Mit Solarenergie die Zukunft sichern

Das Ausmaß des Klimawandels machte unlängst der Umweltbericht der UNO deutlich. Erneuerbare Energien, allen voran die Solarenergie, können helfen, die Folgen abzumildern. Am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg arbeiten die Forscher daran, Solarzellen effektiver zu machen. Zudem wollen sie leistungsstarke Zellen aus verunreinigtem Silizium herstellen.

»Auf Dauer ist Sonnenenergie die einzige Energieart, die die Energieprobleme lösen kann«, sagt Prof. Eicke Weber, der neue Leiter des ISE. »Ich mache die Unbegrenztheit der Solarenergie gerne an einem Beispiel deutlich: Der Energieverbrauch der Erde in einem Jahr in Kilowattstunden wird von der Sonne in einer Stunde geliefert.« Ein gutes Argument, um die Forschung für effektivere und kostengünstige Solarzellen voranzutreiben. Denn heute ist die Solarenergie – ohne Unterstützung – erst in sehr sonnenreichen Regionen wie Kalifornien konkurrenzfähig. Dort zahlen Stromverbraucher einen Spitzenstrompreis von 32 Cent pro Kilowattstunde. Solarstrom lässt sich für etwa 25 Cent pro Kilowattstunde produzieren. In Deutschland wird es allerdings noch etwa 10 bis 15 Jahre dauern, bis Solarstrom zu konkurrenzfähigen Preisen produziert werden kann.

Im Augenblick ist das größte Problem der Photovoltaik-Industrie, dass es an hochreinem Silizium mangelt, die Basis für die Solarzellen. Seit die Solarindustrie boomt, kann der Bedarf der Hersteller nicht mehr aus der Siliziumproduktion für die Elektronikindustrie gedeckt werden. Eigene Produktionsstätten für Solarsilizium sind im Aufbau. Gleichzeitig werden Dünnschichttechnologien verstärkt weiter entwickelt. Auch neue Möglichkeiten sind gefragt: Die Idee ist, anstelle des teuren, hochreinen Siliziums weniger reines Silizium zu nutzen. Ein Ansatz, der jetzt zusätzlich am ISE verfolgt wird. Ziel ist es, ein schnelles Anwachsen des Markts zu ermöglichen. Weiterer Aspekt: Die Solarindustrie könnte die Kosten deutlich senken.

Prof. Weber hat sich in seiner Zeit in Berkeley weltweit einen Namen gemacht als Materialforscher für Defekte in Silizium und III-V-Halbleitern wie Galliumarsenid und Galliumnitrid. Erkenntnisse aus dieser Zeit bringt er mit und kombiniert sie mit den langjährigen Erfahrungen des ISE in der Entwicklung von leistungsfähigen Solarzellen. Weber ist überzeugt, dass das verunreinigte Silizium sich so manipulieren lässt, dass die darin enthaltenen Metalle unschädlich gemacht werden können – ohne sie komplett entfernen zu müssen. Beispielsweise ist es nicht entscheidend, wie viele Verunreinigungsmetalle das Silizium enthält, sondern wie sie sich verteilen: sind sie auf wenige Stellen konzentriert, haben auch Zellen mit einem hohen Metallgehalt noch eine gute Stromausbeute. Gelänge es, einen solchen Prozess industriell zu etablieren, wäre der bisherige aufwändige Reinigungsprozess des hochreinen Siliziums für die Solarindustrie überflüssig.

Um diese Themen zu bearbeiten und die Fertigungsprozesse zur Marktreife zu bringen, wurde ein umfassendes Projekt gestartet. Unterstützt durch 10 Mio Euro aus Mitteln der Fraunhofer-Gesellschaft will das ISE unterschiedliche Konzepte und Verfahren entwickeln, um leistungsfähige Solarzellen aus verunreinigtem Silizium herzustellen. »Wir wollen zwei Typen von neuen Solarzellen realisieren, die InertCell und die EpiCell. Bei der einen geht es darum, die Verunreinigung unschädlich zu machen, bei der anderen soll eine sehr dünne hochreine Siliziumschicht aufgetragen werden, die als aktive Solarzelle wirkt«, erklärt Prof. Weber. Ein wesentlicher Aspekt innerhalb des Projekts ist, vorhandenes geistiges Eigentum – Intellectual Property IP – zu nutzen und darüber hinaus neue Patentfamilien zu erschließen.

Ein anderes Forschungsthema des ISE wird sein, die Energieausbeute der heute marktüblichen Solarzellen – weit mehr als 90 Prozent basieren auf kristallinem Silizium – zu erhöhen. »Da gibt es verschiedene Forschungsansätze«, so Weber. »Der Weltrekord im Labor steht bei einer Energieausbeute von 24 Prozent. Wir sehen durchaus Möglichkeiten, durch verbesserte Technologie diesen Weltrekord zu steigern. Außerdem wollen wir Prozesserfahrung sammeln, um Siliziumzellen mit höherer Effizienz zu preisgünstigen Konditionen in die industrielle Fertigung zu übertragen.«

Deutschland ist im internationalen Solarmarkt gut aufgestellt – nicht zuletzt dank der Einspeiseverordnung im EEG (Erneuerbare Energien Gesetz). Dies macht die Photovoltaik auch in Deutschland wirtschaftlich lukrativ und ermöglicht der Industrie erstmals in kostengünstigen, großen Mengen zu produzieren. Dass der boomende Solarmarkt in Deutschland Chancen bietet, zeigt ein Beispiel: Q-Cells, die weltweit zweitgrößte Photovoltaik-Firma, ist ein Unternehmen, das erst vor fünf Jahren in Deutschland gegründet wurde. Prof. Weber schließt nicht aus, dass auch aus dem ISE weitere Spin-offs entstehen, die in wenigen Jahren neue Entwicklungen in den Markt bringen.

Quelle:
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
Karin Schneider