Customized Photovoltaik: „efficient design“-Solar­fassaden in Farbe - in verschiedenen Farben

(21.8.2013) Gebäudeplaner sind beim Einbau von Photovoltaikelementen bisher zu­meist auf schwarze oder bläulichgraue Solarmodule angewiesen. Mit Hilfe der Dünn­schichttechnik können Forscher aber nun aus den PV-Zellen bunte Designobjekte machen.

Die Fotomontage zeigt, wie das Gebäude des Fraunhofer IAO in Stuttgart mit einer „efficient design“-Solarfassade gestaltet werden könnte. 

Wer Dach oder Fassade aus energetischen Gründen mit standardisierten Sonnenkol­lektoren verkleidet, verändert das ursprüngliche Erscheinungsbild - nicht immer zum Vorteil des Gebäudes. Denn bislang gibt es meist nur dunkle Photovoltaikmodule auf dem Markt. „Die gezielte Vereinigung von Photovoltaik- und Designelementen, die dem Begriff von 'customized Photovoltaik' gerecht wird, ist bisher nur unzureichend realisiert“, konstatiert Kevin Füchsel, Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Ange­wandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena.

Das lässt sich ändern. Der IOF-Physiker befasst sich seit vier Jahren in einer vom Bun­desforschungsministerium (BMBF) geförderten Nachwuchsgruppe 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 Strom 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.

Der einfache Aufbau dieser SIS-Solarzelle (Semiconductor-Insulator-Semiconductor) mit der transparenten Frontschicht hat einen weiteren Vorteil: Man kann damit nicht nur mehr Licht einfangen. 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 Siliziumpho­tovoltaik mit Prozessen der Dünnschichtphotovoltaik zu verbinden. Auch bei der Aus­wahl des Beschichtungsmaterials gehen die Forscher innovative Wege: Während heu­te meist das teure Indiumzinnoxid (ITO) benutzt wird, arbeitet man im IOF-Labor am Einsatz von kostengünstigerem Zinkoxid, dem Aluminium beigemischt wird. Neben der SIS- Solarzelle ermöglichen aber auch Farbstoffsolarmodule und flexible organische Solarzellen neue Möglichkeiten bei der Gestaltung von Fassaden.

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

Mehrfarbige Gestaltung der Zellen ist 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 Inkjet-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.