Durchbruch bei der Erforschung transparenter Solarzellen mit ultradünnen Schichten aus Halbleitermaterial?
Durchbruch bei der Erforschung transparenter Solarzellen? Wir haben eine Welle von Innovationen in der Solarzellentechnologie erlebt, z. B. Perowskit-Solarzellen, Solarziegel und -dächer sowie organische Module. Aber was wäre, wenn wir Sonnenenergie von den Fenstern und Oberlichtern unserer Häuser und Wolkenkratzer oder sogar von unseren Autoscheiben und Handybildschirmen ernten könnten? Wir wollen transparente Solarzellen untersuchen und herausfinden, wie sie im Vergleich zu herkömmlichen Zellen abschneiden. Könnten transparente Solarzellen die Zukunft der Solarenergie sein? Oder bleibt sie unsichtbar?
"Bei dem Begriff "transparentes Solarmodul" denken die meisten von uns an etwas, das so transparent ist wie ein Glasfenster."
Unter den erneuerbaren Energien hat die Solarenergie ein rasantes Wachstum erfahren und die Welt auf dem Weg in eine kohlenstoffarme Zukunft vorangebracht. Wir haben eine Welle von Innovationen in diesem Bereich erlebt, z. B. Perowskit-Solarzellen, Solarziegel und -dächer sowie organische Paneele. Aber was wäre, wenn wir Sonnenenergie von den Fenstern und Oberlichtern unserer Häuser und Wolkenkratzer oder sogar von unseren Autoscheiben und Handybildschirmen ernten könnten? Wir wollen transparente Solarzellen untersuchen und herausfinden, wie sie im Vergleich zu herkömmlichen Zellen abschneiden. Könnten transparente Solarzellen die Zukunft der Solarenergie sein? Oder ist die Zukunft nicht so klar?
In der modernen Gesellschaft sehen wir überall Glas, von einem kleinen Handy-Display bis hin zu riesigen Fenstern und Wolkenkratzerfassaden. Es wird geschätzt, dass es in den Vereinigten Staaten 5-7 Milliarden Quadratmeter Glasflächen gibt ... stellen Sie sich diese Zahl einmal für die ganze Welt vor. Und in den meisten Gebäuden bleiben diese großen Glasflächen ein ungenutztes Energiepotenzial.
Nach Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) machen Gebäude und der Bausektor ein Drittel des gesamten Energieverbrauchs in der Welt aus. Das entspricht 40 % der gesamten direkten und indirekten Kohlenstoffemissionen in die Atmosphäre. Und obwohl wir in diesem Bereich einige Fortschritte erzielt haben, über die ich in einem früheren Video gesprochen habe, ist es noch ein langer Weg bis zur Dekarbonisierung von Gebäuden auf der ganzen Welt.
Entwürfe mit passiver Heizung und natürlicher Beleuchtung durch dreifach verglaste Fenster und Solarpaneele auf den Dächern sehen toll aus, aber was wäre, wenn wir noch einen Schritt weiter gehen könnten? Wie wäre es, wenn wir das gesamte Sonnenenergiepotenzial, das durch die Glasfassaden und Fenster dringt, nutzen könnten, um nicht nur für natürliche Beleuchtung und Heizung zu sorgen, sondern auch um Strom zu erzeugen? Das sind transparente Sonnenkollektoren.
Photovoltaikglas, wie diese Technologie auch genannt wird, ist eine durchsichtige Art von Solarpanel, und im Gegensatz zu herkömmlichen mono- oder polykristallinen Siliziumpanelen ... die undurchsichtig sind ... wird diese neue Technologie so hergestellt, dass sie ein gewisses Maß an Transparenz bietet.
Theoretisch können diese Paneele in allen Bereichen eingesetzt werden, von kleinen mobilen Geräten wie Handys und Laptops bis hin zu riesigen Fenstern von Wolkenkratzern. Während herkömmliche Solarmodule sichtbares Licht absorbieren, um Strom zu erzeugen, funktioniert ein wirklich transparentes Solarmodul auf der Grundlage einer kontraintuitiven Idee: Es fängt unsichtbares Licht ein und lässt sichtbares Licht hindurch.
Bei dem Begriff "transparentes Solarmodul" denken die meisten von uns an etwas, das so transparent ist wie ein Glasfenster, was ein wenig irreführend ist. Technisch gesehen kann sich dieser Begriff sowohl auf ein vollständig als auch auf ein nur teilweise durchsichtiges Paneel beziehen. Schauen wir uns also die beiden Arten von transparenten Solarmodulen an.
Teilweise transparente Solarmodule
Diese Paneele werden mit einer Dünnschichttechnologie hergestellt, bei der hauchdünne Schichten aus Halbleitermaterial auf eine Glasscheibe aufgebracht werden. Anschließend wird eine weitere Glasscheibe aufgeklebt, um ein schmackhaftes Halbleiter-Sandwich zu bilden.
Diese ultradünnen Schichten aus Halbleitermaterial (wir sprechen hier von einer Dicke von wenigen Mikrometern) machen diese Solarmodule transparent, und mit jeder weiteren Schicht erhöht sich die Opazität ein wenig. Während aktuelle Silizium-Paneele, wie Sie sie auf Ihrem Dach haben, Wirkungsgrade von über 20 % erreichen, liegt der Wirkungsgrad herkömmlicher Dünnschicht-Solarpaneele mit etwa 7-10 % deutlich niedriger.
Eine großartige Anwendung für teiltransparente Solarmodule sind Bürogebäude, in denen die Sonneneinstrahlung sehr intensiv ist, so dass die Module installiert werden, um die Sonneneinstrahlung in das Gebäude zu reduzieren. Um die Innenheizung von Gebäuden zu kontrollieren, berücksichtigen Ingenieure bei der Planung von Fenstern und Oberlichtern den solaren Wärmegewinnkoeffizienten (SHGC). Der SHGC-Wert misst im Wesentlichen die Menge der verfügbaren Sonnenwärme, die durch das Glas hindurchgehen kann. Je höher dieser Prozentsatz ist, desto mehr Wärme geht in das Gebäude.
Der SHGC-Wert der Onyx-Paneele, einem der führenden Anbieter von transparentem PV-Glas für Gebäude, liegt zwischen 10 % und 40 %, wodurch die in das Gebäude eindringende Sonnenwärme begrenzt und gleichzeitig Strom erzeugt wird.
Völlig transparente Solarzellen.
Der Traum von Solarzellen, die wie normales Glas aussehen, begann mit einer Gruppe von Forschern der Michigan State University (MSU), die 2014 die erste vollständig transparente Solarzelle entwickelte.
Das Team entwickelte den transparenten lumineszierenden Solarkonzentrator (TLSC), der organische Salze verwendet, um nur einen bestimmten Teil des Sonnenspektrums einzufangen, der bestimmte Wellenlängen unsichtbaren Lichts enthält, z. B. ultraviolettes (UV) und infrarotes (IR) Licht, während normales sichtbares Licht durchgelassen wird.
Wenn das Sonnenlicht auf das Panel trifft, wird das UV- und IR-Licht in eine andere Art von Infrarotlicht umgewandelt, das leuchtet. Diese neue Wellenlänge wandert dann zu den Rändern des Fensters, wo sie von den Solarzellen in Strom umgewandelt wird.
Da die Materialien kein Licht im sichtbaren Spektrum absorbieren oder emittieren, sehen sie für das menschliche Auge transparent aus. Das von den Forschern entwickelte transparente Solarpanel erreichte eine Transparenz von 86 %. Leider war der Wirkungsgrad dieses Prototyps sehr niedrig (weniger als 1 %), aber die Forscher erklärten, dass ein Wirkungsgrad von 10 % erreicht werden könnte.
Im Vergleich zu herkömmlichen kristallinen Siliziumsolarzellen ist es natürlich ein großer Nachteil, dass der Wirkungsgrad von transparenten Solarzellen so niedrig ist. Aber bei Solarmodulen ist der Wirkungsgrad nicht alles. Der niedrige Wirkungsgrad von transparenten Solarmodulen bedeutet, dass wir eine größere Fläche benötigen, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen wie mit einer Dachsolaranlage mit einem Wirkungsgrad von 20 %. Da transparente Solarmodule jedoch in Gebäude integriert werden können, gibt es mehr potenzielle Fläche, um diesen geringeren Wirkungsgrad auszugleichen.
Ein interessanter Vorteil teiltransparenter Solarmodule besteht darin, dass Dünnschicht-Solarzellen auch dann einen hohen Wirkungsgrad erzielen können, wenn sie sich nicht im optimalen Neigungswinkel befinden, was für Gebäude und Wolkenkratzer, bei denen die Fenster vertikal angebracht sind, von großem Vorteil ist. Dünnschichtzellen sind auch hitzebeständiger und haben bei hohen Temperaturen einen geringeren Wirkungsgradabfall als herkömmliche kristalline Silizium-Solarzellen.
Volltransparente Solarmodule sind gegenüber teiltransparenten Versionen klar im Vorteil, da sie jede Glasscheibe oder jedes Fenster in eine Solarzelle verwandeln können, sie sehen besser aus und haben ein breiteres Spektrum an Einsatzmöglichkeiten. Ihr großer Nachteil ist jedoch nicht nur ihr geringer Wirkungsgrad. Bei transparenten Solarzellen werden organische Solarzellen verwendet, die sich schneller abbauen als anorganische Solarzellen. Dünnschichtsolarzellen beispielsweise haben eine Lebensdauer von 10 bis 20 Jahren, während Paneele auf der Basis von kristallinem Silizium eine durchschnittliche Lebensdauer von 25 Jahren haben.
Obwohl es noch viele Verbesserungen gibt, haben die Vorteile und das breite Anwendungsspektrum ... vor allem im Gebäudesektor ... Unternehmen auf der ganzen Welt dazu veranlasst, diese Technologie zu erforschen.
Onyx Solar ist eines der führenden Unternehmen im Bereich transparentes PV-Glas für Gebäude. Das Unternehmen bietet zwei Solarglastechnologien an, eine auf der Basis von amorphem Silizium und eine andere auf der Basis von kristallinem Silizium, wobei die Optionen von 0 % Transparenz bis zu 38 % reichen. Die Scheiben des Unternehmens bestehen aus wärmebehandeltem Sicherheitsglas und können an spezifische Projekte angepasst werden, z. B. für Vorhangfassaden, Vordächer oder sogar Fußböden, aber dazu komme ich gleich.
Ein interessantes Projekt, bei dem das photovoltaische Oberlicht eingesetzt wurde, ist das McDonald's Flagship Restaurant in Walt Disney in Florida. Das Gebäude wurde zum Null-Energie-Gebäude und zum ersten Null-Emissions-Restaurant in den USA. Das System soll über 35 Jahre hinweg mehr als 2 Mio. kWh Strom erzeugen und sich in weniger als 4 Jahren amortisieren.
Ein weiteres Produkt von Onyx ist die PV-Fassade. Das Unternehmen hat u. a. die Fassade für den Hauptsitz von FEMSA, der größten Coca-Cola-Abfüllanlage der Welt (Monterrey, Mexiko), entworfen. Sie besteht aus 370 großformatigen grauen Modulen aus amorphem Siliziumglas mit einer Transparenz von 20 % und kann etwa 17 200 kWh Energie erzeugen. Insgesamt wird erwartet, dass sich dieses Projekt in weniger als einem Jahr amortisiert und den Energiebedarf für HLK-Anlagen um 24 % reduziert.
Aber Sie können auch einen großen Schritt in die Zukunft machen ... und auf einen photovoltaischen Fußboden gehen ... mit den PV-Pflastersteinen des Unternehmens. Sie sind für den Fußgängerverkehr konzipiert und halten bis zu 400 kg stand. Darüber hinaus können sie in einer Vielzahl von Farben individuell gestaltet werden und erfordern die gleichen Installationsverfahren wie Metallrahmen und Holzböden.
Ein Projekt, das sich immer mehr durchsetzt, ist ein Penthouse in Manhattan, bei dem 50 Glaspflastersteine für eine innovative und solarbetriebene Terrasse verwendet wurden. Das Photovoltaiksystem reduzierte 19 % des HLK-Bedarfs des Penthouses und produziert Ökostrom zu Kosten von etwa 0,012 $. Das nenne ich mal einen Spaziergang auf der Sonnenseite.
Und was die Kosten angeht, so kostet ihr PV-Glas etwa 50 Dollar pro Quadratmeter, während die Kosten für ein typisches Solarpanel normalerweise zwischen 40 und 110 Dollar pro Quadratmeter liegen und ein typisches Doppelglasfenster hier in Massachusetts etwa 24 bis 45 Dollar pro Quadratmeter kostet ... einschließlich Material- und Installationskosten.
So cool das auch ist, die Transparenz ist nicht gut genug für Anwendungen, bei denen man klare Fenster braucht, die wie gewöhnliches Glas aussehen. In diesem Fall sollten Sie sich das australische Unternehmen ClearVue ansehen, das Solarpaneele herstellt, die klar sind ... mit einer leichten Tönung ... und keine visuelle Verzerrung aufweisen und eine Transparenz von 70 % erreichen. Ihre Technologie besteht aus mehreren Schichten, aber kurz gesagt, ihr Verglasungssystem besteht aus Nano- und Mikropartikeln, die über eine Zwischenschicht aus dünnem Film gestreut sind, der in Glasscheiben eingebettet ist.
Der Quadratmeterpreis für eine dreifach verglaste, niedrig emittierende Isolierglaseinheit von ClearVue beträgt 400 US-Dollar. Zum Vergleich: Ein gewöhnliches Dreifachfenster kostet zwischen 270 und 430 $ pro Quadratmeter.
Eines ihrer Projekte war das Atrium des Warwick Shopping Centre in Perth, Australien. Die Installation umfasst 18 dreifach verglaste, niedrig emittierende PV-Glasscheiben, die Strom für die Innenbeleuchtung, die Außenbeschilderung und die Auslagen des Einkaufszentrums liefern. Einem Artikel des Unternehmens zufolge konnte jedes Solarfenster dieses Gebäudes bei 6-7 Sonnenstunden etwa 0,1 kWh erzeugen.
Je nach Projekt schätzt das Unternehmen die finanzielle Amortisationszeit auf nur ein Jahr. Die Kohlenstoff-Rückzahlung beträgt weniger als 9 Jahre, verglichen mit 100 Jahren für typische doppelt verglaste Fenster. Das Unternehmen behauptet, dass diese PV-Fenster durch die Verwendung anorganischer Materialien mehr als 20 Jahre lang Strom produzieren können, bei einem Effizienzverlust von 0,5 % pro Jahr.
Aber noch einmal ... wenn wir auf die Effizienz zurückkommen, ist das nicht so toll. Das 3,5 x 1,6 Meter große Standard-Solarfenster kann heute 30 W/m² liefern, während ein typisches 340-W-Solarmodul etwa 200 W/m² liefern kann. Das heißt, um die gleiche Leistung wie bei einer PV-Dachanlage zu erzeugen, bräuchten wir sechsmal mehr Fläche für diese transparenten Solarmodule, um das auszugleichen.
Aber hier kommen wir wieder auf einige der wirklich interessanten Forschungsarbeiten zurück. Die Universität von Michigan und das Team um Stephen Forrest haben interessante Ergebnisse erzielt, um die Effizienz zu erhöhen.
Sie haben die Verwendung von organischen Materialien in den Paneelen erforscht, aber die größte Herausforderung besteht darin, einen schnellen Abbau zu verhindern. Um dieses Problem zu lösen, hat das Team Schichten auf der der Sonne zugewandten Seite des Glases angebracht. In verschiedenen Tests wurden mehrere Materialien ausprobiert, aber das neueste mit einem Fulleren-Material hat sich als vielversprechend erwiesen.
Sie testeten dieses neue transparente Solarmodul unter verschiedenen Bedingungen, wie simuliertem Sonnenlicht, das das Äquivalent von einer Sonne bis zu 27 Sonnen sein konnte, und Temperaturen bis zu 65ºC (150ºF). Das Ergebnis war, dass die Solarzellen selbst nach 30 Jahren noch 80 % ihrer Leistung erbringen können. Sie haben auch eine Transparenz von 40 % erreicht und glauben, dass es möglich ist, diese Zahl auf 60 % zu erhöhen. Außerdem arbeiten sie hart daran, den Wirkungsgrad von 10 % auf 15 % bei höherer Transparenz zu erhöhen.
Es ist unschwer zu erkennen, dass transparente Solarmodule noch einen schwierigen Weg zu voller Transparenz bei höheren Wirkungsgraden (oder zumindest Wirkungsgraden, die näher an typischen Solarmodulen liegen) und Leistungsdichten zu marktgerechten Kosten vor sich haben. Mit einem Wirkungsgrad von weniger als 10 % und einer Leistungsdichte von 30 W/m² benötigt diese Technologie noch immer eine wesentlich größere Fläche, um die gleiche Energiemenge zu erzeugen, die PV-Dachanlagen liefern können. Man darf aber auch nicht vergessen, dass die Universität von Michigan den ursprünglichen Wirkungsgrad von <1 % im Jahr 2014 auf etwa 10 % im Jahr 2021 erhöht hat. Das ist beachtlich und ziemlich aufregend ... hoffentlich wird die Technologie mit der Zeit wettbewerbsfähiger.
11/2021
Quelle