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Farbe für die Solarfassade

Presseinformation von  FORSCHUNG KOMPAKT der Fraunhofer-Gesellschaft vom 1.07.2013

Gebäudeplaner sind beim Einbau von Photovoltaikelementen bisher auf schwarze oder bläulichgraue Solarmodule angewiesen. Mithilfe der Dünnschichttechnik machen Forscher aus den Zellen nun bunte Designobjekte.

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 Nachwuchs- gruppe 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 Halbleiter- material 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 Phy-
siker. 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«, so 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 Informations- träger mit Firmennamen oder künstlerischen Bildern einzusetzen«, betont Füchsel.

Über Fraunhofer IOF

Das Fraunhofer IOF betreibt mit seinen Partnern anwendungsorientierteForschung in der optischen Systemtechnik im direkten Auftrag der Industrie und im Rahmen von öffentlich geförderten Verbundprojekten.

Die optische Systemtechnik ermöglicht den Schritt von der speziellen optischen, mechanischen und elektronischen Komponente zu optischen, opto-mechanischen und opto-elektronischen Modulen und Systemen komplexer Funktionalität. Ziel ist die Kontrolle von Licht von dessen Erzeugung bis hin zur Anwendung. Eine besondere Rolle spielt die nachhaltige Nutzung von Licht – »Green Photonics« – innerhalb des Fraunhofer-Innovationsclusters.

Die Kunden des Fraunhofer IOF stammen aus den Bereichen Information und Kommunikation, Beleuchtung, Transport und Verkehr, Produktion, Life Science, Ernährung, Medizintechnik, Umwelt- und Sicherheitstechnik.

Das Leistungsangebot des Fraunhofer IOF umfasst Systemlösungen, beginnend mit neuen Systemdesignkonzepten über die Entwicklung von Technologien, Fertigungs- und Messverfahren bis hin zum Bau von Prototypen und Pilotserien für Anwendungen im Wellenlängenbereich von Millimeter bis Nanometer.

Das Kompetenzportfolio umfasst:

  • Design und Simulation,
  • Mikro- und Nanostrukturierung,
  • Materialien der Optik und Photonik,
  • Beschichtung und Oberflächenfunktionalisierung,
  • Diamant- und laserbasierte Ultrapräzisionsbearbeitung,
  • Montage und Systemintegration,
  • Laserentwicklung und nichtlineare Optik,
  • Messverfahren und Charakterisierung.

Die enge Zusammenarbeit mit dem Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität (IAP) sichert die Erarbeitung des wissenschaftlichen Vorlaufs sowie die Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses.

 

Quelle und weitere Informationen unter  www.iof.fraunhofer.de    und   www.efficientdesign.de

Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF

Albert-Einstein-Str. 7
07745 Jena     www.iof.fraunhofer.de

Kontakt: Dipl.-Phys. Kevin Füchsel

 

  • Telefon +49 3641 807-273
  • Fax +49 3641 807-600

 

 



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