Dünnschicht-Photovoltaik 13.09.2021, 10:20 Uhr

Solarzellen: Wirkungsgrad-Rekord stellt alles in den Schatten

Die Empa arbeitet seit Jahren daran, konkurrenzfähige Dünnschicht-Photovoltaik auf den Markt zu bringen – mit Erfolg! Den Forschenden ist gerade wieder ein neuer Rekord beim Wirkungsgrad gelungen. Ihre flexiblen Solarzellen schaffen 21,4%.

Solarzellen

Ein Stück eingedrehte Rolle aus flexiblen Solarzellen: dünn und wirkungsvoll.

Foto: Empa

Solarstrom könnte für die Energiewende eine wichtige Rolle spielen. Besonders interessant wird diese Energiequelle, wenn bessere Speichermöglichkeiten zur Verfügung stehen. Allerdings gibt es dann an vielen Orten noch eine weitere Herausforderung, die bewältigt werden muss: die Statik. Viele Gebäude sind nicht so ausgelegt, dass die Dächer zusätzliches Gewicht durch Solarmodule tragen könnten. Und die zur Verfügung stehenden Freiflächen werden langfristig nicht ausreichen.

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Die Hoffnung liegt daher auf der Dünnschicht-Photovoltaik. Denn diese flexiblen Solarzellen können als dünne Folien nahezu überall angebracht werden – vorausgesetzt, der Wirkungsgrad ist so hoch, dass sich ihr Einsatz lohnt. Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) hat in dieser Hinsicht gute Nachrichten: Zum wiederholten Male hat sie den bisherigen Wirkungsgrad mit einem neuen Rekord geknackt. Er liegt jetzt bei 21,4%

Empa knackt für flexible Solarzellen viele Rekorde in kleinen Schritten

An herkömmliche Silizium-Solarzellen, die sich nicht biegen lassen, kommen die flexiblen Solarmodule natürlich noch lange nicht heran. Ihr Höchstwert liegt nach Angaben der Empa aktuell bei 26,7%. Das klingt nicht nach einem sonderlich großen Abstand. Zwischen diesen Werten liegen jedoch Welten für die Forschung. Das lässt sich leicht an den letzten Entwicklungsschritten der Empa erkennen, die bereits seit über 20 Jahren an dieser Technologie arbeitet. So sahen die Rekorde in der Vergangenheit aus: 12,8 % (1999), 14,1% (2005), 17,6% (2010), 18,7% (2011), 20.4% (2013) und 20,8 % im Jahr 2019.

Es geht also nur in kleinen Schritten voran. Die jetzigen 21,4% haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit flexiblen Solarzellen auf Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) erreicht. Hergestellt werden sie mit einer Niedrigtemperatur-Verdampfungsmethode auf einer Polymerfolie. Auf der Folie scheidet sich das lichtabsorbierende Halbleitermaterial Cu(In,Ga)Se2 als hauchdünner Film ab. Das ist nicht neu. Den Forschenden ist es aber gelungen, die exakte Zusammensetzung der Schicht sowie der Alkali-Dotierstoffe zu verbessern und auf diese Weise den Wirkungsgrad in die Höhe zu treiben.

Fraunhofer ISE macht Praxistest mit flexiblen Solarzellen

Die neue Schicht hat das Team zu Solarzellen verarbeitet und und Wärme- und Lichteinwirkung getestet. Tatsächlich konnten sie eine höhere Leistung der Dünnschicht-Photovoltaik messen. Entscheidend war dabei, dass der Rekord-Wirkungsgrad auch nach mehreren Monaten stabil war. Unabhängige Forschende vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben die Werte nahezu bestätigt. Ihre Skala zeigte einen Wirkungsgrad von 21,38% an.

2019 erzielte Empa bei flexiblen Solarzellen einen Wirkungsgrad von 20,8%. Dieser Rekord ist jetzt überholt. Vor allem drei Kriterien sind für den guten Wirkungsgrad ausschlaggebend. Foto: Empa

2019 erzielte Empa bei flexiblen Solarzellen einen Wirkungsgrad von 20,8%. Dieser Rekord ist jetzt überholt. Vor allem drei Kriterien sind für den guten Wirkungsgrad ausschlaggebend.

Foto: Empa

Die Ergebnisse sind sehr positiv, haben aber natürlich nur einen Effekt, wenn sie schnell in die praktische Anwendung kommen. Die Empa arbeitet dafür mit der Schweizer Firma Flisom zusammen. Das Unternehmen ist eine Ausgründung der Empa und der ETH Zürich. Gemeinsam wollen sie ein Verfahren für eine Rolle-zu-Rolle-Herstellung von leichten, flexiblen Solarmodulen entwickeln, das unkompliziert für zahlreiche Anwendungsgebiete geeignet wäre.



Grüner Strom von der Rolle

Die Zukunftsvision der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist klar: Langfristig soll es flexible Solarzellen von der Rolle geben, die sich auf geeigneten Flächen anbringen ließen und damit der Photovoltaik einen erheblichen Schub verleihen würden. Mögliche Einsatzorte wären nicht nur Fassaden und Dächer von Gebäude – ohne dass Probleme mit der Statik entstünden. Auch empfindliche Bauten wie Gewächshäuser ließen sich ausstatten. Zudem wäre es denkbar, Transportfahrzeuge, Luftschiffe und elektronische Geräte über flexible Solarzellen zumindest teilweise mit Strom zu versorgen. In dieser Form ist das noch Zukunftsmusik, aber ein höherer Wirkungsgrad ist ein weiterer Schritt in diese Richtung.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten der Empa wurden vom Schweizer Bundesamt für Energie (BFE) unterstützt.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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