Mehr Strom pro Quadratmeter durch Nanotechnologie

Dank intensiver Forschung werden Solarpaneele ständig verbessert. Ziel ist, immer noch etwas mehr Leistung „heraus zu kitzeln“. Feinstaub und Schmutz auf den Oberflächen bedeuten Leistungsverluste, die heute vermeidbar sind. Die Elemente werden an schwer erreichbaren Stellen angebracht, was teure und aufwändige Reinigungsarbeiten zusätzlich erschwert. Eine neuartige Beschichtung erreicht jetzt eine aktive Selbstreinigung der Oberflächen, was nicht nur die Leistung der Paneele nachhaltig verbessert. Darüber hinaus ist sofort nach der Beschichtung die Lichtdurchlässigkeit gesteigert. Wie funktioniert das?

Nanotechnologische Beschichtungen, so genannte Coatings, ermöglichen vielseitige Verbesserungen und neue Eigenschaften. Brillengläser werden kratzfest, Fassaden bleiben sauber, Lichtschalter und Türgriffe reinigen sich selbst. Gegenwärtig halten diese Forschungsergebnisse auch Einzug in die Solarindustrie und bringen gleich mehrfachen Nutzen mit sich.

Die Technologie: „kratzfeste, photokatalytische, hydrophile, Reflektion mindernde Funktion“ – vier Eigenschaften, mit noch mehr Vorteilen in der Anwendung. Bei SolarCoat, der Lösung von EcoWays, kommt Titandioxid (TiO2) mit Partikeln in einer Größe zwischen 15 und 25 Nanometern zum Einsatz. Titandioxid wird seit langem auch in anderen Produkten, wie besonders weißen Wandfarben oder Sonnenschutzcremes, verwendet.

Die Hersteller der Solarelemente machen sich mit der Beschichtung unterschiedliche Eigenschaften von Titandioxid (in einer nanoskaligen Größe) zu nutze. In der Hauptsache sind dies eine photokatalytische Funktion, eine hydrophile Oberfläche und ein veränderter Lichtbrechungsindex, einhergehend mit einer verbesserten Lichtdurchlässigkeit.

Der Zweck eines PV-Elements und sein Einsatz sind einfach und klar. Die Sonne scheint auf die Zelle und die eintreffende Energie wird in Strom gewandelt. Was auf den ersten Blick einfach erklärt ist, hat indes einige technische Voraussetzungen zu erfüllen, und ist bei näherer Betrachtung etwas komplizierter. So liegen die energietragenden Lichtstrahlen außerhalb der für den Menschen sichtbaren Wellenlänge, im infraroten Bereich. Das setzt voraus, dass die Glasoberfläche genau diese Strahlen besonders gut durchlassen muss, wohingegen der für uns sichtbare Teil reflektiert werden kann, ohne Leistungseinbußen zu verursachen.

Die besonderen Anforderungen, denen solche Kraftwerke unterliegen und die technischen Einflüsse welchen sie im Laufe ihres Lebens Stand halten müssen, liegen nicht ganz so offensichtlich auf der Hand. Die Elemente, aus einheitlicher Massenproduktion, müssen vom regnerischen Norden Deutschlands bis in die Sandsturmzone des Sahel verbaut werden können. Dabei sind sie den unterschiedlichsten Umweltbedingungen und Beanspruchungen ausgesetzt und sollen zuverlässig, ohne Schaden zu nehmen, ohne auszufallen, ihre Leistung konstant erbringen. Damit dies in Zukunft noch besser und einfacher sichergestellt ist, kommen jetzt Nano-Coatings auch in der Solarindustrie zum Einsatz. Die Verbesserung durch eine einzige Beschichtung wirkt sich dabei in vielerlei Hinsicht aus.

Zuerst reinigt sich die Glasoberfläche mittels Photokatalyse und einem hydrophilen, „Wasser liebenden“ Effekt selbst. Die Photokatalyse bewirkt eine Zersetzung von Schadstoffen und Feinstäuben, die sich auf der Fläche ablagern, mit Hilfe von Licht im ultravioletten Bereich. Dabei werden organische Bestandteile umweltneutral in reines Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) zersetzt. Der zusätzliche hydrophile Effekt erzeugt bei Regen und Feuchtigkeit einen hauchdünnen Wasserfilm, der Schmutz und zersetztes Material unterspült und abtransportiert. Gleichzeitig wird der Aufbau eines Biofilmes als Nährboden, und dadurch das Wachsen von Flechten oder Moosen, verhindert.

Was bei „Privatanlagen“ in zwei halbjährlichen Aktionen, mit Eimer, Schwamm und drei bis vier Stunden Zeit, erledigt werden kann, stellt die Betreiber von Freiflächenanlagen und großen Solarparks vor enorme und teure Aufgaben. Die neue Selbstreinigung minimiert die Kosten und den Aufwand für den Betreiber, was sich in den laufenden Betriebsausgaben eines Solarparks sehr positiv darstellt. Zugleich lässt sich der Einsatz chemischer Reiniger vermeiden, was zusätzliches Geld spart und dazu noch der Umwelt zugute kommt.

Der Nutzen ist so groß, dass Betreiber von Freiflächenanlagen in Frankreich ihre Module nachträglich beschichten lassen, was noch vor drei bis fünf Jahren als zu teuer abgelehnt wurde. Die Erfahrungen beweisen jedoch das Gegenteil. Ist die Oberfläche dreckig, sinkt die produzierte Stromleistung, und damit auch der finanzielle Ertrag, erheblich.

Der nächste große Vorteil des Coatings lässt sich ebenso einfach beschreiben. Nach dem Beschichten verhält sich das Glas wie eine reflektionsarmen Sonnenbrille. Zusätzlich schafft die Modifikation eine bessere Durchlässigkeit für die energiereichen Strahlen, da das „normale“ Glasmaterial einen anderen Lichtbrechungsindex aufweist, als Titandioxid. Je weniger der energietragenden Sonnenstrahlen mit einer Wellenlänge von 400 bis 800 Nanometern von der Oberfläche reflektiert werden und je besser die Strahlen durch das Glas gelassen werden, desto mehr Energie trifft auf die photovoltaische Funktionsschicht. Resultierend steigt die Menge der produzierten Elektrizität.

Die erreichten Werte der Effizienzsteigerung sind dabei durchaus beachtlich. Die Reflektion auf der Oberfläche des Glases sinkt in dem signifikanten Bereich, zwischen 400 und 800 Nanometer, um 55 bis 65 Prozent. Wird nachträglich nur die Außenseite des obersten Glas-Layers mit dem Coating versehen, steigt die Lichtdurchlässigkeit von 90,2 auf 92,5 Prozent, die Energieausbeute von 192,4 Watt peak auf 195,6 Watt peak.

Werden beide Seiten behandelt, entweder am Ende der Glasproduktion oder vor Beginn der Elementfertigung, steigt die Lichtdurchlässigkeit auf 95,2 Prozent, beziehungsweise die Energieausbeute auf 198,1 Watt peak. Das bedeutet im Ergebnis: fünf Prozent mehr Licht fällt auf die PV-Schicht, und erzeugt drei Prozent mehr Strom.

Doch damit noch nicht genug, die Vorteile reichen noch weiter. In bestimmten, heißen Regionen werden PV-Elemente durch das Aufsprühen von Wasser gekühlt, da sich mit steigenden Temperaturen die Leistung verringert. Durch den hydrophilen Effekt des Wasserfilms, der bereits die Selbstreinigung unterstützt, wird in diesem Fall zusätzlich eine wesentlich verbesserte Kühlung der Elemente erzielt. Parallel dazu sinkt der Kühlwasserverbrauch, was sich wiederum in geringeren Kosten niederschlägt und besonders in wasserarmen Regionen einen Beitrag zur Trinkwassersicherheit leistet.

In den gleichen Regionen, in denen Solarpaneele gekühlt werden müssen, zeigen sich oftmals Schäden durch ein gesteigertes Abschleifen des Glases (Abrasion). In dieser Aufgabe kommt die „Kratzfestwirkung“ der Nanotechnik zum Tragen. Die gesteigerte Oberflächenhärte sorgt dafür, dass Sandpartikel und Staub das Glas weit weniger angreifen und abtragen können.

Wie werden die Module beschichtet? Das nachträglich einseitige Aufbringen – das Applizieren – ist denkbar einfach. Mittels eines handelsüblichen Sprühgerätes kann die gebrauchsfertige Lösung auf wässriger Basis auf die verbauten Solarmodule aufgetragen werden und härtet anschließend durch Sonnenlicht aus. Der wesentliche und kritische Teil ist hierbei die vorhergehende notwendige Reinigung.

Wird das Glas innerhalb eines Produktionszyklus, entweder des Glases selbst oder des Moduls, mit der funktionalen Schicht versehen, kommen technisch ausgereifte Verfahren zum Einsatz. Das Coating kann mittels Tauchen (Dip-Verfahren) oder Sprühen (Roboter) aufgebracht werden. Naheliegend ist die effizientere Variante, die Behandlung am Ende der Glasherstellung. Der Vorteil, neben dem vereinfachten Handling, ist hier, dass das Glas noch eine ausreichend hohe Temperatur aus dem Produktionsprozess besitzt, die den Aushärtevorgang wesentlich beschleunigt und somit weniger Gesamtproduktionsenergie benötigt, als wenn das Glas vor der Panel-Herstellung nochmals erhitzt werden muss.

In Bilanz rechnet sich ein solches „Upgrade“ also nicht nur zum teilweisen Ausgleich der reduzierten Einspeisetarife. Der verlängerte technische Werterhalt, eine grundsätzliche Leistungssteigerung und eine bessere Ausbeute, bei gleichzeitiger Kostenreduzierung und Vereinfachung in der Pflege, öffnen den Nano-Coatings in der Solarindustrie sicherlich einige Türen.

Wie sich die neuen, besseren Paneele etablieren werden, ist eine Frage der richtigen Marketingstrategie. Angesichts des zunehmenden Wettbewerbs neuer Modulhersteller und fallender Preise, könnten sich die Unternehmen, welche die Coatings als Leader adaptieren und anbieten, zumindest zeitweise einen Vorsprung sichern. Im Idealfall betätigt sich die Glasindustrie als Innovator und nimmt sich dem Thema mit einem neuen verbesserten Solarglasprodukt an. Mit Sicherheit werden die Vorteile bei Nutzern und Betreibern von PV-Anlagen und Solarparks sehr positiv aufgenommen und geben der Solarindustrie, zu der entlang der Wertschöpfungkette auch die Glasproduzenten zählen, einen wichtigen technologischen Impuls.

Jan Glänzer

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