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„A Match Made in Heaven“? Gebäudeintegrierte Photovoltaik und Solarzellen aus Perowskit





„Big City Lights“ – Neue Energie für neue Zeiten

Großstädte wie New York, Delhi, Peking oder Tokio bedecken zusammen nur 1 Prozent der gesamten Erdoberfläche – gleichzeitig verbrauchen sie 75 Prozent der eingesetzten Primärenergie und verursachen sogar 80 Prozent aller Treibhausgasemissionen. Schon heute lebt mehr als die Hälfte der Menschheit in Städten. Bessere Jobaussichten, Infrastruktur, die Vielfalt an Kultur und Unterhaltung – es gibt viele Gründe, warum laut jüngster Schätzungen durch die UN 2050 schon knapp 66 Prozent der Weltbevölkerung in urbanen Gegenden wohnen werden. Das bedeutet auch: Raum wird knapper werden und der Bedarf nach Energie gleichzeitig immer größer. Genauer: der Bedarf nach sauberer Energie, die im Idealfall dezentral erzeugt und genutzt werden kann.

Städte werden ganz wortwörtlich wachsen – nämlich in die Höhe. Immer größere Gebäude werden die Skyline formen und Wohn-, Lebens- und Arbeitsraum bieten. In Zukunft werden sie – wenn alles nach Plan läuft – noch eine weitere wichtige Funktion erfüllen: die Erzeugung von Energie. Das Stichwort dazu: Gebäudeintegrierte Photovoltaik, oder kurz: GIPV. Hinter dem etwas sperrigen Ausdruck verbirgt sich die Idee, Solarmodule direkt in die Gebäudehülle zu integrieren – in die Fassade, in Fensterfronten – und so Design, Sichtschutz, Dämmung auf faszinierende Weise mit autarker Energieproduktion zu kombinieren. Strom muss dann nicht mehr durch kilometerlange Leitungen transportiert werden, sondern wird unmittelbar dort produziert, wo auch der Verbrauch stattfindet.

„Lebendige“ Fassaden, die Funktionalität, Stil und Stromerzeugung in perfekter Symbiose vereinen – was in der Vorstellung so reizvoll klingt, stößt in der Wirklichkeit noch auf einige Hindernisse. Architekten und Bauherren müssen für die neuen Möglichkeiten der GIPV erst gewonnen und begeistert werden. Länderspezifische baurechtliche und technische Vorgaben, aber auch kulturbedingte Unterschiede in der Architektur erschweren zudem die Entwicklung standardisierter Module. Das sind nicht die besten Voraussetzungen für eine kostengünstige Massenproduktion, deren Möglichkeit dem Markt die entscheidenden Impulse liefern könnte. Wer es aber ernst meint mit Klimaschutz, Reduktion von Emissionen und nachhaltigem Bauen, der muss sich mit dem Thema auseinandersetzen. Mittelfristig hat er ökologische und ökonomische Argumente auf seiner Seite.

„A Star is Born“: Solarzellen aus Perowskit

Nicht nur für die Gebäudeintegrierte Photovoltaik, aber besonders für sie ist eine Frage entscheidend: Auf welche Solartechnologie sollte man setzen? Für die Integration in die Gebäudehülle oder sogar als Ersatz für z.B. konventionelle Fensterflächen müssen die entsprechenden Module einiges mitbringen: Eine bestimmte Transparenz ist wünschenswert, und wichtig ist natürlich auch die Möglichkeit, sie an verschatteten Gebäudeseiten anzubringen, ohne Leistungseinbußen hinnehmen zu müssen. An beiden Anforderungen scheitern konventionelle Solarzellen aus Silizium, auch wenn sie bei idealer Sonneneinstrahlung nach wie vor die höchsten Wirkungsgrade (bis zu 25 Prozent) erreichen.

Grundsätzlich müssen Solarzellen, die für die GIPV eine realistische Alternative darstellen sollen, eine möglichst hohe Effizienz bei möglichst niedrigen (Herstellungs-)Kosten bieten – und ein möglichst langes Leben ohne rapide Leistungsverluste. Siliziumzellen offenbaren hier ein unschönes Defizit, denn das Silizium kommt in der Natur am häufigsten in gebundener Form vor – als Siliziumdioxid. Um das benötigte Material in reiner Form zu erhalten, sind energieintensive industrielle Prozesse notwendig.

Bei der Suche nach Alternativen stießen Forscher auf eine chemische Verbindung, die zuerst von dem deutschen Mineralogen Gustav Rose Anfang des 19. Jahrhunderts beschrieben – und benannt – wurde: Perowskit. Strenggenommen ist damit lediglich eine bestimmte Kristallstruktur bezeichnet, deren jeweilige „Zutaten“ wechseln können. Diese kristalline Struktur kann einfallendes Sonnenlicht besonders effektiv absorbieren, und während die „Diva“ Silizium nur in besonders reiner Form funktioniert, benötigen Perowskit-Solarzellen keine intensive Vorbehandlung. Sie lassen sich bereits bei Raumtemperatur herstellen. Umso verblüffender sind die rasanten Steigerungen beim Wirkungsgrad, die Forscher im letzten Jahrzehnt erreichen konnten: Noch 2009 wandelten Perowskit-Zellen auf einer Methylammonium-Blei-Iodid-Basis nur 4 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in Energie um. Heute sind es unter Laborbedingungen knapp 20 Prozent – und nach kaum 10 Jahren Grundlagenforschung kann man sich schwer vorstellen, dass damit schon das Ende der Fahnenstange erreicht ist.

Perowskit-Solarzellen sind nicht nur auf Grund des verhältnismäßig einfachen Herstellungsprozesses attraktiv für die Anwendung in der Gebäudeintegrierten Photovoltaik. So sind sie um ein Vielfaches dünner als siliziumbasierte Zellen und damit auch flexibler einsetzbar. Sie trotzen schlechten Lichtverhältnissen mit stabiler Effizienz, was gerade bei eng stehenden, um das Sonnenlicht konkurrierenden Großgebäuden gewährleistet sein muss. Und dank der einfach skalierbaren Produktion – die Zellen werden von Forschern entweder im Rolle-zu-Rolle-Verfahren gedruckt oder die Komponenten auf ein Trägermaterial aufgedampft – schließen sich Klasse und Masse in diesem Fall keineswegs aus.

Grundsätzlich herrscht also Optimismus – aber die Technologie stellt Forscher und Entwickler zur Zeit auch noch vor einige Herausforderungen. So enthalten Perowskit-Zellen aktuell noch Blei. Forscher experimentieren bereits mit Substituten wie z.B. Zinn, das allerdings mit der Zeit oxidiert und so die Kristallstruktur des Perowskits beschädigt. Außerdem sind die Zellen im jetzigen Stadium noch zu instabil und empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, wie Wasser, Hitze und UV-Strahlung. Hier deuten sich zwei Lösungsmöglichkeiten an: eine bessere Einkapselung, z.B. mit Hilfe einer Polymerschutzschicht, oder die Entwicklung einer robusteren Struktur innerhalb der Zelle.

Überhaupt ist die Langzeitstabilität der Zellen ein Thema, an das sich die Forscher herantasten. Ebenso muss noch geklärt werden, wie später großflächige Module für den Einsatz z.B. in der Gebäudefassade produziert werden sollen. Aber die Voraussetzungen und Potenziale der Technologie sind vielversprechend, der Wettlauf um die beste – und massenmarkttaugliche – Lösung ist in vollem Gange. Einer der Pioniere in diesem Bereich ist das australische Unternehmen Greatcell Solar, welche Perowskit-Solarzellen auf Glas ab 2019 und auf Metall ab 2020 anbieten will. In diesem Jahr werden Pilot-Linien für Glas-Applikationen und Prototypen für Metall-Applikationen angestrebt. Die Perowskit-Solarzellen sollen künftig auf Hochhäuser sowie Industriehallen eingesetzt werden. Ganz auf Perowskit setzt z.B. auch die polnische Saule Technologies.

Für die Gebäudeintegrierte Photovoltaik könnten kommerziell verwertbare Perowskit-Zellen den entscheidenden Schub bedeuten. Günstige, unkomplizierte, robuste Solartechnologie, die bei Planung und Bau ganz selbstverständlich mitgedacht wird – das wäre wirklich eine schöne neue Welt.

Kurz-URL: https://www.88energie.de/?p=1580115

Erstellt von an 13. Feb 2018. geschrieben in Photovoltaik. Sie können allen Kommentaren zu diesem Artikel folgen unter RSS 2.0. Sie können einen Kommentar schreiben oder einen trackback setzen zu diesem Artikel

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