TEIL C

SolarhÄuser und solare Bauelemente

Schwerpunkt Solarfenster (2)

Im April 2009 berichtet die Presse, daß im Zuge des aktuellen Effizienz-Upgrade-Booms bei Gewerbeimmobilien in den USA nun auch das Empire State Building in New York dran ist. Insgesamt besteht die rund 20 Mio. $ teure Renovierung bzw. Nachrüstung aus acht Projekten, die zusammen fast 40 % des bisherigen Energieverbrauchs reduzieren sollen. Unter anderen betrifft dies die Modernisierung der Elektro- und Lüftungssysteme und die Installation anspruchsvoller elektronischer Instrumente. Besonderes Gewicht hat jedoch die Optimierung der 6.514 Fenster des Gebäudes.

Bei diesem Projekt wird das bestehende Isolierglas um eine hängende, beschichtete UV-Schutzfolie und eine Gasfüllung aus einer Krypton/Argon-Mischung innerhalb der Doppelfenster erweitert, um die Isolierung zu erhöhen und den Wärmeeintrag um mehr als die Hälfte zu verringern. Diese als Superisolierung verkaufte Energiespartechnik stammt von der 2002 gegründeten Firma Serious Energy Inc. aus San Carlos (später: Sunnyvale), Kalifornien.

Diese erwirbt 2009 zwei kürzlich geschlossene Fensterbetriebe – Jensington Windows in Vandergrift, Pennsylvania, und Republic Windows & Doors in Chicago. Im September 2010 kauft sie die Firma Valence Energy, ein Start-up mit einer vielversprechenden Software zur Verknüpfung von Gebäuden mit Mikrogrids. Die Valence -Technologie bildet den Kern des Serious Energy Manager, eine Cloud-basierte Plattform, die Serious Ende des Jahres auf den Markt bringt.

Im Juni 2011 ändert die Firma ihren Namen in Serious Energy Inc., und übernimmt im November die Agilewaves Inc., ein Unternehmen für Gebäudeenergiemanagement-Technologie. Nach eigenen Angaben sind die Produkte SeriousWindows (o. SeriousGlass) einschließlich fortschrittlicher Energiesoftware-Dienstleistungen und Baumaterialien bereits in über 70.000 Projekten weltweit installiert worden. Zudem nimmt sie im November in einer neuen Finanzierungsrunde weitere 3 Mio. $ von Investoren ein.

Daß die Firma in ernsten Schwierigkeiten steckt, wird im April 2012 bekannt. Obwohl sie mit 140 Mio. $ an Venture Capital ausgestattet ist, hatte sie sich Ende 2011 entschieden, sich wieder auf das Baustoff-Kerngeschäft zu konzentrieren: Die Herstellung und den Verkauf von schalldichten Trockenbauwänden namens QuietRock. Die Geschäftsfelder Entwicklung von Energieeffizienz-Software und Finanzierungsmöglichkeiten für die Energieeffizienz von Gebäuden werden aufgegeben und wichtige Mitarbeiter und etwa die Hälfte der Führungskräfte gehen oder werden entlassen.

Der Grund soll sein, daß das Unternehmen in seinen Fenstern, der Software und den Finanzierungen Geld verloren hat. Trotz des Vorzeigeprojekts Empire State Building war die Fenster-Technoilogie auf dem breiteren Markt nicht erfolgreich. Im Februar schloß die Serious Energy ihre Fabrik in Chicago und entließ rund 50 Mitarbeiter. In Pennsylvania und Colorado werden allerdings immer noch Fenster mit einem Fensterfolienprodukts namens iWindows hergestellt.

Im September 2012 folgt die Meldung, daß die Firma Alpen High Performance Products mit Sitz in Boulder die Vermögenswerte ihres Glasfaserfenster- und Architekturglasbetriebs in Colorado von der Serious Energy erworben hat. Die Fabrik in Colorado war 2008 durch die damalige Serious Materials übernommenen worden – und fällt nun in die Hand der ehemaligen Eigentümer des Unternehmens zurück.

Die letzte Meldung stammt vom April 2013 und besagt, daß die Serious Energy nun auch das Kunststoff-Fenster- und Türenwerk in Pennsylvania an eine Investorengruppe verkauft hat. Inzwischen scheint die Firma Serious Energy gar nicht mehr existent zu sein.

Was die oben erwähnte, 2009 von Nicholas Peter Bagatelos gegründete BISEM Inc. (= Building Integrated Skin Electrical Mechanical) anbelangt, so kommt diese im August 2012 in die Presse, als sie eine Vorhangfassade im Kundenzentrum des Sacramento Municipal Utility District mit einer gebäudeintegrierten, 36 m² großen Solarwand aus 49 Cadmiumtellurid-Dünnschichtmodulen nachrüstet, welche die gesamte Energie liefern, die zur Kühlung eines Technologie-Demonstrationsbereichs benötigt wird.

Die BISEM arbeitet zudem mit Firmen wie den o.e. Pythgoras Solar und Soladigm Inc. zusammen – und erhält 2013 über ihre Verbindung zum Glashersteller Guardian einen Auftrag des Verteidigungsministeriums, um eine der bestehenden Einrichtungen der Marine Corps Air Station Miramar in San Diego mit einer Null-Energie-Gebäudehülle auszustatten.  Ebenfalls 2013 meldet Bagatelos, dem auch die Firma Bagatelos Architectural Glass Systems gehört, ein Patent unter dem Titel ‚Net-zero energy curtain wall‘ an (US-Nr. 8.898.969, erteilt 2014).

In Zusammenarbeit mit der Dow Corning Corp. und der  Guardian Industries Corp. beendet die BISEM im Februar 2014 erfolgreich den ersten Tests eines neuen vakuumisolierten Hochleistungs-Thermovorhang-Fassadensystems namens BISEM Vacuum Wall. Der von Guardian entwickelte Prototyp kombiniert deren vakuumisoliertes Glas mit der ebenfalls firmeneigenen SunGuard SuperNeutral 68 Glasbeschichtung mit niedrigem Emissionsgrad, um die hohen Anforderungen kommerzieller Hochleistungs-Wandinstallationen zu erfüllen.

Eine der letzten Meldungen stammt vom März 2016 und besagt, daß Bagatelos auf der  Winterkonferenz der Insulating Glass Manufacturers Alliance in Indian Wells einen ganzheitlichen, kosteneffektiven Weg zum Netto-Null-Gebäude vorgestellt hat, der auf dem Einsatz von Photovoltaik, dynamischen Gläsern, Sonnenschutzsystemen und Hochleistungsgläsern basiert. Es ist nicht ganz klar, wie es danach weiterging – inzwischen ist die Seite der BISEM jedenfalls nicht mehr erreichbar.

Auch das im Januar 2009 von Alvaro Beltran und Teodosio del Caño in Ávila, Spanien, gegründete Solarenergieunternehmen Onyx Solar befaßt sich mit der gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV), und hier besonders mit PV-Glas, das aus zwei oder mehr Scheiben wärmebehandeltem Sicherheitsglas besteht und als Baumaterial und Energieerzeuger verwendet wird, der das Sonnenlicht einfängt und in Strom umwandelt.

Schon früh entwickelt die Onyx Solar zusammen mit der Butech, einer Tochtergesellschaft des spanischen Keramikfliesenproduzenten Porcelanosa Group, die ersten trittfesten, aus Keramik und Glas hergestellten Photovoltaik-Bodenfliesen ​​der Welt, die als Terrassenboden, für Gehwege und andere Außenflächen genutzt werden können und bereits Ende 2010 auf den Markt kommen sollen. Ebenso konstruiert die Onyx Solar die erste hinterbelüftete PV-Fassade auf dem Markt, die vor Ort angepaßt werden kann.

Die Firma, die im Laufe der Zeit diverse Preise und Auszeichnungen erhält, arbeitet mit mehreren Universitäten zusammen, darunter der Technischen Universität Madrid (UPM), dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Universität Barcelona.

Zudem beteiligt sich die Onyx Solar an mehreren Forschungsprojekten zur Solarenergie auf der ganzen Welt, wie z.B. HERB (Holistic Energy-Efficient Retrofitting of Residential Buildings) zur Nachrüstung von Wohngebäuden, in Zusammenarbeit mit der University of Nottingham; PVSITES, ein Projekt zum Abbau von Marktbarrieren für die groß angelegte Implementierung von BIPV-Produkten; oder das in Partnerschaft mit der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ArtESun (Efficient, large-area arbitrary shape solar energy), das darauf abzielt, neue OPV-Technologien (Organic Photovoltaic) auf den Dünnschicht-PV-Markt zu bringen.

Eine der ersten Umsetzungen ist der im September 2014 beendete Bau der 6 Mio. $ teuren Science Pyramid im Botanischen Garten von Denver, Colorado, deren ikonische Form eine Mischung aus fortschrittlichem Design, nachhaltigen Technologien und biomimetischen Prinzipien widerspiegelt – und damit den Zweck des Gebäudes: den Fortschritt der Wissenschaft.

Im Rahmen eines formellen Designwettbewerbs war ausdrücklich eine Pyramide mit dynamischen Glaselementen gewünscht worden, die das Team des Büros Eppstein Uhen Architects (EUA) mit hexagonalen Wabenverkleidung verwirklicht, die gläserne und opake Elemente kombiniert, welche die geometrische Effizienz der Wachswaben der Natur nachahmen.

30 Elemente verfügen über PV-Kollektoren, die Energie sammeln sollen. Darüber hinaus sind der zentrale Teil der Struktur und mehrere Glasluken aus elektrochromem Glas konstruiert, das sich über den Tag verteilt je nach Sonnenintensität in der Transparenz von klar bis 97 % undurchsichtig verändert, oder durch Betätigen eines Schalters.

Im Juni 2015 zeichnet das Glass Magazine die Onyx Solar für ihr Low-E-Photovoltaikglas mit dem Titel ‚Most Innovative Glass Product‘ aus. Zu den Gründen für diese Auszeichnung gehört die Fähigkeit der Schichten dieses Produkts, 95 % der UV-, und 85 % der IR- Strahlung herauszufiltern.

Nach Eröffnung der Fabrik von Onyx Solar im Jahr 2015 kann das Unternehmen 2016 richtig durchstarten, als im März der Abschluß der Photovoltaikglas-Installation am Eingang der American Airlines Arena (früher: Miami Heat Stadium) bekanntgegeben werden kann, wo in 14 kreisförmigen Oberlichtern rund 300 Glaseinheiten mit kristallinen Silizium-Zellen eingesetzt worden sind, mit denen pro Jahr 34.500 kWh Solarstrom für den Eigenverbrauch produziert werden.

Im Juni 2016 gibt Apple bekannt, daß es seine Einzelhandelsgeschäfte, beginnend mit dem brandneuen Standort in San Francisco, mit begehbaren Solarglasböden zur Stromerzeugung ausstatten wird. Der Dachsteg wird aus 130 Glasmodulen von Onyx Solar mit einer Größe von jeweils 4,5 m² und einer Spitzenleistung von 487 W pro Einheit bestehen. Die Gesamtfläche des Systems beträgt 584 m² und soll jährlich über 90.000 kWh Strom erzeugen.

Ein weiteres, sehr spezielles Projekt, an dem die Onyx Solar beteiligt ist, wird im Januar 2018 eröffnet. Das seltsame Bauwerk in den Vereinigten Arabischen Emiraten, das den Namen Dubai Frame trägt, wurde von dem Architekten Fernando Donis geplant, der dafür bereits 2008 den ThyssenKrupp Elevator Architecture Award gewonnen hatte.

Der Bau besteht aus zwei 150 m hohen Türmen, die unten durch ein Basisgebäude und oben durch eine 93 m lange Brücke verbunden sind, wodurch das Ganze an die Form eines Bilderrahmens erinnert. Die Brücke oben verfügt über einen 25 m2 großen Glasfußboden, der sowohl einen Blick auf den darunterliegenden Zabeel Park als auch auf weite Teile von Dubai freigibt.

Für dieses Projekt stellt die Onyx Solar ca. 2.500 Module eines dreifachen Sicherheitslaminats aus amorphem Silizium-Photovoltaikglas in gelb-goldener Farbe und mit einem Halbtransparenzgrad von 20 % her, die auf 1.200 m² der Fassade integriert werden. Die installierte Leistung von 38 kW ermöglicht es dem Gebäude, einen großen Teil seiner Betriebsenergie selbst zu erzeugen.

Inzwischen bezeichnet sich die Firma als „der weltweit führende Hersteller von transparentem Photovoltaik-Glas für Gebäude“, das anstelle von herkömmlichem Glas an Gebäudefassaden, Vorhangfassaden, Atrien, Vordächern und Terrassenböden eingesetzt wird. Angeboten wird mono-, polykristallines und amorphes Silizium-Glas mit verschiedenen Transparenzgraden, sowie Low-E-Photovoltaik-Glasmodule, und alles in mehreren Farben.

Dem Stand von 2019 zufolge hat das Unternehmen, das aktuell über eine jährliche Produktionskapazität von 184.000 m² (andere Quellen: 500.000 m²) verfügt und Niederlassungen in Spanien, den USA und China besitzt, weltweit schon mehr als 150 Projekte realisiert. Zu den bisherigen Kunden gehören Novartis Pharmaceuticals, Samsung, Coca-Cola, Heineken, Pfizer und viele andere. Zudem erfolgt die Zusammenarbeit mit renommierten Architekturbüros wie Foster+Partners, Gensler, Perkins+Will, S.O.M. usw.

Mit stromproduzierenden Fenstern namens Smart Energy Glass (SEG), die zudem durch einfaches Betätigen eines Handschalters zwischen den drei Zuständen dunkel, hell und geschlossen wechseln können, will im Jahr 2010 die junge niederländische Firma Peer+ B.V. aus Eindhoven auf den Markt kommen. Die Fenster mit einer organisch basierten Glasbeschichtung sind in der Lage, als Solarpaneele zu fungieren und gleichzeitig so viel Licht wie Standardglas in das Haus zu lassen. Genaue technische Daten darüber gibt es bislang keine, ein erstes Pilotprojekt soll aber bereits evaluiert werden.

2012 kauft die deutsche Chemie- und Pharmafirma Merck KGaA 70 % der Peer+, und im Juni 2014 folgen die restlichen 30 %. Das Mitglied der Merck-Gruppe ist der weltweit größte Hersteller von Flüssigkristallen, die in Fernsehern, Tablet- und Smartphone-Bildschirmen verwendet werden. Durch die Übernahme der Peer+ will die Merck nun auch zu einem neuen Akteur im Bereich der sauberen Energien werden.

Die dynamischen, schaltbaren Flüssigkristallfenster, die auf der nun licrivision genannten Technologie basieren, werden als neue Produktlinie unter dem Namen eyrise vermarktet. Anfang 2015 wird eine ganze Fensterfront des Darmstädter Innovationszentrums von Merck mit der Flüssigkristalltechnologie für den Sonnenschutz gebaut, ebenso wie die im September 2016 eröffnete Produktionsanlage für OLED-Materialien, die ebenfalls dynamische Fenster sowohl in der Sonnen- als auch in der Sichtschutzvariante besitzt. Eine große Marktdurchdringung wird bislang aber nicht erreicht.

Berichten vom März 2016 zufolge arbeitet die Merck zudem mit der britischen Firma Polysolar zusammen (s.u.), um mit semitransparentem organischem Halbleitermaterial ein graues Solarfenster zu entwickeln. Bereits im November des Vorjahres hatte die Firma gemeinsam mit der Belectric OPV aus Nürnberg die Lösung als kommerziell erhältliches Produkt vorgestellt. Grau wurde deshalb ausgewählt, da es eine Farbe ist, die von Architekten akzeptiert wird, vor allem wenn es um Fenster geht.

Gemeinsam mit der Polysolar und Forschern des Centre for Process Innovation (CPI) im nordenglischen Sedgefield soll nun allerdings ein ganz neues Produkt geschaffen werden, ein Fenster, in dem das graue OPV-Material integriert ist, das aber nicht nur Strom erzeugen, sondern gleichzeitig gute Dämmeigenschaften aufweisen soll. Das organische Material wird dabei auf Folien gedruckt und dann als Modul zwischen zwei Glasscheiben einlaminiert, und das gesamte Fenster soll am Ende so konstruiert sein, daß es die Temperatur im Gebäudeinneren kontrollieren kann.

Wie dieses Fenster genau aufgebaut ist, können die Projektpartner zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht mitteilen. Derzeit befindet sich das von Innovate UK geförderte Projekt mit dem Titel ‚Power Generating & Energy Saving Windows‘ noch in einer frühen Phase der Entwicklung. Mit der organischen Photovoltaik tun sich aber ganz neue Möglichkeiten auf, nicht nur was die Transparenz und Flexibilität, sondern auch was Farbe, Form und vor allem Kosten betrifft.

Organische Halbleiter haben aber noch mehr Vorteile gegenüber den Halbleitern der ersten und zweiten PV-Generation, da sie mit diffusem und Schwachlicht besser zurechtkommen als kristalline Solarzellen. Damit sind sie optimal für die vertikale Installation an Fassaden geeignet, wo die Module nicht perfekt zur Sonne hin ausgerichtet sind. Außerdem sind sie noch unempfindlicher gegenüber steigenden Temperaturen als die Dünnschichttechnologien auf der Basis von Cadmium-Tellurid, CIGS oder CIS.

Die vorstehend erwähnte britische Firma Polysolar aus Cambridge, die gebäudeintegrierte PV-Lösungen entwickelt, entwirft und projektiert, war 2007 von Hamish Watson gegründet worden, der sich dazu von der transparenten Technologie des Science-Fiction-Films Minority Report hatte inspirieren lassen. Ein Zuschuß des Technology Strategy Board und die Kooperation mit Entwicklungspartnern wie Pilkington Glass erlaubt der Firma die Entwicklung der weltweit größten organischen Einzelzellen-Photovoltaik (OPV).

Die Finanzkrise des Jahres 2008 führt dazu, daß die Polysolar ihr Entwicklungsprogramm ohne externe Investitionen weiterführen muß, was den Entwicklungsprozeß zwar verlangsamt, dem Unternehmen aber auch die Zeit verschafft, die Fertigungs- und Marktanforderungen zu verstehen und ein kommerzielles, ausgereiftes Produkt zu entwickeln.

Im Laufe der Folgejahre entwickelt die Polysolar – unterstützt durch Fördermittel von Innovate UK – ein transparentes Glas-Solarmodul (PS-C-Serie) aus amorphem Silizium sowie eine opake Einheit (PS-A-Serie). Später wird die Produktpalette durch eine komplett schwarze, leistungsstärkere Mikromorpheinheit (PS-M-NX-Serie) sowie durch transparente Verglasungsplatten, Fassadenverkleidungen und flexible Dachpaneele erweitert (PS-CT-Serie), die unterschiedliche architektonische Anforderungen erfüllen. Eine typische 120 x 60 cm große Polysolar-Glasscheibe erzeugt im Durchschnitt 5 kWh Strom pro Monat.

Zu den in den Folgejahren realisierten Projekten gehört beispielsweise die Vorhangfassade des Future Business Centre in Cambridge, deren Installation im September 2013 abgeschlossen wird. Die Doppelverglasungs-Solarmodule der PS-C-Serie und die Standardmodule der PS-A-Serie erbringen gemeinsam rund 4 kW.

Ein weiteres Projekt im Dezember ist die Tankstelle der britischen Supermarktkette Sainsbury in Leicester, die das „weltweit erste transparente PV-Solardach“ im markanten Orange der Kette bekommt. Der Polysolar zufolge soll es rund ein Viertel des Energiebedarfs der Tankstelle decken.

Im März 2014 gewinnt die Firma, die eigenen Angaben nach bislang über 1,5 Mio £ in Forschung und Entwicklung investiert hat, ihre erste öffentliche Ausschreibung über eine 70 kW Solaranlage für den South Manchester NHS Trust – und im März 2015 eröffnet die Polysolar den Prototyp eines Smart Eco Hub (o. Plant 2 Power Hub), der zusammen mit Forschern der University of Cambridge und den Öko-Technologieunternehmen MCMM und Scotscape gebaut wurde und genug Strom aus Pflanzen und der Sonne erzeugen soll, um sich selbst zu beleuchten.

Das laufende lebendige Experiment eines umweltfreundlichen Kraftwerks, das vom Botanischen Garten der Universität veranstaltet wird, in einer Holzhalle untergebracht und für das Publikum zugänglich ist, kombiniert vier halbtransparente und zwei flexible Solarmodule von Polysolar mit acht vertikalen grünen Wänden, dessen Pflanzen als Folge der Photosynthese und der Stoffwechselaktivität elektrische Ströme erzeugen. Im Idealfall können die Solarmodule tagsüber und das biologische System nachts den Strom liefern.

Letzteres ist die Idee von Prof. Christopher Howe und dem Doktoranden Paolo Bombelli aus der Abteilung für Biochemie, die in früheren Experimenten ein Radio mit von Moos erzeugtem Strom betrieben haben. Mehr über derartige Umsetzungen findet sich im Kapitel Micro Energy Harvesting bei den Bakteriellen Systemen (s.d.).

Die Polysolar erhält zahlreiche Auszeichnungen, darunter eine im April 2015 bei der Canary Wharf Cognicity Challenge, was zur Installation der ersten transparenten, solarbetriebenen Bushaltestelle Großbritanniens führt, die genau ein Jahr später, im April 2016, vor dem HSBC-Gebäude am Canada Square in London in Betrieb genommen wird. Die hier erzeugten 2.000 kWh pro Jahr werden für den Betrieb von Hinweisschildern und Infrastruktur-Elementen des Geländes verwendet.

Im Juni 2017 beteiligt sich das Unternehmen an der Planung und Installation eines neuen Fahrradabstellplatzes am kürzlich eröffneten Bahnhof Cambridge North. Der Unterstand bietet Platz für bis zu 1.000 Fahrräder, und die Polysolar-Überdachung kann bis zu 10 % des gesamten Energiebedarfs des Bahnhofs decken. Im Januar 2018 folgen zwei Überdachungen von Busbahnhöfen auf dem Talbot Campus der Universität Bournemouth, die zusammen bis zu 18 MWh Strom pro Jahr erzeugen können.

Anfang Juni 2018 startet Polysolar auf Crowdcube.com eine Crowdfunding-Suche nach Investoren. Tatsächlich kommt der gesetzte Zielbetrag von 750.000 £ schon bis Monatsende zusammen – und wird in der darauffolgenden Woche um 174 % überschritten, was der Firma von insgesamt 1.742 Investoren über 1,3 Mio £ einbringt.

Außerdem wird im Juni berichtet, daß eine typische Polysolar-Scheibe derzeit etwa doppelt so viel kostet wie ein normales Glasfenster, doch wenn die Serienproduktion beginnt, könnte sich der Preis auf einen Aufschlag von 10 % auf die Kosten von herkömmlichem Glas reduzieren. Trotzdem exportiert das Unternehmen bereits in die ganze Welt. Als nächstes soll die Fertigung beschleunigt und der Vertrieb erweitert werden.

Ein Preisgeld in Höhe von gut 150.000 $ bei der Disruptive Solutions Competition des britischen Technology Strategy Board soll die 2010 gegründete Firma Oxford Photovoltaics Ltd. (OPV) mit Sitz in Yarnton dabei unterstützen, ihre neueste Erfindung zu vermarkten.

Das als Ausgründung der Oxford University um Prof. Henry Snaith und Kevin Arthur entstandene Unternehmen hatte eine Siebdruck-Technik entwickelt, mit welcher Farbstoff-Solarzellen in unterschiedlichen Farben direkt auf Fenster aufgedruckt werden können. Nun muß noch eine Lebensdauer von mindestens 20 Jahren erreicht werden – bei einem Wirkungsgrad von 8 - 12 %.

In Zusammenarbeit mit anderen Herstellern soll der Prototyping-Prozeß nun auf wenige Monate reduziert werden. Mitte 2011 erhält die OPV Investitionsmittel in Höhe von 650.000 £, um die Entwicklungsarbeiten fortführen zu können. Nachdem Snaith im Jahr 2012 jedoch ein Durchbruch bei Perowskit-Solarzellen gelingt, scheint sich das Unternehmen im weiteren vollständig darauf zu konzentrieren, denn von den Solarfenstern ist ab diesem Zeitpunkt nur noch einmal im Februar 2013 zu hören, als die OPV meldet, von den Cleantech-Investoren MTI Partners eine Finanzierung von über 2 Mio. £ erhalten zu haben, die dazu beitragen soll, das Solarglas auf den kommerziellen Markt zu bringen.

Das Unternehmen strebt zu diesem Zeitpunkt an, bis Ende 2014 vollwertige Paneele für die Erprobung zur Verfügung haben. Kleinere Muster sollen schon Ende dieses Jahres verfügbar sein. Die verschiedenen Farben der Solarzellen-Prototypen zeigen, wie einfach es ist, die Perowskit-Komponenten an die unterschiedlichen Wellenlängen anzupassen.

In den Jahren 2014 und 2015 konzentriert sich das Unternehmen auf die Entwicklung einer Perowskit/Silizium-Tandemsolarzelle und erwirbt 2016 in Brandenburg an der Havel eine Pilotanlage für Dünnschicht-Zellen, an der im Folgejahr die ersten industrietauglichen Tandemzellen produziert werden. In den Folgejahren werden erfolgreich mehrere Finanzierungsrunden durchgeführt, Entwicklungspartnerschaften eingegangen und ein Effizienz-Weltrekord erzielt. 2019 sollen die ersten Modul in den Feldeinsatz gehen – und für 2020 wird die Errichtung einer 250 MW Produktionslinie in Brandenburg erwartet.

Presseberichten ist bereits im Januar 2018 zu entnehmen, daß die Oxford PV zwar tatsächlich an Solarfenstern gearbeitet hat, im Moment aber beabsichtigt, ihre Produkte nur in normalen Solarmodulen einzusetzen. Man hatte befürchtet, daß die Entwicklung eines marktreifen gebäudeintegrierten Photovoltaikprodukts mehr Jahre dauern würde, als man sich leisten konnte. Es sei schließlich viel Arbeit, ein Quadratzentimeter große Forschungszellen zu einheitlichen Fenstern von 60 x 120 cm hoch zu skalieren.

Die Firma will daher ihre Technik erst an kleineren Zellen perfektionieren in der Hoffnung, sie später auch auf größere Fenster anwenden zu können. Über die Perowskit-Technologie an sich berichte ich ausführlich in der Übersicht der verschieden Solarzellentypen (s.d.).

Ein weiteres Unternehmen, das 2010 Jahr mit der Entwicklung eines stromproduzierenden Fensters beginnt, ist die im Vorjahr gegründete norwegische Firma EnSol AS mit Sitz in Bergen, die das Patent für eine bahnbrechende, neue Dünnschicht-Solarzellen-Technologie hält, welche bis 2016 Marktreife erlangen soll.

Mit der britischen University of Leicester wird eine Kooperationsvereinbarung getroffen, um ein spezielles Solarzellenmaterial weiterzuentwickeln, das als transparenter dünner Film aufgestrichen oder aufgesprüht werden kann – z.B. auf Gebäudefenster. Das von EnSol entwickelte Material basiert auf Nanopartikeln, die an der Universität in kleinen Mengen für Prototypen synthetisiert werden können. Die Metall- Nanokristalle mit einem Durchmesser von ca. 10 nm werden dann in einer transparenten Composite-Matrix eingebettet.

Ziel des gemeinsam mit Prof. Christopher Binns durchgeführten Forschungs- und Entwicklungsprojekts ist es, mit dieser Spray-on PV-Technologie einen Zellwirkungsgrad von 20 % oder mehr zu erreichen. Die erste Entwicklungsstufe wird durch Mittel vom Norwegischen Forschungsrat, von Innovation Norge und von der lokalen Wirtschaftsförderung unterstützt.

Die EnSol will nun ein großtechnisches Nanopartikelquellen-System zur Herstellung von metallischen Nanopartikeln/Nanoverbundstoffen für Solarzellen, Glas- und Folienbeschichtungen, optische und medizinische Anwendungen in die kommerzielle Umsetzung bringen. Die patentierte Solarzellentechnologie soll wiederum an Hersteller von Solaranlagen lizenziert oder verkauft werden. Allerdings lassen sich bislang keine Bestätigungen weiterer Aktivitäten finden.

Mehr über Solarzellen-Spray findet sich im entsprechenden Kapitelteil der Solarzellentypen (s.d.).

Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory und des Los Alamos National Laboratory (LANL) um Zhihua Xu entwickeln einer Meldung vom November 2010 zufolge mit Untersstützung des DOE eine neue Art von sich selbst organisierendem transparenten Dünnschicht-Polymermaterial, das Strom erzeugt, wenn es auf der Oberfläche von Fenstern aufgebracht wird.

Das Material besteht aus einem halbleitenden Polymer, der mit Kohlenstoff-Fullerenen kombiniert ist – käfigartigen Molekülstrukturen aus 60 Kohlenstoffatomen in der Form eines Fußballs. Wird dieses Material auf eine Oberfläche aufgebracht, dann organisiert es sich selbst und bildet sechseckige Zellen von Mikrometergröße, die sich über Flächen von mehreren Millimetern ausbreiten.

Aufgrund seiner Entwicklung ist das Material an den Kanten dicht gepackt, wo das Licht zur Stromproduktion absorbiert und weitergeleitet wird, während die Mitte der Materialstruktur relativ transparent leibt. Der nächste Entwicklungsschritt wird die Optimierung groß angelegter Strukturierungen des Polymer-Materials sein, um Solarstrom-Fenster auch praktisch herstellen zu können. Es läßt sich jedoch nicht nachweisen, daß es in dieser Sache später weitergegangen ist.

Da inzwischen jedoch auch aus China erste Solarfenster gemeldet werden, wie z.B. das Solarglas des Glasproduzenten Chin Hua, das in Form einer kleinen, leicht nebligen Scheibe, die 2 W liefert, erstmals während der International Optoelectronics Week im Juni 2010 in Taipeh vorgestellt wird, sollten sich die Mitbewerber in anderen Länder besser etwas beeilen.

Eine vertiefende Recherche auf dem dortigen Markt ist aufgrund sprachlicher Grenzen relativ schwierig - über entsprechende Unterstützung würde ich daher sehr freuen. Dies betrifft natürlich auch viele andere Märkte, bei denen eine muttersprachliche Betreuung äußerst wünschenswert wäre. Bis dahin wird das bisherige Übergewicht europäischer und US-amerikanischer Firmen wohl bestehen bleiben...

Eine einfache Fensterversion bietet die im November 2010 von Sam Pardue in Portland gegründete Firma Indow Windows an, der sich dazu von der Dichtung um sein Kühlschranktür herum inspirieren läßt.

Seitdem stellt das Unternehmen Thermofenster-Einsätze her, die aus einer Acrylglasscheibe bestehen, welche mit einem weichen, patentierten Silikon-Kompressionsschlauch eingefaßt ist. Wird der Einsatz eingedrückt, komprimiert sich dieser und hält die Verglasung sicher an ihrem Platz, genau wie bei einer Kühlschranktür.

Die die zum Patent angemeldeten energiesparenden Einsätze sind unsichtbar und lärmmindernd, werden zu diesem Zeitpunkt allerdings ausschließlich in Portland verkauft, wo sie laut Pardue jede Woche an mehreren Orten installiert werden.

Ein 120 x 90 cm großer Fenstereinsatz kostet installiert etwa 150 $, verglichen mit 450 – 700 $ für ein Doppelscheibenfenster. Die Fenstereinsätze werden maßgefertigt, um sie in die bestehenden Fenster einzudrücken und so eine hervorragende Isolierung zu gewährleisten, Zugluft zu verhindern und Energie zu sparen.

Bei den 17. International Display Workshops im Dezember 2010 in Fukuoka, Japan, wird ein von Philips Research entwickeltes e-Skin-Panel vorgestellt, das mit der Energie aus einem Mobiltelefon betrieben werden kann und einen Schritt zu einem energieautarken, intelligenten Fenster darstellt. Dank eines vom Holst Centre und der IMEC in Löwen, Belgien, entwickelten Hochfrequenz-Energieerntegeräts kann das Paneel ohne Batterie von schwarz auf transparent (und umgekehrt) umgestellt werden.

Die Technik dahinter basiert auf einer vorangegangenen Forschungsarbeit zum Thema e-paper, wo jeder auf dem Display dargestellte Pixel individuell steuerbar sein muß, um den Text anzeigen zu können. Im Gegensatz dazu werden beim e-Skin Gruppen von Pixeln gesteuert, was sich besonders für die Anzeige von Grafiken, Mustern oder Farbflächen eignet.

Aufgebaut ist das e-Skin wie ein hauchdünnes Sandwich: Zwischen zwei Plastikmembranen schwimmen kleine verschiedenfarbige Partikel in einer Flüssigkeit. Diese Farbpartikel werden über elektrische Felder gesteuert, ein Verfahren, das als Elektrophorese bekannt ist. Je nachdem, welche Partikel durch das elektrische Feld nach oben bewegt werden, verändert sich schließlich die Farbe der Folie. Indem alle Partikel einzeln bewegt und beliebig miteinander kombiniert werden, wird das gesamte Farbspektrum möglich.

In der Fachpresse war das System bereits Ende 2009 beschrieben worden. Das Low-Power-Display ist für Anwendungen wie intelligente Fenster oder Gebäudeoberflächen gedacht, die ihre Farbe ändern, um Sonnenlicht zu reflektieren oder zu absorbieren. Die hauchdünne Folie kann auch über Produkte gestülpt werden, so daß diese in Farbe oder Muster beliebig veränderbar sind. Das nun gezeigte Demonstrationspaneel ist 75 x 75 mm groß und mit einer Energiegewinnungsantenne verbunden.

Nachdem ein Mobiltelefon 10 – 15 cm von der Antenne entfernt plaziert wird, bietet ein Anruf beim Telefon der Antenne genügend Umgebungs-HF-Energie, um direkt die 6 V zu erzeugen, die für die Stromversorgung des e-Skin-Panels benötigt werden – und eigentlich ausreichend wäreen, um 250 solcher Paneele umzuschalten.

Die in der Demonstration verwendete Antenne mußte recht groß sein, da sie keinen Spannungserhöhungswandler enthielt und auf die 900 MHz Betriebsfrequenz des Mobiltelefons abgestimmt war. Kleinere Antennen können für höhere Frequenzen verwendet werden, wie z.B. die 2,45 GHz Frequenz, die von Bluetooth-Geräten verwendet wird. Die patentierte Technologie wird ab ca. 2014 von der Signify Holding vermarktet, scheint bislang aber noch keinen Markterfolg zu haben.

Detaillierte Informationen über die Nutzung von Funkwellen als Energielieferant finden sich im Kapitel Micro Energy Harvesting (s.d.).

Im April 2011 berichten die Forscher Prof. Vladimir Bulović und Richard R. Lunt des MIT über die Entwicklung einer in die Glasscheibe integrierten, auf organischen Molekülen basierenden Photovoltaikzelle, die die besondere Fähigkeit hat, Infrarotlicht zu nutzen und in Strom umzuwandeln, während sie bis zu 90 % des sichtbaren Lichts hindurch läßt.

Während frühere Versuche, mit ähnlicher Technologie Strom aus Licht zu erzeugen, entweder gescheitert sind oder wegen mangelnder Effizienz wenig Beachtung fanden, hat das Duo vom MIT diesmal die perfekte chemische Formulierung gefunden, um den Prozeß einfacher und effizienter zu gestalten, indem sie die transparente organische PV-Zelle mit partiellen Infrarot-Reflexionsschichten kombinieren.

Obwohl sich die Arbeit noch in der Aufbauphase befindet und erst einen Wirkungsgrad von 1,7 % erreicht, erwarten die Forscher, daß dieser bald auf 5 % (andere Quellen: 12 %) steigen wird.  Die für das Projekt erforderliche finanzielle Unterstützung wird vom Center for Excitonics des MIT und damit indirekt vom DOE bereitgestellt.

Den Forscher zufolge ist es noch zu früh ist, um die tatsächlichen Kosten abschätzen zu können. Sie erwarten aber, daß die Technologie nach weiterer Entwicklung im Labor und anschließender Arbeit an der industriellen Herstellbarkeit innerhalb eines Jahrzehnts zu einem praktischen kommerziellen Produkt werden könnte. Neben der Möglichkeit, bei der Herstellung neuer Fenster das Glas direkt mit der weniger als 1/1000stel eines Millimeters dicken Folie beschichten, könnte das Material auch auf ein flexibles Substrat aufgetragen werden, das dann auf bestehende Fenster aufgewalzt wird.

Gemeinsam mit Miles C. Barr gründen Bulović und Lunt bereits 2011 die Spin-out-Firma Ubiquitous Energy Inc. mit Sitz in Redwood City, Kalifornien, um die transparente Solartechnologie namens ClearView Power weiterzuentwickeln, welche Fenster an Gebäuden in Solarstromerzeuger umwandeln soll. Zusammen mit Yimu Zhao meldet Lunt 2013 ein entsprechendes Patent an (US-Nr. 2014/0130864, veröffentlicht 2014).

Die Ubiquitous berichtet im April 2014, daß es sich in einer Finanzierungsrunde A einen Betrag von 5,8 Mio. $ gesichert habe, die auf der ersten Seed-Runde mit damals 1 Mio. $ durch die Investoren Arunas Chesonis und Cranberry Capital aufbaut. Nun kommt Riverhorse Investments und ein Investorenkonsortium dazu. Zusammen mit Zuschüssen der National Science Foundation (NSF) hatte dies der Ubiquitous Energy ermöglicht, ihre ClearView Power Technologie zu etablieren.

Dank der neuen Finanzierung sollen nun das Technologieentwicklungs-Team erweitert, eine Prototyping-Einrichtung errichtet und mit ersten kommerziellen Partnern gemeinsame Entwicklung durchgeführt werden.

Ab Mitte April 2016 wird die ClearView Power-Technologie im Rahmen der i Exhibition von BMW in den BMW-Vertretungen auf der ganzen Welt vorgestellt. Im Juli 2017 sichert sich die Ubiquitous Energy in einer Eigenkapital-Finanzierungsrunde A-1 weitere 15 Mio. $, wodurch die Gesamtfinanzierung des Unternehmens auf mehr als 25 Mio. $ steigt. Neben den bestehenden kommt als neuer Investor die Aberdeen Worldwide Group dazu.

Um die mehrfach ausgezeichnete ClearView Power-Technologie auf den Markt zu bringen, hat die Firma inzwischen Kapazitäten für eine Pilotproduktion aufgebaut. Und um Entwicklungs- und Produktprototypen für erste Anwendungen zu entwickeln, wird ab 2018 mit kommerziellen Partnern wie der der japanischen Asahi Glass, der NSG Group und der AGC zusammengearbeitet.

Im August wird die Ubiquitous Energy von der kalifornischen Energiebehörde mit 3 Mio. $ gefördert, um die transparente Solartechnologie weiterzuentwickeln. Im Rahmen des Förderprogramms wird das Unternehmen auch mit der renommierten Building Energy Efficiency Group am Lawrence Berkeley National Laboratory zusammenarbeiten.

Die ersten glasfasergerahmten, gewerblichen Fenster mit über einem Quadratmeter Fläche kann die Firma allerdings erst im Januar 2019 zeigen. Dabei besteht ein solches Fenster aus sechs, jeweils 35 x 50 cm großen Isolierglaseinheiten, deren Rahmen von dem Fenster- und Türenhersteller Alpen High Performance Products (Alpen HPP) speziell hierfür entwickelt worden waren. Das Unternehmen plant nun, noch im Laufe des Jahres mit der Pilotinstallation der Fenster in Demo-Größe zu beginnen.

Richard Lunt scheint derweil zur Michigan State University in East Lancing gewechselt zu sein, denn im August 2014 wird berichtet, daß er mit seinem dortigen Team weiter an einer transparenten Solarzelle arbeitet, die sich hervorragend für den Einsatz als Fenster eignen soll. Dabei konzentrieren sich die Forscher auf den Teil des Lichtspektrums, der vom menschlichen Auge ohnehin nicht wahrgenommen wird, und entwickeln einen Solarkonzentrator, der auf einer Fensterscheibe plaziert wird, Strom erzeugt und dabei für das menschliche Auge völlig unsichtbar ist.

Die photovoltaisch aktive besteht aus kleinen organischen Salzmolekülen, die nur das ultraviolette und das nahe infrarote Licht einfangen und dann bei einer anderen Wellenlänge im Infrarot leuchten. Dieses ‚glühende‘ Infrarotlicht wird daraufhin an den Rand der organischen Schicht geleitet, wo es durch dünne Streifen von Photovoltaik-Solarzellen in Strom umgewandelt wird.

Zwar steckt die Entwicklung des sogenannten transparenten lumineszierenden Solarkonzentrators (Luminiscent Solar Concentrator, LSC) noch in den Kinderschuhen und der Wirkungsgrad liegt derzeit bei nur etwa 1 %, es ist jedoch schon jetzt absehbar, daß die transparenten Solarzellen mit geringen Kosten im industriellen Maßstab produziert werden könnten – und dann hoffentlich mit einem Wirkungsgrad von etwa 5 %. Bislang gibt es keine weiteren Neuigkeiten darüber.

Wie Solarfenster in der Zukunft aussehen könnten, zeigen die drei südkoreanischen Designer Jun-se Kim, Yu-jin Cho und Yu-jin Lee in ihrem im Juni 2011 veröffentlichten Entwurf. Sie hatten mit diesem den 2. Preis des vorjährigen Designboom-Wettbewerbs gewonnen.

Das im Grunde einfache Konzept namens Solarwindow, das sich bei einer Umsetzung sehr positiv auswirken könnte, nutzt eine der o.g. Technologien transparenter Solarpaneele. Und praktisch plazierte Mehrfach-Steckdosen erleichtern Anschließen von Geräten und Gadgets.

Ein cleveres Design … wenn es denn so einfach wäre.

Im Juli 2011 stellt die Ende 2007 von Oren Aharon gegründete israelische Firma SolarOr Ltd. auf der Intersolar in San Francisco das Design einer Energieinnovation vor, die über Doppelscheiben in Fenstern hinausgeht, zwischen denen  sich in der Regel ein Gas befindet, das hilft, unerwünschte Wärmeübertragungen zu reduzieren. Denn noch besser wäre es, zwischen den beiden Glasscheiben zusätzlich auch noch einen Energieerzeuger zu installieren.

Im Falle des patentierten SolarOr-Fassadenmoduls, das nicht als Fenster dienen, sondern die Glasfassaden eines Gebäudes ersetzen soll, befindet sich zwischen den beiden Scheiben eine Wabenstruktur aus Acryl, wobei sich unter jeder sechseckigen Zelle eine Siliziumzelle befindet. Das hexagonale Design aus Hunderten von winzigen Prismen dient dazu, das Sonnenlicht zu bündeln, um die Energieerzeugung zu maximieren.

Die Zellen sind in jedem Paneel schräg gestellt, um die maximale Sonneneinstrahlung zu absorbieren. Da die Neigung anpaßbar ist, können die Arrays auf bestimmte Projekte und Standorte zugeschnitten werden. Der Firma zufolge soll das BeeHive PV genannte Wabenglas 140 W/m² produzieren. Während der Energieerzeugung läßt es 40 % des Lichts durch und reduziert auch die Wärmeübertragung.

Es ist das erste Produkt des Unternehmens mit Sitz in Nesher, das bisher rund 1 Mio. $ an Startkapital gesammelt hat und nun nach weiteren Investoren sucht, um die Module für die kommerzielle Nutzung produzieren zu können. Womit augenscheinlich weder die SolarOr, noch ihre Nachfolger-Firma Kenotomi, denn irgendwelche Umsetzungen oder weitere Entwicklungen sind nicht zu verzeichnen.

Ebenfalls im Augst 2011 stellen Wissenschaftler der Adlershofer Dependance des Fraunhofer Instituts für Angewandte Polymerforschung (IAP) in Potsdam-Golm ein neues kostengünstiges und wartungsfreies Glas vor, das sich bei Temperaturerhöhung reversibel von Klar- zu Milchglas wandelt. Selbst in gedimmten Zustand läßt es aber noch genug Licht hindurch, damit die Räume hell und freundlich wirken.

Die selbst regulierende Sonnenverglasung, die gemeinsam mit der Firma Tilse Formglas GmbH im brandenburgischen Nennhausen und mit Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie entwickelt wurde, ist nach dem Sandwichprinzip aufgebaut: Zwischen zwei Glasscheiben befindet sich eine transparente Folie aus Harz, die kugelförmige polymere Nanokapseln enthält, in deren Kern sich die für den Schalteffekt verantwortliche Wirkstoffmischung befindet.

Im Normalmodus gelangt die solare Strahlung auf direktem Wege durch diese thermotrope Harzschicht, da sie durchsichtig ist. Oberhalb des Schaltpunktes bei etwa 40°C ändert der Kapselkern seine Struktur und an den Nanokapseln­­ treten Streueffekte auf, die Harzschicht wird transluzent und bis zu 30 % des einfallenden Lichts und der Infrarotstrahlung gelangen nicht mehr hindurch.

Die Sandwichgläser schalten sie quasi selbständig um von durchsichtig auf getrübt, sobald sie eine bestimmte Temperatur registrieren. Die gleichmäßige Streuung führt überdies zu einer drastischen Reduktion von Blendeffekten, und auch schädliche UV-Strahlen werden absorbiert.­ Sinkt die Temperatur, kehrt die Harzschicht in ihren ursprünglichen Zustand zurück, und die Scheiben werden wieder durchsichtig und klar.

In der Partnerschaft entwickelten die IAP-Forscher den chemisch-physikalischen Teil der SOLARDIM-ECO genannten Sonnenschutzverglasung, während die Tilse GmbH ihr Know-How über Glas und homogene Verteilung der Partikel beisteuerte, um die Entwicklung zur Marktreife zu bringen. So werden die Mikrokapseln in einer Pilotanlage in Adlershof hergestellt und anschließend bei der Tilse Formglas in Gießharz eingebracht und mit den Glasscheiben verbunden. Diese lassen sich dann in nahezu beliebigen Formen und Größen verarbeiten.

Es ist nicht mehr herauszufinden, was anschließend im Details geschieht, doch im Februar 2017 berichtet Presse, daß die beiden Partner zwischenzeitlich eine neue Herstellungsmethode für elektrochrome Glasscheiben mit deutlich schnelleren Schaltzeiten entwickelt hätten, als es bei den bisherigen Modellen der Fall ist. Üblicherweise werden Beschichtungen aus Indiumzinnoxid oder dem kostengünstigeren Fluorzinnoxid verwendet, sowie Wolframoxid. Bis eine damit hergestellte, große Scheibe von 2 – 3 m² vollständig abgedunkelt ist, können 15 – 20 Minuten vergehen.

Bei der neuen Technologie, um die Scheiben abzudunkeln, werden organische Monomere genutzt, die in ein speziell entwickeltes Gießharz gemischt werden. Wie bei den bisherigen Verfahren werden als Ausgangssubstrat zinnoxidbeschichtete Glasscheiben verwendet, doch auf weitere Beschichtungen wird verzichtet. Stattdessen  legen die Wissenschaftler die Scheiben mit der Zinnoxid-Beschichtung aufeinander, füllen das Gießharz samt den elektrochromen Molekülen in den entstehenden Hohlraum und härten das Harz über Hitze oder UV-Strahlung aus.

Das Anlegen einer Gleichspannung führt dann dazu, daß sich die Monomere auf einer der Elektroden zu einem elektrochromen Polymer verbinden. Vorteil des organischen Farbgebers: Die Glasscheibe läßt sich bei einer deutlich geringeren Spannung schalten und reagiert auch wesentlich schneller. Eine 1,2 m² große Scheibe abzudunkeln, dauert nur etwa 20 – 30 Sekunden. Allerdings wird bislang nur ein Abdunklungseffekt von ungefähr 15 – 20 % erreicht, während mit kleineren Zellen im Labormaßstab immerhin Werte um 30 % möglich sind.

Und wo die üblichen metalloxid-basierende Fenster bislang immer Blau schimmern, lassen sich mit dem neuen Verfahren auch Fenster in anderen Farben herstellen, denn andere Monomere können dafür sorgen, daß sich die Scheiben rot oder lila tönen. Auch die Stabilität der Scheiben spricht für das neue Verfahren, denn bereits ein Verbund aus zwei Scheiben reicht aus, um eine Überkopf-Verglasung oder begehbare Scheiben zu realisieren, wofür bisher ein Vielfach-Glas-Verbund notwendig war.

Um die Effektstabilität unter den extremen Bedingungen permanenter Sonneneinstrahlung zu testen, führen die Wissenschaftler mit dem Prototyp der elektrochromen Gießharz-Verglasung einen Langzeittest innerhalb eines Sonnensimulators durch.

Das thermotrope Sonnenschutzglas wird auch noch 2019 auf der Homepage der Firma Tilse vorgestellt, ohne daß konkrete Referenzen erwähnt werden. Daneben gibt es ein elektrisch schaltbares Glas namens SOLARDIM, das auf einer ‚Magic Screen Film‘ genannten Technologie basiert und stufenlos zwischen dem transparenten und dem milchig-diffusem Zustand umgeschaltet werden kann. Möglicherweise handelt es dabei um eine Form der erwähnten elektrochromen Glasscheiben.

Im August 2011 erscheint eine Meldung, der zufolge es Forschern der Soongsil University und des Korea Electronics Technology Institute im Laufe dieses Jahres gelungen sei, ein dimmbares Fenster zu entwickeln, bei dem drei der bislang wesentlichsten Probleme gelöst wurden: der Preis, die Haltbarkeit und der Einsatz toxischer Substanzen beim Herstellungsprozeß.

Das Glas des Teams nutzt hierfür ein Polyelektrolyt-Copolymer, Ionen, die mit Gegenionen reagieren, sowie ungiftige Lösungsmitteln wie Methanol. Das Ergebnis ist ein preiswertes dimmbares Glas, dessen Tönung sich schnell ändert und innerhalb von Sekunden von opak bis fast vollständig klar wechseln kann. Über weitere Entwicklungsschritte ließ sich bislang nichts finden.

Ende September 2011 findet am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg das ‚1. Meilensteintreffen‘ im Rahmen des Forschungsprojekts ‚Smart Windows auf der Basis von Metallo-Polyelektrolyten‘ (Smart Win-MEPE) statt, dessen Ziel die Herstellung von Gebäudeverlgasungen ist, die ihre Lichtdurchlässigkeit und Farbe je nach Sonneneinstrahlung verändern.

Das neue Material, das dies ermöglicht, ist ein Metallo-Polyelektrolyt, der ebenso wie die Technologie zur Herstellung der Smart Windows unter der Leitung von Prof. Dirk Kurth an der Universität Würzburg und dem ISC entwickelt. Die Produkte können auch als Werbefassade oder Anzeigetafel eingesetzt werden, ihre Färbung erfolgt elektrisch auf Knopfdruck.

Aus dem ISC wird zudem im Juli 2012 gemeldet, daß ein Team um Walther Glaubitt und Jörn Probst eine Fensterbeschichtung entwickelt haben, die mehr Licht in die Wellenlängen einläßt, die sich positiv auf unser Wohlbefinden auswirken. Moderne wärmedämmende Sonnenschutzverglasungen hingegen reflektieren einen spürbaren Anteil des einfallenden blaues Lichts, das unseren Hormonhaushalt bestimmt.

Die UNIGLAS GmbH & Co. KG, die gemeinsam mit dem ISC die Beschichtung zur Marktreife gebracht hat, wird ein damit beschichtetes Dreifachverglasungs-Produkt auf den Markt bringen, die unter dem Namen VITAL-Wohlfühlglas vertrieben wird. Da es keinen direkten Bezug zu Energieeinsparungen hat, soll hier aber nicht näher darauf eingegangen werden.

Im Mai 2013 startet dann das BMBF-geförderte, auf eine dreijährige Laufzeit angelegte Projekt flex25 zur Entwicklung einer Solar-Verkapselungsfolie für leichte, flexible Solarzellen. Neben dem ISC beteiligen sich Kollegen des Fraunhofer-Instituts für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) und des Fraunhofer-Instituts für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) an dem Projekt, mit dem vor allem bisher ungenutzte Gebäudeflächen, wie industrielle Flachdächer, Fassaden oder großflächige Fenster für die Energiegewinnung erschlossen werden sollen.

Da vor allem die aktiven Schichten innerhalb eines Solarmoduls sehr empfindlich auf Wasserdampf und Sauerstoff reagieren, müssen sie bestmöglich vor den Umgebungsbedingungen geschützt werden. Hierzu soll nun die in mehrjährigen Forschungsprojekten am FEP und IVV entwickelten Schichtsysteme und Herstellungsverfahren adaptiert werden, mit denen bereits flexible OLEDs oder Displays geschützt werden.

Details über weitere Schritte sind nicht zu finden, doch zwischen 2015 und 2017 läuft das Verbundprojekt ‚Smart Windows der 2. Generation‘ (ECWin2.0), das helfen soll, die materialtechnischen Voraussetzungen für die Herstellung eines neuen Typs preiswerter dimmbarer Verglasungen mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen. Dabei sollen neue Beschichtungsmaterialien sowie Verfahren zur Herstellung dieser Beschichtungen demonstriert werden.

Die neuartigen Materialien werden mittels Abscheidetechniken auf Glastafeln aufgebracht, die in Kombination mit einem polymerbasierten Elektrolyten zu einem Verbundglas und weiter zu Isolierglas veredelt werden. Das Zusammenwirken der unterschiedlichen Materialien wird an 10 x 10 cm bis 40 x 60 cm großen Elementen erforscht und getestet. Neben der Universität Würzburg und dem ISC sind diesmal das Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) sowie die Firmen EControl-Glas Gmbh & Co. KG (s.o.), GfE-Fremat und KS Kunststoffbau GmbH daran beteiligt.

Der nächste Schritt wird im Juli 2017 gemeldet, als Kurth, der die Stoffklasse der Metallo-supramolekularen Koordinationspolyelektrolyten (MEPE) Mitte der 1990er-Jahre entdeckt hatte und seitdem an ihnen forscht, zusammen mit seiner Doktorandin Stefanie Munzert eine Studie veröffentlicht, in der interessante und wichtige Aspekte der neuen Polymerklasse behandelt werden.

Als Bestandteil poröser Festkörper sind sie in der Lage, ihr Fließverhalten im elektrischen Feld zu ändern, wobei ihre Eigenschaften ganz nach Wunsch zwischen flüssig und so gut wie fest pendeln. Und unter bestimmten Umständen zeigen sie einen Temperatur-induzierten Spin-übergang, bei dem Elektronen ihren Spin, also ihre Drehrichtung, verändern, und damit auch ihr magnetisches Moment. Zudem verfügen MEPE über herausragende elektrochrome Eigenschaften, was sie für die Smart Windows so interessant macht.

Bei den MEPE handelt es sich um lange Molekülketten, in denen einzelne organische Bausteine, sogenannte Terpyridine, durch Metall-Ionen miteinander verknüpft sind. Die Metall-Ionen sind für die Farbe des Materials verantwortlich und lassen sich elektrisch schalten. Wenn sie Elektronen aufnehmen oder abgeben, entsteht oder verblaßt die Farbe, wobei die Änderungen umkehrbar sind. Geben zum Beispiel zweiwertige Eisen-Ionen Elektronen ab, wird Blau zu Farblos. Andere Metall-Ionen sorgen für andere Farben: Mit Kobalt beispielsweise ergibt sich ein rötlicher, mit Nickel ein orangefarbener Ton.

Farbe und Transparenz der Fenster lassen sich verändern, indem man die MEPE über die Elektrode mit niedrigen Spannungen von 1 – 1,5 V schaltet. Dank der Eigenschaften der MEPE kann die Grundfarbe der Verglasung variiert werden, ebenso wie es möglich ist, in einem Fenster verschiedene Metall-Ionen einzusetzen und so mehrere Farben durchzuschalten.

Auch die Herstellung der Smart Windows wäre relativ einfach: Es genügen zwei Glasscheiben, bei denen die einander zugewandten Seiten mit einer dünnen, transparenten Elektrode bedeckt sind. Darauf wird durch Eintauchen in eine wässrige Lösung eine hauchfeine MEPE-Schicht aufgebracht. Die Scheiben werden anschließend aufeinandergelegt und die dazwischen befindliche, störende Luftschicht durch das Einfüllen eines sirupartigen, neutralen Materials verdrängt. Zum Schluß wird das System abgedichtet.

Von einer tatsächlichen Umsetzung ist aber nichts zu erkennen, vermutlich, weil Kurth seine Arbeit als Grundlagenforschung versteht und lieber weiter forscht, um ein tieferes Verständnis der Vorgänge um den Aufbau und die Entstehung dieser neuartigen Polymerklasse zu gewinnen, die er als „molekulares LEGO, bei dem sich die Türmchen allerdings von selbst aufbauen“ beschreibt.

Die Nippon Electric Glass Co. Ltd. (NEG), ein Hersteller von Glas für Flachbildschirme, stellt auf FPD International im Oktober 2011 etwa vor, das als unsichtbares Glas bezeichnet wird. Tatsächlich ist das neue Substrat kaum sichtbar, weil es das Licht im Gegensatz zu gewöhnlichem Glas kaum reflektiert. Ein Einsatz als Solarglas ließ sich bislang aber nicht nachweisen.

Ebenfalls im Oktober 2011 präsentiert der Hersteller 3M auf der Elektronik-Konferenz CEATEC in Japan eine dünne, durchsichtige Solarfolie, welche herkömmliche Fenster in durchsichtige Solarpaneele verwandeln kann und bereits im nächsten Jahr in den Handel kommen soll. Dabei soll der Preis etwa bei der Hälfte des Preises für Solarzellen liegen.

Der große Vorteil von Solarfolien ist, daß sie ohne bauliche Maßnahmen Strom durch vorhandene Fensterflächen erzeugen können. Die 3M-Folie schluckt etwa 80 % des sichtbaren Lichts und über 90 % vom Licht im infraroten Bereich, womit sie gleichzeitig als Sonnenschutzfolie funktioniert. Bislang unbefriedigend ist, daß die Folie nur 20 % der Leistung von Solarzellen erreicht, weshalb sich 3M vorgenommen hat, die Leistung weiter zu verbessern. Auch ist noch nicht klar, ob es gelingt, die Lichtdurchlässigkeit zu erhöhen.

Dem Stand von 2019 zufolge bietet die 3M inzwischen zwar einen Thinsulate Climate Control Window Film an, der die vorhandene Isolierung der Verglasung verbessert. Zudem gibt es diverse Folien als UV-Schutz, z.B. für Windschutzscheiben. Die Suche nach dem Stichwort Solarfolie ergibt hingegen keine Ergebnisse mehr.

 

Weiter mit den Solarfenstern ...