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Selbstreinigende Nanobeschichtung erhöht Leistung von Solarmodulen deutlich
Die Leistung von Solarmodulen nimmt durch Ablagerungen wie Staub, Sand und Ruß merklich ab. Module mit einer neuen superhydrophoben Nanobeschichtung können sich dank des Lotuseffekts selbst reinigen und übertreffen dadurch sogar Solarmodule, die täglich manuell gereinigt werden.
Tamil Nadu (Indien). Staub, Pollen, Ruß, Sand und andere Ablagerungen können die Leistung von Solarmodulen merklich reduzieren, weil sie den Lichteinfall auf die Solarzellen beeinträchtigen. Im globalen Mittel liegen die Verluste durch Verschmutzung bei etwa drei bis fünf Prozent. In besonders trockenen, staubigen Regionen oder an stark belasteten Standorten kann die Verschmutzung die Stromproduktion der Solaranlagen aber auch deutlich stärker senken.
Die Wissenschaft arbeitet deshalb seit Langem an verschiedenen Beschichtungen, die die Verschmutzung der Oberflächen von Solarmodulen reduzieren sollen. Forscher des PSN Institute of Technology and Science (PSNA CET) um C. Ayyanar haben nun eine transparente Beschichtung entwickelt, die die Oberflächen von Solarmodulen superhydrophob macht. Auf einer superhydrophoben Oberfläche ziehen sich Wassertropfen fast kugelförmig zusammen und rollen leicht ab. Der sogenannte Lotuseffekt führt dazu, dass die Wassertropfen die Solarmodule von Staub befreien und ihre Leistungsverluste reduzieren.
Wie C. Ayyanar erklärt, haben die Forscher die superhydrophobe Nanokompositbeschichtung entwickelt, indem sie Siliziumdioxid-Nanopartikel (SiO₂) mit Ethanol gemischt und danach magnetisch gerührt und ultraschallbehandelt haben. Die Lösung wurde anschließend mit Polydimethylsiloxan (PDMS) und einem Härtungsmittel vermischt und auf die Glasoberfläche von Solarmodulen gesprüht, wo sie bei 80 Grad Celsius für zwei Stunden ausgehärtet wurde. Es entstand so eine etwa 1,5 bis 2 μm dicke transparente Beschichtung.
„Die Neuheit dieser Forschungsarbeit ist eine integrierte experimentelle und rechnergestützte Bewertung einer superhydrophoben PDMS/SiO₂-Nanokomposit-Beschichtung für solare Photovoltaikmodule. Im Gegensatz zu früheren Forschungsarbeiten, die sich hauptsächlich auf das hydrophobe oder selbstreinigende Verhalten der Beschichtung konzentrierten, kombinierte die vorliegende Forschungsarbeit langfristige Leistungstests im Freien mit der auf Particle Swarm Optimization (PSO) basierenden Extraktion der fünf Parameter des Ein-Dioden-PV-Modells“, so C. Ayyanar.
Die Wissenschaftler haben anschließend einen Versuch mit drei identischen Solarmodulen mit einer Nennleistung von jeweils 165 Watt (W) und einem Wirkungsgrad von 15,8 Prozent durchgeführt. Eines der Solarmodule besaß die PDMS/SiO₂-Schicht, ein Solarmodul besaß keine Beschichtung, wurde aber täglich manuell gereinigt, und das dritte Modul besaß keine Beschichtung und wurde im sechsmonatigen Versuchszeitraum nicht gereinigt. Die Module wurden auf einem Hausdach in Tamil Nadu in Indien mit einer Neigung von 30 Grad und einer Ausrichtung nach Süden installiert.
„Die Forschungsstudie verglich beschichtete, manuell gereinigte und natürlich mit Staub bedeckte PV-Module direkt unter identischen Umweltbedingungen und lieferte damit eine umfassende Bewertung der Wirksamkeit der Beschichtung bei der Verringerung staubbedingter Leistungsverluste und der Verbesserung der photovoltaischen Leistung“ erklärt C. Ayyanar.
Laut C. Ayyanar haben die Forscher die gemessenen Strom-Spannungs-Daten (I-V) des beschichteten Solarmoduls genutzt, um ein Standard-Ein-Dioden-Modell zu kalibrieren. Die fünf elektrischen Parameter des Modells haben sie mit einem PSO-Algorithmus, der die Abweichung zwischen den simulierten und gemessenen I-V-Kennlinien minimiert, bestimmt.
Die Solarmodule mit Nanokompositbeschichtung haben deutlich mehr Strom produziert als die unbeschichteten, nicht gereinigten Module (16 %). Sie haben auch die manuell gereinigten Solarmodule übertroffen, die jedoch mehr Strom produziert haben (7 %), als die unbeschichteten, nicht gereinigten Module. Laut den Wissenschaftlern geht