Wirkungsgradsteigerung und Kostenreduktion

Deutsche Solarstromtechnik ist auf dem Weltmarkt führend. Das trifft auch für die Forschung zu. Im Forschungsverbund Sonnenenergie (FVS) haben sich 10 Institute zusammengeschlossen. Die Spitzenstellung deutscher Forschungsinstitute zeigt sich vor allem bei den Wirkungsgraden von Solarzellen. Das Fraunhofer ISE hält beispielsweise den Weltrekord bei multikristallinen, siliziumbasierten Solarzellen mit über 20 Prozent. Das ZSW Stuttgart hat zusammen mit der Firma Würth Solar Dünnschicht-Solarzellen mit Wirkungsgraden zwischen 12 und 13 Prozent entwickelt. Bei den so genannten CIS-Dünnschicht-Solarzellen ist das Hahn-Meitner-Institut mit über 12 Prozent Wirkungsgrad führend.

Zielstellungen für die industrielle Serienfertigung sind Steigerung des Wirkungsgrades sowie Reduktion des Materialeinsatzes. Das Ausgangsmaterial Silizium ist nach wie vor dominierender Kostenfaktor. Dünnere Silizium-Scheiben für herkömmliche Solarzellen und die neue Dünnschichttechnologien sind daher Forschungsschwerpunkte.
Am Ende sollen neben einer 150 µm (0,15 mm) dünnen multikristallinen Silizium-Solarzelle mit 16 % Wirkungsgrad auch flexible Solarzellen aus einkristallinem Silicium mit ähnlich hohem Wirkungsgrad und einer Dicke unter 50 µm (0,05 mm) zur Verfügung stehen. Zum Vergleich: heute handelsübliche Zellen sind noch 300 µm (0,3 mm) dick und haben einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 14 %.

Stapeln und konzentrieren

Tandemzelle, Hahn Meitner Institut, Berlin

Deutlich höhere Wirkungsgrade erreicht man mit so genannten Tandem- oder Stapel-Solarzellen. Hier liegen mehrere Schichten von Zellen übereinander. Das Halbleitermaterial der obersten Schicht ist z. B. auf hohe Photonenenergien (kurzwellige blaue Spektralanteile) optimiert, die der unteren auf langwelligeres Licht (grün, rot etc.). Die Zellen der verschiedenen Schichten sind in Reihe geschaltet, die  Spannungen addieren sich. Der Einsatz von Tandem-Zellen ist vor allem dort sinnvoll, wo es auf hohe Stromausbeute und geringen Platzbedarf ankommt (z.B. in der Raumfahrt).

Konzentrator-Solarzellen versprechen vor allem für südliche Breiten oder Wüstenregionen mit hohem Direktstrahlungsanteil enorme Kostenvorteile. Das Prinzip besteht darin, dass die Solarstrahlung mit Spiegeln oder Linsen konzentriert auf die Solarzellen gerichtet wird, was den Wirkungsgrad erhöht. Allerdings werden hohe Anforderungen an die Systemtechnik gestellt. Die Module müssen zweiachsig der Sonne nachgeführt werden, weil nur direkte Strahlung fokussiert werden kann.

Die ETI wird finanziert aus Mitteln des Ministeriums für Wirtschaft und Energie des Landes Brandenburg und der Industrie- und Handelskammer (IHK) Potsdam.