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Donnerstag, 21. Februar 2019

Photovoltaik

Vitale Solarforschung

Von Hans-Christoph Neidlein | 14. Juni 2018 | Ausgabe 24

Mit neuen Technologien brechen Forscher Wirkungsgradrekorde.

w - Intersolar Technik BU
Foto: Fraunhofer ISE

Perowskit-Solarzellen lassen sich auch drucktechnisch herstellen. Das Fläschchen enthält ein geschmolzenes, perowskithaltiges Salz. Die Menge reicht für 4 m2 an Solarmodulen.

Forschungsinstitute und Hersteller arbeiten weiterhin intensiv daran, den Wirkungsgrad von Solarzellen und -modulen zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Für den weltweit gebräuchlichsten Zelltyp auf Basis multikristallinen Siliziums hatte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) aus Freiburg bereits im Herbst seinen Effizienzweltrekord auf 22,3 % verbessert.

Solarzelltechnologien

Bei den monokristallinen Zellen steigerte der chinesische Hersteller Jinko Solar den Wirkungsgrad seiner Solarzellen auf Basis von Perc-Technik auf 23,45 %. Perc-Zellen, Halbzellen und Perowskit – das sind die aktuellen Schlagworte, wenn es um die Effizienzsteigerung auf Zellbasis geht (s. Kasten). Vor allem in die Perc-Technologie investieren die Hersteller viel.

Perc steht für Passivated Emitter Rear Cell – eine Solarzelle, deren Rückseite verspiegelt und passiviert ist. Durch die Reflexion kann die Lichtausbeute an der Rückseite erhöht werden. Eine dielektrische Schicht reflektiert jenes Licht, das – ohne Ladungsträger zu erzeugen – bis in den hinteren Zellbereich gedrungen ist. Von dort wird es reflektiert und kann so noch genutzt werden.

Neben Jinko Solar hat dessen chinesischer Konkurrent Longi bei der Perc-Technik die Nase vorne. Im Oktober 2017 zertifizierte das Photovoltaik-Kalibrierlabor des Fraunhofer ISE den Wirkungsgrad einer monokristallinen Perc-Solarzelle von Longi mit 22,71 %. Im Januar prüfte der TÜV Süd und attestierte dem entsprechenden Solarmodul einen Wirkungsgrad von 20,41 %.

Verwendet wurden beides Mal Silberleitpasten von Heraeus. Der deutsche Branchenzulieferer sieht sich als technologischer Schlüsselspieler, um die Zelleffizienz zu erhöhen und die erreichten Effizienzsteigerungen als Erfolg seiner Forschungs- und Entwicklungsarbeit. 2017 stellte Heraeus 120 neue Mitarbeiter ein und baute in China ein Forschungs- und Entwicklungszentrum.

„Wir unterstützen unsere Kunden dabei, technische Engpässe zu erkennen und zu eliminieren. Wir helfen zudem beim schnellen Transfer der Laborergebnisse in die industrielle Produktion mit hohen Stückzahlen“, so Weiming Zhang, Technikchef von Heraeus Photovoltaics. Mit Jinko Solar unterzeichnete das Unternehmen im vergangenen September einen Vertrag für eine weitreichende Zusammenarbeit zur Entwicklung einer „Super-PV-Zelle“.

Aktiv bei der Weiterentwicklung der Perc-Technologie ist der Forschungsverbund Simplex, an dem u. a. die Maschinenbauer Singulus, Trumpf Hüttinger und Plasus beteiligt sind. Jüngst sei es gelungen, den industriellen Fertigungsprozess weiter zu optimieren, berichtet Projektkoordinator Bernhard Cord von Singulus. Die Dicke der verwendeten Aluminiumoxid-Schichten zur Passivierung konnte von 20 nm auf 4 nm reduziert werden, ohne den Wirkungsgrad zu verringern.

Einen Kooperationsvertrag zur weiteren Optimierung der Perc-Produktionstechnologie unterzeichneten Ende Mai der Blaubeurer Maschinenbauer Centrotherm und Solar Space (Jiangsu Zhongyu Photovoltaic Technology).

Noch im Juni möchte der chinesische Zellhersteller eine Anlage zur plasmagestützten chemischen Gasphasenabscheidung von Centrotherm an seinem Produktionsstandort in Xuzhou einführen und die Produktionslinien für monokristalline Perc-Solarzellen bis zum Jahresende ausbauen.

Wie stark die Technologie im Kommen ist, zeigte auch die jüngste Ausschreibung für das chinesische Top-Runner-Programm. Dort kamen bei 67 % aller erfolgreichen Projekte monokristalline Perc-Module zum Einsatz, berichtet die Unternehmensberatung Trendforce.

Die Verwendung von Halbzellen ist eine weitere wichtige Stellschraube für die Weiterentwicklung der Zelltechnologie. Sie sollen Leistungsverluste verringern. Durch das Teilen der Zellen halbiert sich die Stromstärke in Zellen und Zellverbindern. Als Folge verringern sich die elektrischen Serienwiderstandsverluste.

Das Halbzellenmodul Q.Peak Duo-G5 von Hanwha Q Cells erreicht so auf Basis kostengünstiger Standardsolarzellen, die auf positiv dotiertem Silizium aufbauen, einen Modulwirkungsgrad von 19,9 %. Es wurde für die Finalrunde des Intersolar Award 2018 nominiert.

Als aussichtsreich gelten auch bifaziale Solarmodule. Sie können zusätzlich mit ihrer Rückseite reflektierte Sonnenstrahlen nutzen. Weil sie mit beiden Seiten Strom erzeugen können, eignen sich bifaziale Solarzellen für Flachdächer und Freiflächenanlagen, bei denen Licht vom Boden reflektiert wird.

Neue Solarzellmaterialien: Neben der dominierenden siliziumbasierten Zelltechnik bieten alternative Materialien wie Perowskite ein großes Potenzial. Man verspricht sich von der Verwendung dieser photoaktiven Salze weitere Kostensenkungen und Effizienzsteigerungen. Vor allem Halid-Perowskite, die sowohl organische als auch anorganische Verbindungen enthalten und daher als hybride Halbleiter gelten, hätten „in weniger als einem Jahrzehnt eine bemerkenswerte Entwicklung durchlaufen“, sagt Experte Michael Hetterich vom Karlsruher Institut für Technologie.

Mit Perowskiten lassen sich generell Zellwirkungsgrade von 22 % erreichen. Mit diesem Material, nach einem eigens entwickelten Konzept gedruckt, erreichten Forscher des Fraunhofer ISE einen Rekordwirkungsgrad für gedruckte Perowskitzellen von 12,6 %, berichteten die Fraunhofer letzten Monat.

Niederländische Forscher von Solliance erreichten im Frühjahr auf einer 144 cm2 großen Aperturfläche einen durchschnittlichen Zellwirkungsgrad von 14,5 % für Dünnschicht-Perowskite-Solarmodule. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft startete im April ein sechsjähriges Schwerpunktprogramm zur Perowskit-Solarzellenforschung mit jährlich rund 2,3 Mio. €.

Den Schritt in die Fertigung möchte die Deutschlandtochter der britischen Oxford Photovoltaics starten. 2019 will sie in einer ehemaligen Fabrik von Bosch Solar in Brandenburg eine Produktion von Perowskit-Solarzellen starten. Dazu kooperiert der Perowskitspezialist mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin. Die Europäische Investitionsbank unterstützt den Plan mit 15 Mio. €.