Rund gedacht: Japans kugelförmige Solarzellen stellen 140 Jahre Flachmodul-Design infrage

Ein jahrhundertealtes Design wird radikal überarbeitet

Seit mehr als 140 Jahren sieht Solarenergie im Wesentlichen gleich aus. Seit Charles Fritts 1883 eines der ersten Solarmodule als starre Platte entwickelte, wird die Photovoltaik von flachen, blauen Rechtecken geprägt, die auf Dächern montiert oder auf riesigen Flächen angeordnet werden. Dieses Design ist so allgegenwärtig geworden, dass die meisten Menschen nie infrage stellen, ob Solarzellen überhaupt flach sein müssen. In Japan beschlossen Ingenieure der Kyosemi Corporation jedoch, diese grundlegende Annahme infrage zu stellen. Sie entwickelten eine revolutionäre Familie winziger kugelförmiger Solarzellen namens Sphelar, die die Nutzung von Solarenergie grundlegend verändern könnte.

Herkömmliche Flachmodule funktionieren unter idealen Bedingungen gut, wenn das Sonnenlicht in einem perfekten Winkel von 90 Grad direkt auf die Oberfläche trifft. In der Realität sind die Bedingungen jedoch selten ideal. Die Sonne wandert im Laufe des Tages über den Himmel und steht je nach Jahreszeit in unterschiedlichen Winkeln. Wolken streuen das Licht. Gebäude, Bäume und andere Hindernisse werfen Schatten. Flache Module verlieren deutlich an Effizienz, wenn das Licht schräg auf sie trifft, und werden bei Verschattung praktisch nutzlos. Diese Einschränkungen haben begrenzt, wo und wie Solarenergie effektiv eingesetzt werden kann.

Das japanische Team hinter Sphelar erkannte, dass die Natur Licht nicht gleichmäßig und direkt liefert. Das Licht kommt im Tages- und Jahresverlauf aus unterschiedlichen Richtungen. Es trifft als direkter Strahl ein, aber auch als reflektiertes Licht, das von Wasser, Glas und anderen Oberflächen zurückgeworfen wird, sowie als diffuses Licht, das von Wolken und Partikeln in der Atmosphäre gestreut wird. Eine kugelförmige Solarzelle, so die Überlegung, könnte dieses mehrdimensionale Lichtfeld besser einfangen und so möglicherweise den ganzen Tag über und auch bei weniger idealen Wetterbedingungen gleichmäßiger Strom erzeugen.

Das Ergebnis dieser Erkenntnis ist Sphelar, eine eingetragene Marke für die weltweit erste kommerziell entwickelte kugelförmige Solarzelle. Die winzigen Siliziumkugeln haben einen Durchmesser von nur 1 bis 2 Millimetern und stellen die Photovoltaik grundlegend neu auf. Statt zu versuchen, das Licht im richtigen Winkel auf eine flache Oberfläche zu lenken, nehmen Sphelar-Zellen Licht aus jeder Richtung auf. So entsteht ein dreidimensionales System zur Lichtaufnahme, das eher der Art und Weise ähnelt, wie natürliche Organismen Energie aus ihrer Umgebung gewinnen.

Der Heureka-Moment: Warum muss Solar flach sein?

Die Geschichte von Sphelar beginnt mit einer einfachen, aber grundlegenden Frage von Shuji Nakata, leitendem Ingenieur und Gründer der Kyosemi Corporation. Jahre nach der Gründung von Kyosemi überlegte Nakata, wie sich Photovoltaikzellen effizienter machen ließen. Aufbauend auf seinen früheren Erfahrungen mit der Entwicklung von Solarmodulen als Projektmitarbeiter bei Mitsubishi Electric fragte er sich, warum Solarmodule flach sein müssen, obwohl die Sonne ständig wandert.

In Laborumgebungen sind Lichtquellen üblicherweise fest positioniert und vorhersehbar. In der Realität trifft Sonnenlicht jedoch aus ständig wechselnden Winkeln auf. Nakata stellte fest, dass es nicht nur direkt einfallendes Licht gibt, sondern auch reflektiertes und diffuses Umgebungslicht, das herkömmliche Flachmodule größtenteils nicht einfangen. Daraus ergab sich seine zentrale Frage: Wäre eine kugelförmige Oberfläche die effizienteste Form, um Sonnenlicht einzufangen? Diese Überlegung wurde zur Gründungsinspiration für Kyosemis kugelförmige Mikro-Solarzelle.

Josuke Nakata, Gründer und Vorsitzender der Sphelar Power Corporation, beschrieb den Unternehmensauftrag in einer Stellungnahme:

Sphelar, die kugelförmigen Solarzellen, entstand als Antwort auf solche einfachen Fragen. In der Natur fällt das Licht nicht gleichmäßig ein. Die Position der Sonne verändert sich ständig. Ein Teil des Sonnenlichts wird von Wolken gestreut, ein anderer von Glas und Wasser reflektiert.

Der Zeitpunkt dieser Erkenntnis erwies sich als günstig. Ende der 1980er-Jahre plante Kyosemi den Bau neuer Werke in Hokkaido und eine Erweiterung der Produktionskapazitäten. Kamisunagawa rückte in die engere Wahl für den Standort. In der ehemaligen Bergbaustadt war das Kohlebergwerk aufgrund zunehmender Importe geschlossen worden, und die Gemeinde suchte aktiv nach neuen Branchen, die verlorene Arbeitsplätze ersetzen sollten. Im Zuge dieses wirtschaftlichen Wandels wurde unter anderem das JAMIC, das Japan Microgravity Center, gegründet. Es richtete in einem stillgelegten Bergwerkstunnel eine wissenschaftliche Forschungsstätte ein. 1988, im selben Jahr, in dem Kyosemi den Betrieb in seinem neuen Werk in Hokkaido aufnahm, kam Nakata eine neue Idee dazu, wie die besonderen Möglichkeiten des JAMIC dazu beitragen könnten, seine Vision kugelförmiger Solarzellen umzusetzen.

Fertigung unter Mikrogravitation

Perfekt kugelförmige Siliziumkristalle herzustellen, stellte die Ingenieure vor erhebliche Herausforderungen. Auf der Erde führen Oberflächenspannung und Schwerkraft dazu, dass geschmolzenes Silizium beim Abkühlen und Erstarren unregelmäßige Formen annimmt. Um die nahezu perfekten Kugeln herzustellen, die für effiziente Solarzellen nötig sind, wandte sich Kyosemi an das JAMIC und dessen bemerkenswerten Fallturm. Dieser senkrechte Schacht reicht 710 Meter tief in die Erde. Ein 490 Meter hoher Fallturm darin ermöglicht Experimente unter Mikrogravitationsbedingungen.

Beim Herstellungsprozess wird Silizium in eine Vakuumkapsel gegeben und den Schacht hinabgelassen. Während des freien Falls herrscht im Inneren der Kapsel Mikrogravitation. Dadurch kann das geschmolzene Silizium allein durch Oberflächenspannung perfekte Kugeln bilden, ohne durch die Schwerkraft verformt zu werden. Das Kyosemi-Projektteam führte zahlreiche Experimente durch: Siliziumstücke wurden in Kapseln gegeben und während des kurzen freien Falls geschmolzen und kristallisiert. Nach vielen Versuchen gelang es schließlich, die gewünschten kugelförmigen Körner herzustellen.

Wie Phys.org berichtete, bietet dieser innovative Herstellungsansatz neben der passenden Form erhebliche Vorteile. Bei der Produktion von Sphelar-Zellen fällt wenig bis gar kein Siliziumabfall an, obwohl das Material in der Halbleiterfertigung wertvoll und vergleichsweise selten ist. Bei der herkömmlichen Produktion flacher Solarzellen werden meist Siliziumwafer aus Blöcken geschnitten. Dabei entsteht viel Abfall, wenn zylindrische Blöcke in flache Wafer zersägt werden. Beim Verfahren zur Kristallisation von Kugeln entsteht dagegen im Wesentlichen direkt aus dem geschmolzenen Material die endgültige Form. Das Zuschneiden entfällt und der Siliziumverbrauch sinkt.

Phys.org berichtete außerdem, dass Kyosemi Corp. die Produktionskosten für Sphelar-Zellen auf etwa die Hälfte der Kosten herkömmlicher Flachmodule schätzte. Dieser Kostenvorteil ergibt sich aus dem geringeren Materialabfall und potenziell einfacheren Fertigungsprozessen. Auch für die Umwelt bringt das Vorteile: Der Herstellungsprozess gilt als umweltfreundlicher als die herkömmliche Photovoltaikproduktion.

Wie kugelförmige Zellen Licht einfangen

Der grundlegende Vorteil der Sphelar-Zellen liegt in ihrer Geometrie. Eine Kugel bietet dem Licht aus jeder Richtung dieselbe Oberfläche. Anders als Flachmodule, die auf die Sonne ausgerichtet werden müssen und bei schräg einfallendem Licht an Effizienz verlieren, behalten Sphelar-Zellen ihre Lichtaufnahme unabhängig vom Einfallswinkel bei. So können sie den ganzen Tag über direktes Sonnenlicht einfangen, während die Sonne über den Himmel wandert, ohne dass eine mechanische Nachführung erforderlich ist.

Wichtiger noch: Durch die Kugelform lässt sich auch indirektes Licht effizient einfangen. Von Gebäuden, Wasser oder anderen Oberflächen reflektiertes Licht trifft aus verschiedenen Winkeln auf die Sphelar-Zellen, findet aber stets eine geeignete Oberfläche zur Absorption. Auch diffuses Licht an bewölkten Tagen, das die Effizienz von Flachmodulen üblicherweise stark sinken lässt, wird effektiv aufgenommen, da die Kugelform Licht aus allen Richtungen annimmt. Dadurch könnten Sphelar-Zellen bei wechselhaftem Wetter und in Regionen mit häufiger Bewölkung zuverlässiger arbeiten.

Die Technologie beruht darauf, in jeder Siliziumkugel einen P-N-Übergang zu erzeugen. Das ähnelt der Funktionsweise herkömmlicher Solarzellen, wird hier jedoch auf eine gekrümmte Oberfläche angewendet. Das Team von Kyosemi nutzte Fertigungswissen aus der Produktion optoelektronischer Halbleiterchips, um diese Übergänge auf kugelförmigen Oberflächen herzustellen. Diese technische Herausforderung erforderte zunächst erhebliche Innovationen. Sind die winzigen Kugeln miteinander verschaltet, erzeugen sie elektrischen Strom, der zum Betrieb von Geräten genutzt oder in elektrische Systeme eingespeist werden kann.

Für Nutzer bedeutet das, dass Geräte oder Gebäudeteile mit Sphelar-Zellen nicht sorgfältig zur Sonne ausgerichtet werden müssen. Ein Gerät mit Sphelar-Technologie kann auf einer waagerechten oder geneigten Fläche stehen oder bewegt werden und trotzdem das verfügbare Licht effizient aufnehmen. Damit entfallen Montagesysteme, die Module zur Sonne ausrichten, und die Einschränkungen, wo solarbetriebene Geräte eingesetzt oder genutzt werden können.

Vom Konzept zu kommerziellen Produkten

Von der Idee bis zum kommerziellen Produkt vergingen mehrere Jahre Entwicklungsarbeit. Nachdem das Forschungsteam erfolgreich die ersten vier in Reihe geschalteten Zellen hergestellt hatte, die bei Lichteinfall Strom erzeugten, verstärkte es seine Anstrengungen. 1998 gründete Kyosemi ein eigenes Mikrogravitationslabor, um die Entwicklung fortzusetzen. Bis 2004 war das Unternehmen so weit, die Marke „Sphelar“ registrieren zu lassen, eine Kurzform von „Spherical Solar“, und begann, potenziellen Partnern Muster zur Verfügung zu stellen.

In der Anfangsphase fiel es selbst den Entwicklern schwer, sich alle möglichen Anwendungsbereiche dieser neuartigen Technologie vorzustellen. Als die innovative Idee jedoch auf den Markt kam, regte sie weitere Ideen bei Partnern und Kunden an. Dieser kooperative Entwicklungsansatz half dabei, praktische Anwendungen zu finden, die die besonderen Eigenschaften kugelförmiger Solarzellen nutzten.

2012 wurde die Sphelar Power Corporation als Ausgründung der Kyosemi Corporation gegründet, um sich gezielt auf die Entwicklung und Vermarktung kugelförmiger Solarzellen zu konzentrieren. Ikuo Inagawa, Geschäftsführer und Präsident der Sphelar Power Corporation, beschrieb die Vision des Unternehmens:

Die Sphelar Power Corporation hat Sphelar, die weltweit erste kugelförmige Solarzelle mit kleinem Durchmesser, kommerzialisiert und bietet darauf basierende Produkte an. Wir setzen uns dafür ein, Sphelar als alltagstaugliche Solarzelle zu verbreiten, einen tiefgreifenden Wandel der globalen Umwelt zu verringern und zu den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) beizutragen. Unter dem Slogan ‚Sphelar immer an Ihrer Seite!‘ arbeiten wir daran, die Nutzung unserer darauf basierenden Produkte auszuweiten.

Heute bietet das Unternehmen mehrere Produktlinien an, die die Vielseitigkeit der kugelförmigen Solartechnologie zeigen. Diese Anwendungen veranschaulichen, wie der Schritt weg von Flachmodulen völlig neue Ansätze ermöglicht, Solarenergie in die gebaute Umwelt und den Alltag zu integrieren.

Gebäudeintegration und transparente Oberflächen

Einer der vielversprechendsten Anwendungsbereiche für die Sphelar-Technologie ist die gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV). Herkömmliche Solarmodule werden meist als separate Anlagen auf Dächern montiert. Sie sind sichtbar und gelten mitunter als ästhetisch störend. Sphelar-Zellen hingegen lassen sich direkt in Baumaterialien einbetten. So entstehen Oberflächen, die Strom erzeugen und zugleich andere Funktionen wie Transparenz oder architektonische Gestaltung erfüllen.

Zur Produktlinie Sphelar BIPV gehören Glasbausteine, in die Sphelar-Module eingeschlossen sind. Diese transparenten Bauelemente können in Wänden, Fenstern und anderen architektonischen Elementen verwendet werden. Sie lassen Licht hindurch und erzeugen zugleich Strom. Je nach Anordnung der Zellen und den konkreten Anforderungen der Anwendung kann die Transparenz von Sphelar-Installationen zwischen 50 und 80 Prozent liegen.

Damit lässt sich eine wesentliche Einschränkung herkömmlicher Solarmodule in Städten überwinden. In dicht besiedelten Städten ist die Dachfläche oft begrenzt oder wird von umliegenden Gebäuden verschattet. Herkömmliche Module können die Aussicht versperren oder mit Anforderungen des Denkmalschutzes kollidieren. Sphelar-Zellen lassen sich dagegen in Fassaden, Fenster und andere senkrechte Flächen integrieren, die den ganzen Tag über indirektes Licht erhalten. Sie können auch in gekrümmte Oberflächen und komplexe architektonische Formen eingebaut werden, was mit starren Flachmodulen unmöglich oder unpraktisch wäre.

Das Unternehmen hat außerdem Sphelar Glass Blocks entwickelt: kleine, kompakte Solarmodule in transparentem Glas. Sie können sowohl als Baumaterialien als auch als Stromerzeuger dienen und gewöhnliche Fenster, Oberlichter oder dekorative Elemente in stromerzeugende Oberflächen verwandeln. Die Möglichkeit, Transparenz zu erhalten und gleichzeitig Strom zu erzeugen, eröffnet Perspektiven für energiepositive Gebäude, die ebenso viel Strom produzieren, wie sie verbrauchen, ohne die architektonische Ästhetik zu beeinträchtigen.

Energy Harvesting für das Internet der Dinge

Mit der zunehmenden Vernetzung durch das Internet der Dinge (IoT) wird es zu einer großen Herausforderung, weitläufige Sensornetze und kleine Geräte mit Strom zu versorgen. Bei verteilten Sensornetzen ist ein Batteriewechsel unpraktisch, und die Kosten für Verkabelung können prohibitiv sein. Sphelar-Zellen bieten eine Lösung durch Energy Harvesting, auch Energy Scavenging genannt. Dabei gewinnen Geräte die geringen Mengen verfügbarer Umgebungsenergie aus ihrer Umgebung.

Die Sphelar-EIPV-Serie umfasst kompakte Solarmodule, die speziell für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch ausgelegt sind. Sie können verfügbares Licht nutzen, um Sensoren, intelligente drahtlose Anwendungen und andere kleine elektronische Geräte mit Strom zu versorgen. Da Sphelar-Zellen Licht aus allen Richtungen aufnehmen und auch bei diffusem Licht gut funktionieren, eignen sie sich besonders für Innenräume und städtische Umgebungen, in denen herkömmliche Solarzellen Schwierigkeiten haben könnten.

Zu den Einsatzgebieten dieser Energy-Harvesting-Module gehören Umweltsensoren, intelligente Gebäudesysteme, die Überwachung landwirtschaftlicher Flächen und alle Anwendungen, bei denen kleine, verteilte Geräte ohne Batteriewechsel oder Kabelverbindungen mit Strom versorgt werden müssen. Da sie nicht präzise zur Sonne ausgerichtet werden müssen, eignen sich die Zellen ideal für Geräte, die in verschiedenen Positionen aufgestellt oder während ihrer Betriebsdauer bewegt werden.

Mit einem Durchmesser von nur 1 bis 2 Millimetern lassen sich Sphelar-Zellen in sehr kleine Geräte integrieren, für die herkömmliche Solarzellen schlicht zu groß wären. Diese Miniaturisierung könnte völlig neue Kategorien selbstversorgender intelligenter Geräte ermöglichen, von Wearables bis hin zu in die Infrastruktur eingebetteten Umweltmonitoren.

Wearable-Technologie und Solartextilien

Zu den wohl futuristischsten Anwendungen der Sphelar-Technologie gehören Wearables und intelligente Textilien. Das Unternehmen hat ein fadenförmiges Solargarn entwickelt, das bei Sonnenlicht Strom erzeugt und zugleich sehr flexibel ist. Mit diesem Photovoltaikgarn lassen sich stromerzeugende Textilien herstellen, sodass Kleidung, Taschen und andere Textilien zu Solargeneratoren werden.

Das Solargarn entstand im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts von Industrie, Wissenschaft und öffentlicher Hand. Beteiligt waren das japanische Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie, die Sphelar Power Co., Ltd. und das Fukui Prefectural Industrial Technology Center. Das daraus hervorgegangene Produkt Sphelar TEXTILE wird als leicht, dünn, flexibel und dehnbar beschrieben und eignet sich damit für die Stromversorgung tragbarer E-Textilien.

Die Technologie geht eine grundlegende Herausforderung bei Wearables an: die Stromversorgung. Batterien machen tragbare Geräte schwerer und voluminöser; häufiges Aufladen mindert ihre Benutzerfreundlichkeit. In Solartextilien integrierte Zellen könnten den ganzen Tag über Umgebungslicht aufnehmen und eingebettete Sensoren, Kommunikationsgeräte oder Gesundheitsmonitore kontinuierlich mit Strom versorgen, ohne dass Nutzer eingreifen müssen oder das Gewicht wesentlich zunimmt.

Die möglichen Anwendungen reichen über Kleidung hinaus und umfassen Zelte, Markisen, Segeltuch, Fahrzeugabdeckungen und alle anderen Textilflächen, die Licht ausgesetzt sind. Zu den militärischen Anwendungen könnten Uniformen gehören, die Kommunikations- oder Navigationsgeräte mit Strom versorgen. Im zivilen Bereich könnten Outdoor-Ausrüstungsgegenstände Energie für GPS-Geräte, Notfallbaken oder Mobiltelefone erzeugen. Dank der Flexibilität des Materials lässt es sich in Kleidungsstücke integrieren, ohne Tragekomfort oder Bewegungsfreiheit zu beeinträchtigen. Starre Solarmodule wären für solche Anwendungen ungeeignet.

Verbraucherprodukte und Beleuchtung

Über spezielle industrielle Anwendungen hinaus hat die Sphelar Power Corporation Produkte für Verbraucher entwickelt, die die praktischen Vorteile kugelförmiger Solartechnik im Alltag zeigen. Sie veranschaulichen, wie die besonderen Eigenschaften der Sphelar-Zellen Designs ermöglichen, die mit herkömmlichen flachen Solarmodulen schwierig oder gar nicht umzusetzen wären.

Die Sphelar Garden Light hat ein elegantes Design mit einer oben angebrachten kugelförmigen Sphelar-Solarzelle und einem LED-Leuchtelement. Tagsüber wird Strom aus Sonnenlicht gespeichert; nachts versorgt die gespeicherte Energie die LED und beleuchtet Gärten, Parks und Wege. Das Design legt Wert auf Ästhetik und soll Licht spenden, ohne die Landschaft zu beeinträchtigen. Die Installation ist einfach und erfordert weder Stromkosten noch Verkabelungsarbeiten. Damit eignet sich die Leuchte auch für abgelegene Orte oder Gegenden ohne Strominfrastruktur.

Auch das Produkt Sphelar Illumination umfasst Sphelar-Module, die an Bäumen aufgehängt werden können. Tagsüber sammeln die Module Strom und schalten nachts LEDs ein; dabei leuchtet das Sphelar-Modul selbst sanft. Das Produkt soll für sichere und ansprechende Beleuchtung sorgen, ohne bei der Montage Bäume zu beschädigen oder ihr natürliches Erscheinungsbild zu beeinträchtigen. Wie die Gartenleuchte benötigen auch diese Leuchten keinen Stromanschluss und verursachen keine laufenden Energiekosten.

Diese Verbraucherprodukte zeigen die praktischen Vorteile der Sphelar-Technologie, die sich aus ihrer richtungsunabhängigen Lichtaufnahme ergeben. Gartendekoration und Baumbeleuchtung können in verschiedenen Ausrichtungen angebracht werden, ohne dass die optimale Sonneneinstrahlung berücksichtigt werden muss. Auch teilweise verschattete Bereiche kommen infrage, in denen Flachmodule womöglich nicht genügend direktes Licht erhielten. Das kompakte, unauffällige Design unterstreicht die ästhetische Wirkung: Die kugelförmigen Zellen lassen sich in dekorative Elemente integrieren, ohne wie technische Zusätze zu wirken.

Effizienz und Leistungsfähigkeit

Bei der Bewertung von Solartechnik ist die Effizienz nach wie vor eine entscheidende Kennzahl. Berichten von TheFutureOfThings zufolge hat Kyosemi flexible Solarmodule entwickelt, deren Effizienz fast 20 Prozent über der der meisten heute kommerziell erhältlichen Photovoltaikzellen liegt. Diese deutliche Verbesserung beruht darauf, dass sie Licht aus allen Winkeln aufnehmen und sowohl direkte als auch indirekte Lichtquellen nutzen können.

Ein direkter Vergleich von Sphelar-Zellen mit herkömmlichen Flachmodulen erfordert jedoch eine sorgfältige Betrachtung unterschiedlicher Leistungskennzahlen. Flachmodule werden üblicherweise anhand ihrer Spitzenleistung unter idealen Laborbedingungen mit direktem, senkrecht einfallendem Licht bewertet. Sphelar-Zellen liefern dagegen bei wechselnden Lichtverhältnissen und Einfallswinkeln gleichmäßigere Leistung. Bei perfekten Bedingungen erreichen sie in Effizienztests möglicherweise keine höheren Werte als Flachmodule, können aber über einen ganzen Tag unter realen Bedingungen insgesamt mehr Energie erzeugen.

Der Wegfall von Nachführsystemen ist ein weiterer Effizienzvorteil. Bei großen Solaranlagen kommen oft Motoren und Nachführsysteme zum Einsatz, um Flachmodule den ganzen Tag zur Sonne auszurichten. Diese Systeme verbrauchen Energie, müssen gewartet werden und machen die Anlagen komplexer. Sphelar-Zellen erzielen vergleichbare Vorteile allein durch ihre Geometrie: Sie nehmen von der Morgendämmerung bis zum Einbruch der Dunkelheit optimales Licht auf, ohne mechanische Hilfsmittel. Dieser passive Betrieb erhöht die Zuverlässigkeit der Anlage und reduziert den Wartungsaufwand.

Auch bei schwachem Licht unterscheiden sie sich von herkömmlichen Zellen. An bewölkten Tagen und in den frühen Morgen- und späten Nachmittagsstunden, wenn die Lichtintensität gering ist, geht die Leistung von Flachmodulen stark zurück. Sphelar-Zellen wurden eigens dafür entwickelt, diffuses und gestreutes Licht aufzunehmen, und schneiden unter diesen schwierigen Bedingungen vergleichsweise besser ab. Das macht sie besonders geeignet für Regionen mit häufiger Bewölkung und für Anwendungen, bei denen ein gleichmäßiger Betrieb bei wechselhaftem Wetter entscheidend ist.

Umweltauswirkungen und Nachhaltigkeit

Umweltaspekte spielen bei der Auswahl von Energietechnik eine immer wichtigere Rolle. Aus Nachhaltigkeitssicht bieten Sphelar-Zellen mehrere potenzielle Vorteile. Weniger Siliziumabfall bei der Herstellung bedeutet einen erheblichen ökologischen Nutzen. Die Produktion von Silizium ist energieintensiv und umfasst chemische Prozesse, die sich auf die Umwelt auswirken. Wird das wertvolle Material effizienter genutzt, sinkt der ökologische Fußabdruck der Solarzellenproduktion insgesamt.

Die möglichen Produktionskosten von nur etwa der Hälfte herkömmlicher Module, wie von Phys.org berichtet, könnten Solarstrom wirtschaftlich zugänglicher machen. Sinkende Kosten beschleunigen die Verbreitung, wodurch wiederum mehr Strom aus fossilen Brennstoffen ersetzt und der Ausstoß von Treibhausgasen verringert werden kann. Wenn Solarzellen ohne zusätzliche Materialien oder bauliche Änderungen in bestehende Strukturen und Produkte integriert werden können, verringert das die Umweltauswirkungen ihres Einsatzes zusätzlich.

Auch die Haltbarkeit und Lebensdauer der Sphelar-Technologie tragen zu ihrer Umweltbilanz bei. Kugelförmige Zellen könnten weniger anfällig für Umwelteinflüsse wie Wind, Hagel oder Trümmer sein als große, empfindliche Flachmodule. Ihre kompakte Größe und die Möglichkeit, sie in schützende Materialien einzubetten, könnten die Betriebsdauer verlängern. Dadurch würden seltener Ersatzprodukte benötigt und die mit Herstellung und Entsorgung verbundenen Umweltkosten sinken.

Die Sphelar Power Corporation stellt ausdrücklich einen Zusammenhang zwischen ihrer Technologie und übergeordneten Umweltzielen her, darunter den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs). Zum Auftrag des Unternehmens gehört, durch eine stärkere Nutzung von Solarenergie dazu beizutragen, die Erschöpfung fossiler Ressourcen zu verhindern und die globale Erwärmung zu bekämpfen. Indem die Sphelar-Technologie Solarstrom in Anwendungen und an Orten ermöglicht, für die er bislang unpraktisch war, könnte sie den Gesamtanteil der Solarenergie am globalen Energiemix deutlich erhöhen.

Die Zukunft der Solarenergie

Flache Solarmodule werden bei großen Anlagen zur Stromerzeugung in absehbarer Zukunft wahrscheinlich die vorherrschende Technologie bleiben. Sphelar-Zellen erweitern jedoch die Vielfalt der Solartechnik. Statt direkt mit herkömmlichen Modulen zu konkurrieren, erschließen kugelförmige Zellen völlig neue Anwendungsbereiche, die mit Flachmodulen nicht abgedeckt werden können. Diese Ausweitung der Möglichkeiten, Solarenergie zu gewinnen, könnte ihre Verbreitung insgesamt beschleunigen und sie stärker in unseren Alltag integrieren.

Mit Technologien wie Sphelar rückt die Vorstellung einer „Energie überall“ näher. Statt Solarstrom als etwas zu betrachten, das auf abgelegenen Flächen erzeugt und über große Entfernungen übertragen wird, können wir uns eine Welt vorstellen, in der jede dem Licht ausgesetzte Oberfläche als Energiequelle dienen kann. Fenster erzeugen Strom und lassen gleichzeitig Licht herein. Kleidung versorgt tragbare Geräte mit Energie. Gebäude gewinnen Strom nicht nur auf dem Dach, sondern auch an ihren Wänden. Dieses Modell der dezentralen Stromerzeugung verringert Übertragungsverluste und stärkt die Widerstandsfähigkeit des Energiesystems.

Mit der Ausbreitung des Internets der Dinge und dem Entstehen intelligenter Städte wächst der Bedarf an dezentralen Energiequellen. Sphelar-Zellen könnten mit ihrer Eignung für Energy Harvesting und ihrer Integrationsfähigkeit in unterschiedliche Materialien und Formen zu einer Schlüsseltechnologie dieser vernetzten Zukunft werden. Sensoren und Geräte mit Umgebungslicht zu versorgen, würde bei Anwendungen für intelligente Städte Infrastrukturkosten und Einsatzhürden beseitigen.

Die Entwicklung der Sphelar-Technologie zeigt außerdem, wie das Hinterfragen grundlegender Annahmen zu bahnbrechenden Innovationen führen kann. Mehr als ein Jahrhundert lang wurde das Design flacher Solarmodule kaum infrage gestellt. Indem japanische Ingenieure fragten, warum Solarzellen flach sein müssen, eröffneten sie völlig neue Wege, Licht aufzunehmen und Energie zu erzeugen. Dieser Mut, herkömmliche Vorstellungen zu hinterfragen, dürfte weitere Innovationen bei der Solartechnik und erneuerbaren Energien insgesamt vorantreiben.

Während die Sphelar Power Corporation gemeinsam mit Partnern weltweit originelle Produkte und Anwendungen entwickelt, wächst der Einfluss kugelförmiger Solarzellen weiter. Von spezialisierten Industrieanwendungen bis zu Verbraucherprodukten, von Baumaterialien bis zu Wearables: Diese winzigen Kugeln zeigen, dass der beste Weg nach vorn manchmal nicht über Rechtecke, sondern über Kreise führt.

Das Wichtigste auf einen Blick

• Die von der japanischen Kyosemi Corporation entwickelten kugelförmigen Sphelar-Solarzellen haben einen Durchmesser von nur 1 bis 2 Millimetern und nehmen Licht aus allen Richtungen auf.
• Ausgangspunkt der Technologie war die Frage von Gründer Shuji Nakata, warum Solarmodule flach sein müssen, obwohl die Sonne ständig wandert.
• Bei der Herstellung dient ein 710 Meter tiefer Fallturm des japanischen Mikrogravitationszentrums dazu, unter Mikrogravitationsbedingungen perfekte Siliziumkugeln zu erzeugen.
• Die Produktion verursacht wenig Siliziumabfall und kostet etwa halb so viel wie die herkömmliche Herstellung flacher Solarmodule.
• Die kugelförmigen Zellen behalten ihre Effizienz bei unterschiedlichen Lichteinfallswinkeln bei, nehmen direktes und indirektes Licht auf und funktionieren bei bewölktem Wetter besser.
• Zu den Anwendungen gehören transparente Baumaterialien, Energy Harvesting für IoT-Geräte, stromerzeugende Textilien und Beleuchtungsprodukte für Verbraucher.
• Die Sphelar Power Corporation wurde 2012 aus Kyosemi ausgegründet, um sich ausschließlich auf die Entwicklung von Anwendungen für kugelförmige Solarzellen zu konzentrieren.
• Die Technologie ermöglicht die Integration von Solarzellen in gekrümmte Oberflächen, tragbare Produkte und architektonische Elemente, für die herkömmliche Flachmodule ungeeignet sind.