Letzte Aktualisierung: 03.11.2022

Transparente Solarmodule im Experten-Check

Der Ausbau von Photovoltaik-Anlagen zur Stromerzeugung beschränkt sich überwiegend auf Frei- und Gebäudeflächen. Bei privaten und öffentlichen Gebäuden limitieren die vorliegenden Dachflächen meist die Größe von Solaranlagen. Fassaden und Fenster erweitern das nutzbare Flächenpotential für PV. Jedoch nur, wenn sich die PV-Module in das vorliegende Gebäudekonzept integrieren lassen und keine Sicht- oder Lichtbeeinträchtigung darstellen. Durch gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) in bspw. Fassaden oder etwa transparente Solarzellen können ein höheres Solarpotential realisiert und zusätzliche praktische Funktionen erfüllt werden. Energie-Experten informieren im Folgenden über durchsichtige Solarmodule und klären ihre Vor- und Nachteile der transparenten Module.

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Das Wichtigste in Kürze

  • 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.
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Definition und Abgrenzung

Semitransparente Solarmodule

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.

Transparente Solarmodule

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. Das Verhältnis ist technologieabhängig und nicht linear, dennoch lässt sich sagen, dass der Wirkungsgrad einer durchsichtigen Solarzelle mit zunehmender Transparenz abnimmt.

Im Segment der durchsichtigen Solarmodule bestehen folgende wesentliche Technologien:

Aufbau von semitransparenten Solarmodulen

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.

Bauweise von transparenten Solarzellen: Technologien im Vergleich

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

Transparente Solarzellen aus organischen Halbleitermaterialien

Die weltweit erste transparente Solarzelle bestand aus organischen Halbleitermaterialien. Durch die Anpassungsfähigkeit organischer Halbleiter ermöglichen organische Solarzellen eine Durchlässigkeit des sichtbaren Lichts. Diese transparenten Solarzellen erzeugen durch die solare Strahlung im Nahinfrarot- und Ultraviolett (UV)-Spektrum Strom. Die Energie der Photonen im Nahinfrarot- und UV-Spektrum ist im Vergleich zum sichtbaren Lichtspektrum geringer. Transparente PV-Module aus organischen Materialien liefern aus dem Grund geringere Leistungswerte als kristalline Solarmodule.

Die Forschung und Entwicklung arbeitet an der maximalen Nutzung der Nahinfrarot-und UV-Strahlung, sodass die Wirkungsgrade von organischen durchsichtigen Solarmodulen sich denen der herkömmlichen Solarmodule schrittweise nähern. Der höchste Wirkungsgrad einer organischen durchsichtigen Solarzelle liegt derzeit bei rund 15 %. Der Transmissionswert, also die Transparenz, liegt bei rund 30 %.

Dünnschicht Cadmium-Tellurid Solarmodule

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.

Transparente Solarmodule aus kristallinem Silizium

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).

Farbstoffsolarzellen (auch Grätzel-Zellen)

„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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Vor- und Nachteile von transparenten Solarmodulen

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.

Durchsichtige Solarmodule: Vorteile auf einen Blick

  • 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)

Nachteile durchlässiger Solarzellen

  • 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

Der Preis für transparente PV-Module

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 Wp kostet rund 712 Euro, das Solarwatt Panel Vision Sky 180 Wp 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 Wp 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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Häufige Fragen (FAQ) zu Transparente Solarmodule

Welche Vorteile liefern transparente Solarmodule?

Transparente PV-Module überzeugen durch breite Anwendungsmöglichkeiten und eine hohe Variabilität in Größe und Form. Sie erfüllen gleich mehrere Funktionen. Die transparenten Baumaterialen können Fenster- oder Dachflächen bekleiden und zusätzlich Solarstrom erzeugen.

Wie viel kostet ein durchsichtiges Solarmodul?

Echte transparente Solarmodule sind kaum am Markt erhältlich. Die günstigsten Cadmium-Tellurid-Solarmodule kosten zwischen 60-1.200 Euro, je nach Größe, Transparenz und Form. Weitere Technologien befinden sich in der Forschungs- und Entwicklungsphase.

Was ist beim Kauf zu beachten?

Es gibt semitransparente und transparente Solarmodule. Semitransparente Solarmodule bestehen meist aus kristallinen Solarzellen und durchsichtigen Verbundmaterialien. Semitransparente Solarmodule spenden Schatten und schützen vor Wind und Wetter. Transparente Solarmodule ermöglichen Durchsicht und Lichteinfall. Vor dem Kauf sollten die gewünschten Funktionen klar sein.

Wie effizient sind transparente Solarzellen?

Organische transparente Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von rund 15 %, Dünnschicht CdTe-Solarzellen erreichen zwischen 10-13 %, durchsichtige Grätzel-Zellen erreichen 15,2 % und Silizium-Solarzellen mit Mikrostruktur erreicht eine Effizienz von 12,2 %. Es handelt sich um bestätigte Laborwerte unter Standardtestbedingungen (STC).

Projekte in der Praxis

Nachhaltige Energieversorgung durch Solaranlage und organische Photovoltaik in Glas-Balkonbrüstungen (Foto: ARMOR ASCA)

Transparente Solarmodule in Stuttgart

Stuttgarter Wohnungen nutzen organische Photovoltaik. Die so gewonnene elektrische Energie aus den insgesamt 10 kWp OPV-Elementen (Operationsverstärker) in den Glas-Balkonbrüstungen steht den Bewohnerinnen und Bewohnern im Haus dann zu anderen Tageszeiten günstig zur Verfügung. Hier finden Sie den ganzen Projektbericht ✓

3108 Experten

1 Experten

Das Bild zeigt das Solarcarport von Porsche auf Sylt.

Solarcarport aus semitransparenten Solarmodulen auf Sylt

Mithilfe des Sonnenlichts können Autos auf Sylt nachhaltig betrieben werden. Die Porsche AG hat nämlich eine besondere Photovoltaikanlage in Sylt entstehen lassen: Ein Solarcarport spendet Schutz vor Wind und Wetter, während das Dach saubere Energie für die Fortbewegung gewinnt. Weitere Informationen zu diesem tollen Projekt!

Solar-Fassade am Kulturhaus Milbertshofen

In Milbertshofen-Am Hart, dem 11. Stadtbezirk Münchens, sticht am Curt-Mezger-Platz das Kulturhaus Milbertshofen sofort ins Auge. Schuld daran ist nicht nur das Rot der Fassade des Kulturhauses, sondern auch die mit Glas und Solarmodulen eingefasste Südfassade des Foyers und Cafés. Hier finden Sie den ganzen Projektbericht ✓

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