GiPV: Gebäudeintegrierte Photovoltaik mit teiltransparenten Solarmodulen – Building-integrated photovoltaics

Bei der gebäudeintegrierten Photovoltaik – GiPV (Building-integrated photovoltaics – BIPV) handelt es sich um photovoltaische Materialien, die herkömmliche Baumaterialien in Teilen der Gebäudehülle wie dem Dach, den Dachfenstern oder der Fassade ersetzen. Sie werden zunehmend in den Bau neuer Gebäude als Haupt- oder Nebenstromquelle integriert, wobei auch bestehende Gebäude mit ähnlicher Technologie nachgerüstet werden können. Der Vorteil der integrierten Photovoltaik gegenüber den üblichen nicht integrierten Systemen besteht darin, dass die anfänglichen Kosten durch die Verringerung der Ausgaben für Baumaterialien und Arbeitskräfte ausgeglichen werden können, die normalerweise für den Bau des Gebäudeteils, den die BIPV-Module ersetzen, erforderlich wären. Darüber hinaus ermöglicht BIPV eine breitere Akzeptanz von Solaranlagen, wenn die Ästhetik des Gebäudes eine Rolle spielt und herkömmliche, auf Gestellen montierte Solarmodule das beabsichtigte Aussehen des Gebäudes stören würden.

Der Begriff BAPV (Building-applied photovoltaics) für gebäudeintegrierte Photovoltaik wird manchmal verwendet, um sich auf Photovoltaikanlagen zu beziehen, die nachträglich in das Gebäude integriert werden. Die meisten gebäudeintegrierten Anlagen sind tatsächlich BAPV. Einige Hersteller und Bauherren unterscheiden zwischen BIPV und BAPV bei Neubauten.

PV-Anwendungen für Gebäude kamen in den 1970er Jahren auf. Photovoltaikmodule mit Aluminiumrahmen wurden an Gebäude angeschlossen oder montiert, die sich in der Regel in abgelegenen Gebieten ohne Zugang zu einem Stromnetz befanden. In den 1980er Jahren begann man, Photovoltaikmodule auf Dächern anzubringen. Diese PV-Systeme wurden in der Regel auf Gebäuden installiert, die an das Stromnetz angeschlossen waren und sich in Gebieten mit zentralen Kraftwerken befanden. In den 1990er Jahren wurden BIPV-Bauprodukte, die speziell für die Integration in die Gebäudehülle entwickelt wurden, kommerziell verfügbar. In einer Doktorarbeit von Patrina Eiffert aus dem Jahr 1998 mit dem Titel An Economic Assessment of BIPV wurde die Hypothese aufgestellt, dass es eines Tages einen wirtschaftlichen Wert für den Handel mit Gutschriften für erneuerbare Energien (Renewable Energy Credits – RECs) geben würde. Eine wirtschaftliche Bewertung und ein kurzer Überblick über die Geschichte der BIPV durch das U.S. National Renewable Energy Laboratory aus dem Jahr 2011 deuten darauf hin, dass noch erhebliche technische Herausforderungen zu bewältigen sind, bevor die Installationskosten von BIPV mit denen von Photovoltaikanlagen konkurrieren können. Es besteht jedoch ein wachsender Konsens darüber, dass BIPV-Systeme durch ihre breite Vermarktung das Rückgrat des europäischen Ziels für Nullenergiegebäude (Zero Energy Building – ZEB) bis 2020 bilden werden. Trotz der vielversprechenden technischen Möglichkeiten wurden auch soziale Hindernisse für eine weit verbreitete Nutzung festgestellt, wie etwa die konservative Kultur der Bauindustrie und die Integration in die Stadtplanung mit hoher Dichte. Die Autoren weisen darauf hin, dass die langfristige Nutzung wahrscheinlich ebenso sehr von wirksamen politischen Entscheidungen abhängt wie von der technischen Entwicklung.

Die teiltransparenten Solarmodule bieten eine interessante Möglichkeit, Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) in Architektur und Stadtplanung zu integrieren. Diese neuartige Art der Solarenergieerzeugung ist in Zukunft höchstwahrscheinlich ein wichtiger Bestandteil der Stromproduktion weltweit.

Gebäudeintegrierte Photovoltaik mit teiltransparenten Solarmodulen ist eine attraktive Option für den Bau von energieeffizienten Gebäuden. Diese Technologie kann helfen, die Kosten für die Energieversorgung zu reduzieren und gleichzeitig das Äußere des Gebäudes zu verbessern.

Darüber hinaus können teiltransparente Solarmodule verwendet werden, um Tageslicht ins Innere eines Gebäudes zu leiten. Dies spart nicht nur Energie, sondern verringert auch die Kosten für künstliche Beleuchtung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Gebäudeintegrierte Photovoltaik eine sehr effiziente und vielseitige Art der erneuerbaren Energien ist. Sie hat das Potenzial, die Energieversorgung von Gebäuden nachhaltig zu verbessern.

Solarmodule aus kristallinem Silizium für Freiland- und Aufdachkraftwerke.

Amorphe kristalline Silizium-Dünnschicht-Solar-PV-Module, die hohl, leicht, rot, blau und gelb sein können, als Glasfassade und transparentes Oberlicht.

CIGS-basierte (Kupfer-Indium-Gallium-Selenid) Dünnschichtzellen auf flexiblen Modulen, die auf das Gebäudehüllenelement laminiert werden, oder die CIGS-Zellen werden direkt auf das Substrat der Gebäudehülle montiert.

Doppelglas-Solarmodule mit quadratischen Zellen im Inneren.

Flachdächer

Die bisher am weitesten verbreitete Lösung ist eine amorphe Dünnschicht-Solarzelle, die in ein flexibles Polymermodul integriert ist, das mit einer Klebefolie zwischen der Rückseitenfolie des Solarmoduls und der Dachabdichtung befestigt ist. Mit der Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS)-Technologie kann ein US-amerikanisches Unternehmen einen Zellwirkungsgrad von 17 % für gebäudeintegrierte Module in einlagigen TPO-Membranen erzielen.

Schrägdächer

Solardachziegel sind (keramische) Dachziegel mit integrierten Solarmodulen. Der keramische Solardachziegel wurde 2013 von einem niederländischen Unternehmen entwickelt und patentiert.

Module, die wie mehrere Dachziegel geformt sind.

Solarschindeln sind Module, die wie normale Schindeln aussehen und funktionieren, aber eine flexible Dünnschichtzelle enthalten.

Sie verlängern die normale Lebensdauer von Dächern, indem sie die Isolierung und die Membranen vor UV-Strahlung und Wasserschäden schützen. Außerdem wird die Kondensation verhindert, da der Taupunkt oberhalb der Dachmembran gehalten wird.

Metallische Schrägdächer (sowohl strukturelle als auch architektonische) werden jetzt mit PV-Funktionen ausgestattet, entweder durch die Verklebung eines freistehenden flexiblen Moduls oder durch Hitze- und Vakuumversiegelung der CIGS-Zellen direkt auf dem Substrat.

Fassade

Fassaden können an bestehenden Gebäuden angebracht werden und geben alten Gebäuden ein völlig neues Aussehen. Diese Module werden an der Fassade des Gebäudes über der bestehenden Struktur angebracht, was die Attraktivität des Gebäudes und seinen Wiederverkaufswert steigern kann.

Verglasung

Photovoltaik-Fenster sind (halb)transparente Module, die eine Reihe von architektonischen Elementen ersetzen können, die üblicherweise aus Glas oder ähnlichen Materialien bestehen, wie z. B. Fenster und Oberlichter. Sie erzeugen nicht nur elektrische Energie, sondern können aufgrund ihrer hervorragenden Wärmedämmungseigenschaften und der Kontrolle der Sonneneinstrahlung weitere Energieeinsparungen bewirken.

Photovoltaische Glasfenster: Die Integration von Technologien zur Energiegewinnung in Wohn- und Geschäftsgebäuden hat zusätzliche Forschungsbereiche eröffnet, in denen die Gesamtästhetik des Endprodukts stärker berücksichtigt wird. Während das Ziel nach wie vor darin besteht, einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, zielen neue Entwicklungen bei Photovoltaikfenstern auch darauf ab, den Verbrauchern ein optimales Maß an Glastransparenz und/oder die Möglichkeit zu bieten, aus einer Reihe von Farben zu wählen. Unterschiedlich gefärbte Solarpaneele können so gestaltet werden, dass sie bestimmte Wellenlängenbereiche aus dem breiteren Spektrum optimal absorbieren. Farbiges photovoltaisches Glas wurde erfolgreich mit halbtransparenten, Perowskit- und farbstoffsensibilisierten Solarzellen entwickelt.

• Plasmonische Solarzellen, die farbiges Licht absorbieren und reflektieren, wurden mit der Fabry-Pérot-Etalon-Technologie entwickelt. Diese Zellen bestehen aus “zwei parallelen, reflektierenden Metallfilmen und einem dielektrischen Hohlraumfilm zwischen ihnen”. Die beiden Elektroden bestehen aus Ag und der Hohlraum zwischen ihnen aus Sb2O3. Durch Änderung der Dicke und des Brechungsindexes des dielektrischen Hohlraums wird die Wellenlänge verändert, die am besten absorbiert wird. Die Anpassung der Farbe des Absorptionsschichtglases an den spezifischen Teil des Spektrums, auf den die Dicke und der Brechungsindex der Zelle am besten abgestimmt sind, verbessert sowohl die Ästhetik der Zelle durch Intensivierung ihrer Farbe als auch die Minimierung der Fotostromverluste. Bei den Geräten für rotes und blaues Licht wurde eine Durchlässigkeit von 34,7 % bzw. 24,6 % erreicht. Blaue Geräte können 13,3 % des absorbierten Lichts in Strom umwandeln, was sie zu den effizientesten aller entwickelten und getesteten farbigen Geräte macht.
• Die Perowskit-Solarzellentechnologie kann auf Rot, Grün und Blau abgestimmt werden, indem die Dicke der metallischen Nanodrähte auf 8, 20 bzw. 45 nm geändert wird. Maximale Leistungswirkungsgrade von 10,12 %, 8,17 % und 7,72 % wurden erreicht, indem die Glasreflexion an die Wellenlänge angepasst wurde, für die die jeweilige Zelle am besten geeignet ist.
• Farbstoffsolarzellen verwenden flüssige Elektrolyte, um Licht einzufangen und in nutzbare Energie umzuwandeln; dies geschieht auf ähnliche Weise, wie natürliche Pigmente die Photosynthese in Pflanzen ermöglichen. Während Chlorophyll das spezifische Pigment ist, das für die grüne Farbe in Blättern verantwortlich ist, erzeugen andere in der Natur vorkommende Farbstoffe wie Carotinoide und Anthocyane Variationen von Orange- und Violettfarben. Forscher der Universität von Concepcion haben die Lebensfähigkeit von farbstoffsensibilisierten farbigen Solarzellen bewiesen, die sowohl erscheinen als auch selektiv bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren. Bei dieser kostengünstigen Lösung werden natürliche Pigmente aus Maqui-Früchten, schwarzer Myrte und Spinat als Sensibilisatoren gewonnen. Diese natürlichen Sensibilisatoren werden dann zwischen zwei Schichten aus transparentem Glas angebracht. Während der Wirkungsgrad dieser besonders kostengünstigen Zellen noch unklar ist, konnten frühere Forschungen im Bereich der organischen Farbstoffzellen einen “hohen Stromumwandlungswirkungsgrad von 9,8 %” erreichen.

Transparente Solarzellen verwenden eine Zinnoxidbeschichtung auf der Innenseite der Glasscheiben, um den Strom aus der Zelle zu leiten. Die Zelle enthält Titanoxid, das mit einem photoelektrischen Farbstoff beschichtet ist.

Die meisten herkömmlichen Solarzellen nutzen sichtbares und infrarotes Licht zur Stromerzeugung. Im Gegensatz dazu nutzt die innovative neue Solarzelle auch ultraviolette Strahlung. Wenn sie als Ersatz für herkömmliches Fensterglas verwendet oder über das Glas gelegt wird, könnte die Installationsfläche groß sein, was zu potenziellen Anwendungen führt, die die kombinierten Funktionen von Stromerzeugung, Beleuchtung und Temperaturkontrolle nutzen.

Eine andere Bezeichnung für transparente Photovoltaik ist “transluzente Photovoltaik” (sie lassen nur die Hälfte des auf sie fallenden Lichts durch). Ähnlich wie die anorganische Photovoltaik kann auch die organische Photovoltaik lichtdurchlässig sein.

Nicht wellenlängenselektiv

Einige nicht-wellenlängenselektive Photovoltaiksysteme erreichen Semitransparenz durch räumliche Segmentierung von undurchsichtigen Solarzellen. Bei dieser Methode werden beliebige lichtundurchlässige Solarzellen verwendet und mehrere kleine Zellen auf einem transparenten Substrat verteilt. Durch diese Aufteilung wird der Wirkungsgrad der Energieumwandlung drastisch gesenkt und die Transmission erhöht.

Another branch of non-wavelength-selective photovoltaics utilize visibly absorbing thin-film semi-conductors with small thicknesses or large enough band gaps that allow light to pass through. This results in semi-transparent photovoltaics with a similar direct trade off between efficiency and transmission as spatially segmented opaque solar cells.

Ein anderer Zweig der nicht-wellenlängenselektiven Photovoltaik nutzt sichtbar absorbierende Dünnschicht-Halbleiter mit geringer Dicke oder ausreichend großen Bandlücken, die Licht durchlassen. Dies führt zu halbtransparenter Photovoltaik mit einem ähnlichen direkten Kompromiss zwischen Effizienz und Transmission wie bei räumlich segmentierten undurchsichtigen Solarzellen.

Wellenlängenselektive Photovoltaik

Wellenlängenselektive Photovoltaik erreicht Transparenz durch den Einsatz von Materialien, die nur UV- und/oder NIR-Licht absorbieren, und wurde erstmals 2011 vorgestellt. Trotz der höheren Durchlässigkeit sind die Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung aufgrund einer Reihe von Problemen geringer. Dazu gehören kleine Exziton-Diffusionslängen, die Skalierung transparenter Elektroden ohne Beeinträchtigung des Wirkungsgrads und die allgemeine Lebensdauer aufgrund der Unbeständigkeit der in TPVs verwendeten organischen Materialien im Allgemeinen.

Innovationen in der transparenten und transluzenten Fotovoltaik

Frühe Versuche, nicht-wellenlängenselektive halbtransparente organische Photovoltaik mit sehr dünnen aktiven Schichten zu entwickeln, die im sichtbaren Spektrum absorbieren, konnten nur Wirkungsgrade von unter 1 % erzielen. Im Jahr 2011 jedoch zeigten transparente organische Photovoltaik mit einem organischen Chloraluminiumphthalocyanin-Donor (ClAlPc) und einem Fulleren-Akzeptor eine Absorption im ultravioletten und nahen infraroten Spektrum (NIR) mit Wirkungsgraden um 1,3 % und einer Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren Bereich von über 65 %. Im Jahr 2017 entwickelten MIT-Forscher ein Verfahren zur erfolgreichen Abscheidung transparenter Graphenelektroden auf organischen Solarzellen, was zu einer 61%igen Durchlässigkeit für sichtbares Licht und verbesserten Wirkungsgraden von 2,8-4,1% führte.

Perowskit-Solarzellen, die als Photovoltaik der nächsten Generation mit Wirkungsgraden von über 25 % sehr beliebt sind, haben sich ebenfalls als vielversprechend für die durchsichtige Photovoltaik erwiesen. Im Jahr 2015 zeigte eine semitransparente Perowskit-Solarzelle mit einem Methylammonium-Bleitriiodid-Perowskit und einer Silbernanodraht-Gitteroberelektrode eine Transmission von 79 % bei einer Wellenlänge von 800 nm und einen Wirkungsgrad von etwa 12,7 %.