Alternative Interlayer für Photovoltaik-Module

In den führenden Industriestaaten wächst das Interesse an Photovoltaik-Systemen für Gebäude seit Jahren rapide. Steigende Kosten für fossile Brennstoffe forcieren die Suche nach Alternativen und die intensive Weiterentwicklung erneuerbarer Energien. „Power Plants“, Kraftwerke mit Photovoltaik-Systemen, überflügeln einander mit immer neuen Leistungsrekorden.

Parallel entwicklen sich Gebäude-integrierte Photovoltaiksysteme (PV-Systeme); sogenannte „BIPV“ (Building Integrated Photovoltaics). Um das Potenzial dieser PV-Systeme weiter auszuschöpfen, suchen Architekten und Ingenieure immer neue Möglichkeiten kosteneffizienter Lösungen zur Installation von PV-Systemen in Glasfassaden und Dächern.
Unterstützt wird dieser Trend von politischen Entscheidungen in den verschiedenen OECD-Staaten, Immobilienbesitzern die Einspeisung von Strom aus diesen Systemen ins öffentliche Stromnetz zu gestatten bzw. zu erleichtern. Verglichen mit den Netz- bzw. Strompreisen etablierter Anbieter ist Solarstrom heute noch zwei bis vier Mal so teuer. Experten schätzen jedoch, dass Solarstrom innerhalb des nächsten Jahrzehnts ein wettbewerbsfähiges Niveau erreichen wird.

Hauptprobleme bei der Nutzung von Solarstrom aus Gebäuden oder Fassaden sind immer noch technische Gegebenheiten: Beschattung, Neigung oder Ausrichtung des Gebäudes sowie fehlende Standards bei der Gebäude-Anschlusstechnik.

Eine mögliche Lösung sind integrierte PV-Systeme in Fassaden und Glasdächern, die sowohl den Anforderungen an eine effiziente Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche als auch ästhetischen Gesichtspunkten gerecht werden. Schon heute dürfen aus Sicherheitsgründen in vielen Staaten so genannte „Über-Kopf-Verglasungen“, wie z. B. Fassadenverglasung, Glasdächer, Glastreppen oder Treppengeländer aus Glas, ausschließlich nur mit Verbundsicherheitsglas ausgeführt werden. Weiterhin spricht für Verbundsicherheitsglas, dass PV-Module an sich bereits Glas-Verbundsysteme sind (in Glas eingekapselte Solarzellen). Eine ideale Ergänzung bietet das Harz Polyvinylbutyral (PVB), das bereits seit Jahrzehnten vorzugsweise in Verbundsicherheitsglas als Folie zwischen Glasscheiben eingesetzt wird.

Verkapselung von Solarzellen
Für PV-Module gewähren Hersteller heutzutage eine Lebensdauer von 20 Jahren und mehr – ein Ergebnis der Anstrengungen in den vergangenen Jahrzehnten, die Beständigkeit von Modulen und Solarzellen weiter zu verbessern. Eine wichtige Komponente stellt dabei das Verkapselungs-Material dar, das die eigentliche Solarzelle vor Beschädigung schützt und eine lange Lebensdauer garantiert.
Das derzeit favorisierte Material ist Ethylen-Vinyl-Azetat (EVA). Alternative Materialien sind beispielsweise Gießharze auf Acryl- oder Polyurethan-Basis.

Eine Alternative zu derzeitigen PV-Standardmodulen sind Doppelglas-Module, bei denen die Zellen in TROSIFOL SOLAR, eine von der Kuraray Europe GmbH 2004 vorgestellte und bis dahin weltweit einzigartige PVB-Folie für PV-Systeme in Verbundsicherheitsglas, verkapselt werden. Gerade die PVB-Folie TROSIFOL der Kuraray hat insgesamt über die vergangenen 10 Jahre eine beeindruckende Marktentwicklung gezeigt. Zudem hat PVB exzellente optische Eigenschaften, eine modifizierbare Glasshaftung, eine hohe Schlagzähigkeit und eine herausragende UV- und Temperatur-Beständigkeit. Die ersten Anwendungen von Verbundsicherheitsglas mit PVB reichen bis in die 1930er Jahre zurück.

Grundsätzlich zeigen sich die Unterschiede zwischen dem gummielastischen Elastomer EVA und dem weichen Thermoplast PVB beim Verhalten im Glasverbund. So benötigt man bei einem Glasverbund auf EVA-Basis eine Extralage Glas, um das gleiche Sicherheitsniveau wie bei einem Verbund mit PVB zu erreichen. PVB besitzt eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einwirkung und zeigt ein besseres Verhalten nach dem Glasbruch. Und genau diese Eigenschaften prädestinieren PVB für den Einsatz in PV-Modulen für Fassaden oder Dächer.
Darüber hinaus stellt PVB eine kostengünstige Lösung dar und erlaubt dünnere – und damit leichtere – Verbundsicherheitsgläser.

TROSIFOL SOLAR wurde speziell auf die PV-spezifischen Anforderungen von Solarzellen in PVB-Verbundsicherheitsglas hin entwickelt. Besonderen Wert wurde darauf gelegt, die zerbrechliche und druckempfindliche Solarzelle optimal zu verkapseln und dauerhaft zu schützen. Bedingung dafür war ein modifiziertes Viskositätsverhalten und die Oberflächenrauhigkeit der Folie, die im Laminiervorgang des Vakuum-Prozesses eine verbesserte Wirkung zeigt. Für größere Modul-Formate ist es nun möglich, dem Standard-Vakuumsack-Verfahren (Entlüftung) einen herkömmlichen Autoklaven-Prozess folgen zu lassen.
Weitere Vorteile von TROSIFOL SOLAR PVB-Folie gegenüber EVA-Folien sind beispielsweise:

• PVB ist bis zum Einsatz 4 Jahre lagerfähig; EVA nur 6 Monate.
• höhere Widerstandsfähigkeit gegen Eindrücke und fehlende Fließeigenschaften an den Kanten, dadurch keine Verunreinigung der Module im Laminierprozess
• reproduzierbarer Laminierprozess durch fehlende Vernetzung (Vernetzung bei PVB nicht nötig)
• Einsatz anderer, kosteneffizienterer Laminierprozesse
• besseres Langzeitverhalten hinsichtlich UV- und Temperaturbeständigkeit (ist aus dem Einsatz von Verbundsicherheitsglas seit Jahrzehnten bekannt)
• Kombinationen mit Geräusch-reduzierenden oder farbigen Folien sind möglich, um den ästhetischen oder anderen funktionalen Ansprüchen gerecht zu werden

Hersteller von Photovoltaikmodulen und Verbundsicherheitsglas in Europa arbeiten bereits eng zusammen und vermarkten PV-Systeme mit PVB-Folien. Der dadurch entstandene Wissens-Transfer und die Nutzung bekannter ein- oder zweistufiger Laminierungsprozesse lassen nun auch die Produktion größerer PV-Systeme zu, als dies früher möglich war. Die effizientere Flächen-Ausnutzung im Vergleich zu bisher verwendeten Glasformaten reduziert den Preis von PV-Modulen und kann zukünftig für einen breiteren Einsatz erneuerbarer Energien aus Sonnenlicht sorgen. Ein herausragendes Beispiel zeigte das österreichische Unternehmen Ertex Solar, das auf der Messe INTERSOLAR 2005 das bis dahin weltweit größte PV-Modul ausstellte: 5.100 x 2.450mm – mit TROSIFOL SOLAR PVB-Folie.

Steigende Wirkungsgrade
Nicht nur die Formate nehmen an Größe zu, auch die Wirkungsgrade verbessern sich. Mit 37,6 Prozent Wirkungsgrad wandelten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg Sonnenlicht in elektrischen Strom um und schufen damit Anfang Juli 2008 einen neuen Europarekord. Das Ergebnis wurde auf Basis so genannter „Konzentrator­Solarzellen“ aus III-V Halbleitern erzielt - Solarzellen, die bislang hauptsächlich im Weltraum eingesetzt werden. Die laufenden Entwicklungen der Fraunhofer Forscher erlauben nun auch den kosteneffizienten Einsatz derartiger Solarzellen auf der Erde.

Dünnschicht-Technologie
Integrierte Photovoltaik-Technik in Gebäudefassaden und Dächer wird zukünftig – nicht nur in Deutschland – eine immer wichtigere Rolle spielen. Interessant wird dabei die Rolle des jüngsten Technologiesprungs sein: die Entwicklung und Großserieneinführung der Dünnschichttechnologie. In der Definition werden dabei dünne Schichten von Materialien (ca. 2-3 Mikrometer) durch unterschiedliche Verfahren auf ein Substrat aufgebracht und anschließend bearbeitet. Diese Schichten auf Glas oder Metall fungieren als Solarzellen alternativ zu Zellen aus amorphem oder kristallinem Silizium. Den höchsten Marktanteil nimmt zurzeit das amorphe Silizium ein, das mit Wirkungsgraden zwischen 6 und 8 Prozent arbeitet. Kristallines Silizium, zum Beispiel mikrokristallines Silizium, erreicht in Kombination mit amorphem Silizium höhere Wirkungsgrade von bis zu 14 Prozent.
Zurzeit weisen dünnschichtige PV-Module noch immer geringere Wirkungsgrade auf als mono- oder polykristalline Module (zwischen 12 und 16 Prozent). In Kombination mit ihrem geringeren Einstandspreis und damit deutlich niedrigeren Kosten für das gesamte Modul, wird hier der breite Einsatz - auch im privaten Bereich - im kommenden Jahrzehnt erwartet. Für Architekten eröffnen sich dadurch ganz neue Betätigungsfelder mit ungeahnten Möglichkeiten der Gestaltung von Fassaden und Glasflächen im Allgemeinen.