Nachdem in der vergangenen Woche die Expertenkommission für Forschung und Entwicklung behauptet hat, in der Photovoltaik gäbe es keine Innovationen, warten gleich zwei Hersteller mit neuen Rekorden auf. Die Solarsparte des japanischen Mischkonzerns Kyocera hat eine multikristalline Siliziumsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von 18,6 Prozent vorgestellt. Damit kratzen die Japaner nicht nur an den Wirkungsgraden monokristalliner Siliziumzellen, sondern brechen auch ihren eigenen Rekord von 17,8 Prozent aus dem Jahr 2011. Kyocera erreichte die verbesserte Effizienz durch eine höhere Qualität des Siliziumkristalls, bessere Elektrodenprozesse und geringere Verluste durch Rekombination. Die neue Zelle soll noch im Sommer dieses Jahres auf den Markt kommen. Gleichzeitig kündigt Kyocera an, Module mit monokristallinen Siliziumsolarzellen in den Markt einführen zu wollen. Ab April dieses Jahres sollen diese Module zu haben sein. Auch hier läuft die Forschung bei Kyocera auf Hochtouren. Die Japaner arbeiten daran, in den nächsten Jahren industriell hergestellte monokristalline Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 22 Prozent in ihre Module einbauen zu können. Bisher liegt die Effizienz dieser Zellen bei etwa 19 Prozent.
Chinesisch-australischer Erfolg
Auch aus China kommen gute Nachrichten, was die Weiterentwicklung der Siliziumphotovoltaik betrifft. Zusammen mit einem Forscherteam der Australian National University (ANU) in Canberra haben Entwickler von Trina Solar eine monokristalline rückseitenkontaktierte Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 24,4 Prozent hergestellt. Das ist der bisher höchste gemessene Wirkungsgrad einer solchen Rückkontaktzelle mit ineinander greifenden Kontakten (Interdigitated Back Contact – IBC). Mit diesem Wirkungsgrad löst das chinesische-australische Forscherteam den bisherigen Rekord von 22,1 Prozent für rückseitenkontaktierte Solarzellen ab, den Entwickler von Bosch Solar in Zusammenarbeit mit dem Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) Mitte August 2013 aufgestellt haben. Das Cal Lab des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) hat den vom ANU und Trina Solar erreichten Wirkungsgrad unabhängig bestätigt.
Mehr Leistung ohne Verschattung
Die Aufgabe ist jetzt, die Laborzelle mit möglichst geringen Effizienzverlusten auch in die Massenfertigung zu überführen. „Wir erwarten, dass wir durch diesen Prozess marktfähige Solarzellen mit verbessertem Wirkungsgrad erhalten, die es ermöglichen, mit Solarmodulen mehr Strom pro Fläche zu erzeugen“, sagt Andrew Blakers, Direktor des Zentrums für nachhaltige Energiesysteme an der ANU Research School of Engineering. Die im Labor hergestellte Zelle kommt mit einer Kantenlänge von 125 Millimetern schon sehr nahe an die Standardkantenlänge von 156 Millimetern heran. In der Vorserienproduktion hat Trina Solar schon ein Modul mit den Zellen entwickelt, das einen Wirkungsgrad von 22 Prozent hatte. Das 72-Zellen-Modul brachte es auf immerhin 238 Watt. Bei der kürzeren Kantenlänge bedeutet das eine Leistung von 211 Watt pro Quadratmeter Modulfläche. Der Wert kann sich im Vergleich zu 170 bis 180 Watt pro Quadratmeter der 60-Zellen Module mit 156-Millimeter-Zellen durchaus sehen lassen. „Auch wenn sie derzeit nur im Labormaßstab verfügbar ist, wird die neue Solarzelle bald serienreif sein“, betonen die Entwickler von Trina Solar.
Die Vorteile der kleinsten Ausmaße
Das Ende der Möglichkeiten ist aber noch längst nicht erreicht. In einer aktuellen Studie haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) eine Studie über die Bedeutung der Nanotechnologie und von Nanomaterialien in der Photovoltaik und bei Speichertechnologien veröffentlicht. Das kaum überraschende Ergebnis ist, dass die Verwendung von Nanotechnologien in den kommenden Jahren zunehmen wird und sich schon heute lohnt, da sich die Materialeffizienz hierdurch verbessern und Herstellungskosten senken lassen. Solarzellen könnten in Zukunft günstiger produziert, die Kapazitäten der Batteriespeicher erweitert oder die Lebensdauer von Solarzellen oder Batterien erhöht werden. „Geht man davon aus, dass der Anteil fossiler Brennstoffe an der globalen Energieerzeugung im Jahr 2035 nur noch etwa 75 Prozent betragen wird und regenerative Energien viel stärker als bisher zur Energiegewinnung beitragen müssen, gilt es Schlüsseltechnologien wie Solarzellen mit Hilfe der Nanotechnologie weiterzuentwickeln und zusätzlich verbesserte Möglichkeiten zur Energiespeicherung zu schaffen“, kommentiert Björn P. Moller, Projektleiter der Studie am Fraunhofer ISI. „Wird das große Potenzial der Nanotechnologien hierbei genutzt, lassen sich damit außerdem die oft mit dem Ausbau erneuerbarer Energien einhergehenden Energieschwankungen durch externe Faktoren wie das Wetter einschränken.“ Im Gegensatz zu vielen anderen Einsatzbereichen, in denen sich die Nanotechnologie bisher nicht durchsetzen konnte, deutet laut Moller vieles auf deren großflächige Anwendung im Solar- und Energiespeicherbereich hin.
Der Exot in den Forschungslabors
Bisher ist die Nanotechnologie noch ein Exot in den Forschungs- und Entwicklungslabors der Photovoltaikunternehmen und Forschungsinstituten. Aber einige Technologien nutzen schon die Vorteile der kleinsten Ausmaße. Mit der Integration der Nanotechnologie in Solarzellen verfolgen die Entwickler und Hersteller verschiedene Ziele. Zum einen soll das einfallende Sonnenlicht effektiver und mit einer größeren Bandbreite der Wellenlängen genutzt werden. Ein zweites Ziel ist es, den Ladungstransport aus der Basis zu den Elektroden effektiver zu gestalten, um die Rekombinationsverluste zu minimieren. Ein drittes Ziel ist, den Materialbedarf bei der Herstellung deutlich zu senken. Das hat Auswirkungen auf die Herstellungskosten, die durch den Einsatz von Nanotechnologie erheblich verringert werden können. Für den Bereich der Speichertechnologien gehen die Autoren der Studie davon aus, dass in den nächsten Jahren die Kapazität und Langlebigkeit von Batteriespeichern durch den Einsatz von Nanomaterialien erhöht wird. (Sven Ullrich)
