Transparente Solarzellen in Fensterscheiben: Aktuelle Technologien und Zukunftsperspektiven

Die Integration von Photovoltaiktechnologie in Fensterflächen stellt einen vielversprechenden Ansatz dar, um die urbane Energiegewinnung zu revolutionieren. Mit transparenten Solarzellen können Gebäudefenster nicht nur ihrer ursprünglichen Funktion nachkommen, sondern gleichzeitig als Energiequellen dienen. Aktuelle Entwicklungen zeigen beeindruckende Fortschritte bei der Effizienz und Transparenz solcher Systeme, wobei besonders das CitySolar-Projekt mit einem Wirkungsgrad von 12,3% bei gleichzeitiger 30-prozentiger Transparenz einen bedeutenden Durchbruch darstellt. Diese und weitere Technologien könnten in naher Zukunft die Energieerzeugung in urbanen Räumen grundlegend verändern, indem sie die größtenteils ungenutzte Fensterfläche von Gebäuden in dezentrale Kraftwerke verwandeln.

Aktuelle Technologien zur Stromerzeugung durch Fenster
Die Idee, Fenster zur Stromerzeugung zu nutzen, hat in den letzten Jahren verschiedene technologische Ansätze hervorgebracht. Diese Entwicklungen versuchen, den Spagat zwischen Transparenz für die Raumnutzung und effizienter Energiegewinnung zu meistern.

Zeiss Solar Window
Eine bemerkenswerte Innovation im Bereich der transparenten Solarfenster wurde von Zeiss entwickelt und Anfang 2025 auf der Consumer Electronics Show (CES) in Las Vegas vorgestellt. Dieses sogenannte "Solar Window" verwendet einen holografischen Film, der im Fensterglas integriert ist und das einfallende Sonnenlicht gezielt auf spezielle Solarzellen umleitet1. Diese Solarzellen befinden sich unsichtbar im Fensterrahmen und können dort die eingefangene Sonnenenergie in Elektrizität umwandeln. Das Besondere an dieser Technologie ist, dass die Glasscheibe selbst nahezu komplett transparent bleibt – ähnlich wie normales Fensterglas1.

In Bezug auf die Effizienz erreicht das Zeiss-System etwa 20 Prozent der Leistungsfähigkeit von herkömmlichen Solarzellen1. Dies stellt einen beachtlichen Fortschritt dar, besonders wenn man bedenkt, dass die Technologie vollständig in bestehende Gebäudestrukturen integriert werden kann, ohne die Ästhetik oder Funktionalität zu beeinträchtigen.

Grätzel-Zellen und Energieglas
Ein weiterer Ansatz zur Stromerzeugung durch Fenster basiert auf den sogenannten Grätzel-Zellen, benannt nach ihrem Erfinder Michael Grätzel. Diese Technologie, die bereits in den späten 1980er-Jahren entwickelt wurde, stellt eine künstliche Nachbildung der Photosynthese dar und funktioniert grundlegend anders als herkömmliche Silizium-basierte Solarzellen4.

Bei Grätzel-Zellen wird zwischen zwei Glaselektroden eine Beschichtung aus Titandioxid und einem Farbstoff aufgebracht. Wenn Sonnenlicht auf diese Beschichtung trifft, setzt der Farbstoff Elektronen frei, die vom Titandioxid eingefangen werden und zwischen den Elektroden wandern, wodurch elektrischer Strom entsteht4. Diese Technologie ermöglicht die Herstellung von farbigen Glaselementen, die gleichzeitig Energie erzeugen können.

Unter Laborbedingungen erreichen Grätzel-Zellen Wirkungsgrade von bis zu 15 Prozent4. Die praktische Anwendung dieser Technologie wird als "Energieglas" bezeichnet und ist speziell für die Integration in Fenster oder Fassaden konzipiert.

CitySolar: Ein Durchbruch bei transparenten Solarzellen
Das EU-Projekt CITYSOLAR markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung transparenter, stromerzeugender Fenster. Mit dem ambitionierten Ziel, den Markt für transparente Solarzellen zu revolutionieren, vereint dieses Projekt führende Forscher und Industriepartner aus der ganzen Welt.

Aufbau und Ziele des Projekts
CITYSOLAR wird von einem internationalen Konsortium bestehend aus neun Partnern aus sieben verschiedenen Ländern durchgeführt. Unter den beteiligten Institutionen befinden sich die Universität Süddänemark, die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, die Universität Rom Tor Vergata und das Nationale Zentrum für wissenschaftliche Forschung Paris6. An der Syddansk Universitet in Odense, Dänemark, haben die Forscher besonders beeindruckende Ergebnisse erzielt.

Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung hocheffizienter und gleichzeitig transparenter Fenster zur Stromerzeugung. Dabei sollen die bisherigen Grenzen in Bezug auf Wirkungsgrad und Transparenz deutlich überschritten werden2. Die Vision ist, dass Gebäude in Großstädten mit ihren oft umfangreichen Glasfassaden zu kleinen Kraftwerken werden und so zur Energieneutralität beitragen können2.

Technologischer Durchbruch
Der entscheidende technologische Durchbruch des CitySolar-Projekts besteht in der Entwicklung einer völlig neuen Art von transparenten Solarzellen. Diese innovative Technologie kombiniert Perowskit-Solarzellen mit hoher Energielücke und organische Solarzellen ohne Fullerene mit niedriger Energielücke in einer Tandemkonfiguration36. Durch diesen Ansatz werden verschiedene Wellenlängen des Sonnenlichts optimal genutzt.

Das Besondere an dieser Technologie ist, dass sie gezielt infrarotes und ultraviolettes Licht absorbiert, während sie einen Großteil des sichtbaren Lichts durchlässt3. Dies ermöglicht eine hohe Transparenz bei gleichzeitig effizienter Energieumwandlung. Aktuelle Ergebnisse zeigen einen Rekordwirkungsgrad von 12,3 Prozent bei einer Transparenz von 30 Prozent6, was einen signifikanten Fortschritt gegenüber früheren transparenten Solarzellen darstellt, die oft nur etwa 10 Prozent Transparenz erreichten oder ihre Transparenz durch geringere Abdeckung und damit niedrigere Effizienz erkauften.

Obwohl sich die Technologie derzeit noch im experimentellen Stadium befindet und ein vollständig funktionaler Prototyp noch aussteht, hat sie ihre Funktionsfähigkeit bereits sowohl im Labor als auch unter realen Bedingungen unter Beweis gestellt.

Funktionsweise und technische Details der neuen transparenten Solarzellen
Die innovative Technologie hinter den transparenten Solarzellen des CitySolar-Projekts basiert auf einem ausgeklügelten Mehrschichtsystem, das verschiedene Arten von Solarzellen kombiniert, um das Sonnenlichtspektrum optimal zu nutzen.

Multi-Junction-Technologie
Der Schlüssel zum Erfolg des CitySolar-Ansatzes liegt in der Verwendung von Multi-Junction-Solarzellen, die speziell dafür optimiert sind, unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts zu absorbieren3. Diese Tandem-Konfiguration bringt neue Perowskit-Solarzellen mit hoher Energielücke zusammen mit organischen Solarzellen, die frei von Fullerenen sind und eine niedrige Energielücke aufweisen3.

Diese Kombination ermöglicht es, das Sonnenlichtspektrum effizient zu nutzen: Die Perowskit-Schicht absorbiert hauptsächlich ultraviolettes Licht, während die organische Schicht primär das Infrarotlicht nutzt. Der zentrale Bereich des sichtbaren Spektrums bleibt weitgehend unangetastet, was die hohe Transparenz der Zellen erklärt.

Fortschrittliches Lichtmanagement
Um die Effizienz weiter zu steigern, nutzt das CitySolar-Projekt auch fortschrittliche Konzepte des Lichtmanagements wie Photonische Kristalle, Nanophotonik und Photonen-Recycling3. Diese Techniken helfen dabei, Verluste bei der Lichtabsorption zu reduzieren und die Skalierung von einzelnen Solarzellen zu Multi-Junction-Modulen zu optimieren.

Potenzial und Anwendungsgebiete
Die Entwicklung hocheffizienter transparenter Solarzellen eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im urbanen Raum mit seiner hohen Dichte an Glasflächen.

Integration in die städtische Infrastruktur
Das größte Potenzial für transparente Solarzellen liegt in der Integration in die bestehende städtische Infrastruktur, insbesondere in Büro- und Geschäftsgebäude mit großen Glasfassaden. Bei Hochhäusern übersteigt die Fläche der Glasfronten oft die Dachfläche um ein Vielfaches, was eine deutlich größere potenzielle Fläche für die Energiegewinnung bietet.

Die Installation der transparenten Solarzellen würde ähnlich wie bei herkömmlichen Glasscheiben erfolgen, mit dem zusätzlichen Erfordernis der Verkabelung und elektronischen Steuerung. Durch die hohe Transparenz von 30 Prozent bei den neuesten Entwicklungen bleibt die ursprüngliche Funktion der Fenster – Licht in das Gebäude zu lassen und Ausblick zu gewähren – weitgehend erhalten.

Beitrag zur Energieneutralität von Gebäuden
Ein wesentliches Ziel der Entwicklung transparenter Solarzellen ist es, Gebäude energieneutral zu gestalten2. In großen Städten mit zahlreichen Gebäuden und Hochhäusern mit umfangreichen Glasfassaden könnte die Umwandlung dieser passiven Glasflächen in aktive Energieerzeuger einen bedeutenden Beitrag zur lokalen Energieversorgung leisten.

Anstatt das Sonnenlicht einfach zu reflektieren oder hindurchzulassen, wie es bei herkömmlichen Sonnenschutzgläsern der Fall ist, könnten die Fenster es nutzen, um Elektrizität zu erzeugen und die Gebäude so zu kleinen Kraftwerken zu machen2.

Herausforderungen und Zukunftsaussichten
Trotz der vielversprechenden Fortschritte bei transparenten Solarzellen gibt es noch einige Herausforderungen zu überwinden, bevor diese Technologie breite Anwendung finden kann.

Aktuelle Herausforderungen
Die größte Herausforderung bleibt der Widerspruch zwischen Effizienz und Transparenz. Je transparenter eine Solarzelle ist, desto weniger Licht kann sie in der Regel absorbieren und in Strom umwandeln2. Obwohl die neuesten Entwicklungen beeindruckende Fortschritte zeigen, gibt es noch Raum für Verbesserungen, um den angestrebten Wirkungsgrad von über 15 Prozent zu erreichen3.

Ein weiterer Aspekt ist die Skalierbarkeit der Technologie. Während die Funktionsfähigkeit im Labor und in kleinen Demonstrationsprojekten bereits nachgewiesen wurde, steht die Massenproduktion noch aus. Die Integration in bestehende Fertigungsprozesse für Fensterglas und die Kostenfrage werden entscheidende Faktoren für den kommerziellen Erfolg sein.

Zukünftige Entwicklungen
Für die nahe Zukunft sind weitere Verbesserungen in der Zelltechnologie zu erwarten. Tandemsolarzellen könnten die Effizienzrate auf bis zu 30 Prozent steigern, was weit über dem liegt, was heute mit traditionellen Siliziumzellen möglich ist5.

Die Integration von Photovoltaik in die Infrastruktur wird weiter voranschreiten. Solarmodule könnten bald nicht nur in Fenstern, sondern auch in Fassaden oder sogar Straßenbelägen eingebaut werden5. Dies würde die verfügbare Fläche für die Solarstromerzeugung erheblich erweitern.

Auch der Einsatz von Künstlicher Intelligenz und Machine Learning in der Photovoltaikbranche wird zunehmend an Bedeutung gewinnen5. KI könnte dazu beitragen, die Leistung von Solaranlagen zu optimieren, indem sie Wettervorhersagen und Produktionsdaten analysiert und Vorhersagen über den Energieertrag trifft.

Fazit: Die Zukunft der fensterbasierten Stromerzeugung
Die Entwicklung transparenter Solarzellen für Fenster hat in den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte gemacht. Von den frühen Grätzel-Zellen über das Zeiss Solar Window bis hin zu den hocheffizienten Tandem-Solarzellen des CitySolar-Projekts zeigt sich eine kontinuierliche Verbesserung in Bezug auf Effizienz und Transparenz.

Der jüngste Durchbruch mit einem Wirkungsgrad von 12,3 Prozent bei 30 Prozent Transparenz markiert einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu kommerziell einsetzbaren transparenten Solarzellen6. Diese Technologie hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir Gebäude entwerfen und mit Energie versorgen, grundlegend zu verändern.

In einer Welt, die zunehmend auf erneuerbare Energien setzt, könnten transparente Solarzellen in Fenstern einen wesentlichen Beitrag zur dezentralen Energieerzeugung leisten. Besonders in städtischen Gebieten, wo Platz für konventionelle Solaranlagen begrenzt ist, bietet die Integration von Photovoltaik in Glasflächen eine elegante Lösung, um die verfügbare Fläche für die Solarstromerzeugung zu maximieren.

Mit weiteren Fortschritten in der Materialwissenschaft, der Fertigungstechnologie und dem Energiemanagement ist zu erwarten, dass die Effizienz und Kosteneffektivität transparenter Solarzellen weiter steigen wird, was ihren breiten Einsatz in der Gebäudeinfrastruktur der Zukunft fördern wird.

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Quellen:
https://www.t-online.de/heim-garten/energie/strom/id_100572466/solarenergie-zeiss-stellt-unsichtbare-solarzellen-im-fensterglas-vor.html
https://www.sdu.dk/en/nyheder/vinduer-skal-lave-solenergi
https://cordis.europa.eu/project/id/101007084
https://www.ews-schoenau.de/energiewende-magazin/zur-sache/glas-das-energie-erzeugt/
https://www.onplusvolt.de/die-zukunft-der-photovoltaik-2025/
https://de.futuroprossimo.it/2025/03/celle-solari-trasparenti-nuovo-record-di-efficienza-123/
https://www.mdr.de/wissen/transparente-solarzellen-solar-fenster-100.html
https://energyload.eu/energiewende/international/transparente-solarzelle/
https://www.i-meet.ww.uni-erlangen.de/2023/01/citysolar-newsletter/
https://www.sdu.dk/en/forskning/c_nanosyd/nanosyd-nyheder/vinduer-skal-lave-solenergi
https://www.chemie.de/news/1168501/transparente-solarzellen-koennen-uns-in-eine-neue-aera-der-personalisierten-energie-fuehren.html
https://www.techno-science.net/de/nachrichten/dieses-transparente-solarmodul-ermoglicht-es-jede-glasflache-in-eine-energiequelle-zu-verwandeln-N25813.html
https://www.elektronikpraxis.de/transparente-photovoltaik-zum-mobilen-laden-von-smartphones-a-3f7bbda95eadac40fb88461347151504/
https://www.sdu.dk/en/forskning/sdu-climate-cluster/news/ultratynd-teknologi-skal-saette-skub-i-den-groenne-omstilling
https://www.sdu.dk/en/nyheder/ultratynd-teknologi-skal-saette-skub-i-den-groenne-omstilling
https://www.youtube.com/watch?v=hJRCzMHVR60
https://www.baunetzwissen.de/glas/tipps/news-produkte/stromerzeugung-in-der-fassade-7400106
https://smartgyver.at/wiki/zukunft-und-innovationen-in-der-photovoltaiktechnologie/
https://efahrer.chip.de/news/durchsichtige-solaranlage-statt-fensterglas-so-funktioniert-die-idee_1010996
https://www.sdu.dk/en/forskning/cape
https://www.kanthal.de/knowledge-hub/inspiring-stories/warum-die-zukunft-der-glasherstellung-elektrisch-ist/
https://soltechshop.de/de_DE/blog/2024/Neueste-Technologien-und-Trends-in-der-Photovoltaik-Effizienzsteigerung-und-Zukunftsperspektiven/149
https://www.nachhaltigleben.ch/energie/solarzelle-in-transparent-liefert-gruenen-strom-mit-klarer-sicht-3452
https://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/solarzellen-zum-ausrollen
https://www.photonikforschung.de/service/nachrichten/detailansicht/solarfolien-fuer-die-energiegewinnung-an-glasfassaden.html
https://www.selfio.de/photovoltaik-leitfaden/ausblick/technologien-innovationen/
https://erneuerbare-energien-aktuell.de/solarenergie/photovoltaik/transparente-solarmodule/
https://www.sdu.dk/da/om-sdu/fakulteterne/teknik/nyt_fra_det_tekniske_fakultet/solcellevinduer-kan-goere-fremtidens-bygninger-til-kraftvaerker?sc_lang=en
https://www.sdu.dk/en/om-sdu/fakulteterne/teknik/nyt_fra_det_tekniske_fakultet/solceller-skal-designes-til-baeredygtighed
 
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