Fraunhofer ISE bringt Farbe in Solar-Autodächer

By Almut Otto

Vom 12.-22. September findet die Internationale Automobil-Ausstellung (IAA) in Frankfurt statt. Vieles wird sich dabei um die Mobilität der Zukunft drehen. Neben der Reichweite von selbstladenden E-Fahrzeugen bringt das Fraunhofer ISE nun auch das Thema Optik ins Spiel: Denn auf dem Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft (Halle 4.1, Stand C 12) präsentiert das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystem (ISE) zwei Solar-Autodächer. Ihre Besonderheit: Sie sind farbig gestaltet.

Schon vor zwei Jahren hatten die Fraunhofer-Wissenschaftler eine Morpho-Color®-Glasbeschichtung entwickelt. Diese war ursprünglich für Gebäude gedacht. Doch nun ging das ISE einen Schritt weiter und baute farbige Panels für gewölbte Oberflächen, wie zum Beispiel Autodächer.

„Um eine CO2-freie Energieversorgung in allen Sektoren zu realisieren, müssen wir den Ausbau der Photovoltaik massiv vorantreiben, auch jenseits von Hausdächern und Freiflächen. Solarmodule werden künftig noch mehr in unsere bereits bebaute Umwelt integriert werden, zum Beispiel auch in Fahrzeuge“, erklärt Dr. Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE.

Für die Integration der Photovoltaik in das Solardach setzen die Freiburger Forscher auf die Schindelverschaltung. Die monokristallinen Siliciumsolarzellen werden dabei überlappend angeordnet. In einem Klebeverfahren werden sie dann mit einem leitfähigen Kleber verschaltet. So werden inaktive Flächen durch Zell-Zwischenräume vermieden. Die Modulfläche lässt sich also maximal für die Stromerzeugung nutzen.

Dem Morpho-Falter auf die Flügel geschaut

Eine weitere Besonderheit des Solardaches: Die Solarzellen sind komplett durch eine individuelle Farbbeschichtung verborgen und somit unsichtbar. Der Effizienzverlust durch die Morpho-Color® -Glasbeschichtung beträgt nur sieben Prozent relativ. Der Farbeffekt wurde übrigens den leuchtend blauen Flügeln des Morpho-Schmetterlings abgeschaut. Durch die spezielle, schuppenartige Oberflächenstruktur entsteht eine hohe Farbsättigung bei guter Blickwinkelstabilität. Dazu Dr. Martin Heinrich, Leiter PV for Mobility am Fraunhofer ISE:

„Die Farbmöglichkeiten sind dabei nahezu unendlich.“

Dank der farblichen Bandbreite in allen Spektralfarben bietet das Dach ein homogenes, ästhetisches Gesamtbild. Zudem sorgen geringere Widerstandsverluste, der Wegfall der Verschattung durch aufliegende Zellverbinder sowie eine besonders hohe Verschattungstoleranz für eine – im Vergleich zu konventionellen Solarmodulen -, um bis zu zwei Prozent höhere Moduleffizienz.

Somit soll das Dach mit einer Nennleistung von etwa 210 W/m² bei einem E-Auto der Mittelklasse an einem sonnigen Tag Strom für etwa zehn km Fahrtstrecke liefern. Das wären dann über ein Jahr gerechnet eine verlängerte Fahrzeugreichweite um etwa 10 Prozent beziehungsweise eine entsprechende Verbrauchsreduzierung. Die Berechnung basiert auf der unverschatteten Sonneneinstrahlung in Freiburg im Breisgau, einem Verbrauch des Elektroautos von 17 kWh auf 100 km und einer jährlichen Fahrleistung von 15.000 km. Auch für Verbraucher, die sonst die Reichweite eines Elektrofahrzeuges einschränken könnten (z.B. Klimaanlage, Heizung) kann der Solarstrom genutzt werden. Forschungspotenzial sieht das Fraunhofer ISE bei der Integration von Photovoltaik in zusätzliche Fahrzeugflächen.

Denn laut Heinrich befindet sich das Projekt in der ersten Entwicklungsstufe. Zukünftig soll daran geforscht werden, die Solarmatrix zum Beispiel auf Motor und Heck zu bringen, was die Reichweite nochmals erhöhen würde. Und in einem weiteren Schritt könnte dann darüber nachgedacht werden, die Panels auch auf den Autoseiten anzubringen. Dies sei aber aufgrund der besonderen Sicherheitsbestimmungen nicht ganz einfach umzusetzen.

Einsatzbereiche reichen vom Auto übers Flugzeug bis zum Schiffsbau

Die vom ISE entwickelte Solarzellenmatrix wird in einem Folienlaminator zwischen die Gläser eines handelsüblichen, sphärisch gewölbten Panorama-Autodachs laminiert. Mit Hilfe einer speziell gefertigten Form kann das Laminieren auch in einem herkömmlichen Laminator erfolgen.

Die Funktionalität des Solardachs entspricht der eines Standard-Metallautodachs: Die Solarzellen wandeln einfallende Sonnenstrahlung in Strom um. Somit wird auch eine Überhitzung im Auto reduziert. Durch die Schindelverschaltung liegt die Modulspannung höher als bei einem konventionellen Modul. Und sie lässt sich leichter auf die Batteriespannung transformieren. Auch die großen thermischen und mechanischen Belastungen auf Verkehrswegen können die geklebten Schindelzellen gut kompensieren.

Welches Potenzial auf Fahrzeugdächern schlummert, hat das Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit mehreren Speditionen bereits in einer Messkampagne 2016-2017 erforscht: Sechs LKW wurden mit Einstrahlungs- und Temperatursensoren sowie GPS ausgestattet. Ihre Routen im Osten der USA sowie in Mittel- und Südeuropa wurden anschließend aufgezeichnet. Für Europa ermittelten die Forschenden 5000-7000 Kilowattstunden jährliches Stromerzeugungspotenzial auf einem typischen LKW-Dach. Das entspricht einer Fahrleistung von 5000- 7000 Kilometern. Im geplanten Citizen Science-Projekt »PV2Go« wollen die Wissenschaftler des Fraunhofer ISE mit Unterstützung interessierter PKW-Besitzer das Einstrahlungspotenzial für PKW ermitteln.

Weiteres Einsatzpotenzial für die Module sieht Heinrich übrigens zudem bei Flugzeugen, Drohnen sowie auch im Schiffsbau.

Die ersten Solar-Dächer fürs Auto könnten schon Ende nächsten Jahres in Serie gehen. Und dabei soll auch der Aufpreis bei den derzeit verwendeten Solarzellen nicht viel teurer als ein Panoramadach sein.