Initiative von Panasonic leitet.

Als Elektrokatalysatoren würden häufig seltene Materialien eingesetzt, fügt Kani hinzu, es bestehe jedoch die Gefahr von Engpässen. Seit 2018 entwickelt Kanis Team Anoden-Elektrokatalysatoren mit hoher elektrokatalytischer Aktivität, die frei von Edelmetallen sind. Nach intensiver Erforschung der möglichen Materialien wählte das Team Materialien aus, die als geschichtete Doppelhydroxide bezeichnet werden und aus reichlich vorhandenem und kostengünstigem Nickel und Eisen hergestellt werden.

Das Team hat kürzlich eine ihrer Meinung nach weltweit erste Methode zur Herstellung eines geschichteten Doppelhydroxids mit einer Partikelgröße von weniger als 10 nm entwickelt (Ref. 2). „Die hohe Aktivität unseres Materials ergibt sich aus der vergrößerten Oberfläche, die wir durch Miniaturisierung der Partikelgrößen erreicht haben“, erklärt Kani. Es wird außerdem in einem Niedrigtemperaturverfahren hergestellt, was zu einem nachhaltigen _CO2-Produktionsprofil beiträgt. Der geschichtete Doppelhydroxid-Elektrokatalysator von Panasonic kann sowohl für die alkalische als auch für die Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyse eingesetzt werden.

Derzeit wird die Haltbarkeit dieses Nanopartikel-Elektrokatalysators getestet. „Bis 2025 hoffen wir, den Herstellern von Elektrolyseuren Proben zum Testen liefern zu können“, sagt Kani. „Die Wasserspaltung ist ein sehr aktives und wettbewerbsintensives Forschungsgebiet, daher müssen wir unsere Entwicklung beschleunigen.“

Im Jahr 2019 hat sich Japan, der zweitgrößte Kunststoffverbraucher der Welt, dazu verpflichtet, bis 2050 keinen weiteren Kunststoffabfall mehr in die Ozeane zu werfen. Ein weiteres von Panasonic entwickeltes Ökomaterial – ein pflanzlicher Ersatz für herkömmliche, aus fossilen Brennstoffen gewonnene Kunststoffe – ist soll Japan dabei helfen, dieses Problem anzugehen.

Der Zellulosefaser-Harz-Verbundstoff „Kinari“ ist bereits in Produkten auf dem Markt erhältlich, die von Knöpfen für nachhaltige Kleidung bis hin zum Gehäuse von Akku-Staubsaugern reichen. Die Zellulosefasern sind in der Lage, starke und formbare Verbundstoffe zu bilden, sind außerdem durch Kompostierung biologisch abbaubar und können ohne Leistungseinbußen mehrmals recycelt werden.

„Wir machen den Prozess nachhaltiger, indem wir Zellulose aus Abfallströmen wie Kaffeesatz verwenden.“

Die erste Herausforderung bei der Entwicklung des neuen Produkts bestand darin, einen neuen Zelluloseproduktionsprozess zu entwickeln, sagt Toshifumi Nagino, der bei Panasonic für Zelluloseprodukte verantwortlich ist. Herkömmliche Methoden zur Gewinnung von Zellulose aus Zellstoff seien energieintensiv, erklärt er. Die Zellulosefasern müssen in einzelne Stränge getrennt werden, was traditionell durch Wasseraufbereitung geschieht. Das Trocknen erfordert viel Energie und verursacht 2,3 kg Kohlenstoffemissionen pro Kilogramm Zellulosefaser.

Nagino und sein Team machten das Trocknen überflüssig, indem sie stattdessen die Zellulosefasern in geschmolzenem Harz trennten und dispergierten. Der Prozess verursacht lediglich 0,5 kg Kohlenstoffemissionen pro Kilogramm Zellulosefaser. Dieses Pellet aus Zellulosefaser-Verbundharz kann vor dem Formen des Produkts direkt mit anderen Harzen gemischt werden.

Das endgültig geformte Verbundmaterial enthält mindestens 55 % Zellulose, und das Team hat auch Materialien herausgebracht, die 70 % Zellulose enthalten. Formulierungen mit bis zu 85 % Zellulose sind in der Entwicklung.

Darüber hinaus hat Panasonic eine Technologie zur Sortierung von Kunststoffabfällen entwickelt, die auf Nahinfrarotanalyse basiert, um verschiedene Arten von Kunststoffen im Recyclingstrom zu identifizieren und zu trennen. Cellulose erzeugt bei der Infrarotanalyse einen starken charakteristischen Peak, der zur einfachen Identifizierung des Cellulose-Verbundmaterials für das Recycling verwendet werden kann.

Das Team hat gezeigt, dass die robusten Zellulosefasern problemlos mehr als einer Recyclingrunde standhalten. „Die Zellulosefaser ist sehr stark und der Zelluloseverbund verliert auch nach mehrmaliger Wiederaufbereitung nicht an Festigkeit“, sagt Nagino. Glasfaserverstärkte Verbundstoffe hingegen verlieren ihre mechanische Festigkeit bereits nach einer einzigen Recyclingrunde, betont er.

Derzeit laufen mehrere Projekte zur Erweiterung der Zellulosefaserverbundlinie. „Wir entwickeln Prozesse und Geräte zur Verbesserung der Produktivität, damit wir diesen Biokunststoff zu den gleichen Kosten wie herkömmliche Harze herstellen können“, sagt Nagino.

„Außerdem machen wir den Prozess noch nachhaltiger, indem wir die Möglichkeit entwickeln, Zellulose aus verschiedenen Abfallströmen wie Kaffeesatz sowie Holz aus Durchforstung und Bambus zu verwenden.“ Verbundwerkstoffe für Großgeräte und Automobilteile sowie im Meer biologisch abbaubare Varianten sind ebenfalls in der Pipeline.

Der Schlüssel zum Erreichen der Nachhaltigkeitsziele Japans liegt darin, Forschung in reale Ergebnisse umzusetzen, sagt Kaneko. Angesichts der ehrgeizigen Verpflichtungen und des bevorstehenden Jahres 2050 könne Japan nicht ignorieren, dass in naher Zukunft nachhaltigere Produkte auf den Markt kommen müssen, sagt er.

Verweise
1. Matsui, T. et al. Adv. Mater. 31, 1806823 (2019)
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.201806823
2. Koshikawa, H. et al. ACS Catal. 10, 1886 (2020).
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.9b04505

Der Textinhalt dieses Artikels wurde ursprünglich in Zusammenarbeit mit Nature Portfolio als Werbematerial erstellt und am 1. September 2023 in der Online-Version von Nature (nature.com) veröffentlicht, einer wöchentlichen internationalen Zeitschrift, die die besten peer-reviewten Forschungsergebnisse in den Bereichen Wissenschaft und Wissenschaft veröffentlicht Technologie. Die Werbefunktion finden Sie hier: Drei nachhaltige japanische Technologien zum Anschauen (nature.com). Die Werbefunktion wird auch in der Nature-Ausgabe vom 23. November 2023 als Teil einer Werbebeilage erscheinen.