Transparente Solarmodule: Die ästhetische Art der Energiegewinnung

• Transparente Solarmodule integrieren sich unauffällig in die Gebäudearchitektur.
• Flexibilität: In der Architektur, dem Denkmalschutz und der Stadtplanung ist es bereits seit Langem erwünscht, dass Solarmodule durchsichtig werden. Während herkömmliche Module aufgesetzt aussehen, integriert sich ein Photovoltaik Modul in transparenter Ausführung in praktisch jegliche Gebäudearchitektur.
• Halbtransparenz: Wer für eine designorientierte Fassadengestaltung PV durchsichtig machen möchte, findet heute vor allem halbtransparente Solarmodule.
• Durchlässigkeit: Ist ein Photovoltaik Modul transparent, betrifft das in der Praxis lediglich das Trägermaterial. Die Solarzelle selbst ist nicht lichtdurchlässig, wobei auch solche Lösungen bereits auf dem Markt sind – Stichwort Solarfenster.
• Arten: Aktuell sind zwei Arten von PV Modulen transparent. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihres Wirkungsgrads und der Einsatzgebiete.
• Vorteile: Transparente Solarmodule mit kristallinen Dickschicht-Zellen punkten durch Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit. Dünnschichtzellen sind so filigran, dass sie sich biegen lassen und schier unendliche Möglichkeiten der Energiespeicherung eröffnen.

Transparente Solarmodule erlauben eine so gut wie unsichtbare Gebäudeintegration. Die Module bestehen aus lichtdurchlässigen Materialien, wobei nicht die Solarzellen durchsichtig sind. Diese weisen von Haus aus eine geringe Lichtdurchlässigkeit auf. Der transparente Effekt entsteht durch die Einbettung der Solarzellen in transparente Materialien: Das Sonnenlicht bahnt sich seinen Weg zwischen den Zellen sowie an den Rändern des Solarpanels vorbei. Diese Eigenschaften eröffnen eine Vielzahl an Nutzungsoptionen. So lassen sich transparente Solarmodule als Terrassenüberdachung einsetzen, für elegante Häuserfassaden und viele weitere Einsatzgebiete.

Die Idee dahinter: Niemand verunstaltet absichtlich sein Haus, aber Strom auf elegante Weise zu gewinnen, ist aufwendiger als klassische PV-Module einzusetzen. Dafür braucht es die passenden Produkte. Nicht umsonst gibt es für diese Anforderung eine eigene architektonische Disziplin: BIPV, building integrated photovoltaics. Gebäudeintegrierte Photovoltaik bindet Solartechnik harmonisch in die Gebäudehülle ein, mehr noch: Solarmodule werden dann zu Baumaterial – und damit automatisch multifunktional. 

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Individuelle Designs, außergewöhnliche Einsatzgebiete: Ist Photovoltaik durchsichtig, ergeben sich zahlreiche Nutzungsoptionen. Wie multifunktional semitransparente Solarmodule sein können, zeigt folgende Übersicht:

• Fassaden: Semi-transparente Solarmodule an Fassaden sorgen für ein ästhetisches Erscheinungsbild und lassen Licht in das Gebäudeinnere. Für die Energiegewinnung sind Fassadeninstallationen optimal: Aufgrund der Flächengröße sind in der Regel hohe Energieausbeuten möglich.
• Terrassen und Balkone: Transparente Solarmodule am Balkon oder an der Terrasse beeinträchtigen das Gesamtbild kaum. Der Außenbereich wird durch die Paneele kaum verdunkelt. Verbreitet sind etwa transparente Solarmodule als Terrassenüberdachung, die Witterungsschutz bietet und dabei ein lichtdurchflutetes Ambiente gewährleistet.
• Wintergärten und Gewächshäuser: Einen ähnlichen Effekt haben transparente Solarmodule an Wintergärten und Gewächshäusern. Sowohl die Bedachung als auch die Wände bieten sich an.
• Carports: Ist das Carport-Solardach durchsichtig, entsteht nicht nur eine attraktive Optik. Das Fahrzeug wird vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt und es wird Strom erzeugt, der direkt zum Laden von E-Autos zum Einsatz kommen kann.
• Fenster: Hier ist nicht nur das Trägermaterial des Solar-Panels durchsichtig. An Solarfenstern wird geforscht und teilweise sind die Lösungen bereits marktreif.

Gut zu wissen: Bei sog. Indachlösungen übernehmen Photovoltaik-Module zwar einen Teil der Dacheindeckung und ragen nicht heraus, fallen aber oft immer noch auf, etwa wenn schwarze Module nachträglich in rote Ziegeldächer eingesetzt werden. Um sich als nicht-statischer Teil in einen Baukörper einzufügen, also solares Baumaterial zu werden, muss ein Solarmodul möglichst lichtdurchlässig sein.

Wer derzeit nach transparenten Solarmodulen sucht, findet vor allem semi- oder halbtransparente Produkte. 

Es gibt insgesamt vier Modularten:

1. Module mit kristallinen Dickschicht-Zellen 
2. Transparente Dünnschicht-Solarmodule
3. Organische Solarfolien
4. Solarfenster

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In Punkto Langlebigkeit (25 Jahre) und Wirtschaftlichkeit sind Silizium-Module weltweit erste Wahl: 

• Das weit verbreitete transparente Solarmodul besteht aus mono- oder polykristallinem Silizium. 
• Das Halbleitermaterial, mit dem die Module im Innern beschichtet sind, hat sich aufgrund seines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades (20-25 Prozent) in der Produktion von Solarmodulen durchgesetzt.
• Wie lichtdurchlässig semitransparente Solarmodule sind, wird durch die Reihung ihrer Solarzellen bestimmt: Je mehr Abstand sie untereinander haben, desto mehr Licht fällt zwischen ihnen durch. Heißt aber auch: Je dichter sie gesetzt sind, desto höher der Ertrag – und umgekehrt: je weiter auseinander, desto weniger Effizienz. 

Generell gilt, dass der Ertrag semitransparenter Solarmodule geringer ist als der geschlossener Module (14 Prozent).

Der Verbundstoff von semitransparenten Solarmodulen mit kristallinen Dickschichtzellen kann aus bruch- und witterungsbeständigem Glas bestehen wie z.B. bei Autarq-Solardachziegeln: Jede ist ein gradliniger Tondachziegel mit einem exakt angepassten und integrierten Solarmodul. Die Ziegel haben eine hohe mechanische Belastbarkeit (5.400 Pa), sind sicher bei Schnee und Hagel, und begehbar. Das Frontglas besteht aus gehärtetem, strukturiertem Solarglas (3,2 mm). Als Verbundstoffe werden EVA, Polyolefine und Silikon verwendet. Träger- und Verbundmaterialien anderer kristalliner Module bestehen z.B. aus Polyvinylfluorid (PVF), Ethylenvinylacetat (EVA) oder Polyvinylbutyral (PVB).

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Aufgrund ihres Aufbaus und der Art ihrer Solarzellen sind transparente Dünnschicht-Solarmodule wesentlich leichter als kristalline und so dünn, dass sie als sog. Solarfolien auch gebogen werden können.

• Sie brauchen keinen Rahmen und können als Träger- bzw. Verbundmaterial Glas oder Kunststoff verwenden. 
• Damit kann Photovoltaik auch dort Strom erzeugen, wo die Installation schwerer Dickschichtmodule aufgrund der Statik unmöglich wäre. 
• Dünnschichtmodule verbrauchen weniger Material und kosten weniger. Dafür sind sie weniger effektiv (Wirkungsgrad max. 13 Prozent) und benötigen mehr Fläche, um dieselbe Leistung wie Dickschichtmodule zu erbringen.

Wird als Trägermaterial Glas verwendet, kann dieses eingefärbt werden („getönte Volltransparenz“), so dass die maßgefertigten Elemente ganze Fassaden gestalten können, optisch aber kaum mehr als Solarmodule erkennbar sind.

Dünnschicht-Solarzellen werden hauchdünn auf die Trägerschicht aufgesprüht oder aufgedampft, während kristallines Silizium geschnitten werden muss, was mit speziellen Maschinen im Reinst-Raum erfolgen muss. Dabei können zwar Scheiben von lediglich 180–250 Mikrometern Dicke erzeugt werden, die von Dünnschicht-Solarzellen betragen jedoch nur 1–5 Mikrometer. Die Zellen sind also rund hundertmal dünner als herkömmliche kristalline Silizium-Solarzellen. Je nach Art ihrer Solarzellen unterscheidet man amorphe-, Cadmiumtellurium-, CIGS- oder organische Dünnschicht-Module.

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Organische Dünnschicht-Module spielen in der Dünnschicht-Technologie eine Sonderrolle: 

• Ihre Zellen basieren auf Kohlenwasserstoff-Verbindungen
• Organische Solarzellen erzeugen Strom, indem sie den natürlichen Prozess der Photosynthese in Pflanzen nachahmen.
• Es gibt jedoch einen Unterschied. Sie nutzen die Energie der Sonne, um Strom zu erzeugen, anstatt Kohlendioxid und Wasser in Glukose umzuwandeln.

• Auch wenn hier ein vergleichbar niedriger Wirkungsgrad erzielt wird (8 Prozent) und eine transparente Folie noch nicht marktreif ist, handelt es sich um eine Technologie mit viel Zukunftspotenzial. Die Kosten einer Solarzelle, die auf Kunststoff basiert, sind extrem niedrig.
• Ressourcenengpässe wären fortan kein Problem mehr. 
• Nicht zuletzt lassen sich organische Solarzellen auf fast jeder Oberfläche befestigen, z.B. mit einer Klebefläche

Wenn Fenster Strom erzeugen, könnte der weltweite Strombedarf mit diesem zusätzlichen Ertrag locker gedeckt werden. Die USA, wo fast doppelt so viel Strom pro Kopf verbraucht wird wie in Deutschland, könnten mit ihren geschätzt sieben Milliarden Quadratmetern Fensterfläche gut 40 Prozent ihres Stromverbrauchs decken. Zusammen mit PV-Modulen auf Dächern wäre damit der komplette Strombedarf der USA gedeckt.

Was wie Science Fiction klingt, nimmt tatsächlich Form an: In Deutschland, den USA und in Südkorea sind mehrere Forschungsteams dabei, vollkommen transparente Solarfenster zu entwickeln.

Beide Solarfenster nutzen den für das menschliche Auge unsichtbaren Teil des Lichtspektrums, UV- und Infrarot-Strahlen. Aufgefangen werden sie von einer Beschichtung aus organischen Salzmolekülen. Ubiquitos Energy ist es gelungen, diese Moleküle so zu konfigurieren, dass sie die ultravioletten und infrarotnahen Wellenlängen von Licht aufnehmen. Diese Energie wird an den Rand der organischen Schicht geleitet und dort in schmalen Solarzellen-Streifen in Strom umgewandelt. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 10 Prozent. Fachleute schätzen, dass das auch dem maximal Möglichen bei einer späteren Massenproduktion von Solarfenstern entsprechen dürfte.

Zwei andere Ansätze für transparentes Solarglas kommen aus Südkorea. Die erste gelang Forscher:innen der Incheon National University: 

• Auf der Suche nach Alternativen zur herkömmlichen Halbleiter-Technologie entdeckten deren Forscher Titan- und Nickeloxid. 
• Titanoxid absorbiert UV-Licht, Nickeloxid leitet und beide ultra-dünnen Beschichtungen sind absolut durchsichtig – ein vielversprechendes Duo, das sogar bei schlechten Lichtverhältnissen Strom erzeugt, allerdings nur mit 2 Prozent Wirkungsgrad.
• Deshalb wird weiter geforscht, denn die Richtung stimmt, Titan- und Nickeloxid gelten als umweltfreundlich.

Der zweite vielversprechende Ansatz aus Südkorea gelang Forscher:innen vom Ulsan National Institut of Science and Technology: Sie haben klassische, undurchsichtige Silizium-Solarzellen transparent gemacht, ohne deren Wirkungsgrad abzuschwächen.

• Dazu haben sie zahlreiche Löcher mit einem Durchmesser von rund 100 Mikrometern in die Solarzellen gestanzt. 
• Das löst ein weiteres Problem: Transparente Solarzellen haben häufig einen rötlichen Farbstich. Die löchrigen Silizium-Zellen jedoch lassen das Licht ohne jede Verfärbung durch. 
• Der Wirkungsgrad ist erstaunlich hoch: Er liegt bei 12,2 Prozent.

Photovoltaik Module in transparenter Ausführung sind im Kommen. So ist es keine Überraschung, dass transparente Solarmodule Hersteller von PV-Technik immer häufiger im Programm haben. Die Tabelle listet die wichtigsten Hersteller und ihre Produktlösungen auf.

Wer seine PV-Anlage durchsichtig machen möchte, greift aktuell im Schnitt noch tiefer in die Tasche als für Standard-Installationen. Pauschalpreise lassen sich kaum kalkulieren, da jedes Bauprojekt mit transparenten Solarmodulen individuell ist.

Abhängig von der Art des Moduls (Glas-Glas, Folie …) und seiner Nennleistung sind für transparente Photovoltaik-Module-Preise zwischen rund 400 und 1.200 Euro pro Modul zu kalkulieren. Dazu kommen Installationskosten, die anhand der Flächengröße und des Aufwands berechnet werden. Zwei Beispiele: Für eine 6 mal 6 Meter große Terrassenbedachung mit 32 Modulen in einer Glas-Glas-Ausführung sind inklusive Montage Kosten von durchschnittlich 30.000 bis 50.000 Euro zu kalkulieren. Solardachziegel von Autarq – semitransparente Dünnschichtmodule mit einem Trägermaterial aus eingefärbtem Glas – schlagen auf einer rund 50 Quadratmeter großen Dachfläche mit Gesamtkosten in  Höhe von circa 42.000 Euro zu Buche. 

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