Wie aus Fenstern Solarzellen werden

Stellen Sie sich vor, dass in Zukunft nicht mehr nur Dächer von Gebäuden mit Solarzellen bestückt werden, sondern auch dessen Fenster und vielleicht die Außenwände als Solarzellen fungieren. Einfach nur so, wenn man photoaktive Beschichtungen auf deren Oberflächen sprüht. Viele haben sich schon an dieser künstlichen Photosynthese und an ähnlichen Verfahren versucht. Alles Utopie? Nicht unbedingt. Ich versuche mich im Folgenden mal an einer Augenblicksaufnahme des Entwicklungsstandes.

Die norwegische Firma Ensol hat für die letztgenannte Beschichtungstechnologie beispielsweise Patente angemeldet. Der große Vorteil des Verfahrens liegt in der Transparenz der Beschichtung, die im Gegensatz zu traditionellen siliziumbasierten Solarzellen aus metallischen Nanopartikeln bestehen, die in einem durchsichtigen Trägermedium eingebettet sind. Hiermit können Fenster also zu kleinen Stromerzeugern werden. Natürlich muss dafür ein Teil des einfallenden Lichtes absorbiert werden, um in Energie umgewandelt werden zu können. Solche Energie produzierenden Fenster wirken daher auch geringfügig dunkler als herkömmliche. Zur Zeit sind die Forscher noch dabei, quadratische Prototypen mit diesem Material auf der Oberfläche herzustellen. Die Größe von 4×4 cm lässt hier auch noch keine praktisch relevante Anwendung zu. Letztendlich hoffen die Macher von Ensol aber eine Effektivität von wenigstens 20 Prozent erreichen zu können. 2016 sollen dann erste Produkte mit Marktreife präsentiert werden.

Forscher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben bereits vor 3 Jahren die Entwicklung einer wenige millionstel Meter dünnen Beschichtung von Fensterscheiben aus organischen Farbstoffen angekündigt, die einen Teil des Sonnenlichts absorbieren soll. Das Licht wird durch das hochbrechende Glas bis an den Rand des Fensters geleitet werden. Im Fensterrahmen befinden sich dann Solarzellen aus Cadmiumtellurid oder Galliumindiumphosphid, die das Licht in elektrischen Strom umwandeln können. Durch die Konzentration des Sonnenlichts und das Ausnutzen der gesamten Fensterfläche ließe sich die Effektivität auf Werte von 20 Prozent steigern, so die Forscher. Eine industrielle Markteinführung des Produktes steht aber noch aus.

Eine weitere Methode der Stromgewinnung mit Fenstern kann mit den Sphelar Cells von der Kyosemi Corporation möglich werden. Hierbei sollen kleine Siliziumtropfen (1,8 mm im Durchmesser) den Strom erzeugen, da sie Licht aus allen Richtungen absorbieren können. Die Energieausbeute kann hier noch maximiert werden, da Licht ja von beiden Seiten des Fensters genutzt werden kann. Die Formgebung des Trägermaterials spielt für die Effektivität der Tropfen keine große Rolle.

Des weiteren hat die Rainbow Solar Inc. (RSi) an photovoltaisch aktiven Verglasungen gearbeitet, wenn auch „nur“ an einer halbtransparenten Version. Aber selbst bei schwachem Licht erzeugten diese SuperPV-Module durchwegs eine konstante Stromleistung. Insgesamt wurde auch von unabhängigen Experten eine Verdopplung der Effektivität in Aussicht gestellt.

Auch der Technologieriese Sony mischt fleißig mit und präsentierte Ende letzten Jahres ein Produkt, das den Begriff „flower power“ fast wörtlich nimmt. Hier werden Farbstoffe für die Nutzung als Solarzellen (sogenannte dye-sensitised solar cells, DSSC) eingesetzt, was sich bei der Präsentation des Prototypen unmissverständlich zeigte. Der große Vorteil dieser Technologie ist sicherlich der geringe Preis sowie die Flexibilität bei Anwendung, Farbgebung und Design. Die Effektivität liegt nach Herstellerangaben bei etwa 10%. Ein Termin für eine Markteinführung aber wurde noch nicht genannt.

New Energy Technologies hat erst kürzlich einen etwa 30×30 cm großen Prototypen ihres SolarWindow präsentiert. Auch hierbei handelt es sich um eine photosensitive Filmbeschichtung, die sowohl aus natürlichen als auch aus künstlichen Lichtquellen Energie gewinnen kann – letzteres im Übrigen um einen Faktor 10 effektiver als die Konkurrenz. Und auch hier ist wegen der Transparenz der Beschichtung die Anwendung auf Fenstern nahe liegend. Metalle, die Solarzellen normalerweise undurchsichtig machen, wurden gegen transparente Mischungen ausgetauscht. Vorteilhaft ist auch die Möglichkeit der Applikation bei Raumtemperatur, wohingegen andere Technologien auf hohe Temperaturen und Vakuum angewiesen sind. Der Hersteller erwartet, dass diese photosensitiven Beschichtungen bei großflächiger Nutzung die Stromproduktion normaler Dachinstallationen um den Faktor 3 übertreffen können. Mir ist allerdings nicht ganz klar, wie das von der Octillion Corp. früher bereits produzierte NanoPower Fenster, bei dem Nanopartikel aus Silizium ultraviolettes Licht fast ohne Tönung der Scheiben in Strom umwandeln, mit dem jetzigen SolarWindow zusammenhängt.

Ein wenig abgedrehter kommt da schon eine Entwicklung daher, die unter der Regie der US Energiebehörde (DOE) entstanden ist. Halbleiter-Polymere werden hierbei zu hexagonalen Molekülen geformt, die der Oberfläche von alten Fußbällen ähneln. Werden diese unter sehr kontrollierten Bedingungen auf Oberflächen aufgebracht, ordnen sich diese Polymermoleküle zu einer Wabenstruktur. Nur die Ecken der Moleküle absorbieren viel Licht und können elektrisch leitend sein. In ihrer Mitte sind die Moleküle ziemlich transparent. Die Forscher sehen die Herstellungsmethode als preisgünstig und für eine Fertigung in industriellen Maßstäben durchaus geeignet.

In Deutschland hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bereits vor 4 Jahren die Förderung von Forschungsvorhaben angekündigt, die sich mit organischer Photovoltaik beschäftigen sollen. Hier hat sich sicherlich das eine oder andere Fraunhofer-Institut gerne bereit erklärt, Ergebnisse beizusteuern.

Auch wenn diese Entwicklungen noch in den Kinderschuhen stecken, sollten es sich die Hersteller herkömmlicher Solarzellen für den Einsatz auf Dächern auf ihren Lorbeeren nicht allzu bequem machen. In den nächsten Jahren wird einiges an Konkurrenz auf sie zukommen. Glasklare Sache!

PS: Thanks a lot to the authors of gizmag.com for the inspiration for this acrticle!