Transparente Solarmodule im Experten-Check

• Was sind transparente Solarmodule? Diese besonderen PV-Module nutzen spezielle Materialien und Technologien, um Licht durchzulassen, während sie gleichzeitig Energie erzeugen.
• Welche Solarmodule sind transparent? Häufig wird bei transparenten Modulen auf Glas-Glas-Module verwiesen. In bestimmter Bauweise sind diese PV-Module lichtdurchlässig und können Sonnenenergie von beiden Seiten aufnehmen. Das bezeichnet man auch als bifaziale Solarmodule. Transparente Solarzellen können aber auch aus organischen Halbleitermaterialien, aus Cadmium-Tellurid, mikrostrukturierten c-Si Solarzellen mit feinen Löchern, oder Farbstoffsolarzellen (auch Grätzel-Zellen) gebildet werden.
• Wo kommen transparente Solarmodule zum Einsatz? Durchscheinende PV-Module werden bei verschiedenen Arten von Überdachungen verwendet. Im Eigenheim findet man sie häufig als transparenten Solar-Carport, oder sieht transparente Solarmodule auf dem Gewächshaus. Auch als Terassendach oder am Balkon sind sie beliebt.
• Was sind die Voreilte und die Nachteile transparenter Solarmodule?Transparente Solarmodule bieten Vorteile bei der ästhetischen Integration in Gebäude und Fahrzeuge. Ein weiterer Vorteil ist ihre Anwendbarkeit auf gekrümmten Oberflächen. Nachteile transparenter Solarmodule umfassen niedrigere Wirkungsgrade im Vergleich zu nicht-transparenten Photovoltaikzellen, höhere Kosten in der Herstellung und Herausforderungen der Wärmeregulierung, da die durchsichtigen Materialien oft mehr Sonnenlicht durchlassen.
• Preise und kaufen beim Hersteller: Transparente Solarmodule variieren stark in Preis und Leistung, abhängig von Material und Technologie. Semitransparente Module von Aleo kosten etwa 712 Euro (200 Wp) und von Solarwatt etwa 425 Euro (180 W_p). Ein komplettes solares Terrassendach mit semitransparenten Modulen kostet inklusive Montage rund 30.000 Euro und soll sich nach 13 Jahren amortisieren. Sanko-Solar bietet transparente Module aus CdTe-Solarzellen für 60 bis 1.200 Euro an, abhängig von Transparenz, Größe und Form.

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 durchlässigen Solarmoduls aus kristallinem Silizium bestimmt den Grad der Lichtdurchlässigkeit.

Je höher die Dichte an Solarzellen pro Fläche, desto geringer die Lichtdurchlässigkeit bei semitransparenten Solarmodulen. Transparente PV-Module überzeugen durch breite Anwendungsmöglichkeiten und eine hohe Variabilität in Größe und Form. Organische Halbleitermaterialien sind preisgünstig und umweltfreundlich. Forschung und Entwicklung arbeiten mit großem Interesse an der Konkurrenzfähigkeit und Praktikabilität von transparenten Solarmodulen.

Herkömmliche PV-Module bestehen meist aus kristallinem 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 Solarzellenabsorbieren 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 Photonennimmt 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 Technologie und der Forschungsfortschritt bestimmen die Leistung von durchsichtigen Solarzellen. Der Grad der Lichtdurchlässigkeit (Transmission) von transparenten Solarzellen steht im Verhältnis zur Effizienz. Das Verhältnis ist technologieabhängig und nicht linear, dennoch lässt sich sagen, dass der Wirkungsgrad einer durchsichtigen 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+ %: volltransparente Fenster, Großflächige Anwendung von Agri-Photovoltaik

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Dünnschicht Solarzellen aus der kristallinen Verbindung Cadmium-Tellurid (CdTe) ermöglichen durchsichtige Solarmodule. Die absorbierende Schicht in den Solarmodulen ist lediglich wenige Mikrometer dünn. Durchsichtige Solarmodule aus Cadmium-Tellurid erreichen bisher Wirkungsgrade von rund 10-13 %.

Cadmium gehört zu den giftigen und gesundheitsschädlichen Substanzen, weshalb bei der Herstellung der durchsichtigen Solarzellen eine thermische Reaktion mit Tellurid erforderlich ist. Bei rund 800 Grad Celsius gehen Tellurid und Cadmium eine Verbindung ein.

Die Freisetzung von Cadmium kann ausschließlich unter erneuter thermischer Reaktion (bei ca. 800 Grad Celsius) geschehen. Somit ist im Falle eines Brandes denkbar, dass die gesundheitsschädliche Substanz austritt. Die Widerverwertbarkeit bzw. Entsorgung der Solarmodule ist energieintensiv, gesundheitsschädlich und ggfls. umweltschädigend. Die transparenten Solarmodule werden meist in einfacher Bauweise (unisoliertes Verbundglas 7 mm) oder in isolierter Bauweise (30 mm, teilweise Dreifachglas) angeboten.

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Eine Mikrostruktur in den c-Si Solarzellen ermöglicht eine Lichtdurchlässigkeit. Etwa haargroße feine Tunnel in den c-Si Solarzellen erlauben das Durchstrahlen der sichtbaren Solarstrahlen. So wirken die sonst undurchlässigen Solarzellen transparent. Durchsichtige Solarmodule mit dieser Bauweise sind allerdings noch Gegenstand der Forschung. Die School of Energy and Chemistry an der koreanischen UNIST publizierte erstmalig transparente Solarzellen aus c-Si mit einer Effizienz von 12,2 %.

Kangmin Lee, Namwoo Kim, Kwangjin Kim, et al., “Neutral-Colored Transparent Crystalline Silicon Photovoltaics,” Joule, (2019).

Kang, S. B., Salimzhanov, B., Park, W. J., Jeong, M. H., Kim, J.-Y., Choi, K. J., “Colorful Transparent Silicon Photovoltaics with Unprecedented Flexibility,” Adv. Funct. Mater., (2021).

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„Grätzel-Zellen“ zählen zu den Farbstoffsolarzellen (englisch: Dye-sensitized solar cells, kurz: DSCs) und sind in den letzten Jahrzehnten von reinen Forschungsobjekten im Labor bis zur Marktreife entwickelt worden. In ihnen erfolgt die Lichtabsorption im Gegensatz zu den meisten Photovoltaikmodulen durch molekulare Farbstoffe. Diese befinden sich in einer Grätzel-Zelle allerdings nicht in Lösung, sondern werden auf preisgünstigen, leitenden Materialien immobilisiert (z. B. Titandioxid-Partikel).

Die auf diese Weise „kontaktierten“ Pigmente injizieren nach Anregung durch Licht Elektronen in die leitende Schicht, von wo sie Richtung Verbraucher fließen. An diesen Prozess gekoppelte Reaktionen an einer Gegenelektrode sowie der über einen Flüssigelektrolyten vermittelte Elektronenfluss schließen den Stromkreis der Grätzel-Zelle.

Der effiziente Ladungstransport durch das gesamte System und vor allem die Langzeitstabilität der molekularen Farbstoffe stellen noch zu lösende Probleme dar. Farbstoffsolarzellen ermöglichen transparente Solarmodule zu einem günstigen Preis, in fast beliebiger Farbe und Form und mit guter Energieumwandlungseffizienz.

In den letzten Jahren konnten hier aber wichtige Durchbrüche erreicht werden, sodass die erkennbaren Vorteile von Farbstoffsolarzellen in Zukunft in größerem Umfang nutzbar werden könnten. Mit einem Wirkungsgrad von 15,2 % erreichen Forscher:innen der École Polytechnique Fédérale de Lausanne neue Höchstwerte für Farbstoffsolarzellen.

Ren, Y., Zhang, D., Suo, J. et al. Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells. Nature (2022). doi.org/10.1038/s41586-022-05460-z

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

Für die Landwirtschaft ergeben sich durch transparente 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.

• Ästhetik und Design
• Günstiger und umweltfreundlicher Solarstrom
• Breite Anwendungsmöglichkeiten (Carport, Gewächshaus, Wintergarten, Überdachung, Balkonbrüstung, Fenster, Fassade, Elektromobilität, Agri-Photovoltaik, BIPV)
• Organische Halbleitermaterialien sowie Farbstoffsolarzellen sind vergleichsweise günstig und ressourcenschonend
• Variabilität in Form und Gestalt (Form, Größe, Farbe, Flexibilität)

• Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Solarmodulen geringer
• Kompromiss: Lichtdurchlässigkeit vs. Leistungsfähigkeit
• Verschmutzung auf flachen Gewerken
• Wiederverwertbarkeit von Cadmium-Tellurid-Solarmodulen energieintensiv und aufwendig
• Verfügbarkeit am Markt begrenzt

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Bei den am Markt erhältlichen Solarmodulen handelt es sich um semitransparente Solarmoduledurch lichtdurchlässiges Verbundmaterial und transparente Solarmoduleaus organischen und kristallinen Halbleitermaterialien. 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.

Der Anbieter Sanko-Solar bietet neben den transparenten Solarmodulen aus CdTe-Solarzellen auch den Bau von Terrassenüberdachungen, Wintergärten und Weiterem an. Die Module kosten zwischen 60-1.200 Euro, je nach gewünschter Transparenz, Größe, Materialstärke und Form.

Besonders die durchsichtigen Solarzellen aus organischen Halbleitermaterialien und mikrostrukturierte kristalline Solarzellen befinden sich in der Forschung. Der Preis für durchsichtige PV-Module für Endkunden ist bisher noch nicht zu beziffern. Das Interesse in Forschung und Entwicklung an transparenten Solarmodulen nimmt stark zu. In den nächsten Jahren ist somit mit verschiedenen Technologien für transparente Solarmodule zu rechnen.

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