Verschmutzte Solarmodule verlieren einen erheblichen Teil ihres möglichen Ertrags, weil abgelagerter Staub das einfallende Licht streut und absorbiert. Eine indische Forschungsgruppe hat dagegen eine transparente Nanobeschichtung entwickelt und sechs Monate lang im Freien getestet. Das beschichtete Modul lieferte deutlich mehr Leistung als die unbehandelte Referenz und übertraf dabei auch das täglich manuell gereinigte Vergleichsmodul. Zusätzlich blieb seine Oberfläche merklich kühler.
Die Leistung von Solarmodulen hängt nicht allein vom Wirkungsgrad der Zellen ab, sondern auch vom Zustand der Glasoberfläche darüber. Lagert sich dort Staub ab, ein Effekt, der in der Photovoltaik als Verschmutzung oder Soiling bezeichnet wird, erreicht weniger Licht die Zellen. Im globalen Mittel liegen die dadurch verursachten Einbußen bei etwa drei bis fünf Prozent der Jahresproduktion. In trockenen, staubreichen oder stark abgasbelasteten Regionen fällt der Verlust erheblich höher aus und kann in Einzelfällen ein Vielfaches dieses Wertes erreichen. Betreiber begegnen dem mit regelmäßiger Reinigung, die jedoch Personal, Wasser und Zeit bindet und in wasserarmen Gegenden zusätzlich mit der Trinkwasserversorgung konkurriert. Ein weiteres Problem sind hohe Modultemperaturen, denn der Wirkungsgrad kristalliner Zellen sinkt mit steigender Betriebstemperatur, weshalb Hydrogelbeschichtungen zur Kühlung von Solarmodulen erprobt werden.
Ein Team um C. Ayyanar hat nun einen Ansatz verfolgt, der beim Schmutz selbst ansetzt. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift Next Energy zur Beschichtung von Photovoltaikmodulen berichten, dispergierten sie Siliziumdioxid-Nanopartikel mit einem Durchmesser von 20 bis 100 Nanometern in Ethanol und mischten die Suspension anschließend mit dem Silikonelastomer Polydimethylsiloxan, kurz PDMS. Die Mischung wurde auf das Modulglas gesprüht und zwei Stunden bei 80 Grad Celsius ausgehärtet. Es entsteht eine transparente Schicht von lediglich 1,5 bis 2 Mikrometern Dicke. Die eingelagerten Nanopartikel erzeugen darin eine feine Oberflächenrauheit, die zusammen mit der niedrigen Oberflächenenergie des Silikons für superhydrophobe Eigenschaften sorgt.
Auf einer superhydrophoben Fläche zieht sich ein Wassertropfen nahezu kugelförmig zusammen, weil die Wechselwirkung mit der Unterlage schwächer ist als die Kohäsion im Tropfen selbst. Er berührt die Oberfläche nur an wenigen Punkten der Rauheitsstruktur, dazwischen bleiben Luftpolster eingeschlossen. Schon eine geringe Neigung genügt dann, damit der Tropfen abrollt statt abzufließen, und dabei nimmt er anhaftende Partikel mit. Dieses aus der Natur bekannte Prinzip trägt den Namen Lotuseffekt. Für ein Solarmodul bedeutet das, dass Tau, Regen und Wind die Reinigung ohne Hilfsenergie und ohne menschliches Zutun übernehmen. Entscheidend ist zusätzlich, dass die Schicht optisch weitgehend transparent bleibt und die Reflexion nicht erhöht, denn ein Gewinn bei der Sauberkeit wäre wertlos, wenn die Beschichtung selbst Licht schlucken würde.
Für den Freilandtest stellten die Forscher drei baugleiche Module mit je 165 Watt Nennleistung und einem Wirkungsgrad von 15,8 Prozent auf ein nach Süden ausgerichtetes Dach in Tamil Nadu, jeweils mit 30 Grad Neigung. Ein Modul erhielt die Beschichtung, ein zweites blieb unbehandelt und wurde täglich von Hand gereinigt, das dritte blieb unbehandelt und der natürlichen Staubablagerung überlassen. Über sechs Monate hinweg erzeugte das beschichtete Modul rund 16 Prozent mehr Leistung als das verstaubte Referenzmodul und etwa 7 Prozent mehr als das täglich gereinigte. Die Oberflächentemperatur lag um bis zu 12 Prozent niedriger, was einen zusätzlichen Beitrag zum Ertrag liefert. Die gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien dienten anschließend dazu, ein Einzeldiodenmodell des Moduls zu kalibrieren.
Die fünf Parameter dieses Modells wurden mit einem Partikelschwarm-Optimierungsverfahren aus den Messdaten bestimmt, wobei die Abweichung zwischen Rechnung und Messung mit einem quadratischen Mittel von 0,06 sehr gering ausfiel. Damit lässt sich das Verhalten der beschichteten Zellen auch für andere Einstrahlungs- und Temperaturbedingungen vorhersagen. Offen bleibt die Langzeitfrage, denn sechs Monate erlauben noch keine Aussage darüber, wie sich die dünne Schicht über zwei Jahrzehnte unter UV-Strahlung, Hagel und Temperaturwechseln verhält, und genau daran sind superhydrophobe Beschichtungen bisher regelmäßig gescheitert. Auch die Übertragbarkeit auf andere Klimazonen ist noch zu prüfen. Dass Oberflächenchemie ein wirksamer Hebel ist, zeigte zuvor bereits ein Material, das Solarmodule in Wüsten deutlich effizienter macht.