Photovoltaik spielt eine entscheidende Rolle für die Energiewende – sei es auf dem Hausdach oder in großen Anlagen.

(WK-intern) – Dennoch bleiben Herausforderungen: Die Effizienz von Solarmodulen lässt immer noch zu wünschen übrig; Für Photovoltaik sind große Flächen nötig, und trotz der positiven Umweltbilanz verbraucht die Produktion der Module viel Energie.

Zum Glück stehen Erfindungen in den Startlöchern, die diese und andere Probleme lösen. Einige klingen wie Science-Fiction – andere sind bereits verfügbar und könnten in den nächsten Jahren marktfähig werden.

Mehrfachzellen

Mono- und polykristalline Solarzellen können nur einen kleinen Teil des Lichtspektrums nutzen. Der Rest passiert die Zelle entweder ungenutzt oder wird in Wärme umgewandelt. Dementsprechend fällt  der Wirkungsgrad mit 15–22 % eher mager aus. Um gewinnbringend Strom zu erzeugen, müssen viele Zellen im Verbund genutzt werden. Das treibt die Kosten sowie den Flächenbedarf in die Höhe.

Kaum überraschend ist die Effizienzsteigerung seit langem der „heilige Gral“ der Photovoltaik. Während Mono- und polykristalline Zellen ihr Maximum so gut wie erreicht haben, arbeiten Forscher bereits an Alternativen.

Als Hoffnungsträger gelten sog. Mehrfachzellen aus verschiedenen Halbleiterschichten. Der Clou: Jede dieser Schichten nutzt andere Spektralbereiche des Lichts, um Strom zu erzeugen. 2022 ist es dem Fraunhofer Institut gelungen, die weltweit leistungsstärkste Solarzelle herzustellen. Diese bringt es mithilfe verbesserter Kontaktschichten und einer Antireflexionsbeschichtung auf einen Wirkungsgrad von 47,6 %. Bis jetzt wird dieser Wert zwar nur unter Laborbedingungen erreicht, und marktreif sind die Module noch nicht. Wenn es jedoch so weit ist, könnten Mehrfachzellen wesentlich mehr Strom pro Quadratmeter erzeugen. Das würde das Platzproblem lösen und die Kosten für Photovoltaik weiter sinken lassen.

Perowskit-Solarzellen

Eine weitere Möglichkeit, die Effizienz von Solaranlagen zu steigern, stellen Perowskit-Zellen dar. Diese bestehen aus ferroelektrischen Materialien und liefern bereits jetzt einen Wirkungsgrad von 29 % – deutlich mehr als ihre mono- und polykristallinen Pendants. Darüber hinaus können Perowskit-Kristalle einfach per Sprühen, Streichen oder Drucken auf eine leitende Unterlage aufgetragen werden. Das reduziert nicht nur die Kosten, sondern auch den Energieverbrauch, da das aufwändige Schmelzverfahren von Silizium-Zellen wegfällt.

Warum also kommen Perowskit-Zellen noch nicht in der Praxis zum Einsatz? Die Antwort liegt in den Kristallen, die empfindlich auf Umwelteinflüsse reagieren. Nicht nur Sauerstoff und Feuchtigkeit stellen ein Problem dar. Leider beschleunigen auch Wärme und ausgerechnet Sonnenlicht den Zerfall der Kristalle, sodass ihre Lebensdauer noch weit unter der von Silizium-Zellen liegt.

Eine Lösung besteht darin, die Zellen vor äußeren Einflüssen zu schützen – etwa durch die Einbettung zwischen zwei Glasscheiben. Dieser Ansatz wird aktuell vom IFAF in Berlin erforscht. Wesentlich skurriler wirkt auf den ersten Blick ein Projekt der Queensland University of Technology in Australia (QUT). Dort erzeugten Forscher winzige Kohlenstoff-Partikel aus menschlichen Haaren, um die Perowskit-Kristalle stabiler zu machen – mit messbarem Erfolg. Dennoch dürfte es Experten zufolge noch einige Jahre dauern, bis diese Technologien einsatzbereit sind.

Solarmodule aus Abfällen

Auch wenn Solarenergie als nachhaltige Alternative zu Öl und Gas gilt – ganz ohne Umweltprobleme kommen die Module aktuell noch nicht aus. So verschlingt die Aufbereitung von Silizium viel Energie. Bei der Produktion von Dünnschichtmodulen wird klimaschädliches Stickstoff-Fluorid (NF3) ausgestoßen, und auch das Recycling stellt eine Herausforderung dar.

Als Hoffnungsträger gilt eine Erfindung aus den Philippinen: Dort gelang es dem Studenten Carvey Ehren Maigue, Solarzellen aus Ernteabfällen herzustellen. Möglich machen es fluoreszierende Partikel, die beispielsweise in verrottetem Obst und Gemüse enthalten sind. Diese Partikel lassen sich extrahieren und in einer Harzschicht einbetten. Bei Kontakt mit Sonnenstrahlen erzeugen sie dann Strom – und das sogar, wenn es bewölkt ist. Erste Tests zeigen: Die Solarfolie mit dem Namen AuREUS kann 20–50 % länger arbeiten als herkömmliche Module und ist noch dazu leicht und flexibel.

Auch für Landwirte ergibt sich ein Vorteil: Sie könnten ihre organischen Abfälle zukünftig an Stromerzeuger verkaufen, statt sie wegzuwerfen. Dies macht AuREUS vor allem für Länder mit häufigen Ernteausfällen interessant. Bei allem Optimismus bleibt jedoch eine wichtige Frage: Erzeugt der Solarfilm ausreichend Strom, um es mit kristallinen Zellen aufnehmen zu können?

Bewegliche Solarzellen

Starre Solarzellen haben einen Nachteil: Sie können sich nicht an den Stand der Sonne anpassen und erzeugen somit zu bestimmten Zeiten weniger Strom.

Dass es auch anders geht, zeigt ein Beispiel aus der Natur: die Sonnenblume. Diese Pflanze dreht und neigt ihre Blätter so zur Sonne, dass die Strahlen immer im optimalen Winkel auftreffen.

Lässt sich das Prinzip auch für die Stromgewinnung nutzen? Ja – eine US-Firma namens SmartFlower macht es vor. Das gleichnamige System sieht nicht nur wie eine Blume aus. Es kann seine blätterartigen Solarmodule auch drehen und neigen. Bei zu starken Winden klappt sich die Anlage aus Sicherheitsgründen zusammen, und sogar eine Selbstreinigung ist mit von der Partie. Zusätzlich sorgen Abstände zwischen den Modulen für ausreichende Belüftung.

Die Effizienz von SmartFlower kann sich sehen lassen: So liefert eine einzige Anlage im Jahr durchschnittlich 4.000–6.200 kWh Ertrag – genug, um einen Vier Personen-Haushalt zu versorgen. Ein Problem stellt aktuell noch der Platzbedarf dar: Nicht jeder Hausbesitzer verfügt im Garten über die erforderliche Fläche von 27 m², die noch dazu unverschattet sein sollte. Der Preis liegt aktuell über dem konventioneller Solaranlagen, und aufgrund der vielen beweglichen Teile drohen Kosten durch Verschleiß.

Ob sich SolarFlower in nächster Zeit unter Privatkunden durchsetzen wird, ist deshalb fraglich. Eher schon liegt der Einsatz im öffentlichen Raum nahe, wo genug Fläche zur Verfügung steht. In Parkanlagen beispielsweise könnten solare Blumen Strom erzeugen und gleichzeitig als Landschaftskunst dienen.

Solarmodule, die nachts arbeiten

Solarenergie funktioniert nur tagsüber – so lautete bisher der Grundsatz. Tatsächlich können die Module nachts keinen Strom erzeugen. Sie strahlen jedoch Infrarotlicht ab, das für uns Menschen unsichtbar ist, und kühlen sich dadurch stärker ab als ihre Umgebung. Genau diesen Temperaturunterschied nutzten Forscher der Universität Stanford zur Stromerzeugung. Mithilfe eines thermoelektrischen Generators konnten sie bereits 50 mW pro Quadratmeter Solarfläche gewinnen.

Zugegeben: Im Vergleich zu den tagsüber erzeugten 200 W fällt dieser Ertrag kaum ins Gewicht. Für wen also eignet sich nächtliche Photovoltaik? Die Forscher denken vor allem an eine sog. „Off Grid“-Anwendung: beispielsweise Haushalte, die Solarzellen verwenden, aber nicht an das Stromnetz angeschlossen sind. Auch abgelegene Systeme wie Wetterstationen kommen infrage. Dort könnten thermoelektrische Generatoren nachts die Stromlücke schließen. Ein Vorteil: Diese Generatoren sind wesentlich langlebiger und umweltschonender als Batterien.

Solare Wandfarbe

Es klingt aktuell noch wie Science-Fiction: eine Farbe, die sich ganz einfach auf der Hauswand auftragen lässt und Strom erzeugt. Tatsächlich jedoch arbeiten Forscher der University of Notre Dame schon länger an einer solchen Solarfarbe. Diese enthält winzig kleine Titandioxid-Partikel, die mit Cadmiumdioxid oder Cadmiumselenid beschichtet und auf einen leitenden Film aufgetragen werden.

Eine ähnliche Lösung wird aktuell vom Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) entwickelt. Auch hier experimentieren die Forscher mit Titandioxid – jedoch in Verbindung mit synthetischem Molybdän(IV)-sulfid. Das Ergebnis ist eine Farbe, die der Luft Feuchtigkeit entziehen und Wassermoleküle aufspalten kann. Neben Sauerstoff bleibt Wasserstoff zurück – ein sauberer Energieträger. 

Werden wir also bald unsere Pinsel in „solare Farbtöpfe“ tauchen, um Wände zu streichen? Vermutlich nicht. Stattdessen dürften entsprechende Produkte als Folien verfügbar sein, die zwar einfach aufgeklebt, aber immer noch verkabelt werden müssen. Auch die Effizienz stellt aktuell noch ein Manko dar, denn Solarfarbe besitzt einen wesentlich geringeren Wirkungsgrad als kristalline Module. Kostenvorteile durch den einfachen Herstellungsprozess sollen diesen Nachteil ausgleichen.

Solarfenster

Solare Fenster sind keine neue Idee. Jedoch standen die Entwickler bisher vor einem Problem: Damit (kristalline) Solarzellen effektiv arbeiten können, müssen sie Photonen absorbieren, also undurchlässig sein. Mit zunehmender Transparenz würde ihre Leistung sinken.

Eine Lösung stellen Fenster dar, die sichtbares Licht durchlassen und zur Stromerzeugung nur ultraviolettes Licht nutzen. Der Strom kann dann von Salzmolekülen zu Solarstreifen am Rand des Fensters weitergeleitet werden. Bereits jetzt werden entsprechende Produkte vom Startup ubiquitous energy angeboten – einem Vorreiter, wenn es um Solarfenster geht.

Einen etwas anderen Weg beschreiten Forscher des Ulsan National Institute of Science & Technology (UNIST). Die Idee: Statt Solarzellen transparent zu machen, werden zahlreiche winzige Löcher in Silizium-Zellen gestanzt. Diese Löcher lassen sich mit bloßem Auge nicht erkennen. Außerdem wird das Licht nicht verfärbt, was bisher noch als Manko solarer Fenster gilt.

Der Wirkungsgrad von Solarfenstern beträgt aktuell etwa 10–12 % und kann es noch nicht mit kristallinen Modulen aufnehmen. Berücksichtigt man jedoch die schiere Menge der weltweit vorhandenen Glasflächen, wird das Potenzial dieser Technologie deutlich. Nicht umsonst schätzen Forscher der Michigan University, dass transparente Photovoltaik bis zu 40 % des Energiebedarfs in den USA decken könnte.  

PM: Max Karänke, von https://www.karaenke.com

Die Zukunft der Solaranergie – spannende Entwicklungen im Überblick / Foto: HB