Quantensprung mit Pyrit-Zellen

Anthrazit-metallisch funkelt die elegant geschwungene Motorhaube im gleißenden Scheinwerferlicht. Wie ein gläserner Tropfen umschließt das transparente Dach den Innenraum. Die Karosserie verrät die Kraft, die sich unter ihr verbirgt: Zwei Muskelsträngen gleich ziehen sich markante Wellenlinien über die vorderen Kotflügel, bis sie im verspielten Schwung die Hinterräder umfassen und dort auslaufen. Gut schaut sie aus, die neue Studie aus den Werkstätten der schwedischen Sportwagen-Manufaktur Koenigsegg, wie sie da so auf der Drehscheibe in den Hallen des Genfer Autosalons Karussell fährt. Nunzio La Vecchia, Vater dieses auf den Namen „Quant“ getauften Concept Car, ist der Stolz auf sein Baby anzusehen. Geduldig steht der Schweizer neben dem perfekt ausgeleuchteten Modell und beantwortet Fragen der Messebesucher.

La Vecchia ist Chef der NLV Solar AG aus dem schweizerischen Zug, die Koenigsegg mit der Gestaltung der Studie beauftragt hat. Stolz ist er, weil der Viersitzer ein kraftvolles Zeichen für ein zugleich klimaverträgliches wie sportliches Autofahren setzen will: Auch wenn der Quant optisch wie einer dieser wunderschönen, aber unfassbar viel Sprit schluckenden Wagen aus Zuffenhausen oder Maranello daherkommt – er ist mit einem Elektroantrieb ausgestattet, der in Sachen Energieeffizienz jeden Verbrennungsmotor weit hinter sich lässt. Stolz ist Nunzio La Vecchia aber vor allem deswegen, weil diese Studie nicht weniger als ein Quantensprung in der Entwicklung der Photovoltaik darstellen soll: La Vecchia will den Wagen mit völlig neuartigen, selbst entwickelten Dünnschichtzellen ausstatten, die einen bislang nie erreichten Wirkungsgrad erzielen sollen. Experten zweifeln allerdings daran, dass solche Zellen jemals Realität werden könnten.

Elektro-PS am Genfer See

Nachhaltige Mobilität war in diesem Jahr das Megathema des traditionsreichen Branchentreffens an den Ufern des Genfer Sees. Im Schatten des Montblanc präsentierten zahlreiche internationale Autohersteller ihre neuen Elektromodelle: Mitsubishi zum Beispiel zeigte dort seinen ab Sommer in Japan erhältlichen iMiEV; General Motors den Chevrolet Volt/Opel Ampera, der ab 2011 in den Autohäusern stehen soll. Ein Blick auf die technischen Daten des Quant zeigt jedoch, dass die schweizerisch-schwedische Studie in dieser Reihe der vor allem praktischen City Cars genauso wenig zu suchen hat wie ein VW Käfer im Starterfeld eines Formel-Eins-Rennens: Mit einer Gesamtleistung von 512 PS und einem Drehmoment von 715 Newtonmetern beschleunigt der sportliche Viersitzer innerhalb von 5,2 Sekunden von 0 auf 100 Stundenkilometer. Die beiden an den Hinterrädern montierten Elektromotoren sorgen für eine Höchstgeschwindigkeit von 275 Kilometern in der Stunde. Neben der strömungsgünstigen Karosserie mit einem cw-Wert von 0,27 sorgt auch das für ein batteriegespeistes Elektrofahrzeug relativ geringe Gesamtgewicht von 1.780 Kilogramm für solch sportliche Leistungen. Ein Kohlefaser-Chassis, eine Aluminium-Kohlefaser-Karosserie, eine neuartige Batterietechnik sowie die mit zusammen 140 Kilogramm sehr leichten Motoren sind der Grund dafür, dass der Quant vergleichsweise wenig Pfunde auf die Waage bringt.

Dass dieses Concept Car in einer anderen Liga spielen soll, zeigt nichts so deutlich wie der Blick auf die beiden wichtigsten Parameter für Elektrofahrzeuge: die Reichweite und die Ladedauer. Hier wollen die Autobauer mit Werten aufwarten, die nach Zukunftsmusik klingen: Die Akkus sollen sich innerhalb von nur 20 Minuten vollständig laden lassen und dann für eine Fahrtstrecke von 500 Kilometern ausreichen. Zum Vergleich: Mitsubishis iMiEV kommt auf eine Reichweite von 144 Kilometern, der Tesla Roadster, bislang das Paradepferd im Stall der Elektrofahrzeuge, immerhin noch auf 350 Kilometer. Möglich werden soll diese außergewöhnliche Leistung vor allem durch ein neues Speichersystem namens „Flow Accumulator Energy Storage“ (FAES), das die Vorteile der konventionellen Batterietechnologie mit denen des Redox-Flow-Verfahrens kombiniert.

Nach 20 Jahren fast am Ziel?

Doch dem 44-jährigen Nunzio La Vecchia geht es mit dem Quant gar nicht darum, das Elektroauto neu zu erfinden. Der Quant soll vielmehr den vorläufigen Endpunkt eines Weges markieren, den der NLV-Solar-Chef schon seit Langem verfolgt: Seit nunmehr zwei Jahrzehnten forscht La Vecchia in der Halbleitertechnik mit dem Ziel, das ideale Material für die Zukunft der Solarzelle zu finden – ein Material, das toxikologisch unbedenklich ist und zugleich sehr hohe Wirkungsgrade aufweist. Heute sieht sich der passionierte Sänger und Sportflieger fast am Ziel: Mit neuartigen Dünnschichtzellen will La Vecchia einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von sage und schreibe 38 Prozent erzielen – unter besonders günstigen Bedingungen sogar noch mehr.

Als der Schweizer Ende der 80er Jahre mit seinen Forschungsarbeiten begann, konzentrierte er sich zunächst auf die Weiterentwicklung von Zellen auf Silizium- oder Gallium-Basis. Doch der erhoffte Durchbruch blieb aus. Bis La Vecchia eines Tages durch Zufall eine Dissertation aus dem Berliner Hahn-Meitner-Institut in die Hände fiel, die die Eignung von Pyrit, chemisch Eisendisulfid (FeS₂), für den Einsatz in Solarzellen untersuchte. Pyrit ist hierzulande auch unter dem Namen Katzengold bekannt.

Neben der toxikologischen Unbedenklichkeit hat Pyrit zwei weitere große Vorteile: Zum einen ist es weltweit in großen Mengen vorhanden und lässt sich leicht abbauen. Auch in Deutschland gibt es nennenswerte Vorkommen, etwa in den sanft geschwungenen Mittelgebirgszügen des Sauer- oder des Weserberglandes. Zum anderen weist die Schwefel-Eisen-Verbindung einen hohen Absorptionskoeffizienten auf, sie ist deutlich lichtempfindlicher als beispielsweise Silizium. Bis zu 36 Pyrit-Schichten will La Vecchia in einer Multilayer-Struktur anordnen. Ein solcher Stapel von Schichten macht es laut La Vecchia möglich, das gesamte Spektrum der Sonnenstrahlen zu nutzen – von Infrarot bis hin zu Ultraviolett. Da – anders als bei konventionellen Multilayer-Zellen – jede Schicht der Pyrit-Zelle aus dem gleichen Material besteht, soll diese robuster sein: Während sich Mulitlayer-Zellen wegen der verschiedenen physikalischen Eigenschaften der einzelnen Schichten bei Hitze unterschiedlich ausdehnen und dabei sogar brechen können, bleibt die Pyrit-Zelle stabil.

Der wichtigste Schlüssel zu den hohen Wirkungsgraden liege jedoch in der Dotierung des Pyrits, so der NLV-Solar-Chef. Die kontrollierte Verunreinigung des Pyrits soll für die selektive Absorption der solaren Strahlung sorgen, die auf die Zelle trifft. In einem dreidimensionalen Prozess werden Bor- und Phosphor-Ionen mittels eines Hochenergie-Beschleunigers gezielt an den vorgesehenen Stellen in der atomaren Gitterstruktur des Pyrits platziert, erklärt der Forscher. Mit einer solchen Ionenimplantation will La Vecchia punktgenau Atome in den Kristall setzen und so dessen gesamtes Volumen dotieren. Wie ist das möglich? Darüber schweigt sich La Vecchia mit Verweis auf den Konkurrenzschutz aus.

Wirkungsgrad illusorisch?

Sebastian Fiechter vom Helmholtz-Zentrum Berlin bezweifelt, dass dem Schweizer die Dotierung gelungen ist. „Es ist außerordentlich fraglich, ob die Dotierung von Silizium mit Bor und Phosphor auf einen Verbindungshalbleiter übertragen werden kann“, sagt Fiechter. „Denn Bor und Phosphor können sowohl auf die Gitterplätze des Eisens als auch auf die des Schwefels gehen. Die Bildung von Eisen-Bor-Einheiten könnte zwar eine p-Leitung hervorrufen. Jedoch würden Eisen-Phosphor-Paare keine gegensätzliche Dotierung schaffen, sondern vermutlich ebenfalls eine p-Leitung hervorrufen.“ Im Übrigen hält der Solar-Wissenschaftler einen Wirkungsgrad von 38 Prozent für völlig illusorisch: „Ein solcher Wert ist meines Erachtens naturgesetzlich mit Pyrit auf Grund der Größe der Bandlücke nicht zu halten. Mit dem Material sind theoretisch maximal 20 Prozent zu erreichen.“

Die unterschiedlichen Ansichten überraschen kaum, denn zu Forschern mit klassischer Laufbahn hatte La Vecchia bisher wenig Kontakt. Er hat seine Arbeit in den vergangenen 20 Jahren stets unabhängig von Hochschulen oder anderen wissenschaftlichen Einrichtungen vorangetrieben. Austausch fand er über einen Schweizer Technologie-Pool, den er mit aufgebaut hatte. Hier trafen junge Hightech-Forscher zusammen, um sich zu beraten und gegenseitig ihre Erfindungen zugänglich zu machen. Finanzieren konnte er seine Arbeit zum einen mit dem Geld privater Kapitalgeber, zum anderen durch die Erträge seiner Firma für digitales Prototyping – eine Technologie, die er auch bei der Entwicklung der Pyrit-Zelle intensiv nutzte: La Vecchia simulierte in seinem Rechenzentrum viele verschiedene Varianten und ermittelte mit „What if“-Szenarien die theoretisch günstigste Gestaltung der Zelle. Auf dieser Basis entwickelte er dann nach eigenen Angaben einen physikalischen Prototyp.

Ingo Riedel vom Institut für Physik der Universität Oldenburg glaubt, dass La Vecchia über die Simulation nicht hinausgekommen ist. „Es drängt sich der Eindruck auf, dass hier ein Simulationstool zur Verfügung steht, das auf ein Materialsystem mit idealer Solarzellenstruktur losgelassen wurde“, sagt Riedel. Dabei habe La Vecchia wohl einen rein theoretischen thermodynamischen Wirkungsgrad berechnet und jegliche Verluste außer Acht gelassen. Auch Wolf Jaegermann, Professor für Oberflächenforschung am Fachbereich Materialwirtschaft der TU Darmstadt, gibt der Superzelle kaum Chancen: „Die Behauptung, man könne durch Variation der Zusammensetzung von Fe-S-Phasen die Bandlücke im angegebenen Bereich von 0,95 bis zu 3,0 eV ändern, entbehrt jeder realistischen Erwartung. Die Multijunction-Zelle mit den behaupteten Energiewandlungswirkungsgraden ist damit nicht herstellbar“, sagt Jaegermann. Zwar habe Pyrit interessante Eigenschaften, sei aber bis dato nicht beherrschbar. Bisher kommen Zellen aus Pyrit auf nicht mehr als zwei Prozent Wirkungsgrad.

Trotzdem denkt La Vecchia bereits an die Massenproduktion – die er aber nicht selbst übernehmen will. Sein Businessmodell ist das Lizenzgeschäft: NLV Solar stellt den Kunden seine Technologie und sein Know-how zur Verfügung, denn das Unternehmen sei selbst zu klein, um eine Großserienfertigung aufzubauen. Als eine Art „Showroom“ dienen dabei die ehemaligen Produktionsstätten des Halbleiterherstellers Infineon im Münchener Stadtteil Perlach, die La Vecchia seit einem Jahr gepachtet hat. Dort errichtet er zurzeit drei Pilotanlagen, die die Tauglichkeit der Technologie zur Großserienfertigung demonstrieren sollen. In maximal eineinhalb Jahren will La Vecchia so weit sein. Dann sollen sich auch die privaten Investoren freuen – sie haben in all den Jahren einen hohen zweistelligen Millionenbetrag in die Entwicklung investiert.

Misstrauisch und zurückhaltend

Doch obwohl sich La Vecchia seinem Ziel ganz nahe wähnt und die kommerzielle Verwertung ins Auge fasst, hält er sich weiterhin bedeckt und rührt kaum die Werbetrommel. Der Forscher begründet seine Zurückhaltung mit der Angst vor geistigem Diebstahl. Daneben nennt La Vecchia einen zweiten Grund: Er verweist darauf, dass die Schweiz ein schlechtes Pflaster sei für eine unabhängige Forschung, wie er sie betreibt. Als La Vecchia vor zehn Jahren seine Forschungsergebnisse kommunizieren wollte, habe ihm niemand geglaubt. Deswegen habe er sich immer zurückgehalten, so der NLV-Solar-Chef. Auch im Kontakt mit dem photovoltaik-Magazin zeigt er sich misstrauisch. Als er hört, dass wir andere Experten zu seinen Ergebnissen befragen, will der Erfinder nicht mehr zitiert werden.

Allen Zweiflern möchte La Vecchia den Wind aus den Segeln nehmen, indem er schon bald Consumer Electronics mit Pyrit-Zellen auf den Tisch legen will. Sie sollen die Funktionsweise und die Einsatzmöglichkeiten der Pyrit-Zelle demonstrieren. Auch der Prototyp des Quant soll demnächst mit funktionsfähigen Dünnschichtzellen überzogen werden. Dem Schweizer Tages-Anzeiger sagte La Vecchia allerdings, dass der Wagen eher Elektro- als Solarauto sei. Die Energie reicht wohl gerade mal für Radio und Lüfter.

Bleibt die Pyrit-Zelle also nur ein schöner Traum – und der Hightech-Sportwagen Quant lediglich eine faszinierende Idee und etwas wohlgeformtes Blech und Plastik? Mit der aufwändigen Inszenierung in Genf hat Nunzio La Vecchia große Erwartungen geweckt. Nun kann man gespannt sein, ob es ihm gelingt, seinen Ankündigungen allen Zweifeln zum Trotz tatsächlich Taten folgen zu lassen.