ARCH+ 184

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Erschienen in ARCH+ 184,
Seite(n) 109

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Photovoltaik

Von Rexroth, Susanne

Mit Solarzellen lassen sich die Sonnenstrahlen in Strom umwandeln. Energetisch nutzbare Sonneneinstrahlung steht auch in unseren Breitengraden ohne große regionale Unterschiede mehr als ausreichend zur Verfügung. Je exponierter die Solarfläche zur Sonne steht, desto höher die Energieausbeute. Die aus energetischer Sicht günstigste Position in unseren Breiten ist eine Ausrichtung nach Süden bei einer Neigung von ca. 30 Grad. Doch auch an West- oder Ostfassaden erreichen Photovoltaikmodule noch akzeptable Energieerträge. Durch die finanziellen Anreize des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) amortisieren sich Photovoltaikanlagen nach rund 10 bis 15 Jahren. Die energetische Rücklaufzeit, d.h. die Spanne zur Rückgewinnung der bei der Modulproduktion eingesetzten Energie beträgt durchschnittlich 3 bis 5 Jahre.

Herstellung

Solarzellen werden überwiegend aus Silizium in Wafertechnologie hergestellt. Dabei wird das Silizium geschmolzen und aus den kristallin erstarrten Blöcken in dünne Scheiben (“Wafer”) gesägt. Der Wirkungsgrad der Solarzellen liegt bei rund 11 bis 20 %, daraus ergeben sich Modulwirkungsgrade von etwa 10 bis 18 %.

In einem alternativen Verfahren zur Wafertechnologie werden die Siliziumsolarzellen in dünnen Bändern (“Ribbons”) kontinuierlich produziert und abgeschnitten. Gegenüber der Wafertechnologie bedeutet das weniger Produktionsschritte, geringen Materialverbrauch und weniger Herstellungsenergie. Der Modulwirkungsgrad liegt hier bei rund 13 %.

Die Dünnschichttechnologie eröffnet neue Perspektiven für das architektonische Gestalten mit Solarzellen. Bei diesem recht neuen Verfahren, Solarzellen herzustellen, wird ein Halbleitermaterial auf einen Träger, meist eine Glasscheibe in Größe des endgültigen Solarmoduls, aufgedampft. Die Schichten von 3 Mikrometer Stärke sind rund hundert Mal dünner als ein herkömmlicher Wafer.

Wird Silizium in Dünnschichttechnologie auf eine Trägerglasscheibe aufgedampft, entstehen amorphe Strukturen und die entstehende Schicht wirkt rötlich (burgunderrot, dunkelrot). Das Verfahren benötigt zwar wenig Ausgangsmaterial, hat aber auch einen Nachteil: Die Solarmodule bringen es bisher nur auf einen Wirkungsgrad von 6 bis 8 %. Alternative Halbleiter in der Dünnschichttechnologie erreichen ähnlich hohe Wirkungsgrade wie Siliziumwafer.

Ein neues Herstellungsverfahren ist das sogenannte Crystalline Silicon on Glass (CSG). Dabei wird eine äußerst dünne Siliziumschicht von weniger als 2 Mikrometer direkt auf eine Glasscheibe aufgebracht und durch Erhitzung kristallisiert. Die mit dieser Technologie erzeugten Module weisen Wirkungsgrade um 8 % auf.

Farbstoffsolarzellen wandeln Sonnenlicht – ähnlich wie bei der Photosynthese – mit Hilfe eines organischen Farbstoffes in elektrisch angeregte Ladungsträger um. Transparenz und Farbe sind variabel herzustellen. Diese Zellen sind jedoch noch nicht marktreif.

Neben Glas als Trägermaterial für Solarzellen in Dünnschichttechnologie kommen auch andere Materialien in Frage, die die hohen Aufdampftemperaturen bis um 500 Grad vertragen. Als alternative Trägerschicht eignen sich Edelstahlfolien z.B. aus Titan, bestimmte Polymerfolien oder Keramikplatten. Die industrielle Umsetzung dieser Produkte ist jedoch noch nicht erreicht.

Zellfarben

Die Farbigkeit von Solarzellen ist – unabhängig von der Herstellungsweise – aus physikalischen Gründen eingeschränkt. Je dunkler die Farbe, desto höher die Absorption des Lichtes und desto höher die Energieausbeute: Photovoltaikmodule mit kristallinen Siliziumzellen liegen standardmäßig im blauen Farbspektrum. Photovoltaikmodule mit amorphen Siliziumzellen sind rötlichbraun. Solarzellen aus alternativen Halbleitern sind meist schwarz, bei Cadmium-Tellurid mit einem grünlichen Schimmer oder bei Kupfer-Indium-Diselenid mit einem bräunlichen Schimmer. In der Dünnschichttechnologie sind Farbvariationen je nach Qualität der Absorberschicht prinzipiell möglich.

Bei kristallinen Siliziumzellen reichen die technologisch machbaren Farben von blaugrün über goldgelb bis magentarot. Graue Zellen sind ebenfalls möglich, wenn man wie bei den anderen nicht-blauen Zellen Ertragseinbußen in Kauf nimmt: Je heller die Absorberfläche, desto mehr Licht wird reflektiert und kann nicht zur Energieerzeugung verwendet werden.

Modulaufbau

Da der Ertrag einzelner Solarzellen nur gering ist, wird eine große Zahl von Zellen in sogenannten Modulen elektrisch verschaltet. Dazu werden sie zwischen Gläsern oder Folien eingebettet (laminiert). Die Lamination dient dem mechanischen Schutz der empfindlichen Solarzellenschicht. Der Herstellungsprozess ist ähnlich wie in der Verbundglastechnologie.

Kontaktbändchen führen bei kristallinen Siliziumzellen von einer Zelle zur nächsten und am Ende der Kette zur Anschlussdose. Bei den Dünnschichtmodulen verbindet eine elektrisch leitende Schicht die einzelnen Zellstreifen, so dass nur zwei Kontaktbändchen am Modulrand für die Verbindung zur Anschlussdose nötig sind.

Auch die Leistung eines einzelnen Moduls reicht meist nicht zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers. Miteinander verschaltet ergeben mehrere Module einen Solargenerator, der den Strombedarf von elektrischen Geräten decken oder zumindest unterstützen kann. Eine Anlage mit einer Nennleistung von einem Kilowatt liefert in unseren Breitengraden einen Jahresertrag zwischen 700 und 800 Kilowattstunden. Oder anders ausgedrückt: ein Quadratmeter Generatorfläche – bei einem Systemwirkungsgrad von 10 % und optimaler Generatorausrichtung – 100 Kilowattstunden.

Sonnenschutz und Blendschutz

Da ein großer Teil der solaren Einstrahlung von den Zellen absorbiert wird, ist der Gesamtenergiedurchlasswert (g-Wert) von Verbundgläsern mit einer Solarzellenschicht geringer als bei herkömmlichen Verbundgläsern. Die Gläser eignen sich daher hervorragend zum Sonnen- und Blendschutz. Je nach Abstand der Zellen können die Paneele zur Tageslichtnutzung eingesetzt werden. Der Lichtdurchlassgrad muss mit der Wirksamkeit des Moduls abgestimmt werden, denn je höher die Transparenz, desto geringer die elektrisch wirksame Fläche. Die Photovoltaikmodule werden zum Lichtfilter, der – je nach den optischen Eigenschaften der Abdeckscheiben – farbneutrales Licht durch die Zellzwischenräume ins Rauminnere lässt.

Kristalline Siliziumzellen liegen im allgemeinen in einem Abstand von 25 mm. Dies erzeugt eine Art Karo-Muster mit expressiven Licht-Schatten-Spielen im Rauminneren. Ein Standardmodul, in dem die 150 x150 mm2 großen Siliziumzellen im Abstand von 2-3 mm verlegt sind, hat eine Lichttransmission von rund 10 %. Das genügt, um Bereiche ohne besondere Tageslichtanforderungen, z.B. Treppenhäuser oder Foyers, partiell ausreichend zu belichten.

Dünnschichtzellen sind flexibler in den geometrischen Abmessungen. Die Zellen bestehen aus 4-20 mm breiten Streifen im Abstand von 0,2-0,3 mm. Der kaum sichtbare Zellabstand bewirkt, dass ab einem Abstand von 2 Metern die Fläche optisch zu einem einheitlichen Ganzen verschmilzt.

Die Dünnschichtmodule eignen sich deshalb besonders gut für einen wirksamen Blendschutz. Je nach erforderlicher Transparenz werden kleine Bereiche der elektrisch aktiven Beschichtung entfernt. Die dabei entstehenden Muster sind sehr fein mit einer Lochgröße im Millimeterbereich oder schmalen, durchsichtigen Streifen. Die Belichtung im Rauminneren wird kontrastarm, blendfrei und homogen.

Neue Entwicklungen

Mit der Solarzelle ist ein neues Baumaterial (aus der Halbleiterphysik) und ein neues Bauprodukt (die Module) in die Architektur eingezogen. Besonders die neuen Entwicklungen in der Dünnschichttechnologie versprechen vielfältige Gestaltungspotenziale, da Texturen und Strukturen dem baulichen Kontext angepasst werden können.

Das Erscheinungsbild der Module hängt von Oberfläche und Struktur des Deckglases ab. Um eine hohe Moduleffektivität zu erreichen, ist eine gute Transmission bis auf die Zelloberfläche nötig. Die dunkle Oberfläche der Module resultiert aus der optischen Kopplung von Zellen und Glas, selbst wenn farbige Deckgläser verwendet werden. Dies kann durch eine Luftschicht vermieden werden. Dann wird die Modulfarbe von der Kombination der Zellfarbe und dem Deckglas bestimmt. Ist das Glas zudem rau und texturiert, reduziert das die bislang störende Reflektion. Raumseitig entstehen neue Farben, wenn sich das Grau der Zellrückseite mit einem farbigen Glas mischt, das rückseitig auf das Trägerglas auflaminiert wird oder wenn auf dem Trägerglas eine hauchdünne Schicht aufgedampft wird, welche über Interferenz einen Farbeindruck erzeugt.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrads wird an neuartigen Zellkonzepten wie billigen amorphen Multispektralzellen (“Tandemzellen” oder “Tripelzellen”) gearbeitet. Mehrere Zellschichten werden bei diesem Herstellungsprozess aufeinander “gestapelt”, wodurch eine hohe Lichtausbeute und Modulwirkungsgrade von mehr als 12 % erzielt werden. Langfristig erscheint es sogar denkbar, die Zellen noch dünner zu machen. Flexible Substrate und noch dünnere Schichten eröffnen weitere neue Anwendungsmöglichkeiten im Bereich von Mobilität und Architektur.

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