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Indoor Photovoltaik

Was mit Lagerfeuern und Kerzen begann, wurde mit Glühbirnen und LEDs bis in die heutige Zeit fortgeführt – die Beleuchtung von Innenräumen. Mit den heutigen Leuchtmitteln werden Innenräume häufig in der Gänze ausgeleuchtet und sind teilweise sogar 24 Stunden am Tag mit Licht versorgt. Gleichzeitig werden im Zuge der Digitalisierung immer mehr Klein- und Kleinstverbraucher in Innenräumen betrieben, deren Energieversorgung in der Regel über herkömmliche Methoden erfolgt.

Idealerweise wird für den Betrieb von Klein- und Kleinstverbrauchern Energie aus klimaneutraler Energieerzeugung verwendet. Hier kann die Photovoltaik in ihren verschiedenen Formen von Silizium- über Perowskit- bis hin zu organischen Solarzellen eine entscheidende Rolle spielen. Denn neben den üblichen und weit verbreiteten Systemen für die Außennutzung, also die Energiegewinnung mit Sonnenlicht, ist mittlerweile auch die Indoor Photovoltaik (IPV) von Interesse. Überspitzt dargestellt besteht damit nämlich die Möglichkeit, bereits genutzte Energie (also die Energie zur Erzeugung von Licht) noch einmal zu verwenden und damit zu recyclen. Denn bei der IPV wird im Prinzip gedämpftes Tageslicht, aber gerade auch Licht aus künstlichen Quellen (z. B. Glüh-, Halogen-, Leuchtstoff- und LED-Lampen) verwendet, um erneut Energie zu generieren. Damit kann die IPV eine nachhaltige Energiequelle für die Stromversorgung z. B. der genannten Klein- und Kleinstverbrauchern in Innenräumen darstellen.

Die Herausforderung bei der IPV besteht darin, dass die Lichtquellen in Innenräumen in der Regel eine deutlich geringere Lichtintensität (200-1000 Lux, Sonnenlicht: ∼100.000 Lux) aufweisen und es sich zudem um Licht mit ganz spezifischen Wellenlängen handelt. Die Absorption solcher Wellenlängen ist bei herkömmlichen Solarzellen weniger gut ausgeprägt, weshalb eine einfache Übertragung bisheriger Solarzellen vom Außen- in den Innenbereich nicht immer sinnvoll ist. Eine Ausnahme stellen hier Silizium-basierte Dünnschichtsolarzellen dar, die aufgrund ihrer günstigen Herstellung (z. B. mittels des Rolle-zu-Rolle-Verfahrens) auch für den Innenbereich interessant sind.

Effizientere Anpassungen an die spezifischen Anforderungen im Innenbereich könnten jedoch mit Solarzelltypen der sogenannten dritten Generation erreicht werden, beispielsweise Farbstoffsolarzellen, organische Solarzellen und Perowskit-Solarzellen. Ein wichtiger Wert ist hierbei der sogenannte PCE-Wert (Power Conversion Efficiency), der das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsleistung abbildet und mit dem die Energieeffizienz der Zellen ausgedrückt wird. Mit den genannten Silizium-basierten Dünnschichtsolarzellen können derzeit unter Innenraumverhältnissen z. B. bereits über 17% erreicht werden.

Obgleich alle Solarzelltypen auch weiterhin für Außenanwendung optimiert werden, konnten im Innenbereich z. B. mit Farbstoffsolarzellen PCE-Werte von über 30% erreicht werden, wobei vor allem die Elektrolyte (neue Gel- oder Festkörperelektrolyte) und der Zellaufbau angepasst wurden. Studien haben gezeigt, dass organische Solarzellen Innenraumlicht effizienter in Strom umwandeln können als andere anorganische Technologien. Darüber hinaus besitzen sie ein geringes Gewicht und eine hohe mechanische Flexibilität, weshalb sie hervorragende Stromquellen z. B. für drahtlose Sensornetzwerke in Innenräumen darstellen. Gemessene PCE-Werte liegen mittlerweile bereits deutlich über 20 % und in Simulationen werden sogar PCE-Werte von 40 % vorhergesagt. Großes Potenzial besitzen auch die bereits relativ weit entwickelten Perowskit-Solarzellen. Bei der Optimierung für den Innenbereich wurde bereits mit PCE-Werten von deutlich über 20 % gestartet, heute werden in experimentellen Aufbauten sogar über 30 % gemessen.

Gerade in Gebäuden wie beispielsweise Krankenhäusern, Polizeiwachen oder Forschungs- und Bildungseinrichtungen ist das Licht bis zu 24 Stunden am Tag an. Hier könnten zum Beispiel Sensoren für Temperatur, Luftfeuchte, CO2 oder tragbare Elektronik dauerhaft mit IPV betrieben werden. Insbesondere in den letzten zehn Jahren wurden bereits sehr gute Fortschritte im Bereich IPV erreicht, die dem Ziel der Versorgung solcher Kleinverbraucher mit „recycelter“ Energie näherkommen. Jedoch wird für die marktreife Entwicklung hocheffizienter Solarzellen für Innenräume noch einiges an Optimierung in Bezug auf Zellmaterialien und Design zu leisten sein. Die vielen Fortschritte im Bereich der IPV lassen jedoch annehmen, dass die Technologie in nicht allzu ferner Zukunft marktreif realisierbar sein wird.

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