ColorSol: Entwicklung und Optimierung von Farbstoffsolarzellen (FSZ)

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Inhaltsverzeichnis

Verbundprojekt ColorSol®

LogoIm Fokus des Verbundprojektes ColorSol® stand die Entwicklung und Optimierung von Farbstoffsolarzellen (FSZ). Hierzu wurden industrienahe Herstellungsverfahren von FSZ-Modulen entwickelt sowie eine Analyse von Marktchancen und Anwendungsmöglichkeiten dieser innovativen Technologie durchgeführt. In ColorSol® erfolgte zudem der Bau erster FSZ-Prototypen, mit denen die Aufskalierbarkeit der Herstellung und die herausragenden Merkmale von Farbstoffsolarzellen aufgezeigt werden konnten.

Die Farbstoffsolarzelle zählt zu den elektrochemischen Dünnschichtzellen. Der Vorgang der Stromerzeugung in einer FSZ lässt sich prinzipiell mit dem der Photosynthese bei Pflanzen vergleichen. In der FSZ wird Sonnenlicht mittels eines metallorganischen Farbstoffs auf Rutheniumbasis in elektrischen Strom umgewandelt. Der organische Farbstoff ist dabei in nanokristalline Elektroden aus Titandioxid eingebettet.

Farbstoffsolarzellenmodul
Im Projekt ColorSol® hergestellter Prototypenpanel aus Farbstoffsolarzellen.

Projektinhalte

Im Projekt ColorSol® wurde die Aufskalierbarkeit der Herstellung glaslotversiegelter Farbstoffsolarmodule gezeigt. Industriell anwendbare Produktionsverfahren und Methoden der Qualitätskontrolle wurden entwickelt und optimiert. Eine Befüllmaschine für Farbstoffsolarmodule wurde als industrienahe Versuchsanlage entwickelt und gebaut. Es konnten erfolgreich Kleinserien gedruckt und Prototypen für Farbstoffsolarmodule entwickelt werden. So wurde ein Demonstratorenpanel konzipiert, geplant und gebaut, das die herausragenden Merkmale der Technologie in Bezug auf Farbgebung und Teiltransparenz herausstellt.

Neben den technischen Entwicklungsarbeiten bestand ein wichtiger Schwerpunkt des Projektes ColorSol® darin, die Marktpotenziale der Farbstoffsolarzelle genauer zu analysieren und Anwendungsszenarien mit ihren Anforderungsprofilen zu entwickeln. Für die Konzentration auf Anwendungen von Farbstoffsolarzellen in der gebäudeintegrierten Photovoltaik (GIPV) sprachen mehrere Gründe:

  • Das wachsende Potenzial für die GIPV wird in einer Reihe von Studien nachgewiesen. Darüber hinaus fördern nationale Einspeisegesetze (z.B. in Frankreich und Italien) die GIPV mit höheren Vergütungssätzen.
  • Farbstoffsolarzellen sind aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften (Semitransparenz, Farbigkeit, erhöhte Empfindlichkeit für diffuse Einstrahlung und größere Toleranz gegenüber erhöhten Umgebungstemperaturen) prädestiniert für den Einsatz in der GIPV.

In Kooperation mit führenden Architekten aus der GIPV wurden im Projekt ColorSol® Anwendungsszenarien für den Einsatz von Farbstoffsolarzellen für folgende Einsatzbereiche entwickelt:

  • Gebäudefassaden, z.B. als Warm- oder Kaltfassade
  • PV-Glazing, z.B. in Überdachung, Atrien oder Wintergärten
  • Fenster, z.B. als Elemente dachgestützter PV-Anlagen

Prototypenpanel
Demonstrator aus
Farbstoffsolarzellen.
Bei der Entwicklung der Anwendungsszenarien und Demonstratoren wurde großer Wert auf die Orientierung an den Anforderungen der zukünftigen Anwender und Nutzer gelegt, um so in der Zukunft bedarfsorientierte und marktgerechte Produkte für die Anwendung in der gebäudeintegrierten Photovoltaik (GIPV) zu entwickeln. So wurden Anforderungen für die drei genannten Nutzungsmöglichkeiten von Farbstoffsolarzellen in der GIPV (Dachliegefenster, Fassadenelement, Photovoltaikverglasung) erfasst und parallel wirtschaftliche, baurechtliche und gestalterische Anforderungen erhoben. Es wurden konkrete Anwendungsszenarien entwickelt, Marktszenarien erstellt, die Kosten für eine mögliche Serienproduktion abgeschätzt und mögliche Umweltwirkungen der Technologie analysiert.


Für die Realisierung einer Serienproduktion von Farbstoffsolarzellen stehen noch zusätzliche Schritte, wie der Aufbau einer Pilotproduktion mit einem optimierten Anlagenkonzept sowie die Entwicklung von Systemen und Komponenten für spezifische Qualitätskontrollen aus. Mit weiteren Demonstrationsobjekten könnten die Anwendungsmöglichkeiten der Farbstoffsolarzelle mit Architekten und Fassadenbauern vertieft untersucht und die Akzeptanz der Technologie am Markt erhöht werden.

Innovation Farbstoffsolarzelle

Farbstoffsolarzellen sind elektrochemische Dünnschichtsolarzellen. Sie verfügen über nano­kristalline Elektroden aus Titandioxid, in die eine Schicht aus organischen Farbstoffen auf der Basis von Ruthenium eingebettet ist. Damit kann eine höhere Lichtausbeute und ein besserer Elektronentransfer vom Lichtabsorber zur Elektrode erreicht werden. Im Labor konnten in Testzellen und Standard Test Conditions (STC) solare Wirkungsgrade bis 11 % erreicht werden. Diese Werte liegen zwar unter denen kommerziell verfügbarer Siliziumsolarzellen, aufgrund ihrer höheren Empfindlichkeit für Streulicht und ihrer größeren Temperaturtoleranz, erzielen Fabrstoffsolarzellen jedoch im Tagesverlauf Ausbeuten, die denen von anderen Dünnschichttechniken vergleichbar sind (siehe Hinsch et al. 2009). Mittel- bis langfristig wird jedoch davon ausgegangen, dass sich der solare Wirkungsgrad von Farbstoffsolarzellen noch deutlich erhöhen lässt.

Farbstoffsolarzelle
Im Projekt ColorSol® hergestellter
Prototypenpanel aus Farbstoffsolarzellen.

Für Farbstoffsolarzellen ergeben sich aufgrund ihrer Eigenschaften wie Farbigkeit und Semitransparenz vollständig neue Anwendungsgebiete. Ihre Produktion ist im Vergleich zur Siliziumtechnik kostengünstiger, da wesentlich einfachere Herstellungsverfahren aus der Siebdrucktechnik zur Anwendung kommen. Zudem erlauben Farbstoffsolarzellen größere Freiheitsgrade für das Design (Farb- und Formgebung) von Solarmodulen.

Eine erste Lebenszyklusbetrachtung von Farbstoffsolarzellen zeigte, dass ihre energetische Amortisationszeit halb so groß wie die von konventionellen Solarzellen ist (siehe hierzu auch die Analyse im Bereich Umweltwirkungsbewertung). Durch einen großflächigen Einsatz von Farbstoffsolarzellen- und organischen Solarzellen könnten somit erhebliche Energieeinsparungen erreicht werden. Die erwarteten geringen Produktionskosten können zudem die Verbreitung von photovoltaischen Anwendungen erhöhen und damit die Nutzung regenerativer Energien insgesamt stärken. Auch werden sozial positive Auswirkungen erwartet, da durch günstigere Anschaffungspreise z.B. Nutzer in Entwicklungs- und Schwellenländern gewonnen werden können, die bisher keinen Zugang zu einer günstigen und umweltfreundlichen Energieversorgung hatten.

Herstellungsprozess

Herstellungsprozess
Herstellungsprozess Farbstoffsolarzelle (klicken für größere Ansicht)

Umweltwirkungsbewertung

Die Berücksichtigung von Prinzipien einer umweltgerechten Produkt- und Technologieentwicklung stellte ein zentrales Element im Forschungsprojekt ColorSol® dar. Dabei wurden u.a. die im Folgenden beschriebenen Analysen durchgeführt.

Der gesamte primärenergetische Aufwand des Lebenszyklus von Farbstoffsolarmodulen wurde mithilfe des kumulierten Energieaufwands (KEA) bestimmt. Zur Datenerhebung wurde auf Erfahrungswerte der ColorSol®-Projektpartner bzw. anderer Experten, Veröffentlichungen, externe Datenbanken sowie auf Daten vergleichbarer Prozesse zurückgegriffen. Als wichtigste Kenngröße wurde die energetische Amortisationszeit ermittelt. Diese gibt den Zeitraum an, in dem die Nutzung von Farbstoffsolarzellenmodulen soviel Nutzenergie bereitgestellt hat, wie für die Herstellung, Nutzung und Entsorgung aufgewendet werden muss.

Es wurden unterschiedliche Szenarien berücksichtigt: Im Standard-Szenario entsprechen alle Parameter dem momentanen Stand der Technik sowie den realistischsten Installationsbedingungen (Wirkungsgrad 5%, Installation in Deutschland, Integration in eine nach Süden gerichtete Fassade, angenommene Lebensdauer 10 Jahre). Hierfür ergibt sich eine energetische Amortisationszeit von 29,8 Monaten. Sie kann jedoch durch eine Installation der Module in Südeuropa, durch eine effizientere Produktion oder durch einen gesteigerten Wirkungsgrad bis auf 17 Monate verringert werden, aber auch unter ungünstigen Bedingungen auf 40 Monate steigen. Dies ist im Vergeich zu anderen Solarzellen mit 15 Monaten (CIS), 28 Monaten (amorph) bis 55 Monaten (mono-Si) technisch konkurrenzfähig.

Ein Recycling von Farbstoffsolarmodulen ist mit Hilfe von mechanisch-chemischen Verfahren möglich. Im Projekt ColorSol wurde ein mögliches Recyclingverfahren für Farbstoffsolarmodule bestimmt: Zunächst sind die Module zu demontieren und zu zerkleinern. Die resultierenden Modulscherben können mit Natriumhydroxid behandelt werden, um den Elektrolyt zu entfernen. Mit Ethanollösung, Filtration, Sedimentation und Destillation können Titandioxid und Farbstoff abgetrennt werden. Es verbleiben Modulscherben mit sehr dünnen aufgedruckten Schichten aus Silber, Platin und Zirkoniumoxid. Diese können weiter behandelt oder dem Glasrecycling zugeführt werden. Die Verfahrensauswahl hängt von einer ökonomisch-ökologischen Bewertung im Einzelfall ab. Für eine abschließende Aussage sind noch Praxistests nötig.

Projektpartner

  • Fraunhofer-Institut IAO, Stuttgart (Koordination)
  • Fraunhofer ISE, Freiburg
  • Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit gGmbH, Berlin
  • Pröll KG, Weißenburg i. Bay.
  • BGT Bischoff Glastechnik AG, Bretten
  • Engco Advanced Technologies GmbH (Engcotec), Stuttgart
  • Ionic Liquids Technologies GmbH & Co. KG (IoLiTec), Denzlingen
  • Bundesverband Deutscher Fertigbau e. V. (BDF), Bad Honnef

Durch den Bund gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung.

Weiterführende Informationen