Das interdisziplinäre Forschungsprojekt UV4PV an der Hochschule Niederrhein untersucht die physikalischen, chemischen und ingenieurtechnischen Grundlagen, um ultraviolette Sonnenstrahlen durch Frequenzkonversion und Totalreflexion künftig im Fensterrahmen nutzbar zu machen.
Carvey Ehren Maigues preisgekrönter James Dyson Award Proof-of-Concept (2020) lieferte den materialwissenschaftlichen Anstoß für lumineszierende Wellenleiter aus pflanzlichen Fluorophoren.
Im Jahr 2020 demonstrierte Carvey Ehren Maigue mit AuREUS, dass aus Agrarabfällen und Obst- beziehungsweise Gemüseresten extrahierte Fluorophore in einer Harzmatrix unsichtbare UV-Strahlung absorbieren und als sichtbares Licht über die Kanten abgeben.
Diese Erkenntnis inspirierte das Forschungsprojekt UV4PV (Prof. Schettel / Prof. Deutges) an der Hochschule Niederrhein: Während Maigue auf blickdichte Fassadenplatten setzte, erforscht UV4PV den Transfer zur transparenten Glasfassade mit optischer Kanten-Totalreflexion im schmalen Fensterrahmen.
Im Rahmen des Projekts werden vier fundamentale physikalische Mechanismen theoretisch modelliert und experimentell untersucht, um transparente Glasscheiben künftig als energieerzeugende Wellenleiter einsetzen zu können.
Ultraviolette Strahlung (UVA & UVB, Wellenlängen < 400 nm) ist für das menschliche Auge unsichtbar und kann von klassischen Silizium-Solarzellen kaum absorbiert werden. Bei UV4PV werden spezielle organische oder synthetische Leuchtstoffe (Fluorophore) in die Polymermatrix (Epoxidharz/Polyacrylat) des Fensters eingebracht.
Trifft energiereiches UV-Licht auf diese Moleküle, werden Elektronen auf ein höheres Energieniveau angeregt. Bei der anschließenden Relaxation (Rückkehr in den Grundzustand) emittiert das Molekül im Rahmen der Stokes-Verschiebung ein Photon mit geringerer Energie – also längerwelliges, sichtbares Grün- oder Gelblicht (ca. 500–580 nm).
Das Prinzip des Luminescent Solar Concentrator (LSC) macht sich die Unterschiede in der optischen Brechungsdichte zunutze. Das Acrylglas oder mit Leuchtharz gegossene Fenster besitzt einen Brechungsindex von n1 ≈ 1,49 – 1,52, während die umgebende Luft einen Brechungsindex von n2 ≈ 1,0 aufweist.
Wird durch die Lumineszenz im Inneren der Scheibe sichtbares Licht allseitig emittiert, trifft ein großer Teil der Strahlen unter einem Winkel auf die Scheibenoberfläche, der größer ist als der kritische Grenzwinkel der Totalreflexion (θc = arcsin(n2/n1) ≈ 42°).
In Festkörperkristallen spalten sich die atomaren Energieniveaus in kontinuierliche Bänder auf. Für die elektrische Leitfähigkeit sind das mit Elektronen besetzte Valenzband (EV), das unbesetzte Leitungsband (EC) und die dazwischen liegende verbotene Zone (Bandlücke Eg) entscheidend.
Bei Halbleitern liegt Eg im Bereich von 0,5 – 3 eV. Durch Zufuhr von Lichtenergie (Photonen mit E = h · f ≥ Eg) werden Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband gehoben – es entsteht ein frei bewegliches Elektron-Loch-Paar.
An den schmalen Kanten des Wellenleiters werden im Versuchsaufbau schmale Dünnschicht- oder kristalline Silizium-Solarzellen montiert, um zu analysieren, wie das durch Totalreflexion geführte grün-gelbe Licht auf die aktive Halbleiterschicht trifft.
Da die spektrale Empfindlichkeit (Spectral Response) von Silizium-Solarzellen im Bereich zwischen 500 nm und 900 nm ihr Maximum aufweist, wird im Rahmen des Projekts untersucht, wie sich die Frequenzkonversion optimal auf den Quantenwirkungsgrad der Zellen abstimmen lässt.
Während klassische Photovoltaik auf direkte Sonneneinstrahlung angewiesen ist und opake, blickdichte Dach- oder Freiflächen beansprucht, untersucht das Projekt UV4PV, wie bestehende Glasfassaden künftig als unsichtbare vertikale Kraftwerke genutzt werden können. Kerntechnologie ist der LSC (Luminescent Solar Concentrator – Lumineszenz-Solarkonzentrator): Eine teiltransparente Scheibe mit eingebetteten Fluoreszenzfarbstoffen, die diffuses und UV-Licht einfängt, über Totalreflexion im Glas leitet und an die im schmalen Fensterrahmen verborgenen Solarzellen abgibt.
Konventionelle Silizium-Module benötigen direkte Sonnenbestrahlung, verändern die Gebäudehülle massiv und beanspruchen wertvolle Vollflächen.
Der Luminescent Solar Concentrator (LSC) fungiert als optischer Wellenleiter: Er konzentriert UV- und Streulicht aus der gesamten Scheibe auf millimeterfeine Kanten im ohnehin vorhandenen Fensterrahmen.
Ein LSC (Luminescent Solar Concentrator – Lumineszenz-Solarkonzentrator) ist ein lichtleitendes System, das einfallendes Sonnen- oder UV-Licht über eingebettete fluoreszierende Leuchtstoffe absorbiert, in größere Wellenlängen transformiert und mittels interner Totalreflexion an die Kanten lenkt. Im Labormaßstab wird hierbei das präzise Zusammenspiel aus optischem Trägersubstrat, organischen Farbstoffen und den an den Kanten gekoppelten Photovoltaikzellen erforscht.
Hochreines Acrylglas (PMMA) oder spezielles Epoxidharz wird als optischer Wellenleiter mit minimaler interner Eigendämpfung für gestreutes Licht untersucht.
Präzise dosierte organische Fluorophore (Riboflavin-Derivate & Cumarine) werden getestet, um UV- und Blaustrahlung in grünes Emissionslicht umzuwandeln.
Experimentelle Erforschung, wie schmale monokristalline Silizium- oder GaAs-Zellenstreifen künftig optimal im Fensterrahmen an die Kante gekoppelt werden können.
Untersuchung von indexangepassten optischen Klebern zur Vermeidung von Luftspalten sowie von Randverspiegelungen zur Maximierung der Auskopplung.
Um die Einflussparameter (Farbe, Größe, Dicke, Bewölkungsgrad) isoliert und reproduzierbar zu testen, entwarfen und bauten die studentischen Projektteams maßgeschneiderte Gussformen, optische Prüfstände und modulare Halterungen.
Entwicklung eigener CNC-Gussformen aus Silikon. Hochreines Epoxidharz wird nach dem Lambert-Beerschen Gesetz (I = I0 · e-ε·c·d) mit fluoreszierenden Farbstoffen dosiert, blasenfrei gegossen und auf optische Präzision poliert.
Konstruktion eines hochflexiblen CAD-Prüfstands für Scheibendicken von 3 mm bis 8 mm und Kantenlängen von 6×12 cm bis 15×15 cm. Modulare Schnellverschluss-Halterungen fixieren die Scheiben parallel an den seitlichen PV-Streifen.
Messungen in lichtdichten, mattschwarzen Prüfboxen zum Ausschluss von Streulicht. Mit kalibrierten UV-Simulatorscheinwerfern, OceanView-Spektrometern und Multimetern werden Transmissionskurven und Kanten-Leistung (P = U · I) erfasst.
Steuern Sie in Echtzeit Dach- und Fassadenflächen sowie alle optischen LSC-Systemparameter. Verfolgen Sie, wie die Kanten-PV im Vergleich zur klassischen Solarzelle bei wechselnder Bewölkung leistet.
Flächen, Umwelt & LSC-Material
Abhängig von Dach- & Fassadenfläche
Sonnenverlauf am Gebäude & Fluoreszenz-Lichtleitung der Einzelscheibe
Das interdisziplinäre Forschungs- und Lehrprojekt am Fachbereich Wirtschaftsingenieurwesen (HS Niederrhein) lebt von der Leidenschaft seiner Studierenden und der wissenschaftlichen Betreuung durch die Professorenschaft.
Erforschung der Lambert-Beer Farbstoffdichte, Silikon-Gussformen, 3D-Druck Prüfstand und Winkel-Auskopplung.
Wissenschaftliche Ausarbeitung und Prüfstanddesign für die systematische Validierung von Farbe und Scheibengröße.
Studentisches Projektteam des Interdisziplinären Projekts 2021/2022 am Fachbereich Maschinenbau & Verfahrenstechnik.
