Fraunhofer CSP und Exxosqel entwickeln ultradünnes Glas-Glas-Modul mit spezieller Beschichtung

Das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) und das Start-up Exxosqel haben ein Glas-Glas-Solarmodul entwickelt, dessen Front- und Rückgläser jeweils nur einen Millimeter dick sind. Dabei kommt eine spezielle Glasbeschichtung zum Einsatz, um die geringere mechanische Festigkeit auszugleichen, die mit dünneren Glasabdeckungen einhergeht.

„Das entwickelte Dünnglas-Modul ist derzeit nur ein Demonstrationsmodell“, erklärte Ringo Köpge, Wissenschaftler am Fraunhofer CSP, gegenüber dem pv magazine. Das Modul hat eine Glasfläche von 300 mal 200 Millimeter und nutzt etablierte Verkapselungsmaterialien sowie seriell verschaltete Viertelzellen aus bifazialen M6-9-Busbar-PERC-Zellen, wobei jede Viertelzelle eine Leistung von etwa 1,58 Watt liefert. „Die Fertigung des Moduls erfolgte in einem Standard-Photovoltaik-Laminator, wobei die Prozessparameter – darunter Temperatur, Druck und Anlagenkonfiguration – angepasst wurden“, so Köpge.

Bei der Beschichtung handelt es sich um eine mehrkomponentige, reaktive Oberflächenbehandlung, die direkt auf das Glas aufgebracht wird. Sie reagiert chemisch mit Hydroxylgruppen, die an Glasoberflächen mit Mikrorissen vorhanden sind, die während der Abkühlung und Heißformgebung entstehen. Die Beschichtung bildet dabei kovalente Bindungen mit der Glasstruktur aus. Laut Exxosqel bewirkt diese Reaktion eine teilweise Heilung der Mikrorisse, verringert die Sprödigkeit der Oberfläche und verbessert die mechanische Festigkeit des Glases. Die entstehende vernetzte Verbundschicht ist so konzipiert, dass sie transparent und chemisch beständig bleibt. Zudem ist ihr Brechungsindex auf das Glas abgestimmt, um optische Verluste zu minimieren.

„Inspiriert von der Struktur von Abalone-Muscheln, bei denen geringe Mengen organischen Materials die Zähigkeit drastisch erhöhen, schafft die Beschichtung eine widerstandsfähigere Verbundoberfläche, ohne die Transparenz oder Beständigkeit zu beeinträchtigen“, erklärte Exxosqel-CEO Thomas C. Sauer gegenüber dem pv magazine. „Die Technologie lässt sich in bestehende Glasproduktions- oder Veredelungsprozesse integrieren und könnte dünnere, leichtere Glasprodukte ermöglichen, ohne die mechanische Leistungsfähigkeit zu schmälern.“

Nähere Angaben zur chemischen Zusammensetzung der Beschichtung hat das Unternehmen nicht veröffentlicht. Von Exxosqel durchgeführte Labortests zeigen Berichten zufolge eine deutliche Steigerung der Glasfestigkeit: Bei Labortests von 2-Millimeter-Glas erhöhte sich der Wert von 79 auf bis zu 558 Megapascal, bei 1-Millimeter-Glas von 184 auf bis zu 1348 Megapascal. Das Unternehmen geht davon aus, dass dünnere Glassubstrate den Materialverbrauch, den Energiebedarf und die CO2-Emissionen senken könnten, da sie eine Gewichtsreduzierung um bis zu 40 Prozent ermöglichen. „Das spezielle Beschichtungsverfahren ist nicht auf das Demonstrationsmodul beschränkt, sondern lässt sich auch auf Standard-Solarmodule anwenden“, erklärte Köpge.

Laut Fraunhofer CSP könnte die Beschichtung von ultradünnem Glas eine Lösung für Anwendungen wie die gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) bieten – etwa für Module mit bedruckter Frontscheibe oder in Leichtbauweise. Die Beschichtungstechnologie könnte zudem dazu beitragen, die Herstellungskosten von Photovoltaik-Modulen zu senken, indem sie den Einsatz dünneren Glases ermöglicht und so Materialverbrauch, Modulgewicht sowie die damit verbundenen Transport- und Handhabungskosten reduziert. Dünneres Glas wirft jedoch auch Fragen hinsichtlich der mechanischen Beständigkeit im Außeneinsatz auf, insbesondere bei extremen Wetterbedingungen wie Hagel.

Einer aktuellen Studie aus Indien zufolge sind Solarmodule mit einer 3,2 Millimeter dicken Frontscheibe womöglich nicht widerstandsfähig genug gegen Stürme mit großem Hagel. Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass eine Frontscheibe von mindestens vier Millimeter Stärke verwendet werden sollte, um schwere Schäden zu vermeiden.

„Weit verbreitet ist die Ansicht, dass eine Verringerung der Glasdicke grundsätzlich nicht mit einer ausreichenden Hagelfestigkeit vereinbar ist. Genau diese herkömmliche Einschränkung wollen wir mit unserer Technologie überwinden“, sagte Sauer. „Unser Ansatz nutzt einen völlig anderen Mechanismus zur Festigkeitssteigerung und zielt darauf ab, die mechanische Leistungsfähigkeit von der üblichen Beschränkung durch die Glasdicke zu entkoppeln. Die Prüfung der Hagelfestigkeit an Modulen in Originalgröße ist einer der nächsten wichtigen Entwicklungsschritte. Angesichts der bisher erzielten mechanischen Ergebnisse sind wir optimistisch, doch müssen die Tests an großformatigen Modulen den entsprechenden Nachweis natürlich erst noch erbringen.“