Helle Zukunft für transparente Photovoltaikzellen
Die EU setzt auf die Umstellung hin zu einem umweltfreundlichen, preiswerten, nachhaltigen und wettbewerbsfähigen Energiesystem. Ein Schlüsselfaktor für diesen Übergang sind erneuerbare Energieträger wie Solarenergie, da sie künftig die europäische Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern können. Für einen größtmöglichen Anteil erneuerbarer Energien bei der Energieversorgung von Gebäuden und städtischem Verkehr ist daher ein Ausbau des Photovoltaiksektors (PV) maßgeblich. „Sonnenkollektoren sind vor allem für bebaute Flächen geeignet, um der Versiegelung von Böden und baulichen Nutzung/Rückgang naturbelassener Flächen entgegenzuwirken. PV-Module sind jedoch meist ästhetisch unbefriedigend, was ihre gesellschaftliche Akzeptanz weder bei Politik noch Öffentlichkeit fördert“, erläutert Frédéric Sauvage, Projektkoordinator und Forschungsdirektor am französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS), Frankreich. Denn PV-Technologien sind lichtundurchlässig, blickdicht oder halbtransparent und daher bislang nur auf Dächern oder nicht- bzw. halbtransparenten Fassaden einsetzbar. Der Herausforderung stellte sich das EU-finanzierte Projekt IMPRESSIVE und entwickelte transparente PV-Zellen, um sie in großem Maßstab als Fenster in Gebäude einzubauen. „Unser Ziel war, eine Technologie für quasi „unsichtbare“ PV-Zellen zu entwickeln, die ästhetisch ansprechend, volltransparent, farblos und doch effizient und kostengünstig sind“, ergänzt Sauvage.
Perowskit- und Farbstoffsolarzellen mit großer Bandlücke
IMPRESSIVE sollte eine PV-Technologie entwickeln, die Sonnenlicht umwandelt, aber für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Hierfür wurden zwei Absorber konstruiert: ein effizienter UV-Absorber auf Basis von Perowskit-Solarzellen sowie ein NIR-Absorber (nahes Infrarot) auf Basis farbstoffsensibilisierter Solarzellen. Auf diese Weise gelang es, eine vollständig transparente, farblose PV-Tandem-Oberfläche herzustellen. „Die beiden kombinierten Technologien können Solarenergie mit einem Wirkungsgrad (power conversion efficiency, PCE) von 14 % und durchschnittlichem Lichttransmissionsgrad (average visible transmittance, AVT) von mehr als 55 % umwandeln. Separat beträgt der Wirkungsgrad der Technologien bis zu 8 % und der Lichttransmissionsgrad bis zu 80 %, was den Eigenschaften von Isolierglasfenstern gleichkommt“, bestätigt Sauvage.
Blick aus dem Fenster: vollständig kohlenstofffreie Stromerzeugung
IMPRESSIVE zeigte, dass halbtransparente UV-Perowskitzellen einen Wirkungsgrad von mehr als 10 % und einen Lichttransmissionsgrad von etwa 60 % erreichen können. „Mit unserer spezifischen Kombination und Gerätearchitektur demonstrierten wir, dass der Test zur beschleunigten Alterung von PV-Modulen (IEC 61646) bestanden werden und damit ein wichtiger Engpass für die Markteinführung ausgeräumt werden kann“, betont Sauvage. Parallel dazu patentierte CNRS eine neue Klasse NIR-selektiver Sensibilisatoren mit höherer und stabilerer Leistung sowie hervorragender Transparenz, wenn sie in speziell optimierte farbstoffsensibilisierte Solarzellen integriert werden. „Unsere PV-Fenster können in Gebäuden und Wohnhäusern die Kosten klimatisierter Kühlung im Sommer und Heizung im Winter reduzieren, und zwar dank der internen Technologie, bei der die spezifische Absorption in einem NIR-Bereich (800-1000 nm) und die Reflexion in einem anderen NIR-Bereich (> 1000 nm) liegt. Damit erzeugt unser Fenster vollständig dekarbonisierten Strom nur aus Sonnenlicht“, schließt Sauvage. Im Vergleich zur bisherigen PV-Zellen aus hochwertigen Einkristallen, für deren Produktion mehrere Reinigungsschritte unter Vakuum und/oder hohen Temperaturen (> 1000 °C) erforderlich sind, ist die Technologie von IMPRESSIVE eine kombinierte und vor allem umweltfreundlichere Lösung, da die Energierücklaufzeit bei weniger als drei Monaten liegt und weniger CO2-Emissionen anfallen. Um Passivfenster möglich zügig durch stromproduzierende Fenster zu ersetzen, will das Projekt nun die Leistung der beiden Technologien optimieren und die Marktreife der durchsichtigen PV-Zellen vorantreiben.
Schlüsselbegriffe
IMPRESSIV, PV, Photovoltaik, transparente PV-Zellen, Perowskit-Solarzelle, Nahinfrarot-Absorber, farbstoffsensibilisierte Solarzelle, dekarbonisierte Stromerzeugung, Solarpanel, Fenster, Strom, Sonne, Energie
