Das Einerlei hat ein Ende: Künftig müssen Solarzellen nicht mehr schwarz oder dunkelblau sein, sondern können alle möglichen Farben annehmen. Möglich wird dies durch eine spezielle Beschichtung, die mehr Licht in die Zelle leitet, aber auch bunt eingefärbt werden kann. Dadurch könnten künftig sowohl farbige Solarzellen hergestellt werden, als auch großflächige Werbetafeln, die ihren eigenen Strom erzeugen.
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.
Er und seine Kollegen haben daher nach kosteneffizienten Möglichkeiten gesucht, um sowohl den Wirkungsgrad von Solarmodulen zu erhöhen als auch mehr Gestaltungsmöglichkeiten für Architekten und Gebäudeplaner zu bieten. Und sie sind fündig geworden.
Hauchdünne Schicht bringt Farbe auf die Zelle
Füchsel und sein Team haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich bunte Solarzellen aus hauchdünnen Siliziumwafern herstellen lassen. Das einige Mikrometer dicke Halbleitermaterial Silizium absorbiert Licht und wandelt es in Strom um – wie für Solarzellen typisch. Das Neue: Die Forscher ergänzen das Ganze durch eine weitere transparente Abdeckschicht. Diese nur hundert Nanometer dicke Oxidschicht ist leitfähig und hilft dabei, möglichst viele Lichtteilchen in die darunter liegende Halbleiterschicht zu lenken. „Sie hat eine geringere Brechzahl als Silizium, daher wirkt sie als Entspiegelungsschicht“, erläutert Füchsel. Das sorgt dafür, dass weniger Licht reflektiert wird und mehr in das Innere der Solarzelle gelangt.
Die transparente Frontschicht aus Zinkoxid und Aluminium hat aber noch einen weiteren Vorteil: Man kann damit nicht nur mehr Licht einfangen, sondern die Module auch 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.
Trotz Farbschicht kaum Einbußen in der Leistung
Aber wie wirkt sich die Farbe auf die Effizienz der neuen Module aus? „Große Abstriche beim Wirkungsgrad farbiger Solarzellen mussten wir nicht machen“, so Füchsel. Die zusätzliche, transparente Schicht habe kaum Einfluss auf die Stromausbeute. Simulationen ergaben, dass die Solarzellen auch mit Farbschicht einen Wirkungsgrad von bis zu 20 Prozent erreichen können. Einschränkungen gibt es allerdings bei bestimmten Mischungen aus den Farben Rot, Blau und Grün, wie die Forscher berichten. Wie hoch die elektrische Ausbeute in der Praxis ist, hängt daher vom gewünschten Design und der Gebäudeausrichtung ab. Nicht mit jedem Farbton lässt sich gleichviel Strom gewinnen.
Mit den neuen Solarzellen wären selbst großflächige Werbetafeln, die ihren eigenen Strom erzeugen, möglich. Sowohl die mehrfarbige Gestaltung der Zellen, als auch die Integration von gestalterischen Elementen auf Solarzellen und Modulen haben sich die Forscher bereits patentrechtlich schützen lassen. „Damit eröffnen sich vielseitige Möglichkeiten, ein Gebäude als Informationsträger mit Firmennamen oder künstlerischen Bildern einzusetzen“, sagt Füchsel.
Um mehrere Solarzellen zu einem großflächigen Modul verschalten zu können, wollen die Wissenschaftler laserbasierte optische Lötverfahren nutzen. Diese ermöglichen mikrometerfeines Arbeiten, ohne das umgebende Material zu schädigen. Außerdem arbeiten die Forscher daran, die leitfähige Schicht künftig per Inkjet-Druckverfahren auf den Siliziumwafer aufzutragen. Das hilft nicht nur, die Herstellung der Solarzellen zu beschleunigen, sondern ermöglicht zusätzliche Freiheitsgrade im Design, wie sie erklären.
(Fraunhofer Gesellschaft, 04.07.2013 – NPO)
