Neue AR-Beschichtung auf Silikonbasis verspricht 7 % höhere PV-Energieausbeute

Antireflexionsbeschichtungen aus Glas waren bisher das vielversprechendste Mittel zur Verbesserung der Effizienz von PV-Modulen, aber um sie zu erreichen, bedarf es der richtigen Mischung aus kostengünstigen Ansätzen und intelligenter Wissenschaft.

Forscher der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) glauben, sie könnten es geknackt haben. Dr. Zhiyong Fan und seine Gruppe haben eine neuartige Beschichtung aus Silikon (dem Material, aus dem weiche Kontaktlinsen hergestellt werden) mit winzigen Nanokegeln auf der Oberfläche entwickelt, die viel kostengünstiger direkt auf Glas oder sogar auf einen Siliziumwafer aufgetragen werden kann als andere ähnliche nanotexturierte Filme.

Ohne eine Antireflexionsbeschichtung kann die Glasoberfläche eines PV-Moduls 4–5 % des auf sie einfallenden Lichts reflektieren, was zu einem Rückgang der Moduleffizienz und der Energieabgabe führt. Während herkömmliche Antireflexionsbeschichtungen (AR) einfach aufzutragen sind, sind sie so konzipiert, dass sie nur in einem schmalen Bereich des Sonnenspektrums funktionieren. Noch wichtiger ist, dass solche Beschichtungen an Wirksamkeit verlieren, wenn die Sonnenstrahlen in einem großen Winkel auf das Modul treffen – etwa morgens oder abends.

Der Schlüssel zum Einfangen dieses Lichts liegt in der Schaffung einer strukturierten Oberfläche auf der AR-Beschichtung (im Gegensatz zu den standardmäßigen glatten/flachen Folien). Allerdings kann sich Schmutz leichter in den „Unebenheiten“ (z. B. Hügeln und Tälern) festsetzen, die die Textur bilden, wenn diese zu groß sind, sodass die Verschmutzungsverluste den Gewinn durch die Textur überwiegen. Um Verschmutzungen vorzubeugen, ist es wichtig, die Strukturmerkmale sehr klein zu halten – in der Größenordnung von wenigen Nanometern (1 Nanometer entspricht 1/100.000.000stel Meter). Eine solche feine Texturierung erfordert typischerweise teure, zeitaufwändige und materialintensive Prozesse wie Fotolithographie oder chemisches Ätzen, oft auf dem Glas selbst. All dies verändert die Kostengleichung völlig und macht strukturierte AR-Beschichtungen undurchführbar.

Fan und seinem Team ist es gelungen, den schmalen Grat zu beschreiten, indem sie mithilfe einer Formmustertechnik eine dünne Silikonschicht mit nanometergroßen Kegeln auf der Oberfläche erzeugten. Der zur Herstellung der Form verwendete Prozess umfasst mehrere elektrochemische Prozesse. Sobald jedoch eine Form erstellt ist, umfasst die Vorbereitung der Folie lediglich das Aufgießen des flüssigen Silikons, das Trocknen und das Abziehen von der Form. Dank des verwendeten speziellen Silikons lässt sich diese Schicht dann problemlos auch ohne Klebstoff auf jedes Glas auftragen.

Beim Auftragen auf ein kleines Dünnschicht-Cadmiumtellurid-Modul (siehe Bild oben) halbierte die Beschichtung die Reflexionsverluste und erhöhte die Energieabgabe nicht nur mittags (wenn das Sonnenlicht direkt auf das Modul trifft), sondern auch morgens und abends, wo Die Sonnenstrahlen treffen in einem größeren Winkel auf das Modul (siehe Nebenbild in der Grafik unten). Das Nettoergebnis – eine deutliche Verbesserung der Energieausbeute um 7 % im Laufe des Tages.

klicken um zu vergrößern (Bildnachweis: Zhiyong Fan über SPIE)

Die Folie verbessert nicht nur die Energieausbeute, sondern ist auch superhydrophob (stark wasserabweisend), wodurch sie selbstreinigend und sehr wirksam gegen Verschmutzungen ist, die bei großen Solaranlagen einen großen Beitrag zu den Wartungskosten leisten.

Die Forscher im sogenannten „Fan-Labor“ am HKUST wollen weiterhin andere Silikon- und Nicht-Silikon-Materialien erforschen, damit sie die Folien an verschiedene Glasarten anpassen können, die mit verschiedenen PV-Zellentechnologien verwendet werden.

Die Forscher scheinen jedoch zuversichtlich zu sein, dass der Film Fans in der PV-Industrie anziehen wird, da in Kürze Einzelheiten zu einer Hochdurchsatz-Herstellungsmethode veröffentlicht werden, mit der die Filme kostengünstig und in großem Maßstab hergestellt werden können.

Ob die Produktionskosten es zu einer praktikablen Alternative zu bestehenden AR-Beschichtungen auf Sol-Gel-Basis machen und ob die schmutzabweisenden Eigenschaften über die gesamte Lebensdauer kommerzieller Module (typischerweise 20–25 Jahre) stabil bleiben, bleibt abzuwarten.

Bildquelle oben: Siu-Fung Leung et al