Reflexionsverluste bei Solarzellen & Solarkollektoren

• Was sind Reflexionsverluste? Reflexionsverluste entstehen, wenn eintreffende Sonnenstrahlen an der Glasoberfläche von Solarkollektoren abprallen, statt in Wärme umgewandelt zu werden. Diese physikalische Erscheinung reduziert die nutzbare Solarenergie innerhalb der Solarthermieanlage, da ein Teil der Strahlung ungenutzt in die Umgebung reflektiert wird.
• Wie beeinflussen sie die Effizienz? Hohe Reflexionsverluste mindern den Wirkungsgrad einer Solarthermieanlage erheblich, da weniger thermische Energie den Absorber erreicht. Besonders bei flachen Einstrahlungswinkeln am Morgen oder Abend geht wertvolle Solarenergie verloren, was die Aufheizzeit des Speichers verlängert und die Gesamteffizienz des Heizsystems spürbar reduziert.
• Was hilft gegen Reflexion? Moderne Solarkollektoren nutzen spezielle Antireflexbeschichtungen oder strukturiertes Solarglas, um Reflexionsverluste an der Oberfläche effektiv zu minimieren. Durch diese technologische Optimierung dringt mehr direktes Licht tief in das System ein, wodurch die Solarthermie auch bei diffusem Licht eine deutlich höhere Wärmeleistung erzielt.
• Spielt der Einstrahlungswinkel eine Rolle? Ja, der Einstrahlungswinkel ist entscheidend, da Reflexionsverluste zunehmen, je flacher die Sonne auf die Kollektorfläche trifft. Eine präzise Ausrichtung der Solarthermieanlage optimiert die Aufnahme der Solarenergie über den Tagesverlauf und sorgt dafür, dass die Sonnenstrahlen möglichst senkrecht und ohne große Verluste absorbiert werden.
• Welche Kollektoren reflektieren weniger? Vakuumröhrenkollektoren weisen aufgrund ihrer runden Bauform oft geringere Reflexionsverluste auf als einfache Flachkollektoren ohne Spezialbeschichtung. Die geometrische Beschaffenheit fängt die Solarenergie aus verschiedenen Winkeln besser ein, was die Erträge der Solarthermie insbesondere in den Übergangszeiten und bei tiefstehender Sonne stabilisiert und deutlich steigert.

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 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.

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.

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.

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.