Das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) und das Start-up Exxosqel haben ein neuartiges Glas-Glas-Solarmodul entwickelt, bei dem Front- und Rückglas jeweils nur ein Millimeter dick sind. Durch eine bio-inspirierte Polymer-Beschichtung wird die mechanische Festigkeit des ultradünnen Glases erheblich erhöht, sodass das Modulgewicht im Vergleich zu herkömmlichen Doppelglas-Modulen um bis zu 40 % reduziert werden kann. Diese Technologie eröffnet neue Möglichkeiten für die gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV) und für Leichtbau-Anwendungen, stellt jedoch neue Anforderungen an Stabilität, Hagelschutz und die industrielle Fertigung.
Innovative Beschichtungstechnologie für 1 mm-Glas
Die Beschichtung basiert auf einer mehrkomponentigen, reaktiven Oberflächenbehandlung, die von der Struktur der Abalone-Muschel inspiriert ist. Sie reagiert chemisch mit freien Silanol- bzw. Hydroxylgruppen (Si-OH) an der Glasoberfläche, die beim Abkühlen und der Heißformgebung entstehen. Durch kovalente Vernetzung überbrückt die Beschichtung mikroskopische Fehlstellen und „heilt“ sie, wodurch die Entstehung von Bruchspannungen gehemmt wird.
- Reaktion mit Si-OH-Gruppen → Bildung kovalenter Netzwerke
- Teilweise Heilung von Mikrorissen
- Erhalt von Transparenz und chemischer Beständigkeit
- Brechungsindex-Abstimmung auf das Grundglas zur Minimierung optischer Verluste
Die Beschichtung bleibt transparent, ist chemisch beständig und lässt sich in bestehende Glas-Produktions- oder Veredelungsprozesse integrieren.
Mechanische Festigkeitssteigerung im Labortest
Labormessungen zeigen eine deutliche Erhöhung der Biegebruchfestigkeit:
- 1 mm-Glas: von 184 MPa (unbeschichtet) auf 1 348 MPa (beschichtet) – Messung 2026 (Quelle S1)
- 2 mm-Glas: von 79 MPa (unbeschichtet) auf 558 MPa (beschichtet) – Messung 2026 (Quelle S1)
Die Werte belegen, dass die Beschichtung trotz minimaler Schichtdicke die Bruchmechanik signifikant verändert.
Anpassung des Laminationsprozesses für ultradünne Scheiben
Um das Risiko von Brüchen während der Modulherstellung zu vermeiden, passte Fraunhofer CSP die Druck- und Temperaturkurven bestehender Standard-Laminatoren an. Ziel war es, die Belastungen so zu steuern, dass die ein Millimeter dicken Front- und Rückgläser während des Laminierens nicht brechen. Die angepassten Prozessparameter – insbesondere Temperaturprofile und Anpressdruck – ermöglichen die Verarbeitung des Demonstrationsmoduls in einem herkömmlichen Photovoltaik-Laminator.
Normative Anforderungen und Hageltest nach IEC 61215-2
Für die Marktzulassung muss jedes Photovoltaik-Modul die IEC-61215-2 (MQT 17) bestehen. Der Hageltest verlangt, dass 25 mm-Durchmesser-Eiskugeln mit einer Aufprallgeschwindigkeit von 23 m/s auf elf vordefinierte Punkte des Moduls geschossen werden. Ziel ist es, sowohl Glasbruch als auch schädliche Durchbiegungen zu verhindern, die Mikrorisse in den Silizium-Solarzellen erzeugen könnten.
- Standard-Prüfkorngröße: 25 mm Durchmesser (IEC 61215, 2021)
- Aufprallgeschwindigkeit: 23 m/s (IEC 61215, 2021)
- Statische und dynamische Belastungstests bis mindestens 2 400 Pa
Im Vergleich zu herkömmlichen Doppelglas-Modulen, die typischerweise zwei Millimeter pro Scheibe verwenden, erfordert die Halbierung auf ein Millimeter neue mechanische Konzepte, um sowohl Glasbruch als auch durch Biegung induzierte Zellschäden zu vermeiden.
Herausforderungen bei der Skalierung vom Demonstrator zum Großmodul
Der aktuelle Demonstrator misst 300 mm × 200 mm (A4-Größe). Beim Übergang zu Standard-Modulgrößen von etwa zwei Quadratmetern treten folgende Risiken auf:
- Skalierungseffekte: Labortests zeigen geringere absolute Durchbiegungen als großflächige Module unter Wind- und Schneelast. Festigkeitswerte von Teststreifen lassen sich nicht 1:1 auf reale Module übertragen.
- Gefahr von Zellbrüchen: Auch wenn das gehärtete Dünnglas Hagelschläge unbeschadet übersteht, kann die elastische Verformung mechanische Spannungen auf die spröden Silizium-Wafer übertragen und Mikrorisse erzeugen.
Eine aktuelle indische Studie zu 3,2 mm-dicken Frontscheiben kam zu dem Ergebnis, dass mindestens vier Millimeter Stärke für extreme Hagelbedingungen nötig seien – ein Befund, den das Fraunhofer-Projekt mit seiner Beschichtungstechnologie gezielt zu überwinden versucht.
FAQ zur Festigkeitssteigerung und Zertifizierung
Wie genau funktioniert die Festigkeitssteigerung bei ultradünnem Glas?Die Beschichtung reagiert chemisch mit freien Silanol- bzw. Hydroxylgruppen (Si-OH) an der Glasoberfläche. Mikroskopische Risse, die während des Abkühlens entstehen, werden kovalent überbrückt und „geheilt“, wodurch die Entstehung von Bruchspannungen gehemmt wird.Welche Zertifizierungen muss das beschichtete Dünnglas-Modul für den Markteintritt bestehen?Verpflichtend ist die IEC-61215-Zertifizierung, einschließlich der Hagelprüfung nach IEC 61215-2 (MQT 17) mit 25-mm-Eiskugeln bei 23 m/s sowie statischen und dynamischen mechanischen Belastungstests bis mindestens 2 400 Pa.
Fazit
Die von Fraunhofer CSP und Exxosqel entwickelte bio-inspirierte Polymer-Beschichtung ermöglicht die Realisierung von Glas-Glas-Solarmodulen mit nur einem Millimeter dicken Front- und Rückgläsern. Labortests belegen eine bis zu sieben-fache Erhöhung der Biegebruchfestigkeit, und die angepassten Laminationsparameter erlauben die Fertigung in bestehenden Standard-Laminatoren. Gleichzeitig stellt die Einhaltung der IEC-61215-Hageltest-Norm und die Skalierung vom Labor- zum Großformat die zentrale Herausforderung dar. Erst wenn die mechanischen und regulatorischen Hürden bei großflächigen Modulen bewiesen sind, kann das enorme Potenzial von bis zu 40 % Gewichtsreduktion und reduzierten Rohstoffverbrauch voll ausgeschöpft werden – ein entscheidender Schritt hin zu leichteren, kosteneffizienteren und nachhaltigen Photovoltaik-Lösungen für Gebäudeintegration und Leichtbau.
