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Reflexionsverluste bei Solarzellen & Solarkollektoren

Fällt Licht auf eine Oberfläche, werden Teile des Lichts reflektiert. Das geschieht grundsätzlich bei jedem Übergang von einem Material in ein anderes. Allerdings lassen sich die Verluste bei Photovoltaik Modulen oder Solarkollektoren durch geeignete Vorkehrungen deutlich vermindern.

Wo treten Reflexionsverluste auf?

Sowohl Photovoltaik-Module als auch Solarkollektoren weisen zwei optische Übergänge auf. Zunächst treten Verluste an der Oberfläche der Glasabdeckung auf. Diese hängen vom Einfallswinkel des Lichts ab, ein flacher Lichteinfall führt zu großen Reflexionsverlusten. Auch das absorbierende Material selbst reflektiert einen Teil des Lichts, nachdem es die Glasabdeckung passiert hat. Während die Probleme an der äußeren Oberfläche in beiden Fällen vergleichbar sind, stellt sich die Situation an der zweiten Oberfläche sehr unterschiedlich dar.

Solarglas mindert Verluste an der Außenseite

Solarglas zeichnet sich durch eine hohe optische Durchlässigkeit und eine Anti-Reflexbeschichtung aus. Beides ist für Kollektoren und Solarmodule gleichermaßen wichtig. Zu unterscheiden ist zwischen dem nahezu senkrecht einfallenden Licht und den Lichtanteilen, die in flachem Winkel auf die Oberfläche treffen.

Nahezu senkrecht einfallendes Licht wird ohnehin nur zu einem vergleichsweise kleinen Teil reflektiert, allerdings lassen sich auch diese Reflexionsverluste noch weiter minimieren. Zum Einsatz kommen Anti-Reflexbeschichtungen, die auch bei Brillengläsern verwendet werden. Dabei handelt es sich um extrem dünne Schichten, die auf das Glas aufgetragen werden. Durch diese Schicht entstehen zwei dicht hintereinander liegende Oberflächen.

Beträgt die Schichtdicke exakt eine halbe Lichtwellenlänge, löschen sich die an beiden Flächen reflektierten Lichtwellen durch die sogenannte „destruktive Interferenz“ gegenseitig aus. Ein wenig anders stellt sich das Problem bei flach einfallendem Licht dar. Hier gilt es, durch Lichtbrechung einen möglichst großen Anteil der Strahlung ins Innere zu lenken.

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von Dalia W. auf Freiburg

Absorber in Solarkollektoren

Hier ist das Problem vergleichsweise einfach zu lösen, schon eine schwarze Lackierung bewirkt viel. Der Grund dafür liegt darin, dass ein Absorber nur tun soll, was ohnehin natürlicherweise passiert: Er soll möglichst viel Strahlung aufnehmen und alles, was an Energie einfällt, in Wärme umwandeln. Sogenannte selektive Absorberbeschichtungen erweisen sich als besonders geeignet, die Reflexionsverluste zu minimieren.

Diese sind heute so gut, dass die Reflexionsverluste am Absorber eigentlich keine Rolle mehr spielen, weil sie gegenüber anderen Verlustmechanismen einer Solarthermieanlage vernachlässigt werden können.

Oberflächen von Siliziumkristallen

Die Photovoltaik funktioniert nur mit den kurzwelligen Anteilen des optischen Spektrums. Ähnlich wie bei der Solarthermie einfach alle Wellenlängen wahllos einzusammeln und in langwellige Wärmestrahlung zu verwandeln, führt also nicht zum Erfolg. Selbstverständlich nicht! Wer käme schon auf die Idee, Solarmodule schwarz anzustreichen?

Stattdessen muss dafür gesorgt werden, dass das blaue Licht die Oberfläche zu einem möglichst großen Anteil ungehindert passiert. Als sehr gute Methode hat sich eine Aufrauung der Oberfläche erwiesen. Das Licht wird in den Vertiefungen der Oberfläche hin und her reflektiert, hat also mehrere Chancen, absorbiert zu werden.

Der Mehrertrag durch die Minderung von Reflexionsverlusten

Es kommt natürlich immer darauf an, womit der Ertrag verglichen wird! Wählt man im Fall der Solarthermie einen Kollektor als Vergleichsmaßstab, dessen Absorber nicht einmal schwarz angestrichen ist, kann der Ertrag durch die Kombination oben beschriebener Maßnahmen ungefähr verdoppelt werden.

Klarer fällt der Vergleich im Fall der Photovoltaik aus. Nicht behandelte Siliziumoberflächen reflektieren deutlich mehr als ein Drittel des einfallenden Lichts. Diese Reflexionsverluste können durch optimal behandelte Oberflächen auf etwa ein Prozent vermindert werden.

Letzte Aktualisierung: 18.08.2023