Schindelmodule steigern Wirkungsgrad und Designfreiheit

Perowskit-Silizium-Tandemzellen gelten als eine der aussichtsreichsten Technologien, um den Wirkungsgrad von Solarzellen weiter zu erhöhen. Während klassische Siliziumzellen sich zunehmend ihrem physikalischen Limit nähern, eröffnet die Kombination zweier Halbleitermaterialien neue Möglichkeiten.

Gleichzeitig zeigt sich jedoch, dass nicht allein die Zellchemie über den Ertrag entscheidet. Auch die Anordnung der Solarzellen innerhalb eines Moduls beeinflusst, wie effizient einfallendes Sonnenlicht genutzt werden kann. Auf der Intersolar Europe in München präsentierte das Fraunhofer ISE ein Demonstrationsmodul, das mehrere dieser Entwicklungen miteinander verbindet. Im Mittelpunkt stehen Perowskit-Silizium-Tandemzellen in Kombination mit einer Schindel-Matrix-Technologie. Ziel ist es, die aktive Modulfläche zu vergrößern, höhere Wirkungsgrade zu erzielen und gleichzeitig neue Anwendungen für Photovoltaik zu erschließen.

Fraunhofer ISE kombiniert Tandemzellen mit Schindel-Matrix-Technologie

Das Fraunhofer ISE arbeitet seit Jahren an Perowskit-Silizium-Tandemzellen und konnte gemeinsam mit Forschungspartnern bereits Wirkungsgrade von mehr als 25 Prozent erreichen. Das nun gezeigte Modul ergänzt diese Zelltechnologie um eine Konstruktion, die ursprünglich aus der Modultechnik stammt. Bei der Schindel-Matrix-Technologie werden Solarzellen nicht in ihrer ursprünglichen Form verbaut. Stattdessen werden sie in schmale Streifen geschnitten und ähnlich wie Dachziegel leicht überlappend angeordnet. Dadurch entfallen die sonst üblichen Zwischenräume zwischen den einzelnen Zellen nahezu vollständig. Das erhöht den Anteil der Fläche, der tatsächlich Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln kann. Gleichzeitig entsteht ein gleichmäßigeres Erscheinungsbild, weil leitende Verbindungen und Abstände deutlich weniger sichtbar sind. Die Kombination aus leistungsfähiger Zelltechnologie und optimierter Modularchitektur soll den Wirkungsgrad weiter steigern, ohne die Modulfläche zu vergrößern.

Schindelmodule bieten Vorteile bei Verschattung und gewölbten Flächen

Neben dem höheren Flächennutzungsgrad verbessert die Bauweise auch das Verhalten bei Teilverschattung. Wird ein herkömmliches Solarmodul teilweise verschattet, kann dies die Leistung eines größeren Zellbereichs deutlich reduzieren. Bei der Schindelstruktur fällt dieser Leistungsverlust geringer aus. Dadurch eignen sich solche Module besonders für Einsatzorte, an denen zeitweise Verschattungen auftreten oder die Geometrie der Fläche besondere Anforderungen stellt. Die schmalen Zellstreifen lassen sich leichter an gebogene Formen anpassen als klassische großformatige Solarzellen. Zu den wichtigsten Eigenschaften der Schindel-Matrix-Technologie gehören:

• überlappende Solarzellen ohne nahezu sichtbare Zwischenräume
• größere aktive Fläche zur Stromerzeugung
• verbesserte Verschattungsresistenz
• Einsatz auf gewölbten oder komplex geformten Oberflächen
• Kombination mit Perowskit-Silizium-Tandemzellen für höhere Wirkungsgrade

Fraunhofer ISE entwickelt Photovoltaik für Fahrzeuge weiter

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf der Integration von Photovoltaik in Fahrzeuge. Bereits vor mehreren Jahren begann das Institut gemeinsam mit Automobilherstellern, Schindeltechnologien für gewölbte Karosseriebauteile zu untersuchen. Auf der Messe wurde unter anderem eine Motorhaube vorgestellt, deren Oberfläche den Qualitätsanforderungen der Automobilindustrie entspricht. Die Photovoltaik ist so integriert, dass sie sich optisch in die Fahrzeugoberfläche einfügt und gleichzeitig langfristigen Belastungen durch Witterung, Steinschlag oder mechanische Beanspruchung standhalten soll. Die Anforderungen unterscheiden sich deutlich von klassischen Solarmodulen auf Dächern. Fahrzeugbauteile müssen nicht nur Strom erzeugen, sondern gleichzeitig wasserdicht, widerstandsfähig und mechanisch belastbar sein. Hinzu kommen Designvorgaben sowie die Integration in bestehende Fertigungsprozesse. Auch für Nutzfahrzeuge sieht das Institut Potenzial. Solardächer auf Lastwagen oder Transportfahrzeugen gewinnen an Bedeutung, wobei insbesondere leichte Module gefragt sind, um das zusätzliche Gewicht möglichst gering zu halten.

Morphocolor ermöglicht farbige Solarmodule mit geringem Leistungsverlust

Neben Wirkungsgrad und Formbarkeit beschäftigt sich das Fraunhofer ISE auch mit der optischen Gestaltung von Photovoltaik. Ein Beispiel ist der sogenannte Morphocolor-Ansatz, der sich an den Strukturen der Flügel bestimmter Schmetterlinge orientiert. Durch spezielle Oberflächenstrukturen entstehen intensive Farben, ohne dass die Lichtausbeute so stark sinkt wie bei herkömmigen farbigen Beschichtungen. Das eröffnet neue Möglichkeiten für gebäudeintegrierte Photovoltaik, bei der neben dem Energieertrag auch das Erscheinungsbild eine wichtige Rolle spielt. Die aktuelle Entwicklungsstufe geht noch einen Schritt weiter. Einzelne Bereiche der Moduloberfläche lassen sich gezielt farbig gestalten, während andere schwarz bleiben. Dadurch können Muster, grafische Elemente oder sogar dachziegelähnliche Strukturen erzeugt werden. Für Wohngebäude oder denkmalnahe Architektur entsteht so ein homogeneres Erscheinungsbild, ohne vollständig auf Photovoltaik verzichten zu müssen.

Forschung soll den Weg in die industrielle Fertigung ebnen

Trotz der technologischen Fortschritte bleibt die industrielle Umsetzung eine Herausforderung. Nach Einschätzung des Fraunhofer ISE sind auf europäischer Ebene zwar Förderinstrumente angestoßen worden, deren Umsetzung auf nationaler Ebene jedoch noch ausbaufähig ist. Gleichzeitig sieht das Institut wieder zunehmende Aktivitäten beim Aufbau von Produktionskapazitäten in Europa. Die vorgestellten Entwicklungen zeigen, dass sich die Photovoltaik längst nicht mehr ausschließlich über höhere Zellwirkungsgrade weiterentwickelt. Modulaufbau, Materialeinsatz, Design und neue Anwendungsfelder rücken zunehmend in den Mittelpunkt. Perowskit-Silizium-Tandemzellen, Schindelmodule und farbige Photovoltaik verfolgen dabei ein gemeinsames Ziel: Solarenergie soll sich effizienter nutzen und gleichzeitig flexibler in Gebäude, Fahrzeuge und andere Oberflächen integrieren lassen.