Sprüh-Photovoltaikzellen
Nov.
Dünnschicht-Solarzellen als Oberflächenbeschichtung
Moderne Photovoltaikzellen können durch sprühen auf eine Oberfläche aufgetragen werden und ermöglichen so die Stromerzeugung am Fenster. Der Hersteller wirbt mit einer hohen Effizienz durch den Einsatz der modernen Nanopartikel-Technologie.
Dünnschicht-Solarzellen per Sprühverfahren auf die Oberflächen
Ein norwegisches Unternehmen will Fenster und ganze Gebäude zu Stromquellen machen, indem Dünnschicht-Solarzellen per Sprühverfahren auf die Oberflächen aufgebracht werden. Der Hersteller hat eine spezielle Technologie für Dünnschicht-Photovoltaikzellen entwickelt, die diese revolutionäre Vorgehensweise ermöglicht und eine Effizienzsteigerung von 20 Prozent bringen soll. Diese neuartigen Solarzellen, die mit Hilfe von Nanopartikeln produziert werden, sollen bis zum Jahr 2016 marktreif sein.
Es wurden zwar bereits verschiedene Dünnschicht- Photovoltaikzellen produziert, doch dies ist bisher die einzige Technologie, die auf den besonderen optischen Eigenschaften metallischer Nanopartikel fußt. Erst die Nanopartikel mit Durchmessern von ca. zehn Nanometern ermöglichen den Bau von Prototypen dieser Technologie. Bisher wurde die Photovoltaik-Schicht vielfach durch die Vakuum-Beschichtungstechnologie aufgetragen, doch die neue Solarzellen-Technologie soll als Spray zerstäubt werden können. Das Spray mit Nanopartikeln könnte schon jetzt produziert werden, allerdings müssen noch die notwendigen Elektroden zur Serienreife gebracht werden.
Dachziegel oder Gebäudefronten
Für Dachziegel oder Gebäudefronten sind die modernen Dünnschicht-Solarzellen als Oberflächenbeschichtung besonders gut geeignet, doch auch eine Beschichtung von Fensterscheiben bietet sich an. Da der entstehende Film sehr dünn ist, würde er nur eine leichte Tönung der Fensterscheiben verursachen. Zudem würde ein geringer Sonnenschutz geboten.
Sprüh-Photovoltaikzellen: Die Revolution der Oberflächenbeschichtung
Moderne Photovoltaiktechnologien haben sich in den vergangenen Jahren rasant weiterentwickelt. Neben den klassischen Silizium‑Modulen auf Dächern und Freiflächen drängen nun neuartige Dünnschicht‑Solarzellen in den Markt, die sich sprühen lassen. Diese Sprüh‑Photovoltaikzellen eröffnen völlig neue Möglichkeiten für die Integration von Solarstromerzeugung in Gebäudehüllen, Fahrzeugen und Alltagsgegenständen. Durch den Einsatz von Nanopartikel‑Technologie sollen Wirkungsgrade erreicht werden, die herkömmliche Dünnschichtsysteme übertreffen. Doch die Vision, Fenster, Fassaden und Dachziegel einfach einzusprühen und binnen Minuten in Stromlieferanten zu verwandeln, wirft ebenso technische wie wirtschaftliche und ökologische Fragen auf.
Die neue Ära der Dünnschicht-Photovoltaik
Traditionell wurden Dünnschicht-Photovoltaikzellen auf Glas oder Metallträgern durch aufwändige Vakuumbeschichtungsverfahren aufgebracht. Diese Verfahren erforderten teure Anlagen, hohen Energieeinsatz und umfangreiche Reinigungsschritte. Die Idee, Photovoltaikschichten stattdessen als Sprühbeschichtung aufzutragen, verspricht eine drastische Vereinfachung des Herstellungsprozesses. Ein norwegisches Unternehmen hat hierfür eine besondere Nanopartikel‑Formulierung entwickelt, mit der sich die aktiven Halbleiterschichten in wenigen Durchgängen aus der Druckluftkanone ablagern lassen. Dabei ermöglichen metallische Nanopartikel mit Durchmessern von etwa zehn Nanometern eine effiziente Lichtabsorption und Ladungstrennung. Dieses Verfahren kann theoretisch auf nahezu jede Oberfläche angewendet werden – von Glas über Kunststoff bis hin zu Metallen.
Das Grundprinzip ähnelt dem Plasmonischen Photovoltaik‑Ansatz, bei dem metallische Nanopartikel Oberflächenplasmonen erzeugen und so den Lichtfang nahe der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Metall optimieren. Diese physikalische Erscheinung steigert nachweislich die Effizienz von Dünnschichtzellen. Für weiterführende technische Hintergründe verweisen Forschende auf die Wikipedia‑Seite zu Dünnschichtsolarzellen .
Funktionsweise der Sprühbeschichtung
Im Zentrum des Verfahrens steht das Nanopartikel‑Spray, eine Suspension aus metallischen und halbleitenden Partikeln, die in einem Lösungsmittel oder Gelträger fein verteilt sind. Die Sprühdüse zerstäubt die Suspension zu mikroskopisch kleinen Tröpfchen, die auf der Zieloberfläche anhaften und dort zu einem gleichmäßigen Film austrocknen. Anschließend erfolgt eine thermische oder photochemische Nachbehandlung, die den Nanopartikel‑Film verfestigt und die Kristallstruktur der Halbleitersubstanz optimiert. Auf diese Basisschicht folgen transparente Elektroden, die den elektrischen Kontakt herstellen. Bislang arbeitet das Unternehmen an flexiblen leitfähigen Polymeren und dünnen Metallgittern, die nach dem Sprühen aufgebracht oder gedruckt werden.
Die reduzierte Komplexität des Verfahrens eröffnet Perspektiven für eine dezentrale Fertigung: So könnten Handwerker oder Gebäudeeigentümer mit tragbaren Sprühsystemen ihre Fassaden oder Fenster direkt vor Ort beschichten. Vor diesem Hintergrund diskutiert das European Innovation Council (EIC) in einer Roadmap die Rolle solcher dezentraler Produktion in der Energiewende.
Anwendungsfelder: Fenster, Fassaden und Dachziegel
Die wohl spektakulärste Anwendung ist die Beschichtung von Fenstern. Der ultradünne Photovoltaikfilm verursacht nur eine leichte Tönung und bietet zugleich einen Sonnenschutz-Effekt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarglasmodulen bleibt die Durchsicht weitgehend erhalten. In modernen Bürogebäuden könnten Fenster damit nicht nur Tageslicht spenden, sondern auch aktiv Strom erzeugen und so zur Energieautarkie beitragen.
Für Fassaden und Dachziegel bietet das Spray‑Verfahren eine elegante Lösung, wenn es darum geht, großflächige Außenhüllen mit minimalem Montageaufwand nachzurüsten. Man stelle sich historische Stadtkerne vor, in denen Denkmalschutzauflagen die Anbringung konventioneller Solarmodule verwehren. Mit Sprüh‑Photovoltaik ließen sich denkmalgeschützte Fassaden dezent beschichten, ohne das Erscheinungsbild maßgeblich zu verändern.
Effizienzversprechen und Realitätscheck
Der Hersteller wirbt mit einer Effizienzsteigerung von 20 Prozent gegenüber bisher bekannten Dünnschichtsystemen. In Labortests konnten Wirkungsgrade von knapp 15 Prozent erzielt werden. Im Vergleich dazu erreichen Silizium‑Standardmodule auf dem Markt heute durchschnittlich 20 bis 22 Prozent. Damit liegen die Sprühzellen noch hinter den Marktführern, bieten dafür aber unschlagbare Herstellungsflexibilität. Ob sich dieses Effizienzversprechen im industriellen Maßstab halten lässt, ist derzeit noch unklar. Erste Pilotanlagen zeigen, dass die Nanopartikel‑Schicht nur dann gleichmäßig wie im Labor haftet, wenn die Untergrundtemperatur und Luftfeuchtigkeit streng kontrolliert werden.
Zudem muss die Langzeitstabilität der Sprühschicht nachgewiesen werden. Photovoltaikmodule sind normalerweise für eine Lebensdauer von 20 bis 25 Jahren zertifiziert. Sprühzellen müssen diese Normen erfüllen, obwohl sie wesentlich dünner und mechanisch anfälliger sind. UV‑Beständigkeit, Witterungs- und Temperaturschwankungen sowie Reinigungsvorgänge können die Filmqualität beeinträchtigen.
Herausforderungen bei der Serienreife
Ein zentrales Hemmnis ist derzeit die Entwicklung robuster Elektroden. Während das Nanopartikel-Spray bereits in Pilotversuchen zuverlässig erzeugt werden kann, hinkt die Fertigung der leitfähigen Schichten hinterher. Konventionelle transparente Leitoxide wie ITO (Indiumzinnoxid) sind teuer und spröde; flexible Polymere leiden häufig unter mangelnder Langzeitstabilität. Metallgitterstrukturen erfordern präzise Lithografieverfahren, die der Einfachheit des Sprühverfahrens entgegenstehen.
Ferner ist die Standardisierung des Sprühgeräts ein Thema. Jeder Fenstertyp und jede Fassade benötigt eine individuelle Einstellung von Düsendruck, Abstand und Sprühgeschwindigkeit. Ohne normative Vorgaben könnten Messergebnisse und Filmqualitäten stark variieren.
Ökologische und gesundheitliche Aspekte
Während die Nanopartikel‑Technologie erhebliche Effizienzgewinne verspricht, wirft sie Fragen zum Umweltschutz und zur Arbeitssicherheit auf. Metallische Nanopartikel können, wenn sie unkontrolliert freigesetzt werden, in Böden und Gewässer gelangen und dort Organismen schädigen. Der Sprühprozess setzt Aerosole frei, die in Innenräumen eingeatmet werden können. Schutzmaßnahmen, etwa Atemmasken und geschlossene Sprühkabinen, sind daher unerlässlich. Nachhaltigkeitszertifikate wie Cradle to Cradle könnten Aufschluss geben, ob und wie die Materialien recycelt oder ungefährlich rückgebaut werden können.
Kritische Würdigung staatlicher und konzerngetriebener Interessen
Große Solarkonzerne und regierungsnahe Förderbanken beobachten die Entwicklung mit gemischten Gefühlen. Einerseits könnten Sprühzellen den Eintritt in den Massenmarkt erleichtern; andererseits fürchten Marktführer um ihre etablierten Produktionsanlagen. Staatliche Fördermittel für Pilotanlagen in Norwegen und Deutschland sind an nationale Technologiezertifizierungen geknüpft, was zu technischen Handelsbarrieren führen kann. Förderpolitik ohne klare internationale Abstimmung riskiert eine Fragmentierung des Marktes – ein Umstand, der zu Verzögerungen bei der Marktreife und zu hohen Produktionskosten führen kann.
Auch die Patentierung der Nanopartikelformel wirft Fragen auf: Ein Patentkartell großer Konzerne könnte kleine Anbieter blockieren und die Preisbindung für Materiallieferungen diktieren. Ein solcher Patente‑Lock‑in würde die dezentrale Anwendung untergraben und die Versorgungssicherheit gefährden.
Ausblick und nächste Schritte
Um Sprüh-Photovoltaikzellen gesellschaftlich breit zu verankern, sind weitere Schritte notwendig: Erstens muss die Effizienz im industriellen Maßstab validiert und auf mindestens 18 Prozent angehoben werden. Zweitens bedarf es robuster, kostengünstiger Elektrodenlösungen, idealerweise in Form von leitfähigen Polymeren oder geringfügig metallisierten Drucken. Drittens sollten internationale Normen für Sprühgeräte und Beschichtungsparameter erarbeitet werden, um gleichbleibende Qualität sicherzustellen. Viertens müssen Umwelt- und Gesundheitsaspekte durch unabhängige Studien geprüft und mit klaren Arbeitsschutzrichtlinien adressiert werden.
Nicht zuletzt ist eine offene Diskussion darüber erforderlich, wie Regierung und Industrie den Weg zur Serienproduktion gestalten. Ein transparentes Förderverfahren, das kleine und mittlere Betriebe nicht benachteiligt, sowie eine Patentpolitik, die Wissen nicht monopolisieren, sondern verbreiten hilft, werden entscheidend sein.
Für vertiefende Informationen zu Dünnschicht-Photovoltaik und Nanopartikeltechnologien sei verwiesen auf die detaillierten Ausführungen bei Wikipedia – Dünnschichtsolarzelle sowie die Übersicht des International Energy Agency – Photovoltaic Power Systems Programme (englisch). Zudem bietet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE weiterführende Forschungsergebnisse zu Nanopartikel‑beschichteten Photovoltaikmodulen.
Mit Sprüh‑Photovoltaikzellen steht eine Innovation vor der Tür, die unsere gebaute Umwelt in weit mehr als nur Stromlieferanten verwandeln kann. Doch nur wenn Technik, Politik und Gesellschaft gemeinsam deren Chancen und Risiken abwägen, wird diese Technologie wirklich zur treibenden Kraft einer nachhaltigen Energiewende.