Alternativen zum Silizium auf dem Vormarsch
Die Silizium-Wafer-Technologie, die heute den Markt für Solarmodule beherrscht, ist teuer. In Anbetracht des Photovoltaik-Booms und des Engpasses bei der Produktion von Solarsilizium, aus dem heute noch mehr als 90 % aller Solarzellen hergestellt sind, wird weltweit an der Entwicklung neuer und kostengünstiger Solartechnologien gearbeitet.
Nicht Silizium, sondern mehrere Schichten aus Verbindungshalbleitern der dritten und fünften Gruppe des Periodensystems (III-V Halbleiter) bilden das Herz einer neuen Solarzelle, mit der Forscher vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg einen Wirkungsgrad von stolzen 35 % erzielen.
„Bei unserer Flatcon-Zelle handelt es sich um eine so genannte monolithische Tripel-Solarzelle“, erklärt Andreas Bett, Projektleiter am ISE. „Durch den Einsatz von dreifach übereinander gestapelten verschiedenen Halbleitermaterialien steigern wir die Effizienz, da wir auf diese Weise unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums optimal in elektrische Energie umwandeln“: Die Germanium-Schicht nutzt Photonen im infraroten Bereich, die GaInAs-Lage erzeugt Sonnenstrom zwischen 700 nm und 1100 nm Wellenlänge, gefolgt von der GaInP-Schicht, die auf den sichtbaren Bereich optimiert ist. Zudem wird das Sonnenlicht mittels so genannter Fresnel-Linsen 500fach auf die nur 0,031 cm² große Energiewandler-Fläche gebündelt.
Die Module werden der Sonne zweiachsig nachgeführt, damit der Brennpunkt der Linse jederzeit den aktiven Bereich der Solarzelle trifft. Trotz der im Vergleich zu Zellen aus kristallinem Silizium um einen Faktor 50 höher liegenden Produktionskosten können diese Tripelzellen durch eine geschickte Anordnung der Sammellinsen mit ihrem Lichtkonzentrator nach Angaben des ISE konkurrenzfähig Sonnenstrom erzeugen.
Mit dem Ziel der Herstellung und Vermarktung dieser Konzentrator-Photovoltaikmodule und -systeme wurde in Freiburg die Concentrix Solar GmbH gegründet – eine Firmenausgründung aus dem ISE. „Wir werden zunächst eine Pilotfertigung für Konzentrator-PV-Module aufbauen und anschließend größere Demonstrationsprojekte realisieren“, schildert Concentrix-Solar-Geschäftsführer Hansjörg Lerchenmüller. Auch RWE Space Solar Power in Heilbronn fertigt bereits Tripelzellen mit größeren Flächen nach einem am Fraunhofer ISE entwickelten Prozess.
Mit ihrem Plan, diese Technologie zu einem industriellen Massenprodukt weiterzuentwickeln, zielt die Concentrix Solar GmbH vor allem auf größere Kraftwerkseinheiten von 100 kW bis mehrere MW in sonnenreichen Regionen. „Konzentrator-Photovoltaiksysteme haben das Potenzial, die Stromgestehungskosten für große Kraftwerkseinheiten an sonnenreichen Standorten erheblich zu senken“, ist Lerchenmüller überzeugt. Eine Kostenanalyse ergab, dass Kunden an guten Standorten in Spanien mit einem Kostenvorteil von über 15 % rechnen können. Für Regionen mit höherem Direktstrahlungsanteil wie Wüsten in Nordafrika oder USA steigt der errechnete Kostenvorteil sogar auf mehr als 20 %.
Einen wesentlichen Beitrag zu preiswerten Solarmodulen könnten in Zukunft auch organische Zellen leisten. Anders als ihre anorganischen Verwandten basieren sie auf Kohlenwasserstoff-Polymeren – elektrisch leitenden Kunststoffen -, die verflüssigt wurden. Die Herstellung erfolgt durch Verdampfung des organischen Materials. Anschließend werden auf die Kunststoffzellen nur noch Metallkontakte aufgetragen, die später den Strom leiten. Vorbild für die organische Solarzelle ist die Natur – genauer die Photosynthese bei Pflanzen. Hier nimmt ein Molekül das Sonnenlicht auf, wodurch Elektronen freigesetzt werden. Vorteil: Die Herstellung der dünnen, biegsamen Plastikzellen ist einfach und kostengünstig. Das Manko: Die Plastikzellen haben einen geringeren Wirkungsgrad.
Dem US-Unternehmen Konarka, das die Polymerelektronik-Sparte von Siemens übernommen hat, ist es schon gelungen die Ausbeute gedruckter organischer Solarzellen von 3 % auf über 5 % zu steigern. Helmholtz-Forscher am Hahn-Meitner-Institut hoffen, organische Solarzellen mit neuen Beschichtungsmethoden noch preiswerter und in höherer Qualität herstellen zu können. Mit ihrer Organic Vapor Phase Deposition (OVPD) genannten Methode können mit vergleichsweise einfachen Mitteln sehr dünne organische Solarschichten mit einem Wirkungsgrad von 2 % bis 3 % hergestellt werden. Dr. Konstantinos Fostiropoulos, Forscher in der Abteilung Heterogene Materialsysteme am Hahn-Meitner-Institut, schätzt, „dass die industrielle Nutzung ab etwa 8 % rentabel sein wird“.
Einen anderen Weg, Effizienzsteigerungen bei der Herstellung von Solarmodulen zu erzielen, geht die Norddeutsche Affinerie: Sie hat ebenfalls eine flexible Solarzelle entwickelt – mit einer Kupferfolie als Trägermaterial. Bei einem Wirkungsgrad zwischen 6,5 % und 10,4 % wiegen die neuen Zellen nur noch 20 % der konventionellen Exemplare und kosten in der Serienproduktion in großen Rollen „am laufenden Band“ gerade einmal die Hälfte. „Bei der Herstellung machen wir galvanische Beschichtungsprozesse nutzbar. Sie sind sowohl in der Investition als auch im laufenden Betrieb günstiger als die Vakuumanlagen“, so Werner Marnette, Vorstandsvorsitzender der Norddeutschen Affinerie. Der Start für die Massenproduktion ist in zwei Jahren geplant. Die kupferbasierten Solarzellen sollen hauptsächlich in Kombination mit vorgefertigten Dachelementen großflächig zum Einsatz kommen. EDGAR LANGE
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