Photovoltaik ist neben Windkraft die zentrale Säule der Energiewende, günstiger als mit Sonne lässt sich heute kein Strom erzeugen. Das ist vor allem der rasanten technologischen Entwicklung in den vergangenen Jahrzehnten zu verdanken. Durch die die Kosten um mehr als 90 Prozent gefallen sind und der Wirkungsgrad der Solarmodule erheblich gestiegen ist.
Dank der schnellen Entwicklung im Bereich der Photovoltaik können heute Kraftwerke gebaut werden. Die – an sonnigen Standorten – Solarstrom für weniger als zwei Cent pro Kilowattstunde liefern. Die Aussichten, dass die Kosten weiter sinken, sind gut. Denn das Potenzial der Technologie ist noch längst nicht ausgeschöpft. Vor allem am Design der Solarzellen und bei den verwendeten Halbleitermaterialien wird dazu in Laboren weltweit geforscht. Eines der führenden Institutionen ist dabei das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Es hält zahlreiche Wirkungsgrad-Weltrekorde für unterschiedliche Photovoltaik-Technologien. Zum Beispiel für beidseitig kontaktierte Silizium-Solarzellen (26 Prozent) oder für Tandemzellen auf Silizium (35,9 Prozent).
Auf der Jagd nach höheren Wirkungsgraden
Solarzellen aus kristallinem Silizium dominieren mit einem Anteil von über 90 Prozent den Photovoltaik-Weltmarkt. Die bisherigen Rekordwirkungsgrade um 26 Prozent wurden mit Solarzellen im IBC-Design (interdigitated back contact) erreicht. Also Solarzellen mit beiden Metallkontakten auf der Rückseite. Als Industriestandard haben sich jedoch beidseitig kontaktierte Solarzellen herauskristallisiert. Die aufgrund ihrer geringeren Komplexität die bevorzugte Wahl in der industriellen Produktion sind. Professor Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik-Forschung am Fraunhofer ISE, und sein Team von Solarzellenforschern erreichten mit einem neuen Ansatz nun auch für die beidseitige Kontaktierung ähnlich hohe Wirkungsgrade wie bei IBC-Zellen. „Beidseitig kontaktierte Solarzellen haben das Potenzial für Wirkungsgrade bis zu 27 Prozent und sind damit auch geeignet, den bisherigen Weltrekord für Silizium-Solarzellen zu übertreffen“, erklärt Professor Glunz.
Energie aus mehreren Schichten
Deutlich verstärken lässt sich der Wirkungsgrad, wenn verschiedene Halbleitermaterialien übereinandergeschichtet werden. Bei diesen sogenannten Tandemsolarzellen wird durch die unterschiedliche Absorption der einzelnen Materialien das Sonnenspektrum noch effizienter für die Energiegewinnung genutzt. „III-V-Halbleitermaterialien auf Silizium ist einer unserer Ansätze, um über Tandem-Strukturen – also die Verbindung unterschiedlicher leistungsstarker Materialien – zu noch höheren Solarzellen-Wirkungsgraden zu kommen“, sagt Professor Andreas Bett, Leiter des ISE. „Es wird zwar noch ein paar Jahre dauern, bis Module aus dieser Solarzelle auf dem Markt verfügbar sind, aber mit Blick auf den notwendigen Ausbau der Photovoltaik für eine nachhaltige Energieversorgung ist dies ein wichtiger zukunftsweisender Pfad.“
Mehr Effizienz durch einfachere Produktion in der Photovoltaik
Ein anderes Material, auf das die Photovoltaik-Branche viel Hoffnung setzt, sind Perowskite. Dieses Halbleitermaterial erreicht inzwischen – im Labor – mit bis zu 25,2 Prozent ähnliche Wirkungsgrade wie Silizium-Solarzellen. Was Perowskite aber besonders interessant macht, ist ihre Herstellung. Im Gegensatz zu siliziumbasierten Elementen, die schwer sind und hohe Temperaturen in der Herstellung benötigen, sind Perowskit-Bauteile leicht und lassen sich mit einem viel geringeren Energieeinsatz fertigen. Zudem basieren sie auf kostengünstigen und reichlich vorhandenen Rohstoffen.
Darüber hinaus können Perowskit-Solarmodule sowohl starr oder flexibel als auch undurchsichtig oder halbtransparent sein. Dies ermöglicht ein breites Spektrum an Anwendungen. Denkbar sind Perowskit-Module, die zum Beispiel in Fenstern, Dachziegeln, Fassaden, Straßen oder Autodächern integriert sind. Zusätzlich können halbtransparente Perowskit-Zellen auch mit herkömmlichen Solarzellen zu einem Tandem-Solarmodul kombiniert werden. Und so den Gesamtwirkungsgrad auf neue Rekordwerte steigern. Solliance Solar Research erreichte damit bereits Wirkungsgrade von 28,7 Prozent. Solliance Solar Research ist eine Partnerschaft von Forschungsinstituten und Universitäten aus den Niederlanden, Belgien und Deutschland.
Systemkosten reduzieren
Doch nicht nur das Halbleitermaterial der Solarzelle spielt eine wichtige Rolle bei der Effizienz von Photovoltaikanlagen, auch die Leistungselektronik kann entscheidend dazu beitragen, dass der Gesamtwirkungsgrad steigt. Insbesondere Wide-Bandgap-Leitungselektronik wird dabei eine wichtige Rolle spielen. Denn im Vergleich zu herkömmlichen siliziumbasierten Halbleiterbauelementen führen Galliumnitrid (GaN-) und Siliziumcarbid (SiC-)Halbleitermaterialien zu kleineren, schnelleren und zuverlässigeren Energiesystemen, die zudem effektiver arbeiten. Tatsächlich können diese Halbleiter etwa 90 Prozent der Energieverluste bei der Leistungsumwandlung vermeiden.
So weisen Photovoltaik-Wechselrichter mit SiC-Leistungselektronik wesentlich geringere Schaltverluste auf und erhöhen den Systemwirkungsgrad. „Siliziumcarbid ermöglicht es uns, die Wechselrichter kompakt, leistungsstark und zuverlässig zu bauen“, so Sven Bremicker, Head of Technology Development Center bei SMA, einem führenden Spezialisten für Photovoltaik-Systemtechnik. „Aufgrund des kompakten Designs sind die Wechselrichter deutlich einfacher zu transportieren und wesentlich schneller zu installieren.“
Europäische Photovoltaik-Industrie im Aufwind
Während bei der Forschung und Entwicklung für Solarzellen und -module Deutschland und Europa nach wie vor führend sind, hatte sich die Produktion in den letzten zehn Jahren nach Asien verlagert. Dies beginnt sich zu verändern, da Parameter wie zum Beispiel der Anteil der Transportkosten für importierte Module, aber auch nachhaltige Produktionskriterien, heute anders ins Gewicht fallen als noch vor wenigen Jahren. Angesichts der heutigen Fertigungskosten von weniger als 20 Eurocent pro Watt Peak steigt der Anteil der Transportkosten für Module, ebenso wie für Teilkomponenten, und beträgt inzwischen nahezu zehn Prozent. Damit ist eine regionale Produktion nahe am Zielmarkt in Europa wieder wirtschaftlich möglich.