Den nachstehenden Artikel hatte ich vor einiger Zeit mal im Auftrag einer großen süddeutschen Tageszeitung geschrieben. Aber dort blieb er dann erst mal aus Platzmangel liegen – und inzwischen ist die Chance, dass er dort noch erscheint, geringer als die Wahlchancen eines Newt Gingrich (völlig unnötiger – im Englischen würde man sagen “gratuitous” – Seitenhieb auf einen mir persönlich bekannten US-Politiker). Da Georg Hoffmann auf seinem Blog Primaklima das Thema der technischen Verbesserungen in der Photovoltaik angeschnitten hat, um das es ja her ganz speziell geht, und damit er nicht ganz unveröffentlicht bleibt, stelle ich ihn nun hier ein:

Bei Sonnenlicht betrachtet, sind Hochhäuser wahre Energiepakete: Die Sonne bestrahlt jeden Quadratmeter Oberfläche, in unseren Breiten jedenfalls, jährlich mit einer Leistung von etwa einer Megawattstunde; auf das Hochhaus des Süddeutschen Verlages in München brennt sie jährlich also mit mehr als 5700 Megawattstunden nieder.

Mit transparenten, organischen Solarzellen ließe sich wenigstens einen Teil dieser Energie für die Stromgewinnung einfangen, ohne dass dazu architektonische Kompromisse oder bauliche Änderungen nötig wären: In dünner Schicht auf herkömmliches Fensterglas aufgetragen, oder zum Nachrüsten auf transparenten Kunststofffolien, könnten sie Hochhäuser in urbane Solarkraftwerke verwandeln. Diese Solarzellen setzen sich aus mehreren Schichten zusammen, die dennoch gerade mal insgesamt die Dicke von etwa 0,3 Mikrometern (zum Vergleich:ein menschliches Haar durchmisst etwa 50 Mikrometer) erreichen. Zwischen zwei Kathodenschichten – für gewöhnlich Indiumzinnoxid für die Anode, Silber für die Kathode – sind Halbleiterschichten eingebettet, die nicht, wie bei Computerchips und herkömmlichen Sonnenzellen, aus anorganischem Silizium, sondern aus organischen (kohlenstoffhaltigen) Materialien bestehen: vor allem Phthalocyanine, die bereits als industrielle Farbstoffe (unter anderem für Bluejeans) im Einsatz sind, und Fullerene, das sind kugelförmige Kohlenstoffmoleküle, deren Aufbau an einen Fußball erinnert.

Das Anwendungspotenzial dieser Dünnschicht-Photozellen ist vielversprechend; auch die Bundesregierung fördert diese Forschung, vor allem am Institut für angewandte Photophysik (IAPP) der Technischen Universität Dresden. In den USA befassen sich vor allem Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University of Michigan mit dieser Technologie, die allerdings noch im Laborstadium steckt: Ihr derzeitiger Wirkungsgrad von etwa zwei Prozent -aus jedem Kilowatt, das auf sie scheint, können sie höchstens 20 Watt umsetzen – ist, selbst bei bescheiden Ansprüchen, noch zu wenig für den praktischen Einsatz.

Aber Richard Lunt, dessen Labor am MIT* unter anderem vom US-Energieministerium finanziert wird, sieht bereits kurzfristig ein Verbesserungspotenzial um das Zwei- bis Dreifache, und zumindest theoretisch, so erklärte er gegenüber der Süddeutschen Zeitung, sei für organische Photozellen ein Wirkungsgrad von acht bis zwölf Prozent denkbar. Sein Kollege Karl Leo am Dresdner IAPP schätzt das Potenzial mit „fünf bis zehn Prozent bei guter Transparenz” vergleichbar ein.

Das liegt zwar immer noch deutlich unter dem, was herkömmliche Solarzellen leisten können (deren Wirkungsgrad liegt in der Größenordnung von 18 Prozent), aber dafür bieten die organischen Zellen gleich ein ganzes Bündel von Vorteilen:

– Sie sind transparent und können daher anstelle von gewöhnlichem Fensterglas eingesetzt werden, womit allein schon die Klagen über die „Verschandelung” durch Solaranlagen verstummen dürften; die Verwendung als Fenster- und Fassadenmaterial bietet zudem den Vorteil, dass vor allem bei niedrig stehender Sonne (die in Mitteleuropa nun mal eher der Normalfall ist) das einfallende Sonnenlicht besser, weil auf größerer Fläche, genutzt werden kann. Um wieder das SZ-Hochhaus als Vergleichsmaßstab zu verwenden: In die Ebene verlegt, entspräche allein schon seine Südfassade knapp der Fläche eines Fußballfeldes.

– Da sie ohne baulichen Mehraufwand anstelle herkömmlicher Glasscheiben eingesetzt werden können, rechnet Lunt auch mit vergleichsweise geringen Anschaffungskosten. Allein der Einbau herkömmlicher Solarzellen macht etwa die Hälfte ihrer Investitionskosten aus; Glasscheiben mit organischer Solarbeschichtung hingegen sind im Einbau nicht teurer als gewöhnliche Fenster.

– Die Beschichtung selbst geschieht mit handelsüblichen Substanzen bei Raumtemperatur, ganz im Gegensatz zu den hochreinen Hochtemperatur-Prozessen, in denen das Silizium für herkömmliche Solarzellen gewonnen wird. Letztere kommen daher mit einer hohen „Energieschuld”, die frühestens nach fünf Betriebsjahren ausgeglichen ist.

Lunt und seine Kollegen am MIT konzentrieren ihre Forschung zudem auf organische Halbleiter, die speziell nur auf Licht im Infrarotspektrum reagieren; ein aufgedampfter, nanometerdünner Infrarotspiegel erhöht die Energieausbeute der Halbleiter, ohne das dabei nennenswerte Verluste im sichtbaren Lichtspektrum anfallen – im Gegensatz zu bisherigen Dünnschicht-Photozellen sind die MIT-Solarzellen fast so klar wie gewöhnliches Fensterglas.

Ein Nachteil der Dünnschicht-Technologie könnte jedoch die Haltbarkeit sein. „Bei so neuen Materialien ist die Lebensdauer schon ein Problem”, räumt der MIT-Forscher Lunt* ein. Um die organischen Halbleiter selbst macht er sich dabei geringere Sorgen – die gleichen Materialien werden auch für organische Leuchtdioden verwendet, und hier deute bisher nichts auf mangelnde Haltbarkeit der Halbleitersubstanzen hin. Doch wie jeder weiß,der entspiegelte Brillengläser trägt, sind diese Beschichtungen empfindlich gegen Staub und Kratzer, die beim Putzen unvermeidlich entstehen. Aber da moderne Fenster sowieso typischer Weise mehrfach verglast sind, wäre es kein größeres Problem, die Dünnschicht auf einer Innenseite – und so geschützt vor Witterungs- und Reinigungsschäden – anzubringen.

Die größte Herausforderung bleibt also, den Wirkungsgrad der organischen Solarzellen so weit zu steigern, dass sich ein Einsatz am Bau auch wirklich lohnt. Dies dürfte, nach Leos Schätzung, schon in relativ bald der Fall sein: „Erste hochpreisige Muster”, so schätzt er, seien „in zwei bis der Jahren zu erwarten, Massenprodukte in etwa fünf Jahren.”

*Lunt lehrt inzwischen an der Michigan State University

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Kommentare (11)

  1. #1 Odysseus
    16. Januar 2012

    Schöner Artikel, die Technologie könnte noch sehr interessant werden.

    Ich hätte eine leicht offtopische Frage: Du veröffentlichst hier ja öfter mal Artikel oder Interviews, die es aus irgendeinem Grund nie in den Druck geschafft haben. Ist der Ausschuss im Pressebetrieb echt so groß? Und darfst du die Sachen denn einfach so online stellen, wenn du schon dafür bezahlt wurdest?

  2. #2 Jürgen Schönstein
    16. Januar 2012

    @Odysseus
    “Ausschuss” würde ich’s zwar nicht nennen, aber in der Tat gibt es sehr viele Geschichten, die es nicht bis ins Blatt schaffen. Meistens, weil der (stetig knapper werdende) Platz für eine andere Geschichte gebraucht wurde, manchmal aber auch, weil die Redakteure sich dann doch nicht für das Thema begeistern konnten – was leider immer wieder vorkommt. Aber in jedem Fall sind es meine Artikel, deren Urheberrecht mir gehört – selbst wenn sie im Auftrag oder auf Rechnung einer anderen Publikation entstanden sind. Die vertraglichen Regelungen schließen zwar typischer Weise einen Verkauf an andere Medien aus (aber auch da gibt es Grenzen), aber in einem nicht-kommerziellen Unternehmen wie einem Blog kann ich mit meinen Texten frei umgehen.

  3. #3 Jack
    16. Januar 2012

    Wie kommst du auf ein MW? die Solarkonstante liegt bei 1367 W/m² wird aber senkrecht gemessen. Der maximalwert bei 30° liegt in de bei 1175 W/m². Im Winter würden die Hochhäuser also optimiert liefern aber kaum mehr als ⅓ MW Strahlung im Jahr abbekommen. Bei 30 kWh Ausbeute würde man pro m² 12€ bekommen können (eher 5€). Allein die Stromanschlüsse dürften die Wirtschaftlichkeit in Frage stellen.

  4. #4 Jack
    16. Januar 2012

    @Jack Sorry mein Fehler die Sonne scheint ja nicht nur 1h pro Tag, da sollten sogar mehr als 1MW pro Jahr drin sein. Dennoch sehe ich das große Problem in der Verkabelung der “Fenster”

  5. #5 Ludger
    16. Januar 2012

    Und wie klappt es mit dem Brandschutz?

  6. #6 BreitSide
    16. Januar 2012

    @Ludger: Brandschutz? Was soll denn dabei groß brennen? Glas brennt nicht, und die paar Pigmente machen den Kohl nicht fett.

    Das Einzige, was an solchen Fenstern brennen kann, sind der Rahmen (Holz, Kunststoff) oder die Dichtungen.

    Also eine Brandlast sind die Fenster schon einmal nicht. Und als Brandabschnitte werden sie auch nicht dienen, da Brandabschnitte nicht nach draußen gehen. Und innerhalb eines Gebäudes macht Solar wenig Sinn. Aber warum sollte ein G-90-Fenster nicht auch solar beschichtet werden?

  7. #7 A.P.
    16. Januar 2012

    @Jürgen Schönstein: Ein paar Anmerkungen bzgl. der vermeintlichen “Nicht-Kommerzialität” des Blogs:

    Ich dachte, in Deutschland ist es mittlerweile so, dass bspw. Werbeeinblendung regelmäßig dazu führen, dass eine Seite (Website, Blog) als kommerziell bzw. gewerblich eingestuft wird. Werbung = Einnahmen/Einnahmeabsicht = gewerblich – dazu dürfte es auch schon einschlägige Gerichtsurteile etc. geben…

    Auch wenn die Blogger hier “privat” in ihrer “Freizeit” bloggen, handelt es sich bei scienceblogs.de insgesamt sicherlich um keine private Website.

    Insofern könnte es sich bei Deiner “Resteverwertung” durchaus um eine kommerzielle Zweitverwertung handeln… (Auch wenn Du selbst damit keine Einnahmen erzielst. Frage: Dürftest Du deine Texte auch an andere “richtige” Zeitung “zweitverschenken”?)

    In jenem Lichte betrachtet erscheint mir auch das Impressum nicht den gesetzlichen Anforderungen an gewerbliche Seite zu genügen. Auch in Anbetracht der “journalistisch-redaktionellen” Ausrichtung fehlt hier ggf. der “Inhaltlich Verantwortlicher gemäß § 55 Abs. 2 RStV” (inkl. ladungsfähiger Anschrift, Telefonnummer usw.)

    http://www.e-recht24.de/artikel/datenschutz/209.html

    “Zusammenfassend lässt sich sagen, dass von der Impressumspflicht wohl nur Seiten ausgenommen sind, die sich tatsächlich auf rein private und familiäre Inhalte beschränken (mein Kind, meine Katze, mein Haus). Alle anderen Seitenbetreiber sollten, um rechtliche Auseinandersetzungen zu vermeiden, über ein Impressum verfügen.”

  8. #8 Ludger
    16. Januar 2012

    BreitSide·
    16.01.12 · 20:33 Uhr
    @Ludger: Brandschutz? Was soll denn dabei groß brennen?

    Man kann halt die Spannung bei Photovoltaikanlagen schlecht abschalten und das macht das Löschen schwierig. Bei Solardächern neigt die Feuerwehr deswegen angeblich zum kontrollierten Abbrennen lassen. Aber ne ganze Hochhausfassade unter Spannung?

  9. #9 BreitSide
    16. Januar 2012

    @Ludger: ach so, das. Dieses Problem ist eigentlich auch nur ein finanzielles. Solche Notabschalter gibt es (natürlich) schon, man muss sie “nur” einbauen.

    Ansonsten würde ich eine Art klebrigen Schaum empfehlen, der die Sonne abhält. Gibt es sicher auch schon längst.

    Es ist auch eine Frage der Nennspannung. Die 400 Volt werden ja (wie unsere 230 Volt Haushaltsspannung) genutzt, weil man auf diese Weise niedrigere Leitungsquerschnitte hat. Amis und Engländer mit ihren 110 Volt brauchen eben doppelt so viel Kupfer wie wir für ihre Leitungen.

    Nähme man 48 Volt (Gleichspannung!), wäre gar keine Gefahr mehr da für die Feuerwehrer.

  10. #10 Mechaniker
    16. Januar 2012

    Irgendwie bin ich froh, dass der Artikel nicht in einer grossen Tageszeitung veröffentlicht wurde. Grund: Der erste Absatz. Leistung und Energie sind nicht das Gleiche.

  11. #11 Jürgen Schönstein
    16. Januar 2012

    @A.P.
    Was mein Urheberrecht angeht: Texte, die nicht veröffentlicht wurden, gehören komplett mir. Da ich in niemands angestellten Diensten bin, steht es mir frei, jene zu veröffentlichen, wo ich will. Auch in meiner angestellten Zeit galt aber die Regel, dass a) ich alles, was ich schreibe, zuerst dem Arbeitgeber zur Veröffentlichung anbiete und b) ansonsten mein Urheberrecht unberührt bleibt. Eine Zweitverwertung – z.B. in Form eines Buches oder eines Blogs – stand mir auch dann schon frei. Und Texte, die der Arbeitgeber nicht veröffentlichen wollte oder konnte, waren ebenfalls nicht an ihn “gebunden”.

    Was das Impressum angeht: Da ScienceBlogs eine US-Körperschaft ist, genügt das Impressum allen Anforderungen. Vor allem, da ja die inhaltliche Verantwortung bei den einzelnen Blogautoren und -Autorinnen liegt. Aber das ist eine Diskussion, die nicht in diesem Forum zu führen ist, sondern darüber müssen sich Seed Media und National Geographic, die Eigentümer der Seite, Gedanken machen.