Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV), einschließlich Technologien wie lumineszierende Solarkonzentratoren (LSC), sind wichtig, um nachhaltige Energieziele im Gebäudesektor zu erreichen. LSCs verwenden in der Regel Glasfenster, die lumineszierende Materialien enthalten, um das Sonnenlicht zu absorbieren und es zu den Solarzellen an den Fensterrändern zu leiten. Herkömmliche LSCs haben jedoch Nachteile wie begrenzte Effizienz, Materialabbau im Laufe der Zeit, hohe Kosten und potenzielle Sicherheitsbedenken bei bestimmten Materialien. Auch die komplizierten Herstellungsverfahren behindern eine großflächige Anwendung.

Eine neue Methode: Laser-nanostrukturiertes Glas

Forscher der Aalto-Universität haben einen vielversprechenden Ersatz vorgestellt: die Verwendung von Femtosekunden-Laser-nanostrukturiertem Borosilikatglas für BIPV-Fenster. Statt von Luminophoren abhängig zu sein, werden bei dieser Technik in einem einzigen Schritt und mit einem skalierbaren Laserverfahren komplizierte Nanostrukturen direkt auf der Glasoberfläche erzeugt. Diese Nanostrukturen sollen das einfallende Sonnenlicht effektiv in Richtung der an den Glasrändern platzierten Solarzellen streuen und funktionieren ähnlich wie LSCs, jedoch ohne deren Nachteile.

Optimierung der Ergebnisse

Das Team verwendete einen Femtosekundenlaser mit einer Wellenlänge von 520 nm, um Borosilikatglaswafer zu strukturieren. Durch Änderung der Laserscangeschwindigkeit konnten sie die Oberflächenrauhigkeit und -struktur steuern. Langsamere Geschwindigkeiten erzeugten rauere, weniger transparente Oberflächen mit dichteren, faserigen Nanostrukturen, die durch Dampfkondensation während des Laserabtrags entstanden.

Gründliche Analysen mit Methoden wie SEM, XRD, Raman und Photolumineszenzspektroskopie halfen bei der Verfeinerung des Verfahrens. Die Laserbehandlung führte zwar zu geringfügigen strukturellen Mängeln und verstärkte die Photolumineszenz, doch blieb das Glas weitgehend amorph. Optische Messungen zeigten, dass die Laserbehandlung die Reflexions- und Transmissionseigenschaften erheblich veränderte, wobei langsamere Geschwindigkeiten im Allgemeinen die Streuung erhöhten.

Bild von Aalto Universität, Materialien & Design

Wichtige Erkenntnisse und gesteigerte Effizienz

Zur Erprobung des nanostrukturierten Glases wurde ein Proof-of-Concept-BIPV-Aufbau errichtet. Die Ergebnisse waren signifikant:

• Optimale Geschwindigkeit: Glas, das mit einer Scangeschwindigkeit von 400 mm/s behandelt wurde, lieferte die besten Ergebnisse.
• Erhöhung des Photostroms: Dieses optimierte Glas erzeugte einen beeindruckenden 55-fachen Anstieg der Fotostromerzeugung im Vergleich zu unbehandeltem Glas und zeigte damit eine wesentlich bessere Lichtleitereffizienz. Diese Leistung ergibt sich aus einem Gleichgewicht zwischen der Fähigkeit des Glases, Licht gut zu streuen, und der Fähigkeit, Licht durchzulassen. 
• Geschätzte Effizienz: Obwohl der Prototyp einen optischen Wirkungsgrad von 0,66 % erreichte, deuten Schätzungen auf der Grundlage von Lichtverlustmessungen auf einen potenziellen maximalen Wirkungsgrad von nahezu 10 % hin, der mit der derzeitigen LSC-Technologie konkurrenzfähig ist. 

Praktischer Nutzen und zukünftige Arbeiten

Neben der Effizienz wurden in der Studie auch praktische Aspekte untersucht:

• Auswahl des Materials: Borosilikatglas wurde wegen seiner geringen Wärmeausdehnung ausgewählt, die im Gegensatz zu Kalknatronglas ein Reißen während der Laserbehandlung verhindert.
• Skalierbarkeit: Während die Arbeit im Labor einige Zeit in Anspruch nahm, könnten moderne Industrielaser große Flächen viel schneller bearbeiten, so dass sich die Technik möglicherweise für eine Vergrößerung eignet.
• Transparenz vs. Dekoration: Der Mangel an Transparenz kann durch das Lasermuster spezifischer Designs behoben werden, was ästhetische Möglichkeiten für architektonisches Glas bietet, obwohl die Auswirkungen auf die Effizienz noch weiter untersucht werden müssen.
• Selbstreinigend: Durch Aufbringen einer dünnen Fluorpolymerbeschichtung mittels Plasmaabscheidung wurde die von Natur aus sehr wasseranziehende laserstrukturierte Oberfläche in eine sehr wasserabweisende Oberfläche verwandelt. Die optimale 400-mm/s-Probe erzielte eine ausgezeichnete wasserabweisende Wirkung (Kontaktwinkel ~170°) mit minimaler Klebrigkeit, die einen selbstreinigenden „Lotuseffekt“ ermöglicht.
• Dauerhaftigkeit: Femtosekundenlaser-behandeltes Glas ist zwar für seine Langlebigkeit bekannt, doch sind zusätzliche Tests erforderlich, um die langfristige Funktion unter realen Umweltbedingungen wie UV-Bestrahlung und Feuchtigkeit zu überprüfen.