Exxosqel will mit neuer Beschichtung Solarglas bis zu 40 Prozent leichter machen

Exxosqel aus dem unterfränkischen Gössenheim hat eine Beschichtungstechnologie entwickelt, die die mechanische Festigkeit von Solarglas verbessern und den Einsatz dünnerer Glasscheiben in Photovoltaik-Modulen ermöglichen soll.

Die in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (Fraunhofer ISC) entwickelte Technologie könnte nach vorläufigen Testergebnissen das Glasgewicht um bis zu 40 Prozent reduzieren, ohne die mechanische Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.

Glas macht derzeit 70 bis 80 Prozent des Gesamtgewichts eines Photovoltaik-Moduls aus. Module wiegen in der Regel zwischen elf und 13 Kilo pro Quadratmeter. Schwerere Modelle bringen auch bis zu etwa 16 Kilo pro Quadratmeter auf die Waage.

Eine Verringerung der Glasdicke könnte daher den Rohstoffverbrauch, den Energiebedarf bei der Herstellung und die damit verbundenen Emissionen senken und gleichzeitig die Belastungen bei Transport und Installation verringern.

Exxosqel ist Tochter von Exxergy, einem Beratungsunternehmen für die Photovoltaik-, Windenergie-, Speicher- und Glasindustrie. Gegründet wurde das Unternehmen von Thomas C. Sauer, der zuvor unter anderem als Executive Vice President der Schott AG und als CEO der IBC Solar AG tätig war.

Mikroskopisch kleine Glasdefekte verhindern

Nach Angaben von Exxergy nimmt die Technologie einen der Hauptfaktoren ins Visier, die die mechanische Festigkeit von Flachglas einschränken: mikroskopisch kleine Risse, die während der Herstellung und Handhabung entstehen. Anstatt Oberflächenfehler lediglich zu überdecken, ist die Beschichtung so konzipiert, dass sie in die Risse eindringt und deren mechanisches Verhalten verändert.

Bei dem Verfahren kommt ein Mehrkomponenten-Verbundwerkstoff zum Einsatz, der eine dreidimensionale, vernetzte Struktur bildet. Nach dem Auftragen geht die Beschichtungsmatrix auf molekularer Ebene kovalente Bindungen innerhalb der Mikrorisse ein. Ziel ist es, die Rissausbreitung zu hemmen und die zum Bruch des Glases erforderliche Energie zu erhöhen.

Laborversuche haben erhebliche Verbesserungen der mechanischen Festigkeit gezeigt. Nach mehreren Anpassungen der Materialzusammensetzung und des Auftragungsverfahrens wiesen zwei Millimeter dicke Glasproben die vierfache Festigkeit einer ungehärteten Referenzprobe auf. Bei ein Millimeter dicken Proben stieg die Festigkeit um das Siebenfache.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Technologie den Einsatz von dünnerem Glas in Photovoltaik-Modulen ermöglichen könnte, wo herkömmliche Verstärkungsmethoden an technische Grenzen stoßen.

Einschränkungen des herkömmlichen Härtungsverfahrens

Das thermische Härten ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Verstärkung von Flachglas. Dabei wird das Glas kontrolliert abgekühlt, um an der Oberfläche Druckspannung zu erzeugen, was dazu beiträgt, das Ausbreiten von Rissen zu verhindern.

Mit abnehmender Glasdicke verliert das Verfahren jedoch an Wirksamkeit. Bei Photovoltaik-Modulen ist eine Nenndicke von 3,2 Millimetern nach wie vor üblich. Bei Glasdicken von zwei Millimetern oder weniger ist es schwieriger, mit herkömmlichem thermischem Härten eine ausreichende Festigkeit zu erreichen.

Die chemische Verstärkung durch Ionenaustausch bietet eine weitere Option. Bei diesem Verfahren werden Natriumionen an der Glasoberfläche durch Kaliumionen ersetzt, wodurch in der Oberflächenschicht Druckspannung erzeugt wird.

Obwohl die chemische Verstärkung bei dünnem Glas angewendet werden kann und weniger optische Verzerrungen verursacht als das thermische Härten, ist sie komplexer und erfordert mehr Zeit und Energie. Auch die Anwendung des Verfahrens auf großen Glasscheiben stellt eine Herausforderung dar. Die Technologie von Exxergy verfolgt einen anderen Ansatz: Sie wirkt gezielt auf die mikroskopischen Defekte ein, die für die Rissausbreitung verantwortlich sind.

Bis zu 30 Prozent leichtere Module

Nach Schätzungen des Unternehmens könnte eine Reduzierung des Glasgewichts um bis zu 40 Prozent das Gesamtgewicht eines Photovoltaik-Moduls je nach dessen Konfiguration um etwa 30 Prozent senken. Bei einem relativ schweren Modul mit einem Gewicht von 16 Kilogramm pro Quadratmeter würde dies eine Reduzierung auf etwa 11 Kilogramm pro Quadratmeter bedeuten.

Leichtere Module könnten somit neben den Vorteilen bei Materialverbrauch, Transport und Installation auch die Anforderungen an die Konstruktion verringern, sodass Befestigungssysteme für geringere statische Belastungen ausgelegt werden könnten.

Vom Labor in die industrielle Fertigung

Die größte Herausforderung besteht nun darin, die Technologie für industrielle Anwendungen zu skalieren. Bislang konzentrierte sich die Entwicklung vor allem auf kleine Glasproben; in der nächsten Phase stehen größere Glasformate und schließlich kommerzielle Photovoltaik-Module in Originalgröße auf dem Programm.

Exxergy und das Fraunhofer ISC arbeiten daran, die Materialsynthese, die Beschichtung und die Automatisierung zu skalieren, um die Integration in bestehende Produktionslinien zu ermöglichen. Das Fraunhofer ISC bringt sein Know-how in der Materialsynthese in Mengen von bis zu 100 Litern sowie im Bereich der Beschichtungstechnologien ein.

Nach Angaben von Exxergy hat die Technologie den Technologiereifegrad (TRL) 6 erreicht. Das Unternehmen gab an, Prototypen in standardisierten Abmessungen unter nahezu betrieblichen Bedingungen hergestellt zu haben. Derzeit laufen mechanische Belastungsversuche. Das nächste Ziel ist es, TRL 7 zu erreichen, indem die Beschichtung in einer betrieblichen Umgebung validiert wird.

Die Entwicklungsarbeit wurde durch die Projekte „Green Solar Modules“ und „Green Solar Modules Glass II“ unterstützt, die vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie sowie von Exxergy finanziert wurden.