Innovative Schichtsysteme für nachhaltige Photovoltaik-Lösungen im Gebäudesektor

fTeilen

Angesichts steigender Energiepreise und strenger Regulierungen für einen
geringeren Energieverbrauch von Gebäuden bieten innovative Technologien
wie Perowskit- und organische Solarzellen großes Potenzial. Die Kosten,
Haltbarkeit und Effizienz dieser Solarzellen stellen jedoch eine große
Herausforderung dar. Das Fraunhofer FEP entwickelt im Rahmen der EU-
geförderten Projekte PEARL und BOOSTER neue Beschichtungs- und
Prozesstechnologien, die die Haltbarkeit und Effizienz von Solarzellen
entscheidend steigern und Kosten- sowie Materialaufwand nachhaltig senken
sollen.

Der Bau- und Gebäudesektor steht vor großen Herausforderungen:
Klimawandel, steigende Energiepreise und strengere Regulierungen erfordern
nachhaltige Lösungen, um den Energiebedarf von Gebäuden zu senken und die
CO2-Bilanz zu verbessern. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die
Solarenergie, insbesondere innovative Technologien wie die Perowskit-
Solarzellen. Diese neuartigen Zellen bieten großes Potenzial für
gebäudeintegrierte Photovoltaik, da sie flexibel, leicht und kostengünstig
herzustellen sind und mit enormen Effizienzfortschritten in den letzten
Jahren beeindrucken. Auf dem Weg vom Labormuster hin zu in der Praxis
einsetzbaren Photovoltaik-Modulen sind jedoch weitere Anstrengungen
hinsichtlich Haltbarkeit und Stabilität erforderlich.

Ebenso bieten flexible organische Solarzellen großes Potenzial zur
Gebäudeintegration, haben aber auch noch Optimierungsspielraum in den
Herstellprozessen und hinsichtlich der Steigerung ihrer Effizienz und
Lebensdauer. Das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und
Plasmatechnik FEP forscht daher im Rahmen der zwei EU-geförderten Projekte
PEARL und BOOSTER an neuen Materialien und Beschichtungstechnologien, um
diese Herausforderungen zu überwinden und Komponenten für nachhaltige,
langlebige Solarlösungen für den Bau- und Gebäudesektor zu entwickeln.

Als international führendes Institut für die Entwicklung innovativer
Schichtsysteme und Beschichtungsverfahren auf flexiblen Materialien
leistet das Fraunhofer FEP mit seiner umfassenden Expertise in der
Vakuumbeschichtung und Plasmatechnologie entscheidende Beiträge zur
Weiterentwicklung von Technologien in Sheet-to-Sheet- und Rolle-zu-Rolle-
Verfahren. Diese Verfahren finden in verschiedensten Industrien Anwendung.
Speziell für den Bau- und Gebäudesektor entwickeln die Wissenschaftler des
Fraunhofer FEP maßgeschneiderte Beschichtungen, die den hohen
Anforderungen an Langlebigkeit, Energieeffizienz und Nachhaltigkeit
gerecht werden.

PEARL – Flexible Perowskit-Solarzellen für nachhaltige Energie

Im Rahmen des EU-geförderten Projekts PEARL (grant agreement no.
101122283) entwickelt das Fraunhofer FEP gemeinsam mit internationalen
Partnern unter Koordination des finnischen VTT Technical Research Centre
Ltd. flexible Perowskit-Solarzellen der nächsten Generation. Die
Forschenden in Dresden wollen dazu in den nächsten Jahren eine kombinierte
Permeationsbarriere mit einer transparenten Elektrodenschicht entwickeln,
die sowohl die Haltbarkeit als auch die Effizienz der Solarzellen
signifikant verbessert. Diese Technologie ermöglicht es,
Produktionsmaterialien und -schritte zu reduzieren, was die Herstellung
flexibler Solarzellen kosteneffizienter und nachhaltiger gestaltet.

Dr. Christian May erläutert den Fokus: „Permeationsbarriereschichten und
auch transparente Elektrodenschichten existieren bereits. Im Projekt
wollen wir nun beide Produkte zusammenführen, um zum einen Folienmaterial
und zum anderen einen Prozessschritt einzusparen. Das soll sich
langfristig auf die Kosteneffizienz bei der Herstellung der Produkte
auswirken und die Solarenergie so günstiger machen.“

Die Herausforderung besteht darin, die Eigenschaften beider Komponenten –
Barriere und Elektrode – so zu kombinieren, dass sie sich gegenseitig
nicht beeinträchtigen. Das Aufbringen und Strukturieren der Elektrode darf
die Barrierewirkung nicht beeinflussen, ebenso darf umgekehrt die Funktion
der Elektrode nicht eingeschränkt werden. Das Know-how des Fraunhofer FEP
im Bereich der Vakuumbeschichtungsverfahren und der Einflüsse auf
Barriereeigenschaften ist dabei von entscheidender Bedeutung. Erste
Ergebnisse wurden bereits auf der In-line Vakuumbeschichtungsanlage coFlex
zur Beschichtung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren erzielt.

„Das PEARL-Projekt bietet uns die Möglichkeit, die Entwicklung von
Perowskit-Solarzellen entscheidend voranzutreiben. Indem wir Barriere- und
Elektrodenschichten vereinen, schaffen wir die Grundlage für eine
leistungsstarke, stabile und kosteneffiziente Solartechnologie der
Zukunft“, sagt Dr. Christian May zusammenfassend.

BOOSTER – Organische Photovoltaik für den Gebäudesektor

Im EU-geförderten Projekt BOOSTER (grant agreement no. 952911) liegt der
Schwerpunkt auf der Entwicklung von organischen Photovoltaikmodulen (OPV),
die insbesondere für Gebäudeanwendungen wie gebäudeintegrierte
Photovoltaik geeignet sind.
OPV ist eine Technologie, die das Problem der globalen Energieerzeugung
mit einem umweltverträglichen Ansatz angeht. Die Herstellung von OPV-
Modulen zeichnet sich durch eine niedrige Energierücklaufzeit aus und
nutzt Ressourcen, die reichlich vorhanden, leicht zugänglich und ungiftig
sind. Darüber hinaus haben organische Photovoltaikmodule ein geringes
Gewicht und sind sehr flexibel einsetzbar, was sie für den Einsatz an
Gebäuden, insbesondere auch auf gewölbten Oberflächen und in vertikaler
Richtung, prädestiniert.

In jüngster Zeit wurden zudem große Fortschritte in deren Leistung durch
die Entwicklung neuer Materialien erzielt, die in Druckprozessen
verarbeitet werden. Das Projekt BOOSTER zielt darauf ab, diese OPV-
Technologie so weiterzuentwickeln, dass erste Demonstratoren realisiert
und unter realen Bedingungen eingesetzt und getestet werden können. Die
Effizienz und die Lebensdauer sollen erhöht und die Kosten gleichzeitig
gesenkt werden. Konkret sollen am Ende des Projektes drei verschiedene
Demonstratoren an Standorten in Deutschland und Italien integriert werden,
um deren Effizienz im letzten Jahr des Projektes unter realen Bedingungen
zu untersuchen.

Das Fraunhofer FEP entwickelt im Rahmen des Projekts eine hochtransparente
und langlebige Frontseitenverkapselungsfolie (Frontsheet), die die OPV-
Module vor UV-Strahlung und Feuchtigkeit schützt. Diese Schutzschicht ist
entscheidend für die Lebensdauer der Module, da die Effizienz der
Solarzellen maßgeblich von der Transparenz des Frontsheets abhängt.

Patrick Schlenz, Projektleiter des BOOSTER-Projekts am Fraunhofer FEP,
erläutert: „Mit BOOSTER arbeiten wir an der Verbesserung der Lebensdauer
und Effizienz von OPV-Modulen unter realen Outdoor-Bedingungen. Mit
unserem Know-how in der Entwicklung spezieller Schichtsysteme z. B. als
Permeationsbarriere oder zur Erzielung spezieller optischer Eigenschaften
und in der Prozessentwicklung für die Beschichtung flexibler Folien
bearbeiten wir verschiedene Fragestellungen im Projekt. Wir realisieren
konkret eine Lösung, die die Anforderungen an die Barriereschichten für
die OPV erfüllt und gleichzeitig Vorteile in den optischen Eigenschaften
gegenüber des State-of-the-Art-Materials bringt.“

Im Ergebnis wollen die Forscher am Fraunhofer FEP ein Foliensubstrat
entwickeln, das nicht nur besseren Schutz vor Umweltbelastungen durch die
Barriereschicht bietet, sondern auch die Transparenz steigert. Das
wiederum erhöht den Wirkungsgrad der Module. Dazu sind bereits erste
Ergebnisse an prozessierten OPV-Modulen im Projekt erzielt worden:
Lebensdauern von über 4000 Stunden unter beschleunigten
Alterungsbedingungen, d.h. bei erhöhter Temperatur von 85 °C und erhöhter
Luftfeuchtigkeit von 85 %r.h., wurden von den Forschenden nachgewiesen.
Außerdem wurde eine Steigerung der Transparenzeigenschaften der Folien von
85 auf 90 % erreicht.

Darüber hinaus fokussieren sich die Projektpartner in BOOSTER darauf, ein
Produktionskonzept für die OPV-Module zu erarbeiten, das eine effiziente
Beschichtung zu geringen Kosten bietet. Dazu wird eine Rolle-zu-Rolle-
Fertigungslinie optimiert und an der Skalierung aller Materialien und
Prozesse für eine solche Fertigung gearbeitet. Damit soll nach Projektende
ein OPV-Modul inklusive der Prozesstechnologien zur Verfügung stehen, das
von künftigen Herstellern flexibler Solarzellen oder anderer opto-
elektronischer Bauelemente genutzt und dahingehend transferiert werden
kann.

Die vorgestellten Technologien und Ergebnisse sowie mögliche Anwendungen
von Dünnschichttechnologien im Bau- und Gebäudesektor werden im Rahmen der
Messe BAU 2025, vom 13. bis 17. Januar 2025, am Fraunhofer-
Gemeinschaftsstand (Halle C2, Stand 528) präsentiert. Dort können
interessierte Besucher die innovativen Technologien der
Solarzellenentwicklung näher kennenlernen und sich über die
Einsatzmöglichkeiten der Perowskit- und OPV-Technologien im Bau- und
Gebäudesektor informieren.

Über die Projekte PEARL und BOOSTER

PEARL – Flexible Perowskit-Solarzellen mit Kohlenstoffelektroden

Projektlaufzeit: 1. Oktober 2023 – 30. September 2026

Förderung: Forschungs- und Innovationsprogramm "Horizon Europe" der
Europäischen Union unter dem Förderkennzeichen 101122283

Weitere Informationen: www.pearl-project.eu

BOOSTER – Boost of organic solar technologies for European radiance

Projektlaufzeit: 1. September 2020 – 28. Februar 2027

Förderung: Forschungs- und Innovationsprogramm "Horizon Europe 2020" der
Europäischen Union unter dem Förderkennzeichen 952911

Weitere Informationen: www.booster-opv.eu

Fraunhofer FEP auf der Messe BAU 2025

13. – 17. Januar 2025, Messegelände München
Fraunhofer-Gemeinschaftsstand Halle C2, Stand Nr. 528

Während der Messe werden beim Fraunhofer FEP folgende Themen präsentiert:

Modellhaus mit den Beschichtungstechnologien des Institutes für den Bau-
und Gebäudesektor, darunter:
Low-e Beschichtungen
Thermochrome Beschichtungen
Antibakterielle Beschichtungen und Oberflächen
Antireflektive Beschichtungen für Glasanwendungen
Beschichtungen von ultradünnem, flexiblen Glas
Barriereschichten für Solaranwendungen
3D-Beschichtungen für Röhrenkollektoren und Zeolithwärmespeicher
Strukturierungsprozesse für Design-PV-Anwendungen
Herstellung nachhaltiger Baumaterialien durch biogene Kalksynthese
Glasmodule mit antireflektiver Beschichtung
Rekonstruktion historischer Spiegel durch quecksilberfreie Dünnschichten