Fenster-Solarzellen erreichen 11% Wirkungsgrad

Transparente Module könnten Strombedarf von Gebäuden stark senken

Ein chinesisch-amerikanisches Forschungsteam hat nun funktionale, knapp 50% transparente Photovoltaik-Zellen entwickelt – berichtet die Universität von Michigan am 17.08.2020 in einer Medienmitteilung. Die Forschenden stellten einen neuen Effizienzrekord für farbneutrale, transparente Solarzellen auf und sind damit Wolkenkratzern als Stromquelle einen Schritt näher gekommen.

Das Team erreichte 8,1 % Effizienz und 43,3 % Transparenz mit einem organischen oder kohlenstoffbasierten Design anstelle von konventionellem Silizium. Die Zellen weisen zwar einen leichten Grünstich auf, ähneln aber viel mehr dem Grau von Sonnenbrillen und Autofenstern. “Fenster, die sich auf der Vorderseite jedes Gebäudes befinden, sind ein idealer Standort für organische Solarzellen, weil sie etwas bieten, was Silizium nicht bieten kann, nämlich eine Kombination aus sehr hohem Wirkungsgrad und sehr hoher sichtbarer Transparenz”, so die Professoren Stephen Forrest und Paul G. Goebel.

Gebäude mit Glasfassaden sind üblicherweise mit einer Beschichtung versehen, die einen Teil des Lichts, sowohl im sichtbaren als auch im infraroten Bereich des Spektrums, reflektiert und absorbiert, um die Helligkeit und die Erwärmung im Gebäudeinneren zu reduzieren. Anstatt diese Energie wegzuwerfen, könnten transparente Sonnenkollektoren sie nutzen, um einen Teil des Strombedarfs des Gebäudes zu decken. Die Transparenz einiger bestehender Fenster ähnelt der Transparenz der Solarzellen, über die Forrests Team in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences berichtet.

“Das neue Material, das wir entwickelten, und die Struktur des von uns gebauten Geräts mussten mehrere Kompromisse ausgleichen, um gleichzeitig eine gute Sonnenlichtabsorption, hohe Spannung, hohen Strom, niedrigen Widerstand und farbneutrale Transparenz zu gewährleisten”, sagte Yongxi Li, Assistent in der Abteilung  Elektrotechnik und Informatik.

Das neue Material ist eine Kombination aus organischen Molekülen, die so entwickelt wurden, dass sie im sichtbaren Bereich transparent sind und im nahen Infrarot absorbieren, einem unsichtbaren Teil des Spektrums, der einen Großteil der Energie des Sonnenlichts ausmacht. Darüber hinaus entwickelten die Forscher optische Beschichtungen, um sowohl die aus Infrarotlicht erzeugte Energie als auch die Transparenz im sichtbaren Bereich zu erhöhen – zwei Qualitäten, die normalerweise miteinander konkurrieren.

Die farbneutrale Version des Geräts wurde mit einer Indium-Zinnoxid-Elektrode hergestellt. Eine Silberelektrode verbesserte den Wirkungsgrad auf 10,8%, bei 45,8% Transparenz. Der leicht grünliche Farbton dieser Version ist jedoch bei einigen Fensteranwendungen möglicherweise nicht akzeptabel.

Beide Versionen können in großem Maßstab hergestellt werden, wobei Materialien verwendet werden, die weniger toxisch sind als andere transparente Solarzellen. Die transparenten organischen Solarzellen können auch an lokale Breitengrade angepasst werden, indem man sich die Tatsache zunutze macht, dass sie am effizientesten sind, wenn die Sonnenstrahlen in einem senkrechten Winkel auf sie auftreffen. Sie können zwischen die Scheiben von doppelt verglasten Fenstern eingesetzt werden.

Forrest und sein Team arbeiten an mehreren Verbesserungen der Technologie. Sie untersuchen auch die Wirtschaftlichkeit des Einbaus transparenter Solarzellenfenster in neue und bestehende Gebäude.

Die Forschungsergebnisse werden in den Proceedings of the National Academy of Sciences in dem Artikel “Color-Neutral, Semitransparent Organic Photovoltaics” von Yongxi Li, Xia Guo, Zhengxing Peng, Boning Qu, Hongping Yan, Harald Ade, Maojie Zhang und Stephen R. Forrest veröffentlicht. Dem Team gehören Forscher der North Carolina State University, der Soochow University in China und des SLAC National Accelerator Laboratory an.

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