Sind transparente Solarmodule die Zukunft der Photovoltaik-Anlagen?

Eine visionäre neue Technologie will die Art und Weise, wie wir unsere Gesellschaft mit Energie versorgen, verändern, indem sie Sonnenenergie von den Fenstern Ihres Hauses, der Windschutzscheibe Ihres Autos und sogar vom Bildschirm Ihres Smartphones erntet. Transparente Solarpaneele bieten eine klare Lösung für das Problem, wo neue Photovoltaik-Zellen angebracht werden sollen. Der Plan ist, dass Architekten die nächste Generation von Wolkenkratzern einfach mit Hightech-Scheiben aus diesem groovigen, generativen Glas verkleiden können. Durchsichtige, wirklich transparente Solarfenster könnten die Tür zu einer ganz neuen Revolution der sauberen Energie öffnen und gleichzeitig Ackerland und natürliche Lebensräume erhalten.

Die Idee von transparenten Solarfenstern klingt fast zu schön, um wahr zu sein, und das ist sie auch, aber nicht ganz. Forscher arbeiten schon seit Jahren daran, das Sonnenlicht zu nutzen, um aus durchsichtigen Fenstern Strom zu erzeugen. Der Preis dafür sind unzählige neue Standorte für Solarpaneele auf Gebäuden, ohne dass die energiesparenden Vorteile der Tageslichtbeleuchtung verloren gehen. Schauen Sie sich ein beliebiges Glasgebäude an, und Sie können das Aufblühen der Möglichkeiten praktisch spüren. Die Hindernisse sind zahlreich, aber es sieht so aus, als stünde ein echter Durchbruch sozusagen vor der Tür. Denn neben der Dünnschicht-Solartechnik beginnt sich auch die Möglichkeit transparenter Solarfenster abzuzeichnen.

Dünnschicht-Solartechnologie.

Die Dünnschicht-Solartechnologie ist genau das, wonach sie klingt. Anstelle eines starren, sperrigen Solarpanels, durch das niemand hindurchsehen kann, geht es bei der Dünnschichtplattform um die Herstellung flexibler Solarzellen in Form einer Lösung, die buchstäblich auf verschiedene Oberflächen gestrichen werden kann und das Sonnenlicht durchlässt. Ein anfängliches Hindernis auf dem Weg von vollständig transparenten Solarzellen zum kommerziellen Markt ist die Skalierung von Labormustern auf eine marktfähige Größe.

Dieses Problem ist inzwischen in den Hintergrund getreten, aber die Forscher tüfteln immer noch an Graphen und anderen High-Tech-Maßnahmen, um das eigentliche Problem anzugehen: die Formulierung eines wirklich transparenten Solarfensters, das effektiv genug arbeitet, um die Kosten zu rechtfertigen.

Die jüngste Aufregung um transparente Solarzellen wurde im August letzten Jahres ausgelöst, als die Michigan State University ankündigte, ihr Gebäude für Biomedizin und physikalische Wissenschaften mit vollständig transparenten Solarfenstern auszustatten.

Das MSU-Projekt (Michigan State University) ist eher ein Zehensprung als ein Sprung ins kalte Wasser. Dennoch scheint es ehrgeiziger zu sein als andere Transparenzprojekte, die in diesem Jahr auftauchen. Die neue MSU-Solaranlage besteht aus einer 100 Quadratmeter großen Installation von transparenten Paneelen über dem Haupteingang des Gebäudes. Wenn alles nach Plan verläuft, was vermutlich der Fall ist, soll genügend Sonnenlicht gesammelt werden, um das Atrium zu beleuchten. 

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Durchsichtige Fenster, die Elektrizität erzeugen

Das Unternehmen hinter dem Projekt ist Ubiquitous Energy, das von MSU-Professor Richard Lunt mitbegründet wurde, der die Johansen-Crosby-Stiftungsprofessur für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaft am College of Engineering der Universität innehat. Lunts Beitrag auf dem Gebiet der transparenten Solarzellen ist ein Fenster, das genau wie herkömmliches Glas aussieht, aber das sichtbare Licht von dem unsichtbaren Licht an beiden Enden des Spektrums trennt, d. h. von ultraviolettem und infrarotem Licht. Das sichtbare Licht wird durchgelassen, der Rest wird zur Stromerzeugung genutzt.

Das ist eine interessante Wendung, denn normalerweise würde man denken, dass das sichtbare Sonnenlicht die ganze Arbeit in einer Solarzelle erledigt. Vielleicht ist das auch so, aber Forscher wie Lunt haben auch herausgefunden, dass unsichtbares Licht ebenfalls einen erheblichen Anteil an der Stromerzeugung haben kann.

2017 stellte die MSU die Arbeit von Lunt vor und erklärte, dass er und sein Team "Pionierarbeit bei der Entwicklung eines transparenten, lumineszierenden Solarkonzentrators geleistet haben, der, wenn er auf einem Fenster angebracht wird, Sonnenenergie erzeugt, ohne die Aussicht zu stören. Das dünne, plastikähnliche Material kann auf Gebäuden, Autoscheiben, Mobiltelefonen oder anderen Geräten mit einer durchsichtigen Oberfläche verwendet werden."

"Das Solarsystem verwendet organische Moleküle, die von Lunt und seinem Team entwickelt wurden, um unsichtbare Wellenlängen des Sonnenlichts zu absorbieren. Die Forscher können diese Materialien so 'abstimmen', dass sie nur die ultravioletten und nahen infraroten Wellenlängen aufnehmen und diese Energie dann in Elektrizität umwandeln", fügt die MSU hinzu.

Natürlich sind transparente Solarzellen nicht so effizient wie ihre konventionellen Gegenstücke, da sie nicht das gesamte Sonnenlicht, das auf sie trifft, nutzen können. Dennoch bietet die Technologie von Ubiquitous Energy einen beachtlichen Umwandlungswirkungsgrad von 10 % bei relativ geringen Kosten, was auf die Verwendung von reichlich vorhandenen, preiswerten Materialien zurückzuführen ist.

Der Standort der MSU-Installation deutet auch darauf hin, dass Solarinstallateure die Kosten senken können, indem sie Anordnungen transparenter Solarzellen am oder in der Nähe des Endverbrauchers anbringen, wodurch sich die Kosten für die Verkabelung und andere elektrische Systeme reduzieren lassen.

Was die nächsten Schritte angeht, so ist das eine interessante Frage. Unsere Freunde von EnergySage haben vor kurzem einen Blick auf den Markt geworfen, und bisher sieht es so aus, als sei Ubiquitous Energy der erste, der eine wirklich transparente Form der Fotovoltaiktechnologie entwickelt hat, die wie ein normales Fenster aussieht.

EnergySage verweist auf einen anderen Ansatz, bei dem nur die Ränder einer Fensterscheibe als Solarzellen behandelt werden und der größte Teil der Oberfläche als normales Glas bestehen bleibt. Dieser Ansatz wurde von der Solarzellenfirma Physee übernommen und unter dem Namen POWER+ vermarktet.

"POWER+ ist unsere stromerzeugende Glasbeschichtung. Sie lenkt das Sonnenlicht auf die integrierten Solarzellen in PowerWindows. Ohne die Transparenz des Glases zu beeinträchtigen, erzeugen die Fenster die gleiche Energie wie 1/5 eines Solarpanels auf dem Dach eines Gebäudes", erklärt Physee.

Das Hightech-Fenster der Zukunft

Physee wendet sein Solar-Know-how auch auf Gewächshäuser an, allerdings nicht zur Stromerzeugung. Die PAR+-Beschichtung des Unternehmens soll die Erträge von Gewächshäusern steigern, indem sie ultraviolettes Licht, das Pflanzen nicht nutzen können, in sichtbares Licht umwandelt, das sie nutzen können.

In der Zwischenzeit arbeiten Forscher weiter an der Herausforderung transparenter Solarzellen.

Zu den interessanten Entwicklungen in diesem Jahr gehören ein neues Silizium-Nanodraht-Design zur Verbesserung der solaren Umwandlungseffizienz und die Anwendung von Fullerenen (man denke an Kohlenstoff und Buckminster Fuller) zur Verbesserung der Transparenz.

Transparente Solarfenster und die gebaute Umwelt

Ubiquitous Energy hat die MSU zweifellos auf die Landkarte der Solarzellen gebracht. Ein weiterer aufstrebender Bereich im Solarbereich sind schwimmende Solarzellen, und auch hier ist die MSU ganz vorne mit dabei.

Letztes Jahr hat ein Team von MSU-Forschern eine Studie vorgelegt, die darauf hinweist, dass der Druck zum Bau neuer Wasserkraftdämme verringert werden könnte, indem die Oberfläche bestehender Dämme für die Installation schwimmender Solarzellenfelder genutzt wird.

Der gemeinsame Nenner mit Lunts Forschung ist die Nutzung der bebauten Umwelt zur Erzeugung sauberer Energie, anstatt natürliche Lebensräume für neue Bauwerke zu zerstören.

Der Schwerpunkt auf der Nutzung bereits erschlossener Standorte für die Solarenergie erstreckt sich auch auf landwirtschaftliche Flächen. Experten der MSU sehen ein großes Potenzial in dem neu entstandenen Bereich der Agrivoltaik, bei dem auf dem Boden montierte Solarpaneele auf Ackerland einige Meter höher als üblich angebracht werden.

Die erhöhten Solarpaneele bieten Platz für Weidevieh oder die Erhaltung von Bestäuberhabitaten. Erhöhte Solarpaneele können auch Vorteile für die regenerative Landwirtschaft bringen, da sie die Verdunstung verringern und Wasser sparen.

Es gibt immer mehr Belege dafür, dass sich die Erträge bestimmter Nahrungsmittelkulturen durch den Teilschatten und die regenerativen Vorteile der Sonnenkollektoren ebenfalls verbessern können.

Wenn alles nach Plan läuft, wird das strahlend grüne Bauernhaus der Zukunft mit Solarzellen auf dem Dach und transparenten Solarfenstern ausgestattet sein, die den Blick auf üppige Felder und Solarzellen freigeben.


Quelle (01/2022).