Photovoltaik

Günstiger Strom aus Sonnenlicht?

Aus: Windwärts Newsletter Nr. 9, Stand: November 2007

Photovoltaikanlagen sind wartungsarm, geräuschlos und stoßen keine Schadstoffe aus. Sie können in Dächern und Fassaden integriert werden und erzeugen elektrischen Strom in unmittelbarer Nachbarschaft zu Verbrauchern.

Markteinführungsprogramme für Photovoltaikanlagen sehen für den erzeugten Strom vergleichsweise hohe Vergütungssätze vor. Dadurch rechnen sich die Anlagen auch unter betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten. Führende Industrienationen verbinden mit diesen Maßnahmen weit reichende strategische Ziele im Bereich der Energiewirtschaft. Aber was ist eigentlich Stand der Technik und an welchen Visionen wird weltweit gearbeitet?

Zurzeit werden über 90 Prozent aller Solarzellen nach dem so genannten Wafer-Konzept hergestellt. Bei diesem Konzept wird erstarrtes Halbleitermaterial, meist Silizium, in quadratische Scheiben mit einer Kantenlänge von etwa 15 mal 15 Zentimetern gesägt. Diese Wafer sind das Ausgangsmaterial für die Herstellung der Solarzelle.

Siliziumverbindungen kommen in der Erdkruste in großen Mengen vor, die Verarbeitung zu hochreinem Silizium ist jedoch kompliziert und energieaufwändig. Um Kosten zu sparen, werden immer dünnere Wafer eingesetzt. So konnte die Materialstärke in den vergangenen Jahren von 0,3 Millimeter auf unter 0,2 Millimeter reduziert werden. Neue Schneide-Techniken, zum Beispiel mit Hilfe von Lasern, wurden ebenfalls zur Serienreife gebracht. Auch der elektrische Wirkungsgrad konnte durch größere Wafer-Formate und durch Optimierungen im Bereich der Halbleiterschichten auf bis zu 18 Prozent erhöht werden.

Als zweites Herstellungsverfahren haben sich Dünnschicht-Technologien etabliert. Bei Dünnschicht-Solarzellen werden keine Wafer verwendet, sondern das Halbleitermaterial wird in einem kontinuierlichen Prozess auf ein Träger­material aus Glas oder Keramik aufgebracht. Die für die Stromerzeugung verantwortlichen Schichten sind lediglich wenige Tausendstel Millimeter dick. Dünnschicht-Solarzellen auf Basis von Silizium oder anderen Halbleiterelementen besitzen daher ein großes Entwicklungspotenzial und erobern zunehmend Marktanteile. Der elektrische Wirkungsgrad kommerzieller Zellen liegt bei etwa 8 Prozent und ist damit deutlich niedriger als bei Solarzellen nach dem Wafer-Konzept. Nachteile beim Wirkungsgrad können jedoch durch Preisvorteile mehr als kompensiert werden. Die Photovoltaik-Industrie hat im vergangenen Jahr etwa 15 Milliarden Euro umgesetzt. Die Wachstumsrate der Branche liegt bei 30 Prozent pro Jahr. Weltweit arbeiten Unternehmen und Konzerne an neuartigen Solarzellen, um Marktanteile in diesem interessanten Bereich zu erobern. Im Fokus stehen dabei kostengünstige Ausgangsmaterialien, die Entwicklung preiswerter und leicht beherrschbarer Produktionsprozesse sowie die Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades. Eine deutliche Erhöhung des Wirkungsgrades kann beispielsweise durch ein Übereinanderstapeln von Solarzellen aus verschiedenen Halbleitermaterialien erzielt werden. So wurden mit Tripel-Solarzellen bestehend aus Galliumindiumphosphid, Galliumarsenid und Germanium bereits Wirkungsgrade von über 30 Prozent erreicht. Die Effizienzsteigerung kommt dadurch zustande, dass die drei Materialien unterschiedliche Bereiche des Sonnenspektrums in Strom umwandeln. Heute kommen die Hochleistungszellen überwiegend in Weltraumsatelliten zum Einsatz. Eine terrestrische Anwendung findet die Tripelzelle in Konzentrator-Solarzellen. Bei diesem Zelltyp wird das Sonnenlicht mittels kleiner optischer Linsen um den Faktor 500 bis 1.000 gebündelt und auf winzige Solarzellen mit einem Durchmesser von lediglich einem Millimeter gelenkt. Unter Laborbedingungen konnten bereits elektrische Wirkungsgrade von rund 40 Prozent erzielt werden.

Organische Solarfolie mit einer photoaktiven Schicht von nur 0,25 Mikrometern.
Grafik: Vgl. BASF

Solarzellen auf der Grundlage organischer Materialien sind biegsam und dünn wie Klarsichthüllen. Bei einer großtechnischen Umsetzung sollen die „Solarzellen von der Rolle“ als photoaktive Schicht auf Dächern, an Fassaden oder sogar in Fenstern zum Einsatz kommen. Zwei Forschungsrichtungen haben sich herauskristallisiert. Bei der elektrochemischen Farbstoff-Solarzelle (Grätzel-Zelle) wird der Blattfarbstoff Chlorophyll zur Strom­produktion genutzt. Eine andere Variante beruht auf dem Einsatz elektrisch leitfähiger Kunststoffe (Kohlenwasserstoff-Polymere). Beide Solarzelltypen erzielen unter Laborbedingungen elektrische Wirkungsgrade von über 8 Prozent. Die noch unzureichende Witterungs­beständigkeit und Lebenserwartung organischer Solarzellen erfordert aber noch erheblichen Forschungsaufwand.

Heute, rund 40 Jahre nach dem Einzug der Mikroelektronik in nahezu sämtliche Lebensbereiche stehen wir am Anfang einer neuen industriellen Entwicklung. Es bleibt spannend, welche Unternehmen sich mit welchen Solarzellen-Technologien in der Energiewirtschaft durchsetzen werden.