Flexible, leichtgewichtige und effiziente Solarmodule: gar nicht so einfach

Neben den großen Solarmodul-Anlagen auf Haus- und Industriedächern sowie im Freifeld gibt es zahlreiche Anwendungen, bei denen es auf geringes Gewicht und Anpassungsfähigkeit ankommt. Sei es als Solarenergie-Anlage auf Dächern ohne hohe Tragfähigkeit, als Energieerzeuger auf Segelschiffen mit gewölbten Oberflächen, den runden Türmen von Windkraftanlagen oder als Dachbestandteil von Gewächshäusern und Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV).

Mit der etablierten Silizium-Technologie ist solch ein flexibles Solarmodul sehr schwer zu realisieren. Ausserdem ist der Umwandlungsgrad solch dünner und halbstarrer Module in der Serienfertigung etwas geringer. Hier bieten die Perowskite eine Alternative. Diese Materialklasse der synthetischen Halbleiter ermöglichen gute Effizienzwerte (theoretisch bis über 30%) bei gleichzeitig relativ einfacher Verarbeitung (im simpelsten Fall durch Tintenstrahl-Technik, Curtain Coating oder Siebdruck). Durch die geringe benötigte Schichtstärke (<<1µm) ist der Materialeinsatz pro Quadratmeter ebenfalls gering. Doch neben zahlreichen Vorteilen haben Perowskite auch Nachteile!

Die Realisierung flexibler Perowskit-Solarmodule ist stets auch ein Wettlauf gegen die chemische Instabilität, denn sie reagieren extrem empfindlich auf ihre Umwelt (Wasserdampf, Sauerstoff). Die Lösung liegt in einem technologisch komplexen Schichtsystem, bei dem die Barrierefolie die Funktion übernimmt, die früher massives Glas innehatte.

Hier sind die zentralen Herausforderungen und ihre möglichen technischen Lösungen:

1. Die "Achillesferse": Empfindlichkeit gegen Feuchtigkeit und Sauerstoff

Perowskite (wie MAPb3) sind hybride organisch-anorganische Kristalle. Dringt Wasserdampf ein, bilden sich Hydrate, die die Kristallstruktur irreversibel zerstören. Sauerstoff hingegen besetzt Anionen-Vakanzen im Gitter und bildet unter Lichteinfluss Superoxid-Radikale (O2-), die das Material von innen heraus zersetzen.

Hier bietet sich der Einsatz von Ultra-Hochbarrierefolien wie der noDiffusion®-Serie von Ergis an. Diese Folien erreichen die benötigte Wasserdampf-Undurchlässigkeit (WVTR) von bis zu 10e-6 g/m2/Tag. Technisch wird dies durch Sputter-Verfahren erreicht, die abwechselnd organische und anorganische Schichten (Keramikschichten aus z. B. Aluminiumoxid oder Siliziumoxid) auf eine PET- oder PEN-Folie aufbringen, um "Pinholes" (winzige Löcher) im Material zu versiegeln. Zusätzlich dient eine leitfähige TCO (transparent conductive oxide) Schicht als elektrischer Leiter für den Solarstrom.

2. UV-Belastung und Hydrolyse der Trägerfolien

Die Trägerfolien selbst (aus Kostengründen meist PET oder PEN) sind eine weitere Herausforderung bei der Realisierung flexibler Module: Sie müssen das Licht möglichst optimal durchlassen, dürfen aber unter den Witterungseinflüssen nicht ihre Eigenschaften verlieren.

• Problem 1: UV-Licht bricht die Polymerketten herkömmlicher Folien auf (Versprödung) und schädigt gleichzeitig die Grenzflächen im Perowskit-Modul.
• Problem 2: Bei Hitze und Feuchtigkeit können Standard-Polyester (PET) durch Hydrolyse chemisch gespalten werden, was die mechanische Stabilität des gesamten Moduls gefährdet.
• Technische Lösung: U.a. Evoniks FLEXOSKIN®-Technologie setzt hier auf PMMA (Polymethylmethacrylat) als Basis. PMMA ist von Natur aus sehr UV-stabil und hydrolysebeständig.

3. Die äußere Schicht: ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen)

In vielen flexiblen Modul-Designs wird ETFE als äußerste Frontschicht (Frontsheet) verwendet. Dabei bietet ETFE mehrere Vorteile, denn es ist chemisch nahezu inert, hochtransparent und besitzt eine extrem niedrige Oberflächenenergie ("Lotus-Effekt"). Es schützt zudem das Modul vor mechanischen Einflüssen wie Hagel oder Kratzern und sorgt für eine Selbstreinigung.

Allerdings ist ETFE allein ist keine gute Barriere gegen Wasserdampf, denn das Polymer ist relativ gut wasserdampfdurchlässig. Erst die Kombination in modernen Modulen mit  ETFE als Witterungsschutzschicht über der eigentlichen Hochbarrierefolie (wie noDiffusion® oder andere SiOx/AlOx beschichtete Barrierefolien) ergibt ein robustes, langlebiges und flexibles Solarmodul. Eine significant bessere (alleine dennoch nicht ausreichende) Variante ist ECTFE (z.B. Halar® oder Norgard® ECTFE). Der Fluorpolymer ist allerdings auch spürbar teurer gegenüber dem üblichen ETFE aus dem Architekturbereich.

4. Die alles verbindenden Klebstoffschichten

Bei der Einkapselung von Perowskit-Solarmodulen spielen die Klebstoffe (Encapsulants) eine oft unterschätzte, aber absolut kritische Rolle. Sie müssen nicht nur die Barrierefolien mit der Zelle verbinden, sondern selbst als zusätzliche Barriere gegen das Eindringen von Feuchtigkeit an den Kanten (Edge Seal) fungieren. Dabei sind Polysiloxane trotz ihrer hohen Alterungsbeständigkeit und Flexibilität keine verwendete Lösung, denn Silikonkleber haben eine hohe Wasserdampfdurchlässigkeit. Als Goldstandard gelten Epoxidkleber, die eine sehr gute Wasserdampfbarriere bilden. Allerdings sind hochvernetzte Epoxidharze eher starr und es kann zu Delaminationen bei Biegebelastung bekommen. Auch sind die Verarbeitungsbedingungen (2-Komponentensystem, das mit Perowskite reagiert, Einsatz von Temperatur für die Vernetzung, geringe Prozessgeschwindigkeit) ein Hindernis für den Einsatz von Epoxydharzen.

Acrylatkleber sind üblicherweise sehr alterungsbeständig und weisen eine gute Wasserdampfdichtigkeit auch. Sie können im Rolle-zu-Rolle Verfahren verarbeitet werden und erreichen zusammen mit den Hochbarrierefolien ein sehr gutes Leistungsniveau.

Die bislang eingesetzte EVA-Folie zur Einbettung der Silizium-Wafer in Glas-Glas- oder Glas-Folie-Modulen ist wegen ihrer chemischen Inkompatibilität nicht einsetzbar. Vielmehr konzentriert sich die Entwicklung auf Polyolefin-Elastomere (POE), die unter Vakuum, Druck und Wärme mit den verschiedenen Schichten in einem flexiblen Perowskit-Solarmodul verbunden werden. Als Edge-Sealing werden Polyisobutylen-Klebstoffe (PIB) und spezielle Epoxide getestet.

Lohnt sich das?

Dieser Multilayer-Aufbau ist technologisch relativ aufwändig, ermöglicht aber dadurch hocheffiziente flexible Module für Anwendungen, in denen herkömmliche starre Glas-Folie Solarmodule nicht einsetzbar sind. Trotz der aktuell 2- bis 4-fach höheren Materialkosten für die Folie gegenüber Glas amortisiert sich das System in spezifischen Fällen:

• Dächer mit geringer Statik: Wenn ein Industriedach verstärkt werden müsste, um Glasmodule zu tragen, sind flexible Module trotz des Preises die günstigere Gesamtlösung.
• Architektur: An runden Fassaden ist die flexible Folie die einzige technisch machbare Option.
• Anwendungen mit Zusatznutzen: In der rasch wachsenden Kultivierung von Pflanzen in Umwelt-kontrollierter Umgebung (CEA) sind leichtgewichtige Solarmodule gleichzeitig Schattenspender und Stromproduzent. Gerade die Perowskitmodule mit hoher Transparenz schaffen hier den Balanceakt zwischen Abschattung und Pflanzenwachstum gegenüber Dünnschicht-Siliziummodulen besser.

© Gerald Friederici 01/2026