Photovoltaik als Designobjekt: Fraunhofer IOF bringt Farbe in die Solar-Fassade

Gebäudeplaner sind beim Einbau von Photovoltaik-Elementen bisher auf schwarze oder bläulich-graue Solarmodule angewiesen. Mithilfe der Dünnschicht-Technik machen Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF (Jena) nun aus den Solarzellen bunte Designobjekte.

Die gezielte Vereinigung von Photovoltaik- und Designelementen, die dem Begriff von ‚customized Photovoltaik‘ gerecht wird, ist bisher nur unzureichend realisiert“, so Kevin Füchsel, Projektleiter am Fraunhofer IOF.

Höherer Wirkungsgrad und mehr Gestaltungsmöglichkeiten

Der IOF-Physiker befasst sich seit vier Jahren in einer vom Bundesforschungsministerium (BMBF) geförderten Nachwuchs-gruppe mit nanostrukturierten Solarzellen, die für die industrielle Herstellung geeignet sind. Zusammen mit einem Fraunhofer-Team und Wissenschaftlern der Friedrich-Schiller-Universität in Jena suchen die Optikspezialisten nach kosteneffizienten Techniken und Fabrikationsprozessen, die sowohl den Wirkungsgrad von Solarmodulen erhöhen als auch mehr Gestaltungsmöglichkeiten für Architekten und Gebäudeplaner bieten.

Bunte Solarzellen aus hauchdünnen Siliziumwafern

Derzeit erarbeitet Füchsel mit seinem „efficient design“-Team die Grundlagen zur Herstellung von bunten Solarzellen aus hauchdünnen Siliziumwafern, die sich besonders für Designfassaden und Hausdächer eignen.
Das einige Mikrometer dicke Halbleitermaterial Silizium absorbiert Licht und wandelt es in Solarstrom um. Damit viel Licht in das Siliziumsubstrat gelangt, erhält die Halbleiterschicht eine optisch neutrale Schutzbarriere (Insulator), auf die eine hundert Nanometer dünne Oxidschicht aufgetragen wird.
Dieses „Transparent Conductive Oxid“ (TCO) ist leitfähig und hilft in erster Linie dabei, möglichst viele Lichtteilchen in die darunter liegende Halbleiterschicht zu lenken. „Das TCO hat eine geringere Brechzahl als Silizium, daher wirkt es als Entspiegelungsschicht“, erläutert Füchsel.

Photovoltaik-Module in verschiedenen Farben und Formen

Der einfache Aufbau dieser SIS-Solarzelle (Semiconductor-Insulator-Semiconductor) mit der transparenten Frontschicht hat einen weiteren Vorteil: Damit kann nicht nur mehr Licht eingefangen werden, die Module lassen sich zudem in verschiedenen Farben und Formen gestalten.
„Die Farbe erhalten wir dadurch, dass wir die physikalische Dicke des transparent leitfähigen Oxids variieren oder die Brechzahl verändern“, erklärt der Physiker. Den Forschern aus Jena ist es damit gelungen, waferbasierte Silizium-Photovoltaik mit Prozessen der Dünnschicht-Photovoltaik zu verbinden.
Auch bei der Auswahl des Beschichtungsmaterials gehen die Forscher neue Wege: Während heute meist das teure Indiumzinnoxid (ITO) benutzt wird, arbeitet das IOF-Labor am Einsatz von kostengünstigerem Zinkoxid, dem Aluminium beigemischt wird. Neben der SIS- Solarzelle ermöglichen aber auch Farbstoff-Solarmodule und flexible organische Solarzellen (OPV) neue Möglichkeiten zur Gestaltung von Fassaden.

Farbe wirkt sich kaum auf den Wirkungsgrad der SIS-Module aus

„Große Abstriche beim Wirkungsgrad farbiger Solarzellen mussten wir nicht machen. Die zusätzliche, transparente TCO-Schicht hat kaum Einfluss auf die Stromausbeute“, so Füchsel.
Simulationen ergaben, dass SIS-Zellen einen Wirkungsgrad von bis zu 20 Prozent erreichen können. Wie hoch die Solarstrom-Ausbeute in der Praxis sein wird, hängt von dem gewünschten Design der Photovoltaikelemente und der Gebäudeausrichtung ab. Nicht mit jedem Farbton lässt sich gleichviel Solarstrom gewinnen. Einschränkungen gibt es beispielsweise bei bestimmten Mischungen aus den Farben Rot, Blau und Grün.

Mehrfarbige Solarzellen denkbar
Um mehrere Solarzellen zu einem großflächigen Modul verschalten zu können, wollen die IOF-Wissenschaftler laserbasierte optische Lötverfahren nutzen. Sie ermöglichen mikrometerfeines Arbeiten, ohne das umgebende Material zu schädigen. Außerdem arbeiten die Forscher daran, die leitfähige TCO- Schicht per Tintenstrahl-Druckverfahren auf dem Siliziumwafer zu kontaktieren.
Das hilft nicht nur, die Herstellung der Solarzellen zu beschleunigen, sondern ermöglicht zusätzliche Freiheitsgrade im Design. Selbst großflächige Werbetafeln, die ihren eigenen Strom erzeugen, wären mit SIS- Solarzellen möglich.
Sowohl die mehrfarbige Gestaltung der Zellen, als auch die Integration von gestalterischen Elementen auf Solarzellen und Modulen wurden bereits patentrechtlich geschützt. „Damit eröffnen sich vielseitige Möglichkeiten, ein Gebäude als Informationsträger mit Firmennamen oder künstlerischen Bildern einzusetzen“, betont Füchsel.

02.07.2013 | Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
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