Design trifft Effizienz – Innovative Beschichtung für farbige Photovoltaik-Module

Design trifft Effizienz – Innovative Beschichtung für farbige Photovoltaik-Module

Der weltweite Photovoltaik-Markt wächst rasant. Während sich die Weiterentwicklung der Solarmodule bisher vornehmlich auf die Optimierung hinsichtlich Wirkungsgrad, Lebensdauer und Preis konzentrierte, gewinnt mit der zunehmenden Verbreitung der Photovoltaik ein weiterer Aspekt an Bedeutung: die Ästhetik. Ein neuartiges Beschichtungsverfahren verspricht nun Farbvielfalt für Solarmodule, ohne die Effizienz aus dem Blick zu verlieren.

Das Design von Modulen ist besonders im Bereich der gebäudeintegrierten Photovoltaik wichtig. Um Null- oder Plus-Energie-Gebäude zu realisieren, werden PV-Module beispielsweise nicht nur auf dem Dach eingesetzt, sondern häufig auch in die Fassade integriert. Daher genügt es aus Sicht von Architekten und Eigentümern nicht, dass Module ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis haben, sie müssen auch optisch ansprechend und möglichst frei im Design sein. Die Nachfrage nach Modulen in unterschiedlichen Farben mit hoher Sättigung und Homogenität ist groß.

Bisherige Ansätze zur Einfärbung von Solarzellen oder Deckgläsern sind in der Farbwahl eingeschränkt und haben einen entscheidenden Nachteil: Sie führen zu vergleichsweise hohen Leistungseinbußen. Um diese zu minimieren, haben wir – inspiriert von der Natur – ein neues Verfahren entwickelt, welches farbige Module bei minimalen Transmissionsverlusten ermöglicht.

Der Morpho-Schmetterling als Vorbild

Morpho-Schmetterling mit leuchtend blauen Flügeln. ©Foto: Izzy LeCours, Lizenz: CC BY 2.0
Morpho-Schmetterling mit leuchtend blauen Flügeln. ©Foto: Izzy LeCours, Lizenz: CC BY 2.0

Als Ausgangspunkt unserer Entwicklung diente uns ein Phänomen, das man am Morpho-Schmetterling beobachten kann. Seine Besonderheit liegt in der kräftigen blauen Färbung seiner Flügel. Dass wir diese so leuchtend blau wahrnehmen, liegt jedoch nicht etwa an Farbpigmenten auf der Flügeloberfläche, wie dies bei anderen Schmetterlingen der Fall ist, sondern an einer dreidimensionalen Oberflächenstruktur mit Lamellen in Nanometermaßstab. Die Lamellen sind nur unter dem Elektronenmikroskop zu erkennen und haben die Eigenschaft, dass sie mit einfallendem Licht interferieren. Licht einer bestimmten Wellenlänge (blau) wird dabei an den vielen Lamellen reflektiert. Die Reflexionen verstärken sich gegenseitig, sodass ein heller Farbeindruck entsteht.

Der Clou an einer solchen Struktur ist, dass sie für andere Wellenlängen durchlässig bleibt. Sie eignet sich also hervorragend, um eine kräftige Färbung bei gleichzeitig hoher Lichtdurchlässigkeit zu erzielen. Durch Veränderung der Abstände zwischen den Lamellen lässt sich die reflektierte Farbe gezielt einstellen.

Vom bionischen Prinzip zum Produkt

Bei geringem Betrachtungsabstand werden die Solarzellen unter den farbigen Deckgläsern sichtbar. ©Foto: Fraunhofer ISE
Bei geringem Betrachtungsabstand werden die Solarzellen unter den farbigen Deckgläsern sichtbar. ©Foto: Fraunhofer ISE

Am Fraunhofer ISE ist es uns nun gelungen, die Machbarkeit einer Beschichtung zu zeigen, mit der solche farbgebenden dreidimensionalen Oberflächenstrukturen großflächig auf Deckgläser für PV-Module aufgetragen werden können. Die Beschichtung besteht aus einem dielektrischen Material und ermöglicht eine hohe Farbsättigung sowie gute Blickwinkelstabilität. Die Farbe ist individuell anpassbar. Im Vergleich zu unbeschichteten Deckgläsern weisen die farbigen Module einen relativen Leistungsverlust von nur 7% auf, d.h. ein 150 Watt-Modul liefert mit dem farbigen Deckglas noch etwa 140 Watt.

Es ist im Übrigen nicht das erste Mal, dass wir uns in der Solarforschung von der Natur inspirieren ließen. Bereits vor 20 Jahren haben wir großflächige Antireflexschichten auf Basis sogenannter Mottenaugenstrukturen entwickelt, um Reflexionen auf Solarmodulen zu reduzieren. Derartige Entspiegelungsschichten werden heute auch in vielen anderen Produkten im Alltag eingesetzt, z.B. auf Displays für Computer oder Smartphones.

Die beschichteten Deckgläser für bunte Solarmodule befinden sich aktuell noch im Prototypen-Stadium. Erste Testmodule wurden bereits hergestellt. Die nächste Herausforderung besteht in der Optimierung und Aufskalierung des Herstellungsverfahrens in den industriellen Produktionsmaßstab in Zusammenarbeit mit Modul- und Glasherstellern. Wir sind überzeugt davon, dass diese Technologie nicht nur ein vielfältigeres Design von Solarmodulen ermöglicht, sondern auch zu einer breiteren Akzeptanz der gebäudeintegrierten Photovoltaik beitragen wird.

Thomas Kroyer

Thomas Kroyer

Dr. Thomas Kroyer leitet das Team „Innovative Beschichtungen" am Fraunhofer ISE. Sein Forschungsschwerpunkt sind optisch-funktionale Oberflächen für Anwendungen in der Photovoltaik, Solarthermie und in energieeffizienten Gebäuden.
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Dr. Thomas Kroyer is heading the team "Innovative Coatings" at Fraunhofer ISE. His research focuses on optical functional surfaces for the application in photovoltaics, solar thermal technologies and energy-efficient buildings.
Thomas Kroyer
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