Ein Schwerpunkt der Berliner "Solar Energy" ist die Photovoltaik, an deren Grundlagen auch in Berlin intensiv geforscht wird. Der folgende Artikel soll eine kurze Übersicht über gebräuchliche Solarzellenmaterialien und ihre Erforschung im Berliner Raum geben.
Mit Hilfe von Solarzellen (photovoltaischen Elementen) läßt sich Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandeln. Während diese Technik schon seit langem zur Energieversorgung von Satelliten angewandt wird, findet sie auf der Erde erst seit wenigen Jahren größere Beachtung, obwohl Photovoltaik die einfachste Methode der Umwandlung der Sonnenenergie in elektrischen Strom ist. Der Hauptgrund für die noch geringe Verbreitung liegt in den hohen Kosten, die beim Kauf einer photovoltaischen Solaranlage anfallen. Im Vergleich zu den Kosten pro Kilowattstunde konventionell erzeugten Stromes ist der Solarstrom, berechnet aus den Anschaffungskosten und einer minimalen Lebensdauer der Anlage von 20 Jahren, noch etwa um den Faktor Zehn teurer, obwohl keine Brennstoffkosten während des Betriebes anfallen.
Wegen des absehbaren Mangels an fossilen Brennstoffen, der Zerstörung der Natur durch ihren Abbau und wegen der CO2-Problematik wird es aber in Zukunft unabdingbar werden, Solarenergie verstärkt zu nutzen. Der internationale Wettlauf um die besten Techniken für die Photovoltaik und die größten Marktanteile hat bereits begonnen.
Der weitaus größte Teil der derzeit hergestellten Solarzellen besteht aus kristallinem Silicium, dem Material, das in der Elektronikindustrie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet wird. Diese Zellen werden seit fast 40 Jahren weiterentwickelt und sind von hoher Qualität, die sich in einem hohen Wirkungsgrad äußert. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle gibt an, welcher Anteil der einfallenden Lichtenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird. Er liegt bei den besten zur Zeit verkauften Siliciumsolarzellen bei etwa 18 Prozent. Voraussetzung für diese hohen Wirkungsgrade ist aber eine sehr hohe Materialreinheit und eine aufwendige Bearbeitung der Zellen; beides führt zu dem bisher noch hohen Preis. Außerdem werden die meisten kristallinen Siliciumzellen durch Zersägen von Siliciumkristallen gewonnen, bei diesem Prozeß geht viel Material verloren. Aus diesen Gründen wird seit vielen Jahren an anderen Materialien und Zellkonzepten gearbeitet, die die Herstellung billigerer Solarzellen ermöglichen werden:
Amorphes Silicium: im Gegensatz zum kristallinen Silicium reichen bei diesem Material sehr dünne Schichten (weniger als ein Hundertstel der Dicke einer kristallinen Zelle) für die Herstellung von Solarzellen aus, entsprechend verringern sich die Materialkosten. Da außerdem große Flächen beschichtet werden können, entfällt das bei den kleinen kristallinen Siliciumzellen nötige elektrische Verschalten durch Verlöten vieler Einzelzellen zu sogenannten Modulen; auch dadurch werden Kosten eingespart. Der Hauptnachteil ist der geringere Wirkungsgrad, der zur Zeit bei maximal 8 Prozent bei großflächigen Modulen liegt. Solarzellen aus amorphem Silicium werden schon seit vielen Jahren industriell produziert und verkauft.
Kupfer-Indium-Diselenid (CIS): Bei Zellen aus diesem Material handelt es sich ebenfalls um Dünnschichtsolarzellen wie beim amorphen Silicium, allerdings mit der Aussicht auf wesentlich höhere Wirkungsgrade. Bisher wird dieser Typ weltweit nur von wenigen Firmen produziert und auch zur Zeit nur von einer Firma auf den Markt gebracht. Bei einer Großproduktion hat dieser Typ Solarzelle aber gute Aussichten, wegen des hohen Wirkungsgrades und der absehbar geringen Produktionskosten zu einer ernsthaften Konkurrenz für das kristalline Silicium zu werden. (Poster zum sequentiellen Prozeß der CIS-Herstellung.)
Cadmiumtellurid (CdTe): Ein Dünnschichtmaterial, das ähnliche Vorteile wie das CIS bietet und auch im kleinen Maßstab schon heute produziert und angewendet wird. Allerdings führt die Verwendung des Schwermetalls Cadmium im Produktionsprozeß zu erhöhten Sicherheits- und Umweltauflagen. Trotzdem bereiten mehrere Firmen im In- und Ausland eine Produktion von Solarmodulen aus diesem Material vor.
Weitere Zellentypen sind die Farbstoffsolarzelle und kristalline Dünnschichtsiliciumzellen, die beide intensiv erforscht werden, sich zur Zeit aber noch im Laborstadium befinden.
In Berlin wird in verschiedenen Universitäten und Forschungsinstituten an der Weiterentwicklung photovoltaischer Solarzellen gearbeitet, drei Beispiele sollen hier exemplarisch erwähnt werden:
Im Berliner Hahn-Meitner-Institut (HMI) werden vor allem die Dünnschichtsolarzellen erforscht und entwickelt; solche aus Silicium im Institutsteil Adlershof und solche aus verschiedenen Verbindungshalbleitern, ähnlich dem CIS, im Hauptstandort in Berlin-Wannsee. Das Ziel der Entwicklung der Dünnschichtsiliciumzellen mit einer Dicke von unter 5 Tausendstel Millimetern ist die kostengünstige Herstellung von Solarzellen hoher Wirkungsgrade. Dabei werden die Vorteile der Dünnschichtzelle (geringer Materialbedarf, großflächige Beschichtungsmöglichkeiten, interne Verschaltung von Zellen zu Modulen) mit denen des Siliciums kombiniert. Silicium ist das aufgrund der Verwendung in der Elektronikindustrie am besten verstandene und beherrschte Halbleitermaterial. Ein Hauptproblem für die Herstellung der dünnen Siliciumschichten ist die Entwicklung eines geeigneten preiswerten Trägermaterials, das die hohen für die Abscheidung des Siliciums notwendigen Temperaturen übersteht. Alternativ werden daher am HMI Verfahren entwickelt, die eine Abscheidung bei niedrigeren Temperaturen ermöglichen.
Auch bei der Entwicklung der Solarzellen aus Verbindungshalbleitern am HMI steht die kostengünstige Herstellung hocheffizienter Solarzellen im Vordergrund. Auf der Basis von Kupfer-Indium-Disulfid-Dünnschichten werden reproduzierbar Einzelzellen mit hohen Leerlaufspannungen hergestellt. Mit Kupfer-Gallium-Diselenid, einem verwandten Material, werden Frontzellen entwickelt, die den kurzwelligen (blauen) Teil des Sonnenspektrums photovoltaisch nutzen. Solche Materialien können in sogenannten Tandemsolarzellen (oder Multispektralzellen) eingesetzt werden, in denen zwei Zellen übereinander liegen. Dabei nutzt die obere Zelle den kurzwelligen Anteil des Lichtes und die untere den restlichen, langwelligen, der von der oberen Zelle nicht absorbiert wird. Eine solche Kombination von zwei spezialisierten Zellen kann einen deutlich höheren Wirkungsgrad erreichen als eine einzelne Solarzelle. Neuartige Verfahren zur Herstellung dieser Schichten sollen die Qualität erhöhen und die Möglichkeit zur Abscheidung großer Flächen mit geringen Kosten ermöglichen. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung von umweltfreundlicheren Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtsolarzellen.
Am Institut für Mikroelektronik und Festkörperelektronik der Technischen Universität Berlin wird ebenfalls an Dünnschichtsiliciumsolarzellen gearbeitet. Diese sollen auf preiswerten, temperaturbeständigen, keramischen Substraten aus der Gasphase abgeschieden werden, wieder mit dem Ziel der Kostenersparnis. Die Dicke der Siliciumschichten beträgt nur 30 Tausendstel Millimeter, während konventionelle Siliciumzellen ungefähr die zehnfache Dicke haben.
Die Umsetzung der Ergebnisse von Forschung und Entwicklung in die industrielle Produktion von Solarzellen wird in Deutschland und weltweit in zahlreichen neuen Produktionsstätten vorangetrieben. Allein in Deutschland sind mehrere Produktionsanlagen für konventionelle Siliciumsolarzellen und Dünnschichtsolarzellen im Bau oder gerade fertiggestellt. Durch den Übergang zur Massenproduktion und weitere Wirkungsgradsteigerungen werden die Kosten für photovoltaisch erzeugten Strom weiter sinken. Dadurch wird die Nachfrage nach Solarzellen und damit die Produktion weiter steigen, was weitere Preissenkungen nach sich zieht - ein Prozeß, der erfahrungsgemäß beim Übergang zu industrieller Massenproduktion auftritt. Am Ende dieser Entwicklung sollte photovoltaisch erzeugter Strom weltweit einen erheblichen Anteil des Energiebedarfs der Menschheit decken können.
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