Sie feiert in diesem Jahr ihren 65. Geburtstag, gehört aber noch lange nicht aufs Abstellgleis: die Silizium-Solarzelle. Mitte der 1950er-Jahre präsentierte "Bell Laboratories", die ehemalige Forschungsgesellschaft der Telefongesellschaft AT&T, die erste Siliziumzelle mit einem Wirkungsgrad von bescheidenen sechs Prozent. In den darauffolgenden Jahrzehnten vollzog sich eine konstante Evolution: So konnte der Wirkungsgrad bis heute im Labor auf 26,7 Prozent und in der industriellen Produktion bis knapp über 21 Prozent gesteigert werden. Doch damit ist rein physikalisch für Silizium bald – hier ist sich die Forschung einig – das Maximale herausgeholt. Auch die Produktionskosten von Siliziumzellen befinden sich auf einem historischen Tiefstand; die Kosten skalieren in erster Linie mit der zu produzierenden Fläche. Wer die Photovoltaik jetzt noch attraktiver machen möchte, muss also am Output und damit am Wirkungsgrad drehen.
Wir setzen einen drauf
Als besonders erfolgversprechend hat sich die sogenannte Tandemtechnologie erwiesen, wie Dr. Stefan Glunz, Abteilungsleiter Forschung und Entwicklung Solarzellen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, erklärt: "Silizium ist ein erprobtes und robustes Material. Aber es kann nur ein bestimmtes Spektrum des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Deswegen setzen wir einfach auf eine Siliziumzelle noch eine weitere, für Infrarotlicht durchlässige Zelle – die sogenannte Topzelle – drauf. Diese vorgeschaltete Zelle wandelt dann das hochenergetische Licht im blau-grünen Bereich, die Siliziumzelle das längerwellige Licht im roten und infraroten Bereich. Gemeinsam können beide Zellen einen höheren Wirkungsgrad erwirtschaften." Topzellen können als eigene Baugruppe auf existierende Siliziumzellen aufmontiert werden, ebenso gut lassen sich aber die Tandems bereits bei der Fertigung eines neuen Solarmoduls in einem gemeinsamen Gehäuse herstellen.
Kristalle und Halbleiter führen zum Ziel
Für die Energiewandlung in der Topzelle gelten derzeit zwei Materialien als wegweisend: zum einen die 2009 von einem japanischen Forscherteam erstmals für Solarzellen eingesetzten Perowskite, metall-organische Verbindungen mit einer Kristallstruktur, die Sonnenlicht ähnlich effizient in elektrische Energie umwandeln können wie Silizium, aber in einem anderen Wellenbereich des Lichts; zum anderen sogenannte III-V-Verbindungs-Halbleiter, die ihren sperrigen Namen der Tatsache verdanken, dass sie aus Materialien der chemischen Hauptgruppen III (Borgruppe) und V (Stickstoff-Phosphor-Gruppe) zusammengesetzt sind. So wie ein Lautsprecher auch als Mikrofon benutzt werden kann oder ein Elektromotor als Generator, lassen sich auch diese besonderen Halbleiter gewissermaßen bidirektional einsetzen: Man kann mit ihnen Leuchtdioden und Laser herstellen, aber auch Licht in elektrische Energie wandeln.
Perowskitkristalle (Quelle: Dorling Kindersley ltd / Alamy Stock Foto / Harry Taylor)
Die Perowskite haben in den knapp zehn Jahren seit ihrer Entdeckung für die Photovoltaik eine schnelle Entwicklung hingelegt. Die ersten, 2009 an der Toin-University of Yokohama experimentell vorgestellten Perowskit-Prototypen erreichten einen Wirkungsgrad von vier Prozent – und lösten sich noch dazu innerhalb weniger Minuten auf. 2014 gelang es Henry J. Snaith von der University of Oxford, eine nicht nur robustere, sondern mit 15 Prozent auch wesentlich effizientere Tandemzelle herzustellen. 2010 gehörte Snaith zu den Mitgründern des Unternehmens Oxford PV, das auch hierzulande in der Stadt Brandenburg einen Forschungsstandort betreibt. Im Juni 2018 wurden dort Perowskit-Silizium-Tandems mit einem Wirkungsgrad von 27,3 Prozent vorgestellt – und das Rennen geht weiter.
Allerdings sind die Perowskite nicht frei von Startschwierigkeiten, wie Prof. Dr. Rutger Schlatmann, Leiter des Kompetenzzentrums für Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik am Helmholtz-Zentrum Berlin, weiß: "Vorteil der Perowskitzellen ist: Sie sind vergleichsweise günstig in der Herstellung, aber sie sind prinzipiell etwas anfälliger in Bezug auf Feuchtigkeit als die außerordentlich robusten Siliziumzellen, die teilweise 30 und mehr Jahre halten. Außerdem enthalten sie geringe Mengen an Blei, wenn auch weniger als die eingesetzten Siliziumzellen. Das müssen wir noch in den Griff kriegen."
Bessere Wirkungsgrade liefern schon jetzt die III-V-Verbindungs-Halbleiter. Stefan Glunz vom ISE: "Technisch gesehen liegen diese Materialien vorn, weil wir damit heute auf Wirkungsgrade von über 33 Prozent kommen können. Die Technologie selbst ist auch gut beherrschbar. Aber: Die Kosten sind hoch und das ist derzeit die größte Herausforderung."
Sonnige Aussichten?
Der Bedarf an "sauberem" Strom steigt: Er wird nicht nur für die Elektromobilität und private und gewerbliche Abnehmer benötigt, sondern auch zunehmend, wenn es um die CO₂-neutrale Erzeugung von flüssigen und gasförmigen Treibstoffen durch Elektrolyse und andere Verfahren geht. Kein Wunder also, dass in Deutschland intensiv an der Optimierung der Photovoltaik geforscht wird. Auch die deutsche Solarindustrie kann profitieren, selbst wenn sie nach 2011 aufgrund des massiven Preisdrucks und der Anpassungen der politischen Rahmenbedingungen in die Krise geriet und sich die Hauptproduktion mehr und mehr nach Asien verlagerte. Stefan Glunz: "Die Produktions- und Verteillogistik wird künftig eine größere Rolle spielen. Es nützt ja nichts, wenn in Asien derzeit noch billiger produziert werden kann, die Transportkosten das aber wieder auffressen. Es wird also zunehmend interessant, die Solarmodule dort zu bauen, wo sie später auch genutzt werden sollen."
Text: Jochen Reinecke
Im Gespräch mit Prof. Dr. Rutger Schlatmann gibt der Leiter des Kompetenzzentrums für Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik am Helmholtz-Zentrum Berlin weitere Einblicke in den Stand der Forschung.