Dennis L.
Flache Module dominieren, weil Licht oft von vorn erwartet wird. In Städten kommt viel Energie aber als diffuses Licht über Wolken, Glas und Fassaden. Sphärische Mikro-Solarzellen mit Durchmessern um 1 mm versprechen hier gleichmäßigere Einstrahlung, ohne Mechanik. Ob sich daraus robuste Photovoltaikmodule für reale Umgebungen ableiten, ist eine Messfrage.
In der Photovoltaik bestimmt die Geometrie der lichtaktiven Fläche, wie viel elektrische Leistung aus derselben Einstrahlungsleistung gewonnen wird. Klassische Solarzellen sind planar aufgebaut, weil der p n Übergang, die Kontaktierung und die Laminierung seit Jahrzehnten für ebene Wafer optimiert wurden. In realen Umgebungen trifft Sonnenstrahlung jedoch selten als idealer, senkrechter Strahl auf ein Modul, sondern als Mischung aus Direktstrahlung, Reflexionen von Fassaden und Boden sowie als diffuses Licht aus Wolken. Um Ertragsschwankungen auszugleichen, werden Module ausgerichtet, verschattungsarm platziert oder mit Nachführsystemen kombiniert, was Material und Wartung erfordert. Unter diesen Randbedingungen wird auch der Wirkungsgrad zu einer Frage der Anwendung, weil Messwerte unter Standardbedingungen nicht automatisch den Jahresertrag abbilden. Im Themenfeld Photovoltaik rücken deshalb Konzepte in den Fokus, die Licht aus vielen Richtungen verwerten und dabei architektonische Flächen erschließen, die mit flachen Platten schwer nutzbar sind.
Genau an diesem Punkt setzt Sphelar an. Hinter dem Namen stehen kugelförmige Solarzellen, deren lichtempfindliche Oberfläche nicht nur eine Richtung bevorzugt, sondern im Prinzip eine vollständige Kugeloberfläche nutzt. Eine einzelne Siliziumkugel im Millimetermaßstab muss dafür elektrisch so präpariert werden, dass Ladungsträger über definierte Elektroden abgeführt werden können, ohne die Lichtaufnahme stark zu behindern. Technisch anspruchsvoll ist dabei die Dotierung auf gekrümmter Geometrie, die Passivierung der Oberfläche und die stabile Kontaktierung in einem transparenten Vergussmaterial. In der Fertigung taucht zudem die Frage auf, wie gleichförmige Kugeln mit kontrollierter Kristallstruktur hergestellt werden, wenn Schmelzen und Erstarrung unter Gravitation zu Verformung und Konvektion neigen. Ein Ansatz nutzt kurzzeitige Mikrogravitation, um erstarrende Tropfen möglichst symmetrisch auszubilden, bevor nachgelagerte Schritte die elektrische Funktion erzeugen. Weil das Grundmaterial Silizium gleichzeitig Halbleiter und dominanter Kostentreiber vieler Zellen ist, hängt die Attraktivität des Konzepts auch davon ab, wie viel aktive Fläche pro Masse und wie stabil die Langzeitparameter bleiben.
Für eine faire Bewertung muss die Einstrahlung als Vektorgröße gedacht werden, denn Winkelverteilung, Verschattung und Mehrfachreflexion verändern die Photonenbilanz über den Tag. Sphärische Zellen adressieren dies, indem sie eine dreidimensionale Empfangsgeometrie bereitstellen, die bei wechselnder Sonnenposition keine definierte Frontseite benötigt. Angaben zu Zellgröße, Elektrodengeometrie und Anwendungszielen fasst eine technische Übersicht zu Sphelar als Konzept der Mikro Kugelzelle zusammen und betont die geringere Abhängigkeit vom Einfallswinkel. Physikalisch bleibt dennoch entscheidend, wie viel der Kugeloberfläche tatsächlich elektrisch aktiv ist und wie stark die Kontaktflächen die optische Nutzung begrenzen. Für den Vergleich mit flachen Zellen zählt nicht die gesamte Kugeloberfläche, sondern die projizierte Fläche, weil sie die maximal eingefangene Strahlungsleistung begrenzt. Wenn Kugeln in Photovoltaikmodule eingebettet werden, verschiebt sich die Bilanz zusätzlich durch Lücken, Vergussmaterial und interne Reflexionen. In wechselhaftem Wetter kann der Vorteil dennoch aus der besseren Nutzung von Streuanteilen entstehen, was sich nur über Ertragsmessungen in realen Spektren und Winkeln quantifizieren lässt.
Der Kern der Idee ist nicht die Kugel allein, sondern die elektrische Verschaltung vieler Mikroelemente. Da eine einzelne Zelle im Millimetermaßstab nur eine begrenzte Spannung liefert, werden mehrere Kugeln seriell verbunden, um Spannungen im Voltbereich zu erreichen, die für Anwendungen wie Sensorik oder elektrochemische Prozesse relevant sind. Messdaten zu seriell verschalteten Kugelzellen werden in einer Open Access Studie zu seriell verbundenen Silizium Kugelzellen unter definierter Beleuchtung beschrieben, inklusive geometrischer Kenngrößen im Quadratzentimeterbereich und Spannungen von rund 1,8 V bis 2,3 V für unterschiedliche Verschaltungen. Solche Angaben sind wichtig, weil sie zeigen, dass die Kugelgeometrie mit konventionellen Messgrößen wie Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom vergleichbar bleibt, auch wenn das optische Feld komplexer ist. Gleichzeitig rückt die Fertigung in den Fokus, denn Dotierprofile, Oberflächenpassivierung und Kontaktmetallisierung müssen auf gekrümmten Flächen reproduzierbar gelingen, damit Streuungen zwischen Zellen nicht die gesamte Kette dominieren.
Neben der elektrischen Seite entscheidet die Optik darüber, ob der Ansatz im Feld überzeugt. In der Praxis werden Kugeln oft in transparentes Material eingebettet, wodurch Grenzflächen entstehen, an denen Licht gebrochen oder zurückgeworfen wird. Gleichzeitig kann gezieltes Lichtmanagement die Photonenverfügbarkeit erhöhen, etwa durch diffuse Rückreflektoren hinter dem aktiven Bereich. Die erwähnte Studie beschreibt dafür einen messbaren Zuwachs des Photostroms, wenn reflektierende Materialien genutzt werden, was die Kopplung aus Geometrie und Umgebung betont. Für die Herstellung gleichförmiger Kugeln wird in Entwicklungsberichten zudem Mikrogravitation als Werkzeug diskutiert, weil sie während kurzer Gewichtslosigkeit konvektive Strömungen reduziert und so die Symmetrie erstarrender Tropfen verbessert. Ob solche Prozesse industriell skalieren, hängt von Taktzeit, Energiebedarf und Ausschussraten ab, und damit letztlich auch von Kosten pro Watt und von der Stabilität der Kontaktierung über viele Temperaturzyklen. Hier liegt eine der zentralen Unsicherheiten, die sich nicht aus der Form allein ableiten lässt.
Der größte Hebel des Konzepts liegt weniger im Austausch bestehender Dachmodule, sondern in Anwendungen, bei denen flache Platten nur eingeschränkt funktionieren. Bei der Gebäudeintegration spielt neben dem Ertrag oft auch Lichtdurchlässigkeit, Gestaltung und Sicherheit eine Rolle, weil Glasflächen gleichzeitig Tageslicht führen und Energie liefern sollen. Kugelzellen können mit Abstand im Träger angeordnet werden, sodass ein Teil des sichtbaren Lichts weiterhin durch das Bauteil tritt und die elektrische Fläche dennoch verteilt bleibt. Solche Ansätze stehen in einem technischen Umfeld, das auch andere transparente Konzepte umfasst, etwa durchsichtige Solarzellen in Fenstern, bei denen Transparenz und Wirkungsgrad gegeneinander abgewogen werden müssen. Im Vergleich dazu verschiebt die Kugelgeometrie den Fokus auf Winkelrobustheit und die Nutzung von Streuanteilen, was vor allem an Fassaden, in Innenhöfen oder in Regionen mit häufiger Bewölkung relevant sein kann. Entscheidend ist dabei, wie gleichmäßig Module über den Tagesverlauf liefern und wie stark Verschmutzung, Kondensation oder mechanische Spannungen im Verbundmaterial den Langzeitertrag beeinflussen.
Ob Sphelar in der breiten Energieversorgung eine Nische oder einen Standard prägt, entscheidet sich an vergleichbaren Feldtests und an klaren Referenzszenarien. Für flache Module werden Kennwerte typischerweise unter Standardtestbedingungen mit definierter Spektralverteilung und Einstrahlungsstärke ermittelt, während bei dreidimensionalen Strukturen zusätzlich die Winkelverteilung des Lichts und die Wechselwirkung mit der Umgebung standardisiert werden müssten. Sinnvoll wären daher Messreihen, die Tagesertrag, Temperaturkoeffizienten, Verschattungsverhalten und Degradation im gleichen Aufbau vergleichen, etwa für gekrümmte Fassaden oder halbtransparente Glasflächen. Gleichzeitig ist eine systemische Frage offen: Wenn eine Siliziumkugel weniger Material pro aktiver Fläche benötigt, verschiebt sich der Engpass von Silizium zu Kontaktierung und Montage, wodurch andere Kostenstrukturen entstehen können. Die Debatte passt zu Trends, die unter funktionaler Photovoltaik zusammengefasst werden, weil dort Gestaltung, Bauteilfunktion und Stromertrag gemeinsam optimiert werden. Welche Rolle Sphelar dabei spielt, hängt letztlich davon ab, ob Laborvorteile in robusten Photovoltaikmodule mit klarer Lebensdauerprognose überführt werden.
Scientific Reports, A miniature solar device for overall water splitting consisting of series-connected spherical silicon solar cells; doi:10.1038/srep24633
