Photovoltaik

Alles nur eine Frage des Wirkungsgrades

Von Uta Bilow
17.03.2013
, 15:00
Ein langer, kalter Winter ohne Wind und ohne Sonnenschein könnte das Stromnetz in Baden-Württemberg extrem instabil machen
Neben Wind und Wasserkraft und Biomasse ist die Photovoltaik eine der tragenden Säulen der Energiewende. Es krankt allerdings noch an der Effizienz der Solarzellen. Mit technischen Kniffen will man dem Manko verstärkt zu Leibe rücken.
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Will Deutschland sein selbstgestecktes Ziel erreichen und bis zum Jahr 2050 die Hälfte der gesamten Energie aus erneuerbaren Quellen gewinnen, führt kein Weg an der Photovoltaik vorbei. Solarzellen sind allerdings immer noch nicht leistungsfähig genug. Im vergangenen Jahr wurden in Deutschland mit 28 Terawattstunden Solarstrom nur etwa fünf Prozent der gesamten Stromproduktion erzeugt. Soll mehr Sonnenlicht in Elektrizität verwandelt werden, reicht es nicht, nur die Flächen zu vergrößern, man muss vor allem der Wirkungsgrad der Solarmodule erhöhen. Wie dies gemeistert werden kann, wurde in der vergangenen Woche in Dresden auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) diskutiert.

Solarzellen aus Silizium beherrschen den Markt. Hier gibt es polykristalline Zellen, die unter Praxisbedingungen Wirkungsgrade von bis zu 18,5 Prozent erreichen, oder Zellen aus monokristallinem Silizium, die zwar effizienter sind, aber auch höhere Material- und Herstellungskosten haben. Am Beispiel einer solchen Silizium-Solarzelle erläuterte Martin Hermle vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg, wo die Hauptverluste liegen und wie sich diese verhindern lassen. Eine Standard-Solarzelle wird in acht Fertigungsschritten hergestellt und besteht maßgeblich aus dotiertem Halbleitermaterial. Fällt auf das Bauteil Licht, entsteht ein Elektron und ein positiv geladenes „Loch“. Beide Ladungsträger fließen in entgegengesetzte Richtungen zu den Metallelektroden.Verbindet man die Kontakte, fließt ein nutzbarer Strom.

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In kleinen Schritten zum Ziel

Viele Hersteller nehmen bereits zwei Verbesserungsschritte vor, die den Wirkungsgrad auf etwa 20 Prozent erhöhen. Zunächst wird die sonnenzugewandte Seite der Zelle unterhalb der gitterartig angebrachten Metallelektroden mit Phosphor dotiert. Dadurch erhält das Material an diesen Stellen mehr Ladungsträger, wodurch sich der elektrische Widerstand zwischen Metall und Silizium verringert. Die Elektronen können besser abfließen. Als weitere Verbesserung hat sich die Rückseitenpassivierung mit einem dielektrischen Material wie Aluminiumoxid erwiesen. Durch diese Schicht hindurch werden lokale Metallkontakte erzeugt. Das Dielektrikum verhindert, dass Elektronen und Löcher wieder aufeinandertreffen, zerstrahlen und dadurch verloren gehen. Gegenüber einer ganzflächigen Metallkontaktierung steigert das den Wirkungsgrad um etwa ein Prozent.

Inflation der Produktionsschritte

Die Metallkontakte auf der Zellenoberseite haben ein weiteres Manko, da dort kein Sonnenlicht eindringen kann. Neue Entwicklungen versuchen daher, alle Kontakte auf der Unterseite anzuordnen. Damit lassen sich Abschattungsverluste reduzieren, außerdem kann man breite und widerstandsarme Kontakte verwenden. Wie Martin Hermle berichtete, weisen derart produzierte Zellen einen Wirkungsgrad von 23 Prozent auf, bei den Modulen sind es 21 Prozent. Allerdings ist die Fertigung recht aufwendig, die Zahl der Prozessschritte beläuft sich laut Hermle auf zwanzig bis fünfundzwanzig. Ein Weg zu günstigerem Solarstrom scheint das daher nicht zu sein. Als weiterer Optimierungsschritt werden derzeit Heteroübergänge untersucht. Dabei verwendet man zwei Halbleiter mit unterschiedlichen Bandlücken in einer Solarzelle, die das Sonnenspektrum besser ausnutzen. Im vergangenen Herbst berichteten Forscher des südkoreanischen Unternehmens LG Electronics über eine rückseitenkontaktierte Zelle mit Heterokontakten, die einen Wirkungsgrad von 24 Prozent erreicht.

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Mehr als 30 Prozent sind nicht drin

In kleinen Schritten, so wurde in Dresden deutlich, wird die Effizienz von Silizium-Solarzellen allmählich nach oben geschraubt. Module mit einem Wirkungsgrad von 22 bis 23 Prozent erscheinen realistisch und könnten in einigen Jahren zur Verfügung stehen. Allerdings liegt für den Halbleiter Silizium der theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad bei 29 Prozent, da das Material nur einen kleinen Teil des Sonnenspektrums ausnutzt - langwellige Photonen werden beispielsweise nicht absorbiert. Außerdem ist der Materialaufwand beträchtlich. Pro Quadratmeter Solarzelle benötigt man zweihundert Gramm Silizium.

Ein großes Potential steckt in den Dünnschichtsolarzellen. Besonders effiziente Varianten, die aus Kupfer, Indium und Selenid bestehen, können bereits mit ihren Pendants aus kristallinem Silizium konkurrieren. Weil solche CIGS-Zellen aus nicht geläufigen Materialien bestehen, sind sie aufwendiger und teurer zu fertigen - ein Hindernis für die breite Anwendung.

Farbstoffsolarzellen lassen sich prinzipiell mit industriellen Fertigungsverfahren herstellen und in Photovoltaik-Module integrieren. Der abgebildete Prototyp wurde im Rahmen des Verbundprojekts ColorSol des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation in Stuttgart gebaut (www.colorsol.de).
Farbstoffsolarzellen lassen sich prinzipiell mit industriellen Fertigungsverfahren herstellen und in Photovoltaik-Module integrieren. Der abgebildete Prototyp wurde im Rahmen des Verbundprojekts ColorSol des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation in Stuttgart gebaut (www.colorsol.de). Bild: Zuckerfabrik Fotodesign

Hoffnungsträger Organik

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Große Hoffnungen setzt man derzeit auch in die organische Photovoltaik, wie Karl Leo von der TU Dresden erklärte. Hier ist die Basis für eine Solarzelle ein organisches Material. Solche Substanzen sind vergleichsweise einfach und günstig zu produzieren. Man kann flexible, farbige oder sogar transparente Solarzellen herstellen. Man benötigt dazu lediglich einige Gramm Material pro Quadratmeter.

Wenig Material, weniger Kosten

Die Firma Heliatek, die aus Leos Arbeitsgruppe entstanden ist, meldete im Januar dieses Jahres einen neuen Rekordwert für organische Solarzellen, der bei einem Wirkungsgrad von zwölf Prozent liegt. Organische Solarzellen dieses Typs bestehen aus einem dünnen Polyestervlies, auf das nacheinander im Vakuum verschiedene Substanzen in hauchdünnen Schichten aufgedampft werden. Das Produkt ist gerade einmal so dick wie ein Blatt Papier. Als Schlüssel zu der hohen Effizienz erwies sich ein Ansatz, bei dem die organischen Verbindungen, die als Elektronenlieferanten und -akzeptor dienen, nicht übereinander aufgetragen werden, sondern als Gemisch. So entstehen winzige Domänen mit Abmessungen im Bereich von zehn Nanometern und eine recht große interne Grenzfläche zwischen den beiden Bereichen. Das führt dazu, dass fast alle absorbierten Photonen des Sonnenlichts zum Photostrom beitragen.

Höhere Temperatur, mehr Leistung

Ein großer Vorteil der organischen Solarzellen ist, dass ihre Leistung mit steigender Temperatur zunimmt - bei anderen Zelltypen ist es gerade andersherum. Der Wirkungsgrad einer Zelle wird üblicherweise unter Laborbedingungen bestimmt, bei 25 Grad und senkrechtem Lichteinfall. In der Praxis herrschen jedoch häufig Temperaturen von 40 bis zu 60 Grad, die Sonne steht schräg am Himmel, oder es gibt diffuses Licht. Unter diesen Bedingungen schlägt sich die organische Solarzelle weitaus besser als ihre anorganischen Konkurrenten, der Wirkungsgrad kann um bis zu einem Drittel zunehmen, so Leo.

Noch ist die Produktion von Elektrizität aus Sonnenlicht teuer. Die Photovoltaik liefert in Süddeutschland eine Kilowattstunde Strom für 13 bis 17 Cent, Steinkohle und Kernenergie liegen bei weniger als zehn Cent. So erscheint es mehr als sinnvoll, die Sonnenenergie stärker zu nutzen und vermehrt in Forschung und Entwicklung zu investieren. Denn die Sonne strahlt jeden Tag ein Vielfaches des globalen Energieverbrauchs auf die Erde.

Quelle: F.A.Z.
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