Spektral selektive photonische Strukturen für die farbige Gestaltung von integrierten PV-Systemen unter besonderer Berücksichtigung einer guten Winkelstabilität, einer hohen Farbsättigung sowie eines möglichst geringen PV-Wirkungsgradverlustes

Stipendiatin/Stipendiat: Andreas Wessels

Auf dem Weg in Richtung eines klimaneutraleren menschlichen Handelns ist die Dekarbonisierung des Gebäudesektors ein entscheidender Bestandteil. Ein schneller Wandel zu einer nachhaltigen Energieversorgung aus regenerativen Quellen bietet die Möglichkeit die Emissionen von Treibhausgasen drastisch zu reduzieren. Bezogen auf das deutsche Energiesystem werden für eine solche Transformation bis 2050 zwischen 300 und 500 GWP Pholtovoltaik-Installationen benötigt. Bezieht man neben Dachflächen ebenfalls Fassaden in die Kalkulation mit ein zeigt sich, dass der gesamte Flächenbedarf rentabel an Gebäuden bereitgestellt werden kann. Ein hemmender Faktor bei der praktischen Nutzung dieses Potentials ist die geringe Akzeptanz für Gebäudeintegrierte Photovoltaikanlagen (engl. Building-integrated photovoltaics = BIPV). Bedingt ist diese vor allem durch die stark eingeschränkte farbliche Gestaltungsfreiheit der Gebäude, wenn herkömmliche schwarze PV-Module genutzt werden.

Die grundlegende Idee des Promotionsvorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen technologischen Ansatzes zur farbigen Gestaltung von PV-Modulen basierend auf einer vom Fraunhofer ISE patentierten und als MorphoColor® bezeichneten Technik. Ein auf die Innenseite des Modulglases aufgebrachtes photonisches Schichtsystem verursacht durch die Wechselwirkung von geometrischen Strukturen und Interferenzschichten eine intensive Farbwirkung bei gleichzeitig geringem Wirkungsgradverlust. Dieser Wirkungsgradverlust tritt immer auf, wenn Module farbig erscheinen sollen, da ein Teil des Spektrums reflektiert wird um die Farbwirkung zu erzeugen. Beim betrachteten Konzept ist dieser Verlust potentiell besonders gering. Ziel des Promotionsvorhabens ist es, den vielversprechenden Ansatz der MorphoColor® Strukturen wissenschaftlich zu untersuchen und zu verstehen, um spektral selektive photonische Strukturen für die homogene Farbgestaltung von PV-Modulen mit möglichst hohem verbleibenden Wirkungsgrad zu entwickeln (>90% des Wirkungsgrades ohne Farbschicht).

Den ersten Vorgehensschritt stellt die topographische und optische Charakterisierung potenziell nutzbarer unbeschichteter und beschichteter Gläser unterschiedlicher Rauigkeit mittels eines Rasterelektronenmikroskops (REM), eines Rasterkraftmikroskops (AFM), eines Weißlichtmiktroskops, einer Leuchtdichtekamera sowie eines Photospektrometers dar. Die Beschichtung der Gläser wird mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) sowie plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) realisiert. Parallel findet die Entwicklung eines optischen Simulationsmodells statt, das die Farbwirkung und den Wirkungsgradverlust verschiedener Strukturen möglichst genau vorhersagen kann und letztlich eine Systemoptimierung ermöglicht. Das Modell basiert auf einer Kombination verschiedener wellenoptischer (z.B. Transfermatixformalismus, Rigorous Coupled Wave Analysis), strahlenoptischer (z.B. OPTOS, Ray tracing) und empirischer (z.B. Phong-Streuung) Modelle.

Im Weiteren wird das Modell in Kombination mit praktischen Beschichtungsversuchen für die Analyse des Zusammenhangs der Oberflächenstruktur und der Interferenzschichten sowie deren Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften der beschichteten Gläser angewandt. So können kritische Parameter identifiziert und mittels einer Sensitivitätsanalyse untersucht werden, um Anforderungen an die genutzten Materialien und Prozesse abzuleiten. Beispielsweise wird die Homogenität der Interferenzschichten über die gesamte Modulfläche eine entscheidende Rolle für einen homogenen Farbeindruck spielen. Die gewonnenen Erkenntnisse können im Folgenden für die Untersuchung realisierbarer Farben genutzt werden. Dabei sind sowohl aus einem einzelnen spektral schmalen Reflexionspeak, als auch aus Kombinationen mehrerer Peaks resultierende Farben denkbar. Schließlich wird ein farbiges Demomodul hergestellt mithilfe dessen Leistungsmessungen für den Vergleich mit herkömmlichen PV-Modulen durchgeführt werden.

Förderzeitraum:
01.07.2020 - 30.06.2023

Institut:
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Institut für Nachhaltige Technische Systeme - INATECH
Professur für Photovoltaic Energy Conversion

Betreuer:
Prof. Dr. Stefan Glunz

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