Wirkungsgrad ist nicht alles

Von Tünde Kirstein

Bei Solarzellen gilt: Je höher der Wirkungsgrad, umso besser. Doch zunehmend zählen auch noch andere Qualitäten.

Weltweit versuchen Forscherteams im Bereich Photovoltaik (PV), sich bei der Jagd nach dem besten Wirkungsgrad zu überbieten. Das Ziel ist klar: die erzeugte elektrische Leistung soll im Vergleich zur einfallenden Sonnenstrahlung so hoch wie möglich sein.
Seit langem dominieren Solarzellen aus kristallinem Silizium den Markt. Die Herstellung ähnelt der traditionellen waferbasierten Chipherstellung, d.h. die Bauelemente befinden sich auf einem Siliziumsubstrat. Diese Technologie ist ausgereift, hat aber durchaus auch Nachteile. Zum einen sind die Solarmodule recht klobig und unästhetisch, zum anderen haben sie beachtliche Schwächen bei höheren Umgebungstemperaturen und bei diffusem Licht. Aber ihr Wirkungsgrad von bis zu 20 % scheint kaum schlagbar zu sein.
Dünnschicht-Solarzellen entwickeln sich jedoch mehr und mehr zu einer ernstzunehmenden Konkurrenz. Sie brauchen keine dicke Siliziumschicht als Substrat. Als Halbleitermaterial dienen dünne Schichten aus amorphem Silizium, Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS-Solarzelle). Die erzielten Wirkungsgrade sind etwa halb so hoch wie bei kristallinen Silizium-Solarzellen, aber dafür sind günstige Herstellverfahren mit geringerem Materialeinsatz möglich. In den Startlöchern stehen weitere Technologien mit neuen Materialien: z.B. leitfähige Polymere, organische Farbstoffe (Grätzelzelle) oder Perowskit-Kristalle. Die Forscher kämpfen allerdings noch mit gewissen Schwächen, wie kurze Lebensdauer oder Feuchteempfindlichkeit.
Vielversprechend, aber noch teuer sind kombinierte Lösungen, wie zum Beispiel die Heterojunction-Technologie (HJT). Eine HJT-Solarzelle besteht aus einem kristallinen Silizium-Wafer, auf die beidseitig mehrere dünne Schichten von amorphem Silizium aufgebracht werden. Das steigert den Wirkungsgrad auf bis zu 23 %. Erfolgreich eingesetzt wurden HJT-Module beispielsweise in der Fassade des CSEM-Gebäudes in Neuenburg.
Noch höhere Wirkungsgrade schaffen sogenannte Tandem-Solarzellen. Sie bestehen aus einem Zusammenbau von mehreren Solarzellen unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit. Anfang 2016 vermeldeten NREL (National Renewable Energy Laboratory, USA) und CSEM (Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique) einen neuen Weltrekord: Die Kombination einer Galliumindiumphosphid-Solarzelle mit einer HJT-Solarzelle erzielte einen sagenhaften Wirkungsgrad von 29,8 %.

Scheinbar kontraproduktiv

Angesichts dieses weltweiten Effizienzrausches erscheint es paradox, dass manche Forschergruppen ihre Solarzellen vermeintlich verschlechtern, indem sie etwa zusätzliche Schichten aufbringen, die einen Teil des Sonnenlichtes reflektieren anstatt zu nutzen.
Doch der Grund ist ganz einfach. Hohe Effizienz nützt gar nichts, wenn die PV-Module in der Architektur nur als notwendiges Übel angesehen werden. Klassische PV-Module, die als schwarze Kästen auf fertige Gebäude geschraubt werden, haben nicht nur wegen der mangelnden Ästhetik Akzeptanzprobleme, sondern auch wegen der eingeschränkten Platzierbarkeit. So ist schon vor vielen Jahren die Idee der gebäudeintegrierten Photovoltaik entstanden (Building Integrated Photovoltaics BIPV). Solarmodule übernehmen dabei als integraler Bestandteil der Gebäudehülle neben der Stromerzeugung auch andere Funktionen, z.B. Wetterschutz, thermische Dämmung, Beschattung, Schallschutz oder Abschirmung. So sind mehr Flächen eines Gebäudes für die Stromerzeugung nutzbar.
Dieser gebäudeintegrierte Ansatz kann aber nur Erfolg haben, wenn Solarmodule wegkommen vom Einheits-Schwarz und vom Kasten-Look. Darum experimentieren viele Hochschulen und Firmen mit neuen Solarzellen, die farbig oder lichtdurchlässig sind oder eine bestimmte Oberflächenstruktur haben. Das geht zwar in der Regel zu Lasten des Wirkungsgrades, aber letztendlich zählt sowieso nicht der im Labor gemessene Wirkungsgrad einer einzelnen Solarzelle, sondern der Ertrag einer Anlage an einem bestimmten Standort. Und da kann gebäudeintegrierte PV durchaus punkten dank der grösseren genutzten Fläche und der (insbesondere bei innovativen Dünnschichttechnologien) besseren Nutzung von schwachem, indirektem Licht. Nicht vergessen darf man auch die Kosteneinsparung, wenn ein PV-Modul ein anderes Bauteil der Gebäudehülle ersetzt.
Die neuesten Errungenschaften der BIPV-Welt lassen sich sehen. Mittlerweile tummeln sich diverse Produkte auf dem Markt, die gar nicht mehr wie Solarzellen aussehen. Manche Solar-Paneele haben die Farbe von Terracotta-Ziegeln und können so auch in denkmalgeschützten Bauten eingesetzt werden. Andere erstrahlen in hellstem Weiss, sind matt strukturiert, gemustert oder sogar durchsichtig wie Fensterglas.
Diese Vielfalt ist wunderbar, doch sie zeigt auch die grösste Herausforderung. Da es keine Standard-BIPV-Module gibt, ist die Planung und Umsetzung des ganzen Systems nicht trivial. Abhilfe schaffen wird die neue Norm prEN 50583, die im Februar 2016 genehmigt wurde. „Das ist ein Durchbruch für die BIPV-Branche“, erklärt Francesco Frontini von der Fachhochschule der italienischen Schweiz (SUPSI), der an der Standardisierung mitgearbeitet hat. Diese neue BIPV-Norm beschreibt die zusätzlichen Anforderungen an PV-Module, wenn sie als Baumaterial eingesetzt werden. Das ist ein Schritt in die richtige Richtung, um BIPV vom Image des Luxusprodukts zu befreien und es als selbstverständliches Bauteil zu etablieren.