Innovationen: Diese vier Entwicklungen sollen die Solarenergie revolutionieren

Innovationen: Diese vier Entwicklungen sollen die Solarenergie revolutionieren

von Wolfgang Kempkens

Bei der Solartechnik gibt es keine Fortschritte? Weit gefehlt!

Von der einst so hochgelobten Solarindustrie in Deutschland ist nur ein Häufchen Elend verblieben. Einzig das Unternehmen Solarworld spielt auf dem Markt noch eine Rolle. Der Grund: Chinesische Hersteller fertigen die Sonnenkraftwerke sehr viel günstiger als ihre deutsche Konkurrenz.

Neuartige Solarzellen, die nicht so leicht nachzubauen und nicht so preiswert zu fertigen sind, könnten die Konkurrenzfähigkeit künftig aber wieder herstellen. Ein Beispiel, dass das gelingen kann sind Konzentrator-Solarzellen. Diese Hightech-Zellen sind nur wenige Quadratmillimeter groß und bestehen aus besonders teuren, aber effektiven Werkstoffen wie Galliumarsenid. Linsen werfen das Sonnenlicht hoch konzentriert auf die kleinen Flächen.

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Damit erreichen die Hersteller, beispielsweise das in Freiburg angesiedelte französische Unternehmen Soitec Solar, Rekordwirkungsgrade von rund 40 Prozent – beinahe den doppelten Wert im Vergleich zu herkömmlichen Zellen also. Ein erstes Konzentrator-Kraftwerk entsteht derzeit in China. Der Nachteil der Technik ist allerdings: der Himmel muss absolut wolkenlos sein, sodass optimal Strom generiert wird. Und das ist meist nur in Wüstengebieten der Fall.

Das ist aber nicht die einzige High-Tech-Entwicklung, mit der Unternehmen und Forscher die Billigkonkurrenz aus China angreifen wollen. Wir stellen vier spannende Innovationen vor:

Kraftwerk aus dem DruckerVon einer Rekordeffizienz wie aus dem Hause Soitec können andere nur träumen, etwa die Fotovoltaikexperten des Forschungszentrums Jülich und des Chemieriesen Evonik. Sie haben eine Solarzelle entwickelt, die einen Wirkungsgrad von 3,5 Prozent hat, der sich allerdings auf sechs Prozent steigern lässt, wie sie erwarten. Auch das ist nicht viel.

Doch die Entwickler punkten mit einem anderen Argument. Zellen dieser Art lassen sich mit einem Druckverfahren und damit sehr kostengünstig herstellen. Außerdem enthalten sie nur winzige Mengen an teurem Silizium, und es entfallen die hohen Materialverluste beim Sägen von Siliziumblöcken in dünne Scheiben. Aus diesen Wafern entstehen in einem mehrstufigen Prozess, der noch einmal eine Menge Energie verbraucht und damit teuer ist, herkömmliche Zellen.

Ausgangsmaterial des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung und der strategischen Forschung (CREAVIS) von Evonik ist eine flüssige Siliziumverbindung, über deren genaue Zusammensetzung die Partner allerdings schweigen. Diese wird von einer Art Tintenstrahldrucker abgegeben. Die aus dem Druckverfahren resultierende Schicht ist nur ein paar 100 Nanometer dick (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). Mit einem ebenfalls geheim gehaltenen Verfahren verwandeln die Forscher die chemische Verbindung anschließend in Silizium. Fertig ist das Herzstück einer Dünnschichtzelle.

Bisher werden solche Zellen hergestellt, indem Siliziumdampf auf einer Unterlage abgeschieden wird. Das geschieht in einer Vakuumkammer. Der Prozess ist zeitaufwändig und damit teuer. Außerdem sind hohe Investitionen in die Anlagentechnik nötig.

Anfangs hatten die Forscher Probleme, einen gleichmäßigen Film zu erzeugen. Immer wieder entstanden Löcher oder Risse, die den ohnehin bescheidenen Wirkungsgrad weiter reduzierten. Mit vorläufig 3,5 Prozent steigerten sie den Wirkungsgrad immerhin auf das Siebenfache, verglichen mit den Anfängen dieser Technik, sagt der Jülicher Wissenschaftler Torsten Bronger.

Billigsolarzelle aus PerowskitenFlüssig ist auch das Ausgangsmaterial bei Perowskit-Solarzellen. Diese aussichtsreiche Technologie entwickeln Forscher in Europa und den USA. Michael Grätzel, Chemieprofessor an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, gelang es, im Labor eine Zelle mit einem Wirkungsgrad von 15 Prozent herzustellen. Damit zog er mit Henry Snaith gleich, Physiker an der Oxford University, der eine ähnliche Technik verfolgt. Forscher des renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge in den USA melden sogar einen Wirkungsgrad von 19 Prozent für ihre Perowskit-Solarzellen.

Perowskite sind Mineralien mit einer speziellen Kristallstruktur. Zu dieser Materialfamilie gehört Calciumtitanat, das mit Spuren von Blei versetzt ist. Erst vor fünf Jahren entdeckte Tsutomu Miyasaka von der Universität Tokio, dass dieses Material die Fähigkeit hat, höchst effektiv Photonen, also Lichtteilchen einzufangen. Eine ein Mikrometer dicke Schicht sammelt ebenso viel Licht wie eine 180 mal dickere Siliziumschicht.

Aldo Di Carlo von der Universität Tor Vergata in Rom hat derartige Zellen wiederum mit einem Wirkungsgrad von nur fünf Prozent hergestellt – allerdings nicht, wie die Rekordhalter in Europa und USA, im Labor, sondern in einem industrietauglichen Prozess. Per Drucker trägt er eine Flüssigkeit auf eine Unterlage auf, die Perowskit-Kristalle enthält. Alle fotovoltaisch aktiven Schichten druckt Di Carlo übereinander. Die fertigen Zellen sind so dünn wie ein Blatt Papier. Di Carlo schätzt, dass mit seiner Entwicklung die Produktionskosten um 80 Prozent sinken können, verglichen mit denen für konventionelle Siliziumzellen.

Die MIT-Professorinnen Angela M. Belcher und Paula T. Hammond wollen Perowskit-Kristalle wiederum künstlich herstellen und dazu Blei aus alten Autobatterien verwenden. Die würden, wenn sich der Siegeszug der Lithium-Ionen-Akkus fortsetzt, in Autos bald nicht mehr gebraucht. In den USA müssten dann bis zu 200 Millionen Bleibatterien entsorgt werden. Aus dem Blei eines einzigen Akkus, so rechnen sie vor, lassen sich Perowskit-Zellen für die Versorgung von 30 US-Haushalten produzieren.

Transparente SolarzellenDrucken ist auch die Technik für die Produktion von organischen Solarzellen. Sie bestehen aus modifiziertem Kunststoff, sind flexibel und damit fast beliebig formbar, auf Wunsch auch nahezu transparent (siehe Aufmacherbild). Zellen dieser Art sind besonders einfach und billig herzustellen. Sie werden auf ein kontinuierlich durch die Maschine laufendes Kunststoffband gedruckt, wie die Tageszeitung auf Papier. Aus den dabei entstehenden Strom erzeugenden Folien entstehen beispielsweise Energiebäume, die den deutschen Pavillon bei der Weltausstellung 2015 in Mailand schmücken.

Das Dresdner Unternehmen Heliatek hält mit einem Wirkungsgrad von zwölf Prozent den Weltrekord bei organischen Solarzellen. Deutlich geringer wird er sein, wenn 2015 die industrielle Fertigung beginnt. Im Labor lässt sich meist mehr herauskitzeln als in Industrieprozessen, bei denen es auf Mengen und Schnelligkeit ankommt. Heliatek setzt allerdings nicht auf das Druckverfahren, sondern auf eine Abscheidung der elektrisch aktiven Schichten im Vakuum. Letzteres produziert derzeit noch die besseren Ergebnisse.

Solarzelle für die WärmeproduktionNoch weit weg von der kommerziellen Anwendung ist eine aktuelle Entwicklung von Forschern des MIT und der Harvard Universität. Die Wissenschaftler haben entdeckt, dass ein Material namens Azobenzol in Verbindung mit anderen Stoffen photochemische Eigenschaften besitzt, also unter Sonneneinstrahlung seine chemische Struktur verändert.

Wird in einem zweiten Schritt Strom, Licht oder Hitze an das Material angelegt, gibt es die Hitze wieder ab. Der Wärmespeicher, der ähnlich einer Batterie funtkioniert, hätte aller Wahrscheinlichkeit nach eine flüssige Form, wie der an der Entwicklung beteiligte Forscher Timothy Kucharski dem Magazin The Atlantic sagte. Mit der Entwicklung ließe sich zum Beispiel Wasser auch Abends mit der während des Tages gespeicherten Sonnenenergie erwärmen.

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