Ein von Wissenschaftlern der Michigan State University in East Lansing entwickeltes Solarfenster erreichte mit organischer Photovoltaik einen Wirkungsgrad von 5 %.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler blickt auf gläserne Wolkenkratzer und sieht ungenutztes Potenzial. Auf Häuser und Bürogebäude entfallen seiner Meinung nach 75 % des Stromverbrauchs in den Vereinigten Staaten und 40 % des gesamten Energieverbrauchs der USA. Fenster sind ein großer Teil des Problems, weil sie Energie entweichen lassen. „Alles, was wir tun können, um das zu verringern, wird einen großen Einfluss haben“, sagt Wheeler, ein Experte für Solarenergie am National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado.
Eine Reihe neuerer Ergebnisse deutet auf eine Lösung hin, sagt er: Verwandeln Sie die Fenster in Sonnenkollektoren. In der Vergangenheit haben Materialwissenschaftler lichtabsorbierende Filme in Fensterglas eingebettet. Solche Solarfenster haben jedoch in der Regel einen rötlichen oder braunen Farbton, der von Architekten als unattraktiv empfunden wird. Die neuen Solarfenstertechnologien absorbieren jedoch fast ausschließlich unsichtbares ultraviolettes (UV) oder infrarotes Licht. Dadurch bleibt das Glas klar und blockiert gleichzeitig die UV- und Infrarotstrahlung, die normalerweise durch das Glas dringt und manchmal unerwünschte Wärme abgibt. Durch die Verringerung der Wärmeentwicklung bei gleichzeitiger Stromerzeugung haben die Fenster „enorme Aussichten“, sagt Wheeler, einschließlich der Möglichkeit, dass sich ein großes Bürogebäude selbst mit Strom versorgen könnte.
Die meisten Solarzellen, wie die Standardzellen aus kristallinem Silizium, die die Industrie dominieren, opfern ihre Transparenz, um ihren Wirkungsgrad zu maximieren, d. h. den Prozentsatz der Energie im Sonnenlicht, der in Strom umgewandelt wird. Die besten Siliziumzellen haben einen Wirkungsgrad von 25 %. Inzwischen nähert sich eine neue Klasse undurchsichtiger Solarzellenmaterialien, die so genannten Perowskite, dem Silizium mit einem Spitzenwirkungsgrad von 22 %. Die Perowskite sind nicht nur billiger als Silizium, sondern können auch so eingestellt werden, dass sie bestimmte Lichtfrequenzen absorbieren, indem man ihre chemische Rezeptur verändert.
Diese Woche berichtet ein Team unter der Leitung von Richard Lunt, einem Chemieingenieur von der Michigan State University in East Lansing, in der Zeitschrift Joule, dass es die Materialien so eingestellt hat, dass ein UV-absorbierendes Perowskit-Solarfenster mit einem Wirkungsgrad von 0,5 % entsteht. Obwohl dieser Wert weit unter dem Wirkungsgrad der besten Perowskit-Zellen liegt, ist er laut Lunt hoch genug, um eine andere Fenstertechnologie zu betreiben: bedarfsgesteuertes Verdunkelungsglas, das intensives Licht in der Hitze des Tages abhält und so den Bedarf an Klimaanlagen in Gebäuden reduziert. Lunt glaubt, dass sein Team in den nächsten Jahren einen Wirkungsgrad von 4 % erreichen kann. Dann könnten die Zellen einen Teil der Beleuchtung und der Klimaanlage des Gebäudes mit Strom versorgen.
Am anderen Ende des Spektrums steht das Infrarotlicht, das intensiver auf die Erdoberfläche trifft als UV-Licht und daher mehr Strom erzeugen kann. Letztes Jahr berichtete Lunts Team in der Zeitschrift Nature Energy, dass es transparente, UV- und infrarotabsorbierende Zellen mit einem Wirkungsgrad von 5 % hergestellt hat, wobei „organische“ Photovoltaik verwendet wurde – dünne Schichten aus organischen Halbleitern und Metallen. Laut Lunt könnten künftige Systeme, bei denen UV-absorbierende Perowskite mit infrarotabsorbierenden organischen Materialien kombiniert werden, Wirkungsgrade von 20 % erreichen und dennoch fast vollständig transparent sein.
Ein dritter Ansatz für klare Solarfenster beruht auf so genannten lumineszierenden Solarkonzentratoren. In diesen Fenstern absorbieren Quantenpunkte, winzige Halbleiterpartikel, Licht im UV- und Infrarotbereich und geben es bei den Wellenlängen wieder ab, die herkömmliche Solarzellen einfangen. Das wieder emittierte Licht wird gebündelt und seitlich durch das Glas zu den in den Fensterrahmen eingebetteten Solarzellenstreifen geleitet. Da Quantenpunkte billig in der Herstellung sind und nur eine geringe Menge an Solarzellenmaterial benötigt wird, um das zurückgestrahlte Licht einzufangen, versprechen diese Solarfenster kostengünstig zu sein. Außerdem funktionieren die Solarzellen besser bei intensivem, konzentriertem Licht. Victor Klimov, Chemiker am Los Alamos National Laboratory in New Mexico, und seine Kollegen berichteten im Januar in Nature Photonics, dass diese Fenster bereits einen Wirkungsgrad von 3,1 % erreicht haben.
Die halbtransparenten Fenster sind noch nicht ausgereizt, sagt Michael McGehee, ein Experte für Solarfenster und Perowskite an der Stanford University in Palo Alto, Kalifornien. Letztes Jahr vergab das US-Energieministerium beispielsweise 2,5 Millionen Dollar an Next Energy Technologies in Santa Barbara, Kalifornien, um seine halbtransparenten organischen Solarzellenfenster zu verbessern. Das Unternehmen hat einen Wirkungsgrad von 7 % mit Fenstern erreicht, die die Hälfte des einfallenden Sonnenlichts, einschließlich des sichtbaren Lichts, absorbieren. Dadurch werden sie im Vergleich zu Klarglas dunkler, aber da sie Licht aus dem gesamten Spektrum und nicht nur bestimmte Frequenzen absorbieren, nehmen sie keinen unschönen rötlichen oder bräunlichen Farbton an. „Es hat sich herausgestellt, dass ein Fenster, das etwa die Hälfte des Lichts im gesamten sichtbaren Spektrum absorbiert, großartig aussieht“, sagt McGehee, der auch als Berater für das Unternehmen tätig ist.
Wheeler ist sich nicht sicher, welche Technologie sich am Ende durchsetzen wird. Ein Faktor wird die Toxizität sein: Glas zerbricht, und viele Solarfenstertechnologien enthalten eine geringe Menge an giftigen Materialien. Außerdem müssen die Technologien langlebig genug sein, um Jahrzehnte zu überdauern, wie von der Bauindustrie gefordert. Aber man kann davon ausgehen, dass die Gebäude der Zukunft nicht mehr ihren gesamten Strom aus dem Netz beziehen werden, sagt er. Sie werden ihn auch selbst erzeugen. „Die Bauherren müssen ohnehin Fenster einbauen“, sagt Wheeler. „Warum nicht diese Fenster huckepack nehmen?“