Gebäudeintegrierte Photovoltaik 10. Feb 2022 Von Stephan W. Eder

Solar am Gebäude: Perowskitzellen stark für die Optik

Die Wissenschaft hat farbige Solarzellen aus Perowskit-Halbleitermaterial entwickelt, die die Optik bekannter Baumaterialien imitieren. Diese könnten in Zukunft in Gebäudefassaden oder Dächer integriert werden. Nur: Wie stark beeinträchtigt die Farbschicht die Stromerzeugung?

Solarzellen als Baumaterial? Ein Forschungsteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelte mit der Firma Sunovation Perowskitsolarmodule in Marmoroptik für Gebäudefassaden.
Foto: Amadeus Bramsiepe, KIT

Perowskit-Solarzellen gelten seit vielen Jahren als mögliche Nachfolgetechnologie für die heute den Markt dominierenden siliziumbasierten Zellen und Module. Im Labor erreichen Forscherinnen und Forscher heute schon einen Wirkungsgrad von 25 % – und das bei kostengünstigeren Ausgangsstoffen und einfacheren Herstellungsmethoden als die ähnlich effizienten Siliziumsolarzellen. Aber der Schritt in die Massenfertigung ist groß.

Rekordwirkungsgrad für beidseitig kontaktierte Solarzelle

Am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat das Team um Ulrich W. Paetzold jetzt eine weitere Stärke der Perowskitzellen herausgefunden: Sprüht man die nämlich mit einer hauchdünnen Farbschicht ein, damit sich die Zellen zum Beispiel besser in die Optik einer Fassade integrieren, wird der Wirkungsgrad zwar eingeschränkt, ist für diese Anwendung aber immer noch sehr gut. Doch dazu später mehr.

Perowskitsolarzellen in Marmoroptik bringen es auf 14 % Wirkungsgrad

Bisher ist die Technik aber erst im kleinen Maßstab erfolgreich. „Eine zentrale Hürde für den Markteintritt der Technologie ist es – neben der Stabilität, den auf kleinen Flächen erzielten hohen Wirkungsgrad auf große Flächen zu übertragen“, so Paetzold. Nur so könne die Technologie jedoch zur Entwicklung von kosteneffizienten Solarmodulen führen. Die Perspektive sei attraktiv, denn eben solche könnten massenhaft in noch ungenutzte Gebäudeteile wie Fassaden integriert werden.

Solar: Wirkungsgrade von Photovoltaikzellen lassen sich weiter steigern

Für eine solche Nutzung spielt neben Kosten und Wirkungsgrad insbesondere auch die Ästhetik eine wichtige Rolle spielt. Deshalb untersuchte das Forschungsteam um Paetzold zusammen mit Sunovation eine Tintenstrahldrucktechnik. Das auf gebäudeintegrierte Solarzellen spezialisiere Unternehmen konnte damit die Perowskit-Solarmodule einfärben. Vorteil dieser Technik: Die Färbung der Module per Tintenstrahldruck ist kostengünstig und auch für größere Flächen geeignet.

Konkret ließen sich für Perowskit-Minimodule, bedruckt mit weißer Marmoroptik, ein Wirkungsgrad von 14 % erreichen, und damit rund 65 % des ursprünglichen Wirkungsgrads. „Für in gebäudeintegrierte Photovoltaik gilt: Eine integrierte Solarzelle mit geringer Effizienz ist besser als eine Wand, die gar keinen Strom liefert. Ein Wirkungsgrad von 14 % ist da enorm“, sagt KIT-Forscher und Projektkoordinator Helge Eggers.

Farbeindruck bedruckter Perowskitsolarzellen ist unabhängig vom Lichteinfall

Der gewählte Ansatz hat einen weiteren erheblichen Vorteil: „Bisher war bei der Herstellung von farbigen Perowskitsolarzellen der farbliche Eindruck der Solarzelle für den Betrachter stark vom Winkel des einfallenden Lichts abhängig“, so Eggers. Das sei jetzt anders, mit dem neuen Verfahren sehe die Farbe immer gleich aus.

„Kein Dach mehr ohne Photovoltaikmodule“

Die Technik hat das IMT-Team für die Perowskitzellen adaptiert, sie kommt ursprünglich bei Solarmodulen aus Silizium zum Einsatz. Die Sunovation Produktion GmbH aus Elsenfeld setzt sie seit Jahren für ihre farbigen Module mit Siliziumzellen ein. Siliziumzellen absorbieren das Licht in einem anderen Spektralbereich als Perowskitzellen, daher wirkt sich ein und derselbe Farbauftrag auch bei den beiden Zelltypen verschieden auf den Wirkungsgrad aus. Für jede Zelltechnologie sind hier die Farbmuster für einen möglichst geringen Wirkungsgradverlust also individuell zu bestimmen.

Die Tintenstrahldrucktechnik hat zudem den Vorteil, dass sie die marmorierte Farbgebung überhaupt erst ermöglicht. So lassen sich Optiken verschiedenster Baumaterialien aufbringen. Viele werden das von bedruckten Fliesen kennen. „Das Ziel von gebäudeintegrierter Photovoltaik ist es, photovoltaische Systeme nicht auf Dächer oder Fassaden zu montieren, sondern diese (in der Regel zumindest Teile der Dächer oder der Fassaden, Anm. d. Red.) durch Module zu ersetzen und damit zusätzliche Kosten zu vermeiden“, sagt Eggers. Damit einhergehend werden dann Einbußen beim Wirkungsgrad in Kauf genommen.

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