Transparente Photovoltaikmodule

Transparente Solarmodule stellen eine innovative Lösung im Bereich der erneuerbaren Energien dar. Sie ermöglichen die Erzeugung von elektrischer Energie bei gleichzeitiger Durchlässigkeit von sichtbarem Licht, was ein breites Anwendungsspektrum im Bauwesen, in der Architektur und in der Unterhaltungselektronik eröffnet.

Technologie organischer Photovoltaikzellen

Organische Photovoltaikzellen (OPV) sind Geräte, die aus kohlenstoffhaltigen Verbindungen bestehen und Polymere sowie kleine organische Moleküle nutzen, die Sonnenstrahlung absorbieren und elektrische Energie leiten können. Die Struktur einer typischen organischen Zelle besteht aus Schichten, die zwischen den Elektroden (einschließlich einer transparenten) angeordnet sind, wobei die aktive Schicht, die eine Mischung aus Donator- und Akzeptorverbindungen für Elektronen ist, eine Schlüsselrolle spielt. Der Herstellungsprozess umfasst das Mischen von Molekülen, die Elektronen abgeben und aufnehmen, mit einem Lösungsmittel, das Erzeugen einer dünnen aktiven Schicht und das Aufdampfen von Elektroden, wobei die Kathode üblicherweise eine Aluminiumschicht ist.

OPV-Zellen zeichnen sich durch zahlreiche Vorteile aus: Sie sindflexibel, halbtransparent, leicht und können eine bis zu 1000-mal dünnere lichtabsorbierende Schicht als Siliziumzellen enthalten. Trotz dieser Vorteile kämpft die Technologie mit Herausforderungen in Form von geringem Wirkungsgrad, geringer Betriebsstabilität und kurzer Lebensdauer, hauptsächlich aufgrund der Anfälligkeit für den Abbau durch Feuchtigkeit, Sauerstoff und Sonnenlicht. Die Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung dieser Parameter, und die neuesten Errungenschaften haben eine Energieumwandlung von fast 20 % ermöglicht. Wissenschaftler arbeiten daran, den Ladungstransport in diesen Zellen zu verstehen und entdecken, dass die Zustandsdichte, die für diesen Prozess verantwortlich ist, komplexer ist als bisher angenommen.

Anwendungen in Gebäudefassaden

Transparente Solarmodule finden besonders vielversprechende Anwendung in dergebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV) , wo sie nahtlos in Bauelemente wie Fassaden, Dächer oder Fenster integriert werden. Diese Technologie erfüllt eine Doppelfunktion – sie ist ein integraler Bestandteil der Gebäudehülle und wandelt gleichzeitig Sonnenenergie in elektrische Energie um. Schätzungen zufolge gibt es allein in den Vereinigten Staaten ein Potenzial von etwa 7 Milliarden Quadratmetern Glasfläche , von Hausfenstern bis hin zu Fassaden von Hochhäusern, die durch transparente Photovoltaikzellen genutzt werden könnten.

Praktische Anwendungen dieser Technologie umfassen:

• Integration in Gebäudefassaden, ohne deren Ästhetik negativ zu beeinflussen.
• Verwendung in Gewächshäusern, wo die Module nicht nur Energie zum Heizen und Beleuchten liefern, sondern auch die Energiekosten senken (in einem deutschen Projekt um etwa 20 %).
• Montage an Fenstern, Glasdächern und Fassaden, wo herkömmliche, nicht transparente Module nicht eingesetzt werden könnten.
• Implementierung in Oberlichtern, wo natürliches Licht unerlässlich ist, bei gleichzeitiger Beibehaltung der Funktion der Energieerzeugung.

Effizienz von halbtransparenten Modulen

Die Effizienz von halbtransparenten Photovoltaikmodulen ist ein Kompromiss zwischen Lichtdurchlässigkeit und Energieeffizienz. Im Gegensatz zu Standard-monokristallinen Modulen, die einen Wirkungsgrad von 19-24 % erreichen, weisen halbtransparente Module aufgrund ihrer Fähigkeit, einen Teil der Sonnenstrahlung durchzulassen, in der Regel einen etwas geringeren Wirkungsgrad auf. Das Schweizer Modell CLI400M10, das 108 monokristalline TOPCon-Zellen verwendet, ist ein Beispiel für fortschrittliche BIPV-Technologie (Building Integrated Photovoltaics), die trotz der halbtransparenten Konstruktion eine hohe Leistung beibehält.

Schlüsselparameter, die die Effizienz von halbtransparenten Modulen beeinflussen:

• Technologie der Zellproduktion - die höchste Effizienz bieten monokristalline Lösungen.
• Wetterbedingungen - Sonneneinstrahlung und Temperatur beeinflussen direkt den Energieertrag.
• Haltbarkeit - hochwertige halbtransparente Module behalten bis zu 88 % ihrer ursprünglichen Leistung nach 30 Jahren Nutzung.
• Orientierung und Neigungswinkel - die richtige Montage kann die Effizienz erheblich steigern, wobei eine korrekt installierte Nennleistung von 1 kWp in Deutschland etwa 1000 kWh pro Jahr erzeugen sollte.

Optimierung des Pflanzenwachstums

Halbtransparente Photovoltaikmodule bieten einzigartige Vorteile für Pflanzen in Gebäuden, insbesondere in Gewächshäusern. Studien der North Carolina State University haben gezeigt, dass Salat, der unter organischen Solarzellen (ST-OSC) angebaut wurde, keine signifikanten Unterschiede in Schlüsselparametern wie Antioxidantienspiegel, CO₂-Absorption, Größe und Gewicht im Vergleich zu Pflanzen aufwies, die unter Standardbedingungen angebaut wurden. Dies liegt daran, dass diese Spezialmodule hauptsächlich Wellenlängen des Lichts absorbieren, die von Pflanzen im Photosyntheseprozess nicht genutzt werden.

Fortschrittliche Agrophotovoltaiksysteme optimieren zusätzlich das Pflanzenwachstum durch:

• Umwandlung von UV-Strahlung in ein für die Photosynthese günstigeres rotes Spektrum durch den Einsatz von Nanotechnologie.
• Schaffung eines günstigen Mikroklimas durch teilweise Beschattung, die den Hitzestress der Pflanzen reduziert.
• Regulierung der Temperatur in Gewächshäusern, wodurch zusätzliches Heizen oder Kühlen entfällt.
• Erhöhung der Pflanzenbiomasseproduktion um bis zu50 % bei entsprechender Anordnung der Module.

Fortschrittliche Halbleitermaterialien

Transparente Photovoltaikmodule verwenden innovative Materialien und Technologien, die es ihnen ermöglichen, selektiv für das menschliche Auge unsichtbare Lichtwellenlängen zu absorbieren und gleichzeitig sichtbares Licht durchzulassen. Die wichtigsten Materialien, die in diesen Konstruktionen verwendet werden, sind Indiumzinnoxid (ITO), Wolframdisulfid und organische Salze , die ultraviolette und infrarote Strahlung absorbieren. Forscher der Michigan State University entwickelten 2014 die ersten vollständig transparenten Zellen, die organische Verbindungen zur Absorption unsichtbarer Wellenlängen nutzten, wodurch Glas als typische Scheibe fungieren und gleichzeitig Energie erzeugen konnte.

Technologisch lassen sich transparente Module in verschiedene Typen unterteilen:

• Perowskit-Solarzellen mit breiter Bandlücke, die als effiziente UV-Absorber fungieren.
• Farbstoffsolarzellen die nahes Infrarot (NIR) absorbieren.
• Organische Photovoltaikzellen (OPV) die Kohlenstoffverbindungen verwenden und Flexibilität und niedrigere Produktionskosten bieten.
• Tandemsysteme die verschiedene Technologien kombinieren und einen Wirkungsgrad der Energieumwandlung (PCE) von bis zu 14 % bei einer durchschnittlichen Durchlässigkeit von sichtbarem Licht (AVT) von über 55 %. erreichen

Die neuesten Errungenschaften in diesem Bereich ermöglichen die Herstellung von Zellen mit einer Transparenz von bis zu 80 % bei einem Wirkungsgrad von bis zu 8 % , was optisch an ein Fenster mit Doppelverglasung erinnert. Obwohl die aktuelle Leistung transparenter Module geringer ist als bei herkömmlichen Siliziumlösungen, deuten ihr Anwendungspotenzial und die laufenden Forschungsarbeiten auf eine deutliche Weiterentwicklung dieser Technologie in den kommenden Jahren hin.