Mit Lichtbündeln auf Stapelzellen

Drastischer Ausbau der Forschungen zur Solarenergie: Mit dieser Forderung wandten sich 15 Nobelpreisträger auf ihrem Treffen in Potsdam vor zwei Wochen an die Weltöffentlichkeit. Statt in neue Atomreaktoren oder die künstliche Kernfusion zu investieren, forderten sie Großprogramme für die Photovoltaik, also für Strom aus Sonnenlicht. Zhores Alferov, Nobelpreisträger für Physik des Jahres 2000, legte Ende vergangener Woche in Berlin nach: „Wir benötigen etwas vergleichbares wie das Manhattan-Projekt oder das Apollo-Programm“, sagte er bei einem Vortrag an der Technischen Universität. „Wir brauchen nicht Milliarden Euro in die Kernfusionsforschung zu stecken, deren Ergebnisse vielleicht in fünfzig Jahren vorliegen.“ Alferov ist Chef des renommierten Joffe-Instituts für Energietechnik in Sankt Petersburg. Er sprach auf einem Festkolloquium zu Ehren von Klaus Thiessen, dem 80-jährigen Doyen der ostdeutschen Siliziumforschung. Seit zehn Jahren ist Thiessen einer der wichtigsten Motoren der Solarforschung in Berlin-Adlershof.

Sonnenenergie effizient nutzbar

Alferov ließ bei seinem Blitzbesuch an der TU auf ungewohnt scharfe Weise erkennen, dass er die Atomkraft für ein Auslaufmodell hält. „Die Uranvorräte gehen zur Neige, deswegen hat die Atomenergie keine Zukunft“, rechnete er vor. „Alle anderen Energieträger auf der Erde stammen von der Sonne: Kohle, Erdöl und Biomasse. Die Solarforschung ist jetzt an einem Punkt angelangt, dass wir die Sonnenenergie effizient nutzen können.“ Vor allem zwei neue Technologien werden in den kommenden Jahren die breite Anwendung der Photovoltaik unterstützen: die Konzentratorzellen und sogenannte III-V-Stapelzellen. Gleichzeitig steht die Dünnschichttechnologie vor der massenhaften Einführung, in Deutschland.

Ursprünglich wurden Solarzellen für die Raumfahrt entwickelt, aus reinem, einkristallinem Silizium. Dieser Halbleiter hat die Eigenschaft, dass ein Teil der einfallenden Lichtenergie im Material in Strom umgewandelt wird. Die Energie der Photonen (Lichtteilchen) helfen den Elektronen sprichwörtlich auf die Sprünge. Allerdings nutzt Silizium nur einen Teil des Sonnenlichts aus, denn der photoelektrische Effekt ist von der Energie der Photonen, also ihrer Frequenz und Wellenlänge abhängig.

40 Prozent Wirkungsgrad möglich

Monokristalline Solarzellen erreichen gegenwärtig einen Wirkungsgrad von ungefähr 20 bis 25 Prozent, sie beuten also ein Fünftel bis ein Viertel der Lichtenergie aus. Dünnschichtzellen nutzen denselben Effekt in hauchfeinen Schichten aus vielkörnigem Silizium oder sogenannten Verbindungshalbleitern aus. Dazu zählen beispielsweise Cadmiumtellurid oder Kupfer-Indium-Schwefel-Verbindungen. Diese am Berliner Hahn-Meitner-Institut entwickelte Technologie erlaubt es, die solar aktiven Schichten großflächig auf Industrieglas abzuscheiden. Damit machen die Dünnschichtmodule den Nachteil wett, dass ihr Wirkungsgrad bislang kaum über elf Prozent hinauskommt. Für die Siliziumzellen und die Dünnschichtzellen sieht Alferov eine theoretische Grenze von ungefähr 28 bis 30 Prozent Wirkungsgrad, der bis etwa 2020 erreicht wird.

Alferov sieht die Zukunft vor allem in Zellen, die das Sonnenlicht in konzentrierter Form aufnehmen. Den Halbleiterschichten sind Fresnel-Linsen vorgeschaltet, die das Licht hundertfach bündeln.

Fresnel-Linsen haben die Eigenschaft, das Licht aus einem großen Winkel in einem Punkt zu sammeln. Die zentrale Linse wird von mehreren nach außen anschließenden, etwa gleich starken ringförmigen Zonen umschlossen, deren Krümmungsradien so gewählt sind, dass die Brennpunkte aller Zonen zusammenfallen. „Natürlich sind solche Zellen durch die Optik viel teurer als normale Siliziumzellen oder Dünnschichttechnik“, sagte Alferov. „Aber sie erreichen einen deutlich höheren Wirkungsgrad.“ Im Sommer hatte ein Forschungsteam der Boeing Spectrolabs in den USA einen neuen Rekord erreicht: vierzig Prozent Lichtausbeute. Der Russe erwartet, dass der Wirkungsgrad bis 2020 auf 45 Grad gesteigert werden kann. „Entscheidend wird sein, die Kosten zur Herstellung solcher Zellen zu senken“, sagte er. Derzeit verändere sich die Technologie dramatisch. Vor wenigen Jahren waren die Linsen noch tellergroß, oft als Einzelstücke gearbeitet. „Der Trend geht hin zu flachen, flexiblen Fresnel-Linsen von einem bis anderthalb Millimeter Durchmesser mit mehr als 90 Prozent Lichtdurchlässigkeit. Sie erlauben sehr kleine, nur wenige Zentimeter dicke Zellen mit sehr hohen Leistungen.“

Stapelverarbeitung

Außerdem spielen die sogenannten III-V-Halbleiter eine zunehmende Rolle, denn anders als Silizium heizen sie sich nicht so stark auf und decken ein breiteres Spektrum an ausbeutbarem Licht ab. Dieser Halbleiter besteht aus Elementen der dritten und der fünften Hauptgruppe des Periodensystems. Die ersten Solarzellen beispielsweise aus Galliumarsenid wurden Ende der 60er Jahre am Joffe-Institut entwickelt. Sie kamen in den russischen Raumstationen „Salut“ und „Mir“ zum Einsatz. Die Station „Mir“, die 1986 in den Orbit stieg, verfügte über eine Solarfläche von 70 Quadratmetern. „Die III-V-Halbleiter erwiesen sich auch als beständiger gegen die Strahlung aus dem Weltraum“, resümierte Alferov.

Einen Halbleiter, der das gesamte Spektrum des Sonnenlichts von Infrarot bis Ultraviolett ausnutzt, gibt es bislang nicht. Deshalb schlug Alferov vor, verschiedene Halbleiter in Stapelzellen miteinander zu kombinieren. Dadurch wird die Bandbreite des nutzbaren Lichts weiter erhöht. Er stellte eine dreifach geschichtete Zelle (Triple Junction) vor, die oben aus einer aktiven Schicht aus Indium, Gallium und Phosphor besteht. Darunter liegt eine Zelle aus Indium, Gallium und Arsen. Ganz unten ist eine Germaniumschicht angeordnet. „Koppelt man solche Zellen mit den Konzentratorlinsen, stoßen wir in Bereiche vor, die dem Silizium verschlossen sind“, meinte Alferov. „Denkbar ist auch, sechsfach oder achtfach geschichtete Solarzellen herzustellen.“ Das Joffe-Institut hat weltweit Teststationen für solche Solaranlagen errichtet, darunter auch einen Prototypen mit einer Leistung von einem Kilowatt im Wissenschaftspark in Berlin-Adlershof. Der Wirkungsgrad dieser Zellen könnte laut Alferov über fünfzig Prozent erreichen. Er prophezeite, dass die Preise für diese mehrschichtigen Konzentratorzellen bis 2030 unter die Preise für Silizium oder Dünnschichtzellen fallen werden. Bis dahin werden die Solarzellen weltweit rund 140 Gigawatt elektrische Leistung bereitstellen.

Das Joffe-Institut entwickelt diese Technologie gemeinsam mit der Münchener Firma Solartec weiter. Ihre III-V-Konzentratorzellen vom Typ Solcon erreichen bereits einen Wirkungsgrad von 35 Prozent, wohlgemerkt in der Serienfertigung. Die Solarfläche wird der Sonne nachgeführt, um das Licht jederzeit optimal zu bündeln. Das Unternehmen will ab Jahresende jeden Monat Module für ein Megawatt produzieren.