Forscher des University College London haben halbtransparente Solarfenster entwickelt. Diese Fenster erzeugen Strom sowohl aus Tageslicht als auch aus künstlicher Innenbeleuchtung. Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ veröffentlicht. Sie wirft eine praktische Frage für Architekten und Gebäudebesitzer auf: Könnte Glas zu einer Energiequelle werden?
Das Forschungsteam ist international und wird vom University College London (UCL) geleitet. Dr. Mojtaba Abdi-Jalebi vom UCL erklärte, die Motivation bestehe darin, eine der größten ungenutzten Flächen moderner Architektur – Glas – besser zu nutzen. In vielen Städten sind bereits Solaranlagen auf den Dächern installiert. Die riesigen Fensterflächen von Bürogebäuden und Wohnhäusern bleiben als Energiequelle weitgehend ungenutzt.
So funktionieren die Windows-Systeme
Die Zellen nutzen Perowskit, eine Klasse lichtabsorbierender Kristallmaterialien, die im letzten Jahrzehnt großes Forschungsinteresse geweckt haben. Die Perowskit-Absorberschicht ist nur 185 Nanometer dick. Das ist deutlich dünner als herkömmliche Perowskitschichten. Das Team optimierte die Schichtstruktur, um insbesondere Innenraumlicht effizient zu absorbieren. Computersimulationen dienten von Anfang an als Grundlage für die Gestaltung des Schichtaufbaus.
Der Prototyp lässt etwa 30 Prozent des Sonnenlichts durch. Normales Glas lässt üblicherweise 80 bis 90 Prozent durch. Die partielle Tönung ist ein technischer Kompromiss zwischen Transparenz und Energieausbeute.
Die Elektrodenkonstruktion stellte eine eigene Herausforderung dar. Das Team verwendete eine dünne Goldschicht, die zwischen zwei Molybdänoxidschichten angeordnet war. Diese Anordnung leitet Strom und lässt gleichzeitig Licht durch. Eine herkömmliche Metallschicht hätte zu viel Licht blockiert.
Die Forscher fügten der Zellstruktur außerdem ein Molekül namens 3-Trifluormethyl-1H-1,2,4-triazol hinzu. Dadurch werden elektronische Defekte reduziert und die Stabilität des Kristallgitters verbessert.
Leistung im Test
Das Team testete ein 30 x 30 Zentimeter großes Panel. Unter hellem Innenlicht wandelte das Gerät 22 Prozent des einfallenden Lichts in Strom um. Bei direkter Sonneneinstrahlung betrug die Umwandlungsrate 14 Prozent. Das ungeschützte Panel behielt nach 300 Stunden in einem standardisierten beschleunigten Dauerlauf 80 Prozent seiner Effizienz.
Laut Hauptautor Siming Huang kann der partielle Tönungseffekt auch den Kühlbedarf senken. Er reduziert die Wärmemenge, die in ein Gebäude eindringt. Dadurch ist die Technologie besonders in wärmeren Regionen relevant. In diesen Klimazonen macht die Klimaanlage einen großen Teil des Stromverbrauchs aus.
Der Wirkungsgrad von 14 Prozent im Außenbereich liegt unter dem von handelsüblichen Silizium-Solarmodulen, die typischerweise zwischen 20 und 23 Prozent liegen. Der Wert von 22 Prozent im Innenbereich ist jedoch für Anwendungen mit Umgebungslicht wettbewerbsfähig. Die Technologie befindet sich im Labormaßstab. Der 300-stündige Dauertest ist kürzer als die für den kommerziellen Einsatz erforderlichen jahrzehntelangen Leistungsgarantien.
Ein wachsendes Feld
Die Arbeit des UCL ist in einem dynamischen Bereich der Solarforschung angesiedelt. Andere Studien haben gezeigt, dass sich semitransparente Perowskit-Solarzellen so einstellen lassen, dass ein optimales Verhältnis zwischen Sichtbarkeit und Energieausbeute erreicht wird. Forscher haben außerdem gemischte selbstorganisierte Monoschichtgrenzflächen, Herstellungsverfahren unter Umgebungsbedingungen und flexible Substratkonfigurationen untersucht. Das Interesse an transparenter Photovoltaik wächst stetig, sowohl im akademischen als auch im kommerziellen Bereich.
Der Markt für gebäudeintegrierte Photovoltaik befindet sich noch in der Entwicklung. Perowskit-Zellen stehen vor bekannten Problemen hinsichtlich ihrer Langzeitstabilität und des Bleigehalts in vielen Formulierungen. Regulatorische und kommerzielle Hürden sind weiterhin beträchtlich. Das Team des UCL hat eine praktikable Konfiguration vorgestellt, doch der Weg vom Labor zur Gebäudefassade erfordert noch viele weitere Schritte.
Was kommt als nächstes
Die Forscher geben an, dass ihr langfristiges Ziel die Entwicklung flexibler Solarfolien ist. Diese könnten auf gebogenem Glas, Fahrzeugen, Schiebedächern und anderen transparenten Oberflächen angebracht werden. Dadurch würde die energieerzeugende Architektur weit über herkömmliche Fensterscheiben hinaus erweitert. Ein Zeitplan für die Markteinführung wurde noch nicht genannt.
Für Investoren und politische Entscheidungsträger, die die Energiewende beobachten, sind die Ergebnisse des UCL ein wichtiger Datenpunkt. Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) entfallen rund 40 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs auf Gebäude. Technologien, die Strom aus bestehenden Gebäudeoberflächen gewinnen, könnten die Nachfrage im Stromnetz reduzieren, ohne dass neue Flächen benötigt werden. Glasintegrierte Solaranlagen sind ein vielversprechender Kandidat in dieser Kategorie.
Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ veröffentlicht. Die Arbeit wurde von UCL in Zusammenarbeit mit einem internationalen Team geleitet. Ausführliche Informationen zur Studie, einschließlich Methodik und Materialcharakterisierung, finden sich in der Publikation.
