Den Wirkungsgrad erhöhen 27.12.2021, 07:00 Uhr

Solarzellen und Batterien: 2021, ein Jahr der Rekorde

In den vergangenen Monaten häuften sich Meldungen über Rekorde bei Batterien und bei Solarzellen. Was hat sich getan – und wie wichtig sind diese Zahlen tatsächlich?

Solarzelle

Im Jahr 2021 haben Ingenieure wieder zahlreiche Rekorde zum Wirkungsgrad von Solarzellen aufgestellt.

Foto: panthermedia.net/Petkov

Der Wettstreit von Ingenieurinnen und Ingenieuren, möglichst hohe Wirkungsgrade bei Solarzellen zu erzielen, führt zu immer besseren Möglichkeiten der Energiegewinnung.  Dabei handelt es sich keineswegs um rein akademische Diskussionen. Aufgrund der knappen Flächen und der teils schlechten Lichtverhältnisse sind leistungsfähige Photovoltaik-Anlagen wichtiger denn je. Bei typischerweise verwendeten Halbleitern liegt die theoretische Grenze bei 41%. Tandem-Solarzellen aus unterschiedlichen Materialien erreichen auch höhere Werte.

Mit Perowskit-Solarzellen die 30-Prozent-Marke knacken  

Im November 2021 berichteten Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums Berlin von neuen Erfolgen. Ihre Perowskit-Silizium-Tandemsolarzelle erreichte einen zertifizierten Wirkungsgrad von 29,80%. Schweizer Arbeitsgruppe hatten im Jahr 2013 rund 15% erreicht. Tandem-Solarzellen anderer Labors kamen in 2014 auf 19% und in 2017 schließlich auf mehr als 22%. Berliner Forschende haben ihren Rekordwert von 29,80% durch eine speziell nanotexturierte Vorderseite und einen dielektrischer Rückreflektor erreicht. Sie sehen klare Signale für das Potenzial ihrer Technologie auf dem Markt. Man darf gespannt sein.  

Die 30-Prozent-Marke rückt näher: neuer Weltrekord bei Tandem-Solarzellen

Naht ein Durchbruch bei Dünnschicht-Solarzellen?

Der Trend hin zu Rekorden macht auch vor Dünnschicht-Solarzellen nicht Halt. Sie haben in der Praxis etliche Vorteile. Sie lassen sich auch an Flächen einsetzen, die aufgrund ihrer Statik keine schweren Photovoltaik-Anlagen erlauben. Nur überzeugten Wirkungsgrade unter Praxisbedingungen bislang nicht.

Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) hat mittlerweile sage und schreibe 21,4% als Wirkungsgrad erreicht. Forscherinnen und Forschern arbeiten bei der Herstellung mit einer Niedrigtemperatur-Verdampfungsmethode. Dabei scheidet sich das lichtabsorbierende Halbleitermaterial als hauchdünner Film auf dem Polymer ab. Erstmals ist es gelungen, die chemische Zusammensetzung der Schicht präzise zu steuern – und so den Wirkungsgrad weiter zu optimieren. Das lag vor allem an einer gezielten Dotierung der Halbleiter.

Ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) hat speziell mit Bariumtitanat, Strontium- und Calciumtitanat als innnovativen Materialien experimentiert. Die Materialien wurden verdampft und auf Trägern abgeschieden. Das führte im Experiment zu einem um den Faktor 1.000 höheren Stromfluss, falls die Forschenden Laser als Lichtquellen eingesetzt haben.

Solarzellen: Wirkungsgrad-Rekord stellt alles in den Schatten

Auch bei Silizium-Solarzellen tut sich viel

Trotz neuer, innovativer Materialien ist auch bei klassischen Solarzellen aus Silicium noch Luft nach oben. Das australische Start-up SunDrive kam zuletzt auf 25,54% – und stellt den bisherigen Rekord von 25,26% von Longi aus China in den Schatten. Ingenieurinnen und Ingenieuren von SunDrive ist es dabei auch gelungen, Kupfer anstelle von Silber einzusetzen wird, um den elektrischen Strom aus den Zellen abzuleiten. Kupfer ist rund 100-mal günstiger als Silber; weltweit stehen große Ressourcen zur Verfügung. Silber könnte bei zunehmendem Ausbau der Photovoltaik schnell zum preislich limitierenden Faktor werden, vermuten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.

Hybride Solarkonverter: Wirkungsgrade von bis zu 85% 

Das Spektrum an Möglichkeiten ist mit der reinen Photovoltaik noch längst nicht ausgereizt. Solarkonzentratoren nutzen die Wärme der Sonne, um Flüssigkeiten zu erhitzen und Strom zu erzeugen. Meist handelt es sich um getrennte Systeme. US-Ingenieurinnen und -ingenieure haben jedoch gezeigt, dass es möglich ist, beide Technologien zu kombinieren. Hybridgeräte kamen Messungen zufolge auf 85,1% als Wirkungsgrad. Interessant ist die Technologie gerade für Firmen. Sie können heißen Wasserdampf nicht nur zur Energiegewinnung, sondern auch für zahlreiche industrielle Prozesse nutzen.

Energie speichern – die nächste Technik mit Rekord-Potenzial 

Um regenerative Energien zu speichern und um das Netz zu stabilisieren, sind weltweit etliche Batteriespeicher in Planung – oder wurden schon realisiert. Netzbooster plant in Kupferzell, Baden-Württemberg, Europas größte Anlage mit einer Kapazität von 250 MWh. Auf Platz zwei im EU-Ranking kommt mit 50 MWh Kapazität der Batteriespeicher Jardelund im Kreis Schleswig-Flensburg. Platz drei im europäischen Wettbewerb erzielt der größten Batteriespeicher Deutschlands im brandenburgischen Cremzow – mit 38,4 MWh.

Im weltweiten Ranking landet die Moss Landing Energy Storage Facility in Monterey County, Kalifornien, auf dem ersten Platz. Aktuell geben Betreiber ihre Kapazität mit 1.200 MWh an. In späteren Ausbauphasen sollen bis zu 6.000 MWh erreicht werden.

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Von Michael van den Heuvel

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