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Potenzial neuer Photovoltaikkonzepte und -materialien

an Prof. Dr. Michael Powalla, Mitglied des Vorstands und Leiter des Geschäftsbereichs Photovoltaik am Zentrum für Sonnenenergie‐ und Wasserstoff‐Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

Prof. Dr. Michael Powalla: "Perovskit-CIGS-Tandemsolarzellen bieten mittelfristig ein ganz besonderes Potenzial". Sieben Fragen zum Potenzial neuer Photovoltaikkonzepte und -materialien an Prof. Dr. Michael Powalla, Mitglied des Vorstands und Leiter des Geschäftsbereichs Photovoltaik am Zentrum für Sonnenenergie‐ und Wasserstoff‐Forschung Baden-Württemberg (ZSW).


Professor Powalla, worauf gründet sich prinzipiell eine hohe Effizienz bei kristallinen Solarzellen beziehungsweise -modulen?

Silizium ist als Halbleitermaterial aufgrund der Verwendung in der Mikroelektronik physikalisch sehr gut verstanden. Es existiert eine sehr reife und weit entwickelte Prozesstechnologie, um Silizium technologisch zu beherrschen. Das beginnt bei der Aufreinigung des Ausgangsmaterials, der Halbleiterreinheit, geht weiter in der Kristallzucht und endet in sehr ausgereiften Verfahren zur Herstellung der eigentlichen Solarzellen. Mittlerweile hat sich ein Skaleneffekt eingestellt, der durch eine gewisse Größenordnung eine Kosteneffizienz erzeugt und die Optimierung spezieller Produkte für Solarzellen ermöglicht, zum Beispiel der Druckpasten.

 

Wo sehen Sie Möglichkeiten für weitere Effizienzsteigerungen?

Betrachtet man die kristallinen Siliziumsolarzellen, so gibt es wenig Steigerungspotenzial, wenn man alleine die Materialphysik betrachtet. Durch komplexere Zelltechnologie kann man hingegen weitere Effizienzverbesserungen erreichen. Mehr und sicherlich aussichtsreichere Möglichkeiten sehe ich im Modul, wo eine Effizienzsteigerung leichter umgesetzt werden kann. Aber man ist von der theoretisch erreichbaren maximalen Effizienz nicht mehr allzu weit entfernt.

Effizienz ist nicht das einzige Optimierungskriterium, sondern ebenso die Stromentstehungskosten. Sie hängen nicht nur von der Effizienz ab, sondern maßgeblich vom Gesamtertrag der Anlage. Insbesondere bei der Zelle und beim Modul sind es die Eigenschaften im Teillastbereich, die spektral oder winkelabhängigen Eigenschaften des Moduls, der Temperaturkoeffizient, die den „Rechnungsbetrag“ schlussendlich beeinflussen. In gleicher Weise ist eine effiziente und zuverlässige Systemtechnik sehr entscheidend.

 

Welche Wirkungsgrade lassen sich damit nicht nur theoretisch, sondern praktisch erreichen?

Das theoretische, thermodynamische Limit, das mit einer kristallinen Siliziumzelle nicht überschritten werden kann, resultiert aus einer unvollständigen Nutzung des Sonnenspektrums sowie aus unvermeidbaren physikalischen Verlustprozessen, wie die strahlende Rekombination und die Auger-Rekombination. Für eine einzelne Siliziumzelle würde man bezogen auf terrestrische Solarstrahlung ohne Lichtkonzentration auf einen praktischen Wert von ca. 28,5 Prozent Wirkungsgrad kommen.

 

Perovskitsolarzellen und Halbzellen sind derzeit ein großes Thema, wenn es um Effizienzsteigerungen geht. Worin liegen Vor- und Nachteile?

Bei Perovskitsolarzellen und Halbzellen handelt es sich um zwei völlig verschiedene Dinge. Perosvkitsolarzellen haben in den vergangenen fünf Jahren eine unglaubliche Entwicklung durchlaufen. Meines Erachtens gibt es kein Material, das jemals solch eine hohe Effizienzsteigerungsrate pro Jahr gezeigt hat. Bei Kleinstzellen lassen sich extrem hohe Wirkungsgrade von 23 Prozent ausmachen, worin eindeutig der Vorteil dieser Zellen liegt. Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass man aus Perovskitsolarzellen relativ einfach Zellen mit einem hohen Bandabstand erzeugen und diese semitransparenten Zellen dann als Tandempartner für Siliziumzellen oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-(CIGS)-Zellen verwenden kann. Im Vergleich zu Siliziumzellen sind Perovskite relativ günstig und einfach herzustellen.

Was die Perovskitzellen betrifft, befinden wir uns im Laborentwicklungsstand. Die höchsten Wirkungsgrade erreichen wir momentan im Quadratmillimeterbereich beziehungsweise im Subquadratzentimeterbereich. Höhere Skalierungen wurden noch nicht erreicht. So lassen sich keine verlässlichen Aussagen über Stabilität und langanhaltende Effizienz machen. Der Einsatz von toxischen Materialien, die allerdings auch ersetzt werden können, ist ebenso nicht gerade ein Fürsprecher für Perovskite. Allerdings arbeitet die Forschung an erfolgversprechenden Lösungen.

Bei Halbzellen werden Siliziumwafer halbiert und dann seriell verschaltet. Das bringt den Vorteil, dass man die elektrische Stromdichte klein hält und somit weniger Ohmsche Verluste erzeugt, was sich positiv auf den Modulwirkungsgrad auswirkt. Ich sehe noch deutliches Entwicklungspotenzial im Modul. Ein Nachteil dieser Technologie ist zweifelsohne, dass man die Zellen eben halbieren muss. Das birgt ein potenzielles Risiko, weil Brüche und Kurzschlüsse an der Schnittstelle entstehen können. Zudem sind mehr Lötverbindungen notwendig, was die Fehleranfälligkeit eher fördert und zusätzliche Kosten erzeugt. Automatisierung kann sicherlich die Anfälligkeit stark senken. Neben den Halbzellen sind aber auch rückseitensensitive Zellen, sogenannte bifaziale Zellen, eine Möglichkeit, höhere Erträge zu erwirtschaften.

 

Welche Bedeutung messen Sie Mehrfachsolarzellen künftig bei?

Der Entwicklung sogenannter Tandemsolarzellen beziehungsweise Multispektralzellen würde ich ein großes Potenzial beimessen. Perovskitsolarzellen lassen sich sehr gut mit Silizium- oder CIGS-Zellen kombinieren, womit der Wirkungsgrad nochmals deutlich gesteigert werden kann.  Gerade die Steigerung der Wirkungsgrade ist so wichtig, weil sie die Gesamtkosten, die sich bei gleichzeitiger Einsparung von Fläche, Kabel, Arbeitszeit etc. ergeben, massiv beeinflusst. Dazu muss aber eine technologische Reife und Stabilität nachgewiesen sein sowie ein Praxistest unter Realbedingungen bestanden werden.

 

Welche Ansätze bieten bei der Dünnschichttechnologie aus Ihrer Sicht ein besonders großes Potenzial?

Aus meiner Sicht haben CIGS-Technologie, Cadmiumtellurid-(CdTe)-Technologie und die Perovskit-Technologie ein ganz hohes Potenzial bezüglich niedriger Stromentstehungskosten. Ein ganz besonderes Potenzial würde ich mittelfristig der Perovskit-CIGS-Tandemsolarzelle zuschreiben wollen. Die Hochskalierung der CIGS-Technologie entwickelt sich gerade besonders rasant. Es werden in Kürze neue Produktionsstätten in Betrieb genommen, sodass man in naher Zukunft hocheffiziente und kostengünstige Module auf dem Markt sehen wird, die sowohl für den Energiemarkt als auch für die Gebäudeintegration wettbewerbsfähige Lösungen bieten werden. Ebenso haben diese Technologien deutlich geringere Energieamortisationszeiten als konventionelle Silizium-Module.

 

Das eine ist die Entwicklung effizienter Zellenkonzepte, das andere, sie in ein Produktionsverfahren zu überführen. Worauf kommt es dabei an?

Zunächst müssen im Labor robuste Prozesse entwickelt werden, deren Prozessfenster eine Hochskalierung auf große Flächen erlauben. Dann kommt es auf Produktivitätsparameter an, die man erreichen muss, wie etwa Anlagendurchsatz, Ausbeute oder Materialkosten. Das geht nur mit einem gewissen Automatisierungsgrad. Hier kann man sicherlich Konzepte, wie sie in der Industrie 4.0 angedacht sind, weiterentwickeln und nutzen. Was das Know-how in Deutschland und besonders in Baden-Württemberg anbelangt, etwa im Maschinenbau, so glaube ich, dass wir einen großen und wichtigen Beitrag zur industriellen Reife und letztlich zur Weltproduktion leisten können.

 

Aussteller Intersolar Europe 2019 - Sollarzellen und Module