Semitransparente Solarmodule: Aktuelle Technologien und Kosten im Vergleich

• Was sind semitransparente Solarmodule? Kristalline Solarzellen absorbieren das für den Menschen sichtbare Lichtspektrum. Demnach können konventionelle c-Si Solarzellen per se nicht durchsichtig sein. Allerdings kann der Grad der Lichtdurchlässigkeit eines c-Si Solarmoduls durch den Aufbau des Moduls bzw. der Solarzellen bestimmt werden. Ein durchsichtiger Verbundstoff zwischen den Solarzellen ermöglicht teilweise durchsichtige Solarmodule aus c-Si. Diese werden auch halb- bzw. semitransparente Solarmodule genannt.
• Wozu eigenen sich halb durchsichtige Solarmodule? Semitransparente Solarmodule eignen sich besonders für den Einsatz bei Carports, Vordächern oder Terrassenüberdachungen. Die ästhetischen Argumente der semitransparenten PV sind hier zusätzlich ausschlaggebend.
• Vorteile semitransparente Solarmodule: Mithilfe von semitransparenten Photovoltaik-Anwendungen auf Glasflächen von Gebäuden, Gewächshäusern oder Fahrzeugen können nutzbare Flächen für eine klimafreundliche Energieversorgung erheblich erweitert werden.
• Nachteile: Der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Solarmodulen ist geringer. Im Allgemeinen gilt der Kompromiss: Lichtdurchlässigkeit vs. Leistungsfähigkeit. Zusätzlich ist die Verfügbarkeit auf dem Markt begrenzt.
• Preise für eine einzelne Kleinanlage mit semitransparenten Solarmodulen schwanken zwischen 400 und 700 Euro. Ein ganzes Solar-Terrassendach mit transparenten Zellen kann bis zu 30.000 Euro kosten.

Konventionelle c-Si Solarzellen können per se nicht durchsichtig sein. Je größer die Verbundfläche zwischen c-Si Solarzellen, desto höher die Lichtdurchlässigkeit eines semitransparenten Solarmoduls und desto geringer die flächenspezifische Leistung. Der Aufbau eines semitransparenten Solarmoduls aus kristallinem Silizium bestimmt den Grad der Lichtdurchlässigkeit. Je höher die Dichte an Solarzellen pro Fläche, desto geringer die Lichtdurchlässigkeit bei semitransparenten Solarmodulen. Semitransparente PV-Module überzeugen durch breite Anwendungsmöglichkeiten und eine hohe Variabilität in Größe und Form.

Herkömmliche PV-Module bestehen meist aus Silizium (c-Si). Das Halbleitermaterial hat sich aufgrund der natürlichen maximalen Wirkungsgrade und der Materialkosten in der Produktion von Solarzellen durchgesetzt. Kristalline Solarmodule überzeugen durch Leistungsstärke, Langlebigkeit und wirtschaftliche Effizienz, sodass sie die erste Wahl bei privaten und kommerziellen Photovoltaikanlagen sind.

Kristalline Solarzellen absorbieren das für den Menschen sichtbare Lichtspektrum. Das ist auch gut so, denn die Photonen im sichtbaren Lichtspektrum weisen eine höhere Energie auf als die im Nahinfrarot-Bereich, sorgen also für eine höhere Solarstromerzeugung. Mit einer steigenden Energie der Photonen nimmt der Absorptionskoeffizient in der Solarzelle zu. Demnach können konventionelle c-Si Solarzellen per se nicht durchsichtig sein.

Allerdings kann der Grad der Lichtdurchlässigkeit eines c-Si Solarmoduls durch den Aufbau des Moduls bzw. der Solarzellen bestimmt werden. Ein durchsichtiger Verbundstoff zwischen den Solarzellen ermöglicht teilweise durchsichtige Solarmodule aus c-Si. Diese werden auch halb- bzw. semitransparente Solarmodule genannt.

Der Verbundstoff kann beispielsweise aus bruch- und witterungsbeständigem Glas, Polyvinylfluorid (PVF), Ethylenvinylacetat (EVA) oder Polyvinylbutyral (PVB) bestehen.

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Die transparenten Solarmodule lassen sich durch die Durchlässigkeit von sichtbaren Lichtstrahlen charakterisieren. Das für den Menschen sichtbare Lichtspektrum strahlt teilweise bis vollständig durch die Solarzellen. Für die verschiedenen durchsichtigen PV-Module gilt die Faustregel: Je höher die Transparenz, desto geringer die Effizienz.

Im Segment der durchsichtigen Solarmodule bestehen folgende wesentliche Technologien:

• Transparente Solarzellen aus organischen Halbleitermaterialien
• Durchsichtige PV-Module aus Cadmium-Tellurid
• Mikrostrukturierte c-Si Solarzellen mit feinen Löchern
• Farbstoffsolarzellen (auch Grätzel-Zellen)

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Semitransparente Solarmodule eignen sich besonders für den Einsatz bei Carports, Vordächern oder Terrassenüberdachungen. In der Regel bilden kristalline Solarzellen aus Silizium den stromerzeugenden Part in den Solarmodulen. Diese sorgen unterhalb des Solarmoduls für Schatten. Die Größe und Häufigkeit der Verbundfläche gewährleisten die Lichtdurchlässigkeit. Je höher die Dichte an Solarzellen pro Fläche, desto geringer die Lichtdurchlässigkeit.

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Die Technologie- und der Forschungsfortschritt bestimmen die Leistung von semitransparenten Solarzellen. Der Grad der Lichtdurchlässigkeit (Transmission) von semitransparenten Solarzellen steht im Verhältnis zur Effizienz. Das Verhältnis ist technologieabhängig und nicht linear, dennoch lässt sich sagen, dass der Wirkungsgrad einer semitransparenten Solarzelle mit zunehmender Transparenz abnimmt.

• Transmissionswerte von 20-30 %: stark getöntes Glas, ideal für den Einsatz in Fahrzeugen und Gebäuden.
• Transmissionswerte von 30-50 %: leicht getöntes Glas, für den Einsatz in Gebäuden, Fahrzeugen und Spezialkulturen bei  Agri-Photovoltaik
• Transmissionswerte von 50+ %: volltransparenteFenster, Großflächige Anwendung von Agri-Photovoltaik

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Je nach bevorzugter Eigenschaft bieten sich vielfältige Anwendungsbereiche. So stellt der Einsatz von semitransparenten Solarmodulen in Gewächshäusern, Terrassenüberdachungen, Oberlichtern, Glasfassaden und Vordächern Vorteile im privaten Sektor dar. Im industriellen Bereich ist der Einsatz von semitransparenten Solarmodulen besonders in Fahrzeugen undgebäudeintegrierter Photovoltaik interessant.

Für die Landwirtschaft ergeben sich durch semitransparente PV-Module neue Chancen. Die Verwendung in der Agri-Photovoltaik könnte im Zuge zunehmender Wetter-Extrema sowohl Erträge im Anbau sichern und steigern als auch wirtschaftliche Erträge durch die zusätzliche Solarstromerzeugung generieren.

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• Ästhetik und Design
• Günstiger und umweltfreundlicher Solarstrom
• Breite Anwendungsmöglichkeiten (Carport, Gewächshaus, Wintergarten, Überdachung, Balkonbrüstung, Fenster, Fassade, Elektromobilität, Agri-Photovoltaik, BIPV)
• Vielfältig in Form und Gestalt (Form, Größe, Farbe, Flexibilität)

• Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Solarmodulen geringer
• Kompromiss: Lichtdurchlässigkeit vs. Leistungsfähigkeit
• Verschmutzung auf flachen Gewerken
• Verfügbarkeit am Markt begrenzt

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Bei den am Markt erhältlichen semitransparente Solarmodule wird die Lichtdurchlässigkeit durch das Verbundmaterial erreicht. Präsente Anbieter für semitransparente Solarmodule sind Aleo und Solarwatt. Das Aleo Isolante 200 W_p kostet rund 712 Euro, das Solarwatt Panel Vision Sky 180 W_p ist ab 425 Euro erhältlich.

Ein solares Terrassendach (6m x 6m) mit semitransparenten Solarmodulen kostet inkl. Montage bei Holzaufständerung rund 30.000 Euro. Mit 32 Solarmodulen a 180 W_p erzeugt das Terrassendach jährlich rund 4.924 kWh Solarstrom. Die Kosten sollen sich nach Angaben des Herstellers Solarterrassen und Carportwerk GmbH nach 13 Jahren amortisieren.

Das Interesse in Forschung und Entwicklung an semitransparenten Solarmodulen nimmt stark zu. In den nächsten Jahren ist somit mit verschiedenen Technologien für semitransparente Solarmodule zu rechnen.

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Karlsruher-Institut für Technologie (KIT) forscht im Projekt "SEMTRASOL" an semitransparenten organischen Solarzellen mit präzise einstellbaren Absorptionseigenschaften und hohem Wirkungsgrad. Ziel ist es, die nutzbaren Flächen für eine klimafreundliche Energieversorgung zu erhöhen und Photovoltaik-Anwendungen auf Glasflächen von Gebäuden, Gewächshäusern oder Fahrzeugen zu ermöglichen.

Die organischen Solarzellen sind leicht, ungiftig, unabhängig von seltenen Rohstoffen und können preisgünstig sowie großflächig gedruckt werden. Die Wirkungsgrade von bis zu 20 Prozent können durch die Entwicklung neuartiger Akzeptoren erreicht werden. Durch die semitransparente Herstellung lassen sich Flächen mehrfach nutzen, zum Beispiel in der Agrivoltaik oder bei der Energieerzeugung an Fensterfronten von Gebäuden.

Das Projekt "SEMTRASOL" zielt auf die doppelte Flächennutzung ab und beinhaltet das Maßschneidern der Transparenz, eine druck- und skalierbare Bauelementarchitektur, die Verwendung neuester Materialien und eine umweltfreundliche Herstellung.

Weitere Informationen finde Sie bei dem Karlsruher-Institut für Technologie.

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