Neues Schichtsystem für nachhaltige Photovoltaik-Lösungen

Futuristisches Gebäude mit Perowskit-Solarzellen auf dem Dach und integrierter organischer Photovoltaik an den gekrümmten Fassaden. Grafik generiert mit Dall-E von OpenAI

Der Bau- und Gebäudesektor sieht sich zunehmend großen Herausforderungen gegenüber. Klimawandel, steigende Energiepreise und verschärfte Regulierungen erfordern nachhaltige Lösungen, um den Energieverbrauch von Gebäuden zu reduzieren und deren CO₂-Bilanz zu verbessern. Eine Schlüsselrolle übernimmt dabei die Solarenergie, wobei innovative Technologien wie Perowskit-Solarzellen besonderes Potenzial bieten. Diese neuartigen Solarzellen gelten aufgrund ihrer Flexibilität, Leichtigkeit und kostengünstigen Herstellbarkeit als besonders geeignet für die gebäudeintegrierte Photovoltaik und haben in den letzten Jahren durch Effizienzsteigerungen beeindruckt. Allerdings sind für den Einsatz in der Praxis noch erhebliche Fortschritte in Bezug auf Haltbarkeit und Stabilität notwendig.

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EU-Projekte Pearl und Booster

Ebenso bieten flexible organische Solarzellen (OPV) ein großes Potenzial für die Integration in Gebäude, weisen jedoch noch Optimierungspotenzial hinsichtlich Effizienz, Lebensdauer und Produktionsprozessen auf. Das Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP arbeitet daher in den beiden EU-geförderten Projekten Pearl und Booster an der Entwicklung neuer Materialien und Beschichtungstechnologien, um nachhaltige und langlebige Solarlösungen für den Bau- und Gebäudesektor zu schaffen.

Als anerkanntes Institut für die Entwicklung zukunftsweisender Schichtsysteme und Beschichtungsverfahren auf flexiblen Materialien bringt das Fraunhofer FEP seine Expertise in der Vakuumbeschichtungs- und Plasmatechnologie ein. Diese Technologien, insbesondere in Sheet-to-Sheet- und Rolle-zu-Rolle-Verfahren, kommen in verschiedenen Industrien zum Einsatz. Für den Bau- und Gebäudesektor entwickelt das Fraunhofer FEP maßgeschneiderte Beschichtungen, die den hohen Anforderungen an Langlebigkeit, Energieeffizienz und Nachhaltigkeit entsprechen.

Organische, flexible Solarzellen.

Foto: VTT Technical Research Centre of Finland Ltd

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Pearl – Flexible Perowskit-Solarzellen für nachhaltige Energie

Im EU-Projekt Pearl (grant agreement no. 101122283) entwickelt das Fraunhofer FEP zusammen mit internationalen Partnern unter der Koordination des VTT Technical Research Centre Ltd. in Finnland flexible Perowskit-Solarzellen der nächsten Generation. Ziel ist es, in den kommenden Jahren eine kombinierte Permeationsbarriere und eine transparente Elektrodenschicht zu entwickeln, um die Haltbarkeit und Effizienz der Solarzellen signifikant zu steigern. Diese Technologie soll die Anzahl der Produktionsmaterialien und -schritte reduzieren und damit die Herstellung flexibler Solarzellen nachhaltiger und kostengünstiger gestalten.

Dr. Christian May vom Fraunhofer FEP erklärt, dass Permeationsbarriereschichten und transparente Elektrodenschichten bereits existieren, im Projekt jedoch beide Komponenten kombiniert werden sollen, um sowohl Folienmaterial als auch Prozessschritte einzusparen. Langfristig solle dies die Kosteneffizienz der Solarenergie verbessern. Die Herausforderung bestehe darin, die Eigenschaften der Barriere und Elektrode so zu vereinen, dass sie sich nicht gegenseitig beeinträchtigen. Das Fachwissen des Fraunhofer FEP im Bereich der Vakuumbeschichtung sei hier entscheidend, um eine optimale Funktionsweise zu gewährleisten. Erste Erfolge wurden bereits an der In-line Vakuumbeschichtungsanlage coFlex im Rolle-zu-Rolle-Verfahren erzielt.

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Booster – Organische Photovoltaik für den Gebäudesektor

Das EU-Projekt Booster (grant agreement no. 952911) fokussiert sich auf die Entwicklung organischer Photovoltaikmodule (OPV), die insbesondere für gebäudeintegrierte Anwendungen geeignet sind. Diese Technologie adressiert die globale Energieproblematik mit einem umweltfreundlichen Ansatz, da ihre Herstellung eine niedrige Energierücklaufzeit aufweist und auf reichlich vorhandene, leicht zugängliche und ungiftige Ressourcen zurückgreift. Organische Solarzellen sind leicht und flexibel, was sie ideal für Gebäudeanwendungen, insbesondere auf gewölbten Oberflächen und vertikalen Fassaden, macht.

Das Projekt zielt darauf ab, die OPV-Technologie so weiterzuentwickeln, dass erste Demonstratoren unter realen Bedingungen getestet werden können, um Effizienz, Lebensdauer und Produktionskosten zu optimieren. Drei Demonstratoren sollen in Deutschland und Italien integriert werden, um ihre Effizienz im Praxistest zu untersuchen. Das Fraunhofer FEP entwickelt hierzu ein hochtransparentes und langlebiges Frontsheet, das die OPV-Module vor UV-Strahlung und Feuchtigkeit schützt und damit deren Lebensdauer und Effizienz sichert.

Patrick Schlenz, Projektleiter des Booster-Projekts, erläutert, dass Booster an der Verbesserung der OPV-Module unter realen Outdoor-Bedingungen arbeite. Das Fraunhofer FEP bringe sich bei der Entwicklung spezieller Schichtsysteme und der Prozessentwicklung für die Beschichtung flexibler Folien ein. Ziel sei es, eine Lösung zu schaffen, die sowohl optimale Barriereeigenschaften als auch verbesserte optische Eigenschaften gegenüber aktuellen Materialien bietet.

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Projektvorstellung auf der BAU 2025 im Januar

Langfristig strebt das Fraunhofer FEP an, ein Foliensubstrat zu entwickeln, das besseren Schutz vor Umweltbelastungen und erhöhte Transparenz für eine höhere Effizienz der Module bietet. Erste Projektergebnisse belegen eine Lebensdauer von über 4000 Stunden unter beschleunigten Alterungsbedingungen sowie eine Verbesserung der Transparenz von 85 auf 90 %. Die Projektpartner arbeiten zudem an einem Produktionskonzept für kostengünstige Beschichtungen in einer Rolle-zu-Rolle-Fertigungslinie, um nach Projektabschluss marktreife OPV-Module und Prozesstechnologien bereitzustellen.

Die Ergebnisse und Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologien für den Bau- und Gebäudesektor werden auf der Messe BAU 2025, vom 13. bis 17. Januar 2025, am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand (Halle C2, Stand 528) vorgestellt. Hier erhalten interessierte Besucher Einblicke in die neuesten Entwicklungen der Perowskit- und OPV-Technologien und deren Einsatzmöglichkeiten.