Robert Klatt
Solarmodule haben bei hohen Temperaturen einen geringeren Wirkungsgrad und altern schneller. Eine neue Kühlbeschichtung aus Hydrogel kann die dafür verantwortlichen Hot-Spots deutlich reduzieren und dadurch die Stromproduktion und die Lebensdauer verbessern.
Hong Kong (Hong Kong). Solarmodule haben ihre höchste Effizienz bei einer Temperatur zwischen 20 und 25 Grad Celsius. Oberhalb davon nimmt der Wirkungsgrad um etwa 0,5 Prozent pro zusätzlichem Grad Celsius ab. Die Wissenschaft arbeitet deshalb an neuen Kühlsystemen, die die Betriebstemperatur der Solarmodule im optimalen Bereich halten sollen, darunter etwa ein hygroskopisches Verbundmaterial, das passiv kühlt.
Forscher der Hong Kong Polytechnic University (PolyU) haben nun eine neue Hydrogelbeschichtung vorgestellt, die die Wärmeabgabe von Solarpanels stark verbessert und dadurch sogenannte Hotspots verhindert. Die neue Kühlbeschichtung aus dem Hydrogel, einem wasserhaltigen, gelartigen Material, das aus einem dreidimensionalen Netzwerk aus Polymeren besteht, macht Solarpanels deutlich effizienter und soll dabei helfen, Hong Kong CO₂-neutral zu machen.
Laut den Wissenschaftlern der PolyU entstehen Hotspots auf Solarmodulen primär durch die teilweise Verschattung. Das neue Hydrogel kann die Temperatur an diesen Stellen, die den Wirkungsgrad der Solarmodule stark reduzieren, um bis zu 16 Grad Celsius senken und dadurch die elektrische Leistung der Solarzellen um bis zu 13 Prozent erhöhen. Bei Solarzellen, die auf Dächern installiert oder in Gebäuden integriert sind, kann die neue Hydrogelkühlbeschichtung den durch heiße Stellen verursachten Leistungsverlust um etwa die Hälfte reduzieren.
„Unsere Hydrogelkühltechnologie löst das Hot-Spot-Problem von Solarpanels, ohne dass bestehende Schaltungsdesigns verändert werden müssen. Sie ist kosteneffizient und benutzerfreundlich und eignet sich daher für unterschiedliche urbane Umgebungen.“
Daten aus Hong Kong und dem Stadtstaat Singapur zeigen, dass die Beschichtung die Stromerzeugung um 6,5 Prozent beziehungsweise 7,0 Prozent erhöhen kann. Die Amortisationszeiten, nach denen sich die Zusatzkosten für das Hydrogel durch die höhere Stromproduktion selbst bezahlt haben, liegen bei nur 4,5 Jahren beziehungsweise 3,2 Jahren.
Neben der höheren Stromproduktion kann die Hydrogelkühlbeschichtung auch die Brandgefahren durch Hot-Spots deutlich reduzieren. Eine Untersuchung von rund 3,3 Millionen Solarmodulen zeigt, dass es ohne eine entsprechende Kühlung oft zu thermischen Defekten kommt (36,5 %) und die Solarzellen im Mittel über 21 Grad Celsius wärmer sind als ihre Umgebung. Dies beschleunigt die Alterung und den Verschleiß deutlich. Die neue Hydrogelbeschichtung kann dies dank ihrer signifikanten Kühlleistung verhindern und verbessert somit nicht nur die Stromproduktion, sondern auch die Lebensdauer der Solarzellen.
„Unser Team hat das natürliche Polymer Hydroxyethylcellulose und das faserige Material Baumwollfaden mit blattartiger Struktur in die Hydrogel-Matrix integriert, um die entscheidenden Probleme von Rissbildung und Schrumpfung zu lösen, die bei herkömmlichen Hydrogelen während eines langen Einsatzes auftreten. Klassische Hydrogele können nach längerer Nutzung ein Volumenschrumpfen von bis zu 46 Prozent zeigen, während unsere Entwicklung Risse und Schrumpfung deutlich reduziert und die Volumenschrumpfung auf 34 Prozent begrenzt.“
In kommenden Projekten möchten die Forscher die hydrogelbasierte Verdunstungskühlung weiter optimieren.
Quellen:
Pressemitteilung der Hong Kong Polytechnic University (PolyU)
Studie im Fachmagazin Materials Horizon, doi: 10.1039/D5MH01172H
