Pfiffige Schichtsysteme für Solarhäuser

Die Energiewende erfordert nachhaltige Lösungen, um den Energiebedarf von Gebäuden zu senken und die CO₂-Bilanz zu verbessern. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Solarenergie etwa mit Perowskit-Solar­zellen. Diese Zellen bieten großes Potenzial für gebäudeintegrierte Photovoltaik, da sie flexibel, leicht und kosten­günstig herzustellen sind und mit enormen Effizienz­fortschritten in den letzten Jahren beein­drucken. Auf dem Weg vom Labormuster hin zu in der Praxis einsetzbaren Photovoltaik-Modulen sind jedoch weitere Anstrengungen hinsichtlich Haltbarkeit und Stabilität erforderlich. Ebenso bieten flexible organische Solarzellen großes Potenzial zur Gebäude­integration, können aber hinsichtlich Effizienz und Lebensdauer noch optimiert werden. Das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP forscht daher im Rahmen der zwei EU-geförderten Projekte Pearl und Booster an neuen Materialien und Beschichtungs­technologien, um nachhaltige, langlebige Solar­lösungen für den Bau- und Gebäudesektor zu entwickeln.

Im Rahmen des EU-geförderten Projekts Pearl entwickelt das Fraunhofer FEP gemeinsam mit inter­nationalen Partnern unter Koordination des finnischen VTT Technical Research Centre flexible Perowskit-Solar­zellen der nächsten Generation. Die Forschenden in Dresden wollen dazu in den nächsten Jahren eine kombinierte Permeations­barriere mit einer transparenten Elektrodenschicht entwickeln, die sowohl die Haltbarkeit als auch die Effizienz der Solarzellen signifikant verbessert. Diese Technologie ermöglicht es, Produktions­materialien und -schritte zu reduzieren, was die Herstellung flexibler Solarzellen kosten­effizienter und nachhaltiger gestaltet. „Permeations­barriereschichten und auch transparente Elektrodenschichten existieren bereits. Im Projekt wollen wir nun beide Produkte zusammenführen, um zum einen Folien­material und zum anderen einen Prozessschritt einzusparen. Das soll sich langfristig auf die Kosten­effizienz bei der Herstellung der Produkte auswirken und die Solarenergie so günstiger machen“, sagt Christian May.

Die Herausforderung besteht darin, die Eigenschaften beider Komponenten – Barriere und Elektrode – so zu kombinieren, dass sie sich gegenseitig nicht beeinträchtigen. Das Aufbringen und Strukturieren der Elektrode darf die Barriere­wirkung nicht beeinflussen, ebenso darf umgekehrt die Funktion der Elektrode nicht eingeschränkt werden. Erste Ergebnisse wurden bereits auf der In-line Vakuum­beschichtungsanlage coFlex zur Beschichtung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren erzielt. „Das Pearl-Projekt bietet uns die Möglichkeit, die Entwicklung von Perowskit-Solarzellen entscheidend voranzutreiben. Indem wir Barriere- und Elektroden­schichten vereinen, schaffen wir die Grundlage für eine leistungsstarke, stabile und kosten­effiziente Solar­technologie der Zukunft“, sagt May.

Im EU-Projekt Booster liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung von organischen Photovoltaik­modulen (OPV), die insbesondere für Gebäude­anwendungen wie gebäude­integrierte Photovoltaik geeignet sind. Die Herstellung von OPV-Modulen zeichnet sich durch eine niedrige Energie­rücklaufzeit aus und nutzt Ressourcen, die reichlich vorhanden, leicht zugänglich und ungiftig sind. Darüber hinaus haben organische Photovoltaik­module ein geringes Gewicht und sind sehr flexibel einsetzbar, was sie für den Einsatz an Gebäuden, insbesondere auch auf gewölbten Oberflächen und in vertikaler Richtung, prädestiniert.

In jüngster Zeit wurden zudem große Fortschritte in deren Leistung durch die Entwicklung neuer Materialien erzielt, die in Druck­prozessen verarbeitet werden. Das Projekt zielt darauf ab, diese OPV-Technologie so weiter­zuentwickeln, dass erste Demonstra­toren realisiert und unter realen Bedingungen eingesetzt und getestet werden können. Die Effizienz und die Lebensdauer sollen erhöht und die Kosten gleichzeitig gesenkt werden. Konkret sollen am Ende des Projektes drei verschiedene Demonstra­toren an Standorten in Deutschland und Italien integriert werden, um deren Effizienz im letzten Jahr des Projektes unter realen Bedingungen zu untersuchen.

So entwickelt das Fraunhofer FEP eine hochtransparente und langlebige Frontseiten­verkapselungsfolie, die die OPV-Module vor UV-Strahlung und Feuchtigkeit schützt. Diese Schutzschicht ist entscheidend für die Lebensdauer der Module, da die Effizienz der Solarzellen maßgeblich von der Transparenz des Frontsheets abhängt. „Mit unserem Know-how in der Entwicklung spezieller Schichtsysteme z. B. als Permeationsbarriere oder zur Erzielung spezieller optischer Eigenschaften und in der Prozess­entwicklung für die Beschichtung flexibler Folien bearbeiten wir verschiedene Frage­stellungen im Projekt. Wir realisieren konkret eine Lösung, die die Anforderungen an die Barriere­schichten für die OPV erfüllt und gleichzeitig Vorteile in den optischen Eigenschaften gegenüber des State-of-the-Art-Materials bringt“, sagt Projektleiter Patrick Schlenz.

Im Ergebnis wollen die Forschenden  ein Foliensubstrat entwickeln, das nicht nur besseren Schutz vor Umweltbelastungen durch die Barriereschicht bietet, sondern auch die Transparenz steigert. Das wiederum erhöht den Wirkungsgrad der Module. Dazu sind bereits erste Ergebnisse an prozessierten OPV-Modulen im Projekt erzielt worden: Lebensdauern von mehr als 4000 Stunden unter beschleunigten Alterungs­bedingungen wurden bereits nachgewiesen. Außerdem wurde eine Steigerung der Transparenz­eigenschaften der Folien von 85 auf 90 Prozent erreicht.

arüber hinaus fokussieren sich die Projekt­partner in Booster darauf, ein Produktionskonzept für die OPV-Module zu erarbeiten, das eine effiziente Beschichtung zu geringen Kosten bietet. Dazu wird eine Rolle-zu-Rolle-Fertigungs­linie optimiert und an der Skalierung aller Materialien und Prozesse für eine solche Fertigung gearbeitet. Damit soll nach Projektende ein OPV-Modul inklusive der Prozess­technologien zur Verfügung stehen, das von künftigen Herstellern flexibler Solarzellen oder anderer optoelek­tronischer Bauelemente genutzt und dahingehend transferiert werden kann.

Fh.-FEP / JOL