Sächsische Wissenschaftler, Anlagenbauer und Modulproduzenten arbeiten an neuen Technologien, mit denen Solarstrom kostengünstiger produziert werden kann. Das Ziel ist, in einigen Jahren den Preis von konventionell erzeugtem Strom zu erreichen. 01/2009


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Behutsam gibt Susan Conze eine silanhaltige Flüssigkeit auf ein Glasplättchen. Danach platziert die angehende Chemikerin das Plättchen in einer Zentrifuge, wo sich die Flüssigkeit bei hoher Drehzahl gleichmäßig auf der Glas-Oberfläche verteilt. Nun erhitzt sie das Glasplättchen auf einer Heizfläche stark – bis die Flüssigkeit in einer hauchdünnen, etwas unregelmäßigen Siliziumschicht kristallisiert. Das alles passiert in einer luftdichten Handschuhbox in einem Labor des IKTS Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme in Dresden. Das hier erforschte Spin Coating soll es einmal ermöglichen, Dünnschicht-Solarmodule kostengünstiger als bisher mit dem Halbleiter-Material Silizium zu beschichten. Derzeit erfolgt die Beschichtung, indem gasförmiges Silan mit hohem Technik-, Energie- und Zeitaufwand unter Vakuum auf Glasscheiben gedampft wird. Den größten Forschungsbedarf bei der neuen Methode sieht IKTS-Wissenschaftler Tobias Mayer-Uhma derzeit vor allem noch bei der organischen Flüssigkeit, die das Silan enthält – ein Silizium-Vorprodukt. „Das Silan muss in der Flüssigkeit noch besser aufgelöst werden, damit es sich gleichmäßiger verteilt.“



Fraunhofer-Wissenschaftler erwarten ein starkes Wachstum bei Dünnschicht-Solarmodulen.



Die IKTS-Wissenschaftler sehen bei Dünnschicht-Solarmodulen noch ein größeres Optimierungspotenzial als bei den traditionell verwendeten Modulen aus kristallinem Solarsilizium. Nach ihren Erkenntnissen werden derzeit zwar erst 10 Prozent der Photovoltaik-Module mit Dünnschicht-Technologie hergestellt. Sie trauen dieser Technologie aber ein starkes Wachstum zu. Denn sie nehmen an, dass die so produzierten Fotovoltaik-Module schon Ende 2010 den Sonnenstrom zu gleichen Kosten erzeugen können wie konventionelle Kraftwerke – also die so genannte „Netzparität“ erreichen. Dabei stützen sie sich auf Aussagen des in Frankfurt/Oder ansässigen Herstellers First Solar, dessen Dünnschicht-Solarmodule mit dem Halbleitermaterial Cadmium-Tellurid als sehr effizient gelten. Sie sollen bis zu zehn Prozent der einfallenden Sonnenenergie in Strom umwandeln können.


Etwas konservativer ist in dieser Hinsicht die im sächsischen Mochau ansässige Signet Solar GmbH. Sie hat die Produktion von Dünnschicht-Solarmodulen auf Siliziumbasis im Jahr 2008 aufgenommen und will einen Wirkungsgrad von zehn und mehr Prozent erst in den nächsten Jahren erreichen. Matthias Gerhardt, Manager Business Development Europe, rechnet damit, dass die von Signet produzierten Solarmodule im Jahr 2010 den Strom zu vergleichbaren Kosten liefern können wie „Backup Power“ - beispielsweise Dieselgeneratoren, die beim Ausfall des Stromnetzes anspringen. Mit der Netzparität rechnet er 2011 oder 2012. Als Möglichkeiten zur Kostensenkung sieht er, immer größere Modulflächen herzustellen und gleichzeitig Größenvorteile durch Massenfertigung zu erschließen.


Ähnlich denkt Robin Schild, Ceo des Dresdner Anlagenbauers Von Ardenne Anlagentechnik GmbH: „Wir sehen, dass noch große Kostensenkungs-Potenziale bei der Dünnschicht-Technologie möglich sind.“ Kürzere Taktzeiten für die einzelnen Prozess-Schritte und höhere Abscheide-Raten bei der Beschichtung nennt er als Beispiele. Von Ardenne geht auch den Weg größerer Module mit: Gerade erst hat das Unternehmen mit der Produktion von Beschichtungsanlagen begonnen, die eineinhalb Quadratmeter große Dünnschicht-Photovoltaikmodule herstellen können. „Jetzt wollen wir sehen, wie unsere Kunden das annehmen“, sagt Schild. Der nächste mögliche Schritt wären sechs Quadratmeter große Module. Von Ardenne hat auch schon Erfahrungen mit dem so genannten Jumbo-Format: Für die Beschichtung von Architekturglas baut das Unternehmen bereits Anlagen, die bis zu 20 Quadratmeter große Glasflächen beschichten können. Schild erwartet auch bei den konventionellen Solar-Siliziumzellen noch Kostensenkungs-Potenziale.


An Möglichkeiten dafür forscht beipielsweise das IKTS. Eines der Projekte ist, neue Tinten und Pasten für die stromleitenden Frontkontakte der Silizium-Solarzellen zu entwickeln. Die derzeit verwendeten Tinten und Pasten enthalten hohe Anteile an Silber-Partikeln, die nun teilweise durch kostengünstigere, silberbeschichtete Aluminium- oder Kupferpartikel ersetzt werden sollen. Auch den Prozess-Schritt, in dem diese Leitbahnen auf die Solarzellen aufgebracht werden, bezeichnet IKTS-Gruppenleiter Uwe Partsch als „Flaschenhals“ bei der Fertigung. Derzeit erfolgt dies im klassischen Siebdruck, danach werden die Leitbahnen in die Oberfläche der Zelle eingebrannt. „Wir streben eine höhere Energieeffizienz durch Optimierung der Siebdruck-Technik an“, sagte Partsch. Gleichzeitig arbeitet das IKTS an neuen, berührungslosen Abscheideverfahren wie Inkjet- und Aerosoldruck. Sie sollen die Geschwindigkeit steigern und feinere Strukturen der Leitbahnen ermöglichen. Letzteres würde es ermöglichen, dass die Kontakte einen kleineren Teil der Zellenoberfläche bedecken und so für eine höhere Stromausbeute sorgen. Derzeit sind die Linien 125 Mikrometer breit, Partsch strebt in zwei bis drei Jahren weniger als 50 Mikrometer an. Die berührungslose Drucktechnik wäre auch für die bruchfreie Verarbeitung dünnerer, materialsparender Siliziumplatten geeignet.



Wenn Solarstrom soviel kostet wie Strom aus der Steckdose, wird die Nachfrage unendlich.


Die Kostensenkungen durch verbesserte Materialien und Produktionsprozesse bei der Herstellung von kristallinen Silizium-Solarmodulen und die gleichzeitige Verteuerung des konvetionell erzeugten Stroms können nach Ansicht der IKTS-Wissenschaftler eine „Netzparität“ für diese Form von Solarmodulen ab 2015 ermöglichen. Noch optimistischer in dieser Hinsicht ist Frank Asbeck, Ceo der Solar World AG, die mit ihrem Tochterunternehmen Deutsche Solar AG im sächsischen Freiberg Siliziumwafer, Solarzellen und -module produziert. „Die Solarzelle läuft in vier Jahren auf die Netzparität zu“, ist er überzeugt. In den USA erwartet Asbeck dies sogar schon im Jahr 2009 – und einen entsprechenden Wachstumsschub für die Fotovoltaik-Industrie. „Wenn wir den Preis für den Strom aus der Steckdose getroffen haben, ist die Nachfrage unendlich“, glaubt der Manager, der dabei ausschließlich auf die kristalline Silizumtechnik setzt. „Wir glauben nicht an die Dünnschicht-Technologie“, erklärte Asbeck.


Eine differenziertere Sichtweise vertritt Bernd Rau, Senior Vice President Research & Development beim Anlagenbauer Roth & Rau AG in Hohenstein-Ernstthal. Er geht davon aus, dass die kristallinen Silizium-Solarzellen in den nächsten zwei Jahren ihren Wirkungsgrad von derzeit 16 Prozent auf 20 Prozent steigern können. Prinzipiell sind seiner Ansicht nach sogar 25 Prozent möglich. Weitere Wirkungsgrad-Steigerungen erwartet er von neuartigen „Hetero-Zellen“, denen er bis zu 50 Prozent zutraut. „Dabei werden Dünnschicht-Zellen mit kristallinen Zellen verheiratet“, deutet Rau an. „Es ist aber noch ein langer Weg, bis das in der Massenproduktion möglich ist.“ An den Beschichtungstechnologien, die zur Produktion solcher Zellen nötig sind, arbeitet Roth & Rau bereits in seinem gut gehüteten Technikum. Seinen Kunden in der Solarindustrie verspricht Rau dabei, dass sie nicht ihre gesamten Fertigungsstrecken erneuern müssen. „Wir wollen eine Modularität der Technik erreichen. Unsere Kunden brauchen dann nur einzelne Anlagenteile auszutauschen, um neuartige Solarzellen herstellen zu können.“ In der weiteren Zukunft hält Rau es auch für möglich, dass speziell optimierte Solarzellen für die unterschiedlichen Lichtverhältnisse in Mittel- und Südeuropa entwickelt werden.

 

 







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