Photovoltaik 13.04.2001, 17:29 Uhr

Dünner und billiger – weg vom Silizium

Silizium ist das Material, aus dem Solarzellen gefertigt werden. Aber die Herstellung ist aufwändig und teuer. Weg von dieser Technologie ist deshalb die Devise des Jenaer Physikers Prof. Wolfgang Witthuhn. Er setzt auf CIS-Halbleiter.

Halb so teuer und hundert Mal dünner als die herkömmlichen Elemente aus kristallinem Silizium könnten Solarzellen aus Kupfer-Indium-Schwefel-Verbindungen (CIS) sein. Selbst im Wirkungsgrad, der angibt, wie viel des eingestrahlten Lichts in elektrische Energie umgewandelt wird, könnten solche Solarzellen den üblichen Zellen auf Silizium-Basis überlegen sein.
Dieser Meinung ist der Jenaer Physiker Prof. Wolfgang Witthuhn, der gemeinsam mit der Technischen Universität Ilmenau und thüringischen Mittelstandsunternehmen am dafür notwendigen technologischen Wandel arbeitet. Seine Sicherheit bezieht er aus den bisherigen Vorarbeiten. „Wir haben bereits Dünnschichten aus CIS hergestellt, die eine sehr homogene, geradezu optimale Materialstruktur besitzen und die bei der Energiegewinnung in Photovoltaik-Anlagen einen sehr hohen Wirkungsgrad ermöglichen werden“, sagt er. Sowohl die Röntgenanalyse als auch die Strukturanalyse der nur wenige Mikrometer dünnen Schichten hätten diese Annahme bestätigt.
Weg von der Siliziumtechnologie lautet Witthuhns Devise. Denn physikalisch betrachtet sei Silizium als indirekter Halbleiter für die Stromerzeugung aus Licht gar nicht so gut geeignet. Zur Herstellung solcher Solarzellen wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen und in Scheiben zersägt. Zuvor muss das an und für sich billige Material in aufwändigen Prozessen gereinigt werden, was letztlich die Herstellung von Solarzellen aus Silizium heute so teuer macht.
Ein weiterer Nachteil: Das Kristallgitter des Siliziums kann Licht nicht direkt aufnehmen. Das Gitter muss zusätzlich zum Schwingen angeregt werden, damit es diese Aufgabe bewältigen kann. Es sind also mehrere Schritte notwendig, bis aus Sand eine Solarzelle wird. Bei CIS-Halbleitern hingegen werden die Materialien einfach aufgedampft. Das kann in aufeinander folgenden Schritten geschehen, oder in einem einzigen Prozess, wie im letzten Jahr die Würth Solar GmbH in Marbach gemeinsam mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) der Universität Stuttgart zeigte.
Doch während die Württemberger neben Kupfer und Indium Selen für die Beschichtung verwenden und andere Projektgruppen auf Cadmium-Tellurid setzen, geht Witthuhn mit Schwefel einen anderen Weg. Aus gutem Grund, den er so erklärt: „Für mich ist der Gedanke unsympathisch, dass Substanzen verwendet werden, die nicht unbedenklich sind. Cadmium beispielsweise gilt als umweltgefährdend und man hat es nicht umsonst aus der Herstellung von Batterien verbannt. Selbst wenn man es in Solarzellen kapselt, hat man immer noch das Problem der Entsorgung.“
Das CIS-Element besticht indes durch einen weiteren Vorteil. Es ist angepasst an die Strahlungsintensität der Sonne, die im grünen Spektralbereich am größten ist. Lichtquanten treffen dabei mit 1,5 Elektrovolt auf die Halbleiterschicht. Das ist exakt die Energiemenge, um im CIS-Halbleiter die Bandlücke zwischen dem so genannten Valenzband und dem Leitungsband zu überwinden.
Was heißt das? Jedes Atom hat einen definierten Energiezustand. Bilden viele Atome einen Kristall, verbreitern sich die Energieniveaus zu Bändern. Das weniger energiereiche und mit Elektronen voll besetzte Band heißt Valenzband, das energiereichere Band ist das Leitungsband. Dazwischen liegt die Bandlücke. Die 1,5 Elektrovolt im besagten Spektralbereich des Lichtes genügen, um Elektronen aus dem Valenzband herauszureißen und sie in das Leitungsband zu katapultieren. Die Bandlücke wird in einem direkten Sprung überwunden, die Elektronen finden zuverlässig ihren neuen Platz im Leitungsband.
Schließt man einen Verbraucher an die beiden unterschiedlichen Schichten an, fließt ein Strom, der von der Umwandlung der Lichtenergie in elektrische Energie herrührt. Wegen des direkten Überganges ist es möglich, die Schichten im Bereich von nur wenigen Mikrometern, dem Bruchteil der Dicke eines menschlichen Haares, herzustellen. Dünner bedeutet weniger Material und Kosten. Auch wenn dank unterschiedlicher Förderungsprogramme die Kosten für Solarzellen immer geringer werden, könnten diese durch die neue Technologie noch billiger werden.
Nach Witthuhns Vorstellung ließen sich gewöhnliche Dachziegel sogar einfach mit Kupfer, Indium und Schwefel bedampfen. An jedem Ziegelstein befänden sich zwei Kabel, mit denen die Ziegel verschaltet würden. Doch das ist noch Zukunftsmusik. Denn derzeit fehlt es am nötigen Geld zum Aufbau einer Anlage, um zu zeigen, dass man auch größere Flächen verarbeiten kann. „Erst dann kann man die Industrie für diese Technologie gewinnen“, weiß Witthuhn. Dabei sei Eile geboten. Denn derzeit rüsten sowohl Japan als auch die USA ihre Photovoltaik-Produktion auf. „Es wäre gut, wenn wir schon einen Schritt weiter wären, bevor die Konkurrenz zum Zuge kommt“, mahnt der Physiker. WOLFGANG KAPPLER

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