MorphoColor: Mit farbigen Solarmodulen die Akzeptanz steigern

Andreas WesselsFraunhofer ISE

Der Ausbau der Photovoltaik in Deutschland verläuft vielversprechend und übertraf zuletzt sogar die gesetzten Ziele. Zwei Drittel des Zuwachses erfolgten dabei auf Hausdächern oder an Gebäudefassaden. Herausfordernd ist dabei stets die ästhetisch ansprechende Integration der PV-Module sowohl in bestehende als auch neu geplante Gebäude.

Während PV-Module bisher standardmäßig annähernd schwarz sind, sollen sie für die massenhafte Anwendung mehr gestalterischen Freiraum ermöglichen. Unsere aktuelle Studie zeigt in diesem Zusammenhang, dass die soziale Akzeptanz für PV-Installationen an und auf Gebäuden durch eine farbliche Anpassung und damit verbundenen visuelle Einbettung in das Gebäue gesteigert werden kann.

Die Herausforderung dabei: Eine möglichst gute farbliche Gestaltung inklusive des optischen Verhaltens ähnlich einer klassischen Fassadenfarbe einerseits und einer möglichst hohen Effizienz des PV-Moduls andererseits.

Gebäudehüllen bieten ein enormes Potenzial

Bis 2040 soll die installierte PV-Leistung in Deutschland von aktuell knapp 100 auf 400 Gigawatt-Peak (GW_P) ausgebaut werden. Das entspricht einer Fläche von ca. 1.500 km² und damit etwa der doppelten Fläche Hamburgs. Trotz dieser beträchtlichen Zahl kann die gesamte benötigte Fläche theoretisch allein an Gebäuden bereitgestellt werden. Das technische Potenzial der Gebäudehüllen, also der Dach- und Fassadenflächen, beträgt in Deutschland rund 1.000 GW_P.

Besonders das Potenzial der Fassaden bleibt bislang mit einer Nutzung von weniger als 1 Prozent nahezu ungenutzt. Und zwar trotz zahlreicher Lösungen und Produkte für die Fassadenanbringung der Module. Neben der reinen Flächenverfügbarkeit spielt vermutlich besonders hier auch die soziale Akzeptanz eine entscheidende Rolle. Nicht jeder Architekt und jede Bauherrin kann sich mit dem Gedanken an eine vollständig schwarze PV-Fassade anfreunden.

Soziale Akzeptanz für gebäudeintegrierte Photovoltaik

Während die Akzeptanz für den allgemeinen PV-Ausbau in Deutschland hoch ist, weiß die Forschung nur wenig über die Akzeptanz von PV in der Anwendung auf spezifischen Gebäudetypen. Daher führte das Institut für Psychologie der Universität Freiburg 2024 gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE eine Studie zur sozialen Akzeptanz von gebäudeintegrierter Photovoltaik durch.

Ein wichtiges Ergebnis der Studie ist, dass die soziale Akzeptanz von PV-Systemen stark vom Gebäudetyp und dessen visuellen Eindruck abhängt. Diese gebäudebezogenen Faktoren wiegen deutlich schwerer als persönliche Variablen wie persönliche Werte, politische Einstellungen oder Umweltbewusstsein. So zeigte sich beispielsweise, dass PV-Anlagen auf modernen Gebäuden positiver wahrgenommen werden als auf historischen Gebäuden.

Die Studie ergab jedoch auch, dass die soziale Akzeptanz steigt, wenn die PV-Module farblich an das Dach oder die Fassade des Gebäudes angepasst sind und die PV-Module somit praktisch nicht mehr als solche zu erkennen sind. Allerdings stellt sich die technische Herausforderung, diese Farben effizient zu integrieren. Eine unerwartete Quelle der Inspiration bot sich unserem Forschungsteam am Fraunhofer ISE in der Natur.

Ein Schmetterling als Vorbild für farbige Photovoltaikmodule

Ein langjähriges Hindernis für farbige PV-Produkte war ihre mangelnde Effizienz. Möchte man ein PV-Modul für das Auge des Betrachters farbig gestalten, muss man stets einen Teil des einfallenden Sonnenlichtes reflektieren. Je nach Lage und Anteil der Reflexion im sichtbaren Spektralbereich ergeben sich unterschiedliche Farben.

Das für die Farbgebung reflektierte Licht fehlt nun aber für die Stromerzeugung in den PV-Zellen, sodass ein farbiges PV-Modul stets weniger effizient ist als ein schwarzes Referenzmodul. Besonders das einfache Bedrucken des Moduls beispielsweise mit Tinten oder keramischen Pasten verursacht durch die starke Verschattung der PV-Zellen hoher Verluste von über 30 Prozent.

Um diese Herausforderung zu meistern, ließen wir uns am Fraunhofer ISE von der Natur inspirieren und fanden unser Vorbild in Form des Morpho-Schmetterlings: Die 3D-photonischen Strukturen auf den Flügeln eines Morpho-Schmetterlings ermöglichen einen intensiven, winkelstabilen Farbeindruck dank eines grundsätzlich verlustarmen Interferenzeffekts.

Nach diesem biologischen Modell gelang es uns, den Effekt anhand eines Schicht-Struktur-Systems appliziert auf der Rückseite des Modulabdeckglases zu nutzen. Je nach Eigenschaften des Schicht-Struktur-Systems kann diese Methode verwendet werden, um Glasabdeckungen in verschiedenen Farben herzustellen und auch Folien zu färben. Dies ist besonders für Leichtbauanwendungen oder auch dreidimensionale Geometrien wie beispielsweise die fahrzeugintegrierte PV interessant.

Der sogenannte MorphoColor® Ansatz für farbige Solarmodule hat das biologische Modell in Bezug auf seine Eigenschaften inzwischen übertroffen. Unabhängig durchgeführte Messungen bestätigen, dass die farbigen Solarmodule auf Basis struktureller Farben etwa 95 Prozent der Leistung eines vergleichbaren unbeschichteten Referenzmoduls erreichen können. Die Technologie kann mit allen gängigen kommerziell verfügbaren Solartechnologien sowie zukünftigen Technologien verwendet werden und kann kostengünstig industriell hergestellt werden.

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