Schweizer EPFL Forscher entwickeln günstige Solarzellen

Forscher an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL) haben ein neues Verfahren entwickelt, mit dem kostengünstig Zinkoxidfilme im Nanometerbereich hergestellt werden können. Damit lässt sich die Effizienz von Dünnschichtsolarzellen, die 1.000 Mal dünner sind als herkömmliche Photovoltaikelemente, steigern. “Das technische Potenzial der Photovoltaik ist riesig. Die Forschung sorgt mit Neuerungen für eine stetig ansteigende Lernkurve. Ich bin zuversichtlich, dass sich diese Entwicklung auch in absehbarer Zukunft fortsetzen wird”, sagt der Sprecher der Solarenergieforschung Bernd Rech vom Helmholtz Zentrum Berlin.

© PV-LAB, EPFL/SNSF

© PV-LAB, EPFL/SNSF

Solarstrom ist momentan noch zu teuer. Das hängt auch damit zusammen, dass der Ausgangsrohstoff Silizium viel Geld kostet. An der EPFL wird schon seit längerem an Dünnschichtsolarzellen geforscht. Diese Technik erlaubt es, möglichst sparsam mit Silizium umzugehen. Der Haken an der Sache ist, dass mit sinkendem Durchmesser der Siliziumschicht die Absorptionsrate für Sonnenlicht sinkt. Deshalb greifen die Forscher zu einem Trick. Mithilfe von Zinkoxidkristallen wird das einfallende Licht so gestreut, dass die Aufnahmerate im Silizium steigt. “Theoretisch ist sogar ein höherer Wirkungsgrad als bei konventionellen Elementen möglich, wenn man mehrere Dünnschichtmaterialien stapelt”, sagt Rech.

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Allerdings ist es technisch sehr schwierig, die pyramidenförmigen Zinkoxidkristalle in die richtige Form zu zwingen. Die Forscher in Lausanne haben jetzt aber eine Möglichkeit gefunden, um dünne Schichten aus Zinkoxid in der gewünschten Form herzustellen. Dazu erstellen sie eine Negativform der geplanten Struktur und lassen darauf die Kristalle wachsen. Anschließend muss die Oxidschicht nur noch abgezogen werden. Diese Technik lässt sich auch im industriellen Maßstab anwenden.

Damit wird es möglich, preiswerte Photovoltaikelemente und in weiterer Folge auch billigeren Strom herzustellen. “Die Photovoltaik wird in den nächsten Jahren und Jahrzehnten einen großen Beitrag zur Energieversorgung leisten. In südlichen Ländern ist sie teilweise heute schon konkurrenzfähig”, so Rech.

Ein weiterer Vorteil der neuen Technik ist, dass Zinkoxid ein sehr häufig vorkommender Rohstoff ist. Außerdem ist das Material vollkommen ungiftig und belastet die Umweld daher kaum. Auch durch die Einsparung von Silizium ergibt sich eine bessere Ökobilanz, weil die Herstellung von Silizium aus Sand extrem energieaufwändig ist. “Man muss allerdings berücksichtigen, dass die Einsparung nur das Halbleiterelement betrifft und nicht das ganze Solarmodul. Trotzdem kann im Vergleich zu herkömmlichen Elementen einiges an Material und Energie gespart werden”, erklärt Rech.

Schweizer erreichen neuen Weltrekord für Energieeffizienz von Solarzellen

Die Schweizer Empa-Forscher haben die Effizienz der Energieumwandlung von flexiblen Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) erneut gesteigert – auf den Rekordwert von 18,7 Prozent, eine wesentliche Verbesserung zum bisherigen Rekord von 17,6 Prozent, den dasselbe Team im Juni 2010 aufgestellt hatte. Die Messungen wurden durch das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg/Deutschland unabhängig zertifiziert.

empa innovation

Es geht (fast) immer ums Geld. Um Solarstrom in grossem Umfang erschwinglich zu machen, versuchen Wissenschaftler und Ingenieure auf der ganzen Welt schon seit langem, günstige Solarzellen zu erfinden, die sowohl hoch effizient als auch in grossen Mengen einfach herzustellen sind. Vor kurzem hat ein Team der Empa-Abteilung Dünnfilme und Photovoltaik unter der Leitung von Ayodhya N. Tiwari einen grossen Schritt nach vorne gemacht. «Der neue Rekordwert für flexible CIGS-Solarzellen von 18,7 Prozent schliesst nahezu die „Effizienzlücke“ zu den polykristallinen Siliziumsolarwafern oder CIGS-Zellen auf Glas», sagt Tiwari. Er ist davon überzeugt, dass «flexible Dünnschicht-CIGS-Solarzellen, deren Effizienz sich mit den derzeit besten messen kann, ein ausserordentliches Potenzial haben, demnächst einen Paradigmenwechsel in Richtung Kosten sparenden Solarstrom herbeizuführen.»

Ein wesentlicher Vorteil von flexiblen Solarzellen sind ihre geringen Produktionskosten durch das «Roll-to-Roll»-Produktionsverfahren; zudem sind sie deutlich leistungsfähiger als die zurzeit handelsüblichen Solarzellen. Hinzu kommen Kostenvorteile bei Transport, Installation, Montagerahmen für die Module usw., das heisst, sie ermöglichen eine signifikante Reduktion der so genannten „Balance-of-System“-Kosten. Zudem bieten flexible Dünnschicht-Solarmodule neuartige Anwendungsmöglichkeiten wie auf Hausfassaden, Solarfeldern oder bei tragbaren elektronischen Geräten. Dank den hochleistungsfähigen Geräten, die sich aktuell in Entwicklung befinden, so ist Tiwari überzeugt, sollten die neu entwickelten Verfahren und Konzepte monolithisch verschaltete flexible CIGS-Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von über 16 Prozent ermöglichen.

In den letzten Jahren hat die Technologie der Dünnschicht-Solarzellen auf Glassubstraten einen technologischen Reifegrad erreicht, der eine industrielle Produktion ermöglicht; flexible CIGS-Zellen sind jedoch immer noch auf dem Stand der Entwicklung. Die jüngsten in Forschungslaboratorien und Versuchsanlagen erreichten Verbesserungen in der Effizienz – unter anderem vom Team um Tiwari, das zuerst an der ETH Zürich forschte und nun seit zwei Jahren an der Empa – tragen dazu bei, dass Produktionsschranken überwunden werden.

empa innovation effizienz 2011

Die enge Zusammenarbeit zwischen der Empa und Forschern des Startup Unternehmens FLISOM, das die Technologie auf Industriemassstab bringen und kommerzialisieren möchte, haben zu wesentlichen Fortschritten beim Niedrigtemperatur-Wachstum von CIGS-Schichten geführt. Dadurch wurden flexible CIGS-Zellen immer leistungsfähiger, von 14,1 Prozent Energieeffizienz im Jahr 2005 bis zum neuen «Spitzenwert» von 18,7 Prozent für alle Typen flexibler Solarzellen auf Polymer oder Metallfolie. Den jüngsten Fortschritt ermöglichte eine Verringerung der Rekombinationsverluste, indem die Struktur der CIGS-Schichten, der proprietäre Niedertemperatur-Abscheidungsprozess für das Wachstum der Schichten als auch das In-situ-Doping mit Natrium in der Endphase verbessert wurden. Mit diesen Ergebnissen haben sich Polymerfilme erstmals den Metallfolien als Trägersubstrat zur Effizienzoptimierung als überlegen erwiesen.

Rekordwerte von bis zu 17,5 Prozent Effizienz wurden bisher nur auf Stahlfolien erreicht, die eine Diffusionsbarriere gegen Verunreinigungen enthalten, und dies auch erst durch Abscheidungsprozesse bei Temperaturen von über 550 Grad Celsius. Der von der Empa und FLISOM für Polymerfilme entwickelte proprietäre Niedertemperatur-CIGS-Abscheidungsprozess erbrachte Effizienzwerte von 17,7 Prozent hingegen problemlos auf Stahlfolien ohne jegliche Diffusionsbarriere. Die Ergebnisse lassen darauf schliessen, dass die auf Metallfolien üblicherweise verwendeten Schutzbeschichtungen gegen Verunreinigungen nicht mehr nötig sind. «Unsere Ergebnisse zeigen ganz klar die Vorteile des Tieftemperatur-CIGS-Abscheidungsprozesses, wenn es darum geht, flexible Solarzellen höchster Effizienz sowohl auf Polymer- als auch auf Metallfolien herzustellen», sagt Tiwari. Die Projekte wurden vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF), von der Kommission für Technologie und Innovation (KTI), vom Bundesamt für Energie (BFE), von EU-Rahmenförderprogrammen sowie den Schweizer Firmen W. Blösch AG und FLISOM gefördert.

Die mehrmalige Verbesserung der Energiekonversionseffizienz bei flexiblen CIGS-Solarzellen ist laut Empa-Direktor Gian-Luca Bona eine beachtliche Leistung. «Was wir hier sehen, ist das Ergebnis eines detaillierten Verständnisses der Materialeigenschaften von Schichten und Grenzflächen, verbunden mit einer systematischen, innovativen Prozessentwicklung. Damit die Serienfertigung kostengünstiger Solarmodule möglichst bald Realität wird, müssen wir diese Innovationen nun an Industriepartner transferieren.» Empa-Forscher arbeiten zurzeit mit FLISOM daran, die Produktionsprozesse weiterzuentwickeln und die Produktion hochzufahren.

3S Swiss Solar: Die innovativen Photovoltaik-Modulproduktion Erfinder

3S Swiss Solar Systems ist seit Jahren der technologische Weltmarktführer im Bereich des Laminierens. Mit vollautomatischen Laminierstrassen aus Lyss produzieren heute Modulhersteller weltweit Photovoltaik-Module höchster Qualität.
Fassade-solar
Der Prozess des Laminierens entscheidet über die Lebensdauer der PV-Module. Während des Laminierens findet ein Vernetzungsprozess statt, bei dem die Solarzellen zwischen einem Deckglas und einer Rückwand, die aus Glas oder Folie besteht, verkapselt werden. Auf diese Weise wird das Modul vor Witterungseinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit, geschützt. Nur bei optimalen Laminierbedingungen ist der Vernetzungsgrad über das gesamte PV-Modul hoch und homogen, was zu einer langen Lebensdauer des Solarmoduls führt.

Die 3S Swiss Solar Laminierstrassen erfüllen die höchsten Ansprüche, die an den Laminierungsprozess gestellt werden. Sie sind mit einem eigenen, hochwirksamen und patentierten Heizsystem ausgerüstet, mit dem höchste Vernetzungsgrade der EVA-Folie und ein reproduzierbarer Laminierprozess erreicht werden. Das einzigartige, patentierte Hybrid Heizplattensystem der 3S Swiss Solar Systems kombiniert die Vorteile der Technologie der elektrischen Beheizung mit den Vorteilen der Ölbeheizung. Der 3S Duplex Prozess ist weltweit der schnellste Laminierprozess, mit dem Modulproduzenten ihren Output im Vergleich zum Standard-Laminerprozess um 200% erhöhen können.

„Driving Innovation by Cooperation“ dieses Motto lebt man bei der 3S Swiss Solar Systems aktiv: „Nur gemeinsam mit unseren Kunden, Wissenschaftlern und weiteren Partnern aus der Solarbranche können wir die zukünftigen Lösungen für eine effiziente und kostengünstige Solarmodulproduktion erforschen und gestalten“, sagt bei den Technology Days Dr. Ronald Lange, Chief Innovation Officer bei der 3S Swiss Solar Systems.