Farbenfrohe Fassaden für Solargebäude der Zukunft
Der Gebäudesektor generiert 36 % aller Treibhausgasemissionen in der EU. Eine bessere Nutzung von Solarenergie mit effizienterer Photovoltaiktechnologie könnte der Schlüssel sein, um die Umweltbelastung durch Emissionen zu verringern und bis 2050 das europäische Ziel der Klimaneutralität zu erreichen. Das Projekt PEDAL trug mit seinen Innovationen einen wichtigen Schritt dazu bei, neben dem Wirkungsgrad auch die Optik von Solartechnik zu verbessern. Schwerpunkte des vom Europäischen Forschungsrat (ERC) finanzierten Projekts waren zwei Arten von Geräten: lumineszierende Solarkonzentratoren sowie Dünnschichten mit Lumineszenz-Abwärtskonversion. Bei beiden Systemen wird die Sonneneinstrahlung über dünne Beschichtungen aufgefangen, die auf Fassaden oder Verglasungselementen von Gebäuden aufgebracht werden. Die Arbeitsgruppe untersuchte, wie die Energieeffizienz von Gebäuden durch plasmonische Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und lumineszierenden Stoffen wie Quantenpunkten oder Farbstoffen gesteigert werden könnte.
Aufbauend auf bestehender Solarzelltechnologie
Das Prinzip bei plasmonisch verstärkter Lumineszenz-Abwärtskonversion (plasmonically enhanced luminescent downshifting, PLDS) von Dünnschichten ist die Abwärtskonversion hochenergetischer Photonen, die sich mit herkömmlicher Technologie bislang nicht effizient zur Erzeugung von Schwachstrom nutzen ließen. Dies ermöglicht eine effizientere Stromumwandlung mit verschiedenen Solarzelltechnologien. Die PLDS-Dünnschichten sind direkt mit den darunter befindlichen Solarzellen gekoppelt. In plasmonisch verstärkten Lumineszenz-Solarkonzentratoren (plasmonically enhanced luminescent solar concentrators, PLSC) wird die Konzentration diffuser Sonneneinstrahlung, die mit bisheriger Technologie nicht effizient aufgefangen werden kann, erhöht. Dabei werden die Photonen am Rand des PLSC-Systems konzentriert und dort in elektrische Energie umgewandelt. „Ergebnisse unserer Arbeit sind der erste plasmonische Lumineszenz-Solarkonzentrator und das Abwärtskonversions-Modul, die unter realen Witterungsbedingungen direkt an Gebäuden umfassend getestet wurden“, sagt Sarah McCormack, außerordentliche Professorin am Trinity College Dublin, Irland. „Das neue Konzentratormodul kann diffuse Sonneneinstrahlung auffangen, was die Effizienz verglichen mit Solarmodulen, die nicht mit unserem Gerät ausgestattet sind, um das Zwölffache erhöht.“ Das PEDAL-Team entwickelte eine umfassende Methodik zur Herstellung der Geräte und Intensivierung plasmonischer Wechselwirkungen zwischen Metallnanopartikeln und Leuchtstoffbeschichtung. Schließlich wurde ein mathematisches Modell zur Optimierung der Wechselwirkungen erstellt. Beide Geräte sind als Fassadenelemente mit transparenter und nicht transparenter Farbbeschichtung erhältlich.
Hohes Marktpotenzial
Dank der Kombinierbarkeit mit allen gängigen Solarmodulen ist das Kommerzialisierungs- und Anwendungspotenzial der Technologie enorm. Voraussetzung hierfür ist jedoch die Hochskalierung der Produktion, erklärt McCormack, u. a. die kommerzielle Synthese von Metallnanopartikeln mit der von PEDAL entwickelten Methodik. „In Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Enterprise Ireland wollen wir die Technologie optimieren und die Finanzierung einer Machbarkeitsstudie für die Kommerzialisierung der Geräte beantragen“, wie sie ergänzt. Daher liegt der Schwerpunkt für McCormack und ihre Arbeitsgruppe auf der Weiterentwicklung der Technologie. PEDAL dient als Basis für das Projekt IDEAS, in dem 14 Partner erneuerbare Energietechnologien in Gebäude integrieren. Das EU-Großprojekt entwickelt aus der PLDS-Technologie ein Fassadenelement, das derzeit an Gebäuden in Irland und Italien demonstriert wird.
Schlüsselbegriffe
PEDAL, Energieeffizienz, Photovoltaiktechnologie, lumineszierende Solarkonzentratoren, lumineszierende Abwärtskonversion, plasmonische Wechselwirkung, Quantenpunkt, PLDS, PLSC, Solarzellen
