Solarzellen der Zukunft

Energie der Sonne effektiver als je zuvor nutzen

Die Kraft, mit der die Sonne auf die Erde strahlt, könnte den weltweiten Energiebedarf um ein Vielfaches decken. Bereits heute betrage die Gesamtleistung der installierten Photovoltaik-Module in den USA rund 60 Gigawatt, eine Menge, die sich in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich verdoppeln werde, und China habe seine PV-Leistung allein 2017 um fast 60 GW erhöht. Das berichtet Stephen Battersby in einem Beitrag in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). In der Zwischenzeit hätten Verbesserungen in der PV-Modultechnologie den Preis für Solarstrom gesenkt, so dass er mit anderen Stromquellen in vielen Teilen der Welt konkurrenzfähig sei.

“Das ist kein schlechter Anfang. Aber um diese Energieflut voll auszunutzen und einen echten Einfluss auf die globalen CO2-Emissionen zu haben, muss die PV in Terawatt-Regionen vordringen – und konventionelle Module könnten das erschweren”, schreibt Battersby. Die meisten PV-Module basierten auf Zellen aus halbleitenden Siliziumkristallen, die typischerweise etwa 15 bis 19 Prozent der Energie im Sonnenlicht in Strom umwandelten. Diese Effizienz sei das Ergebnis jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung. Weitere Verbesserungen seien immer schwieriger zu erreichen.

Terrawatt-Herausforderung bewältigen

Materialengpässe sowie Umfang und Geschwindigkeit der erforderlichen Investitionen könnten auch die Bemühungen um eine Ausweitung der Produktion bestehender Technologien beeinträchtigen. “Wenn wir es mit dem Pariser Klimaabkommen ernst meinen und in 20 Jahren 30 Prozent (der weltweiten Stromversorgung durch) PV haben wollen, dann müssten wir die Kapazität der Siliziumherstellung um den Faktor 50 erhöhen, um all diese Module zu bauen”, sagt Albert Polman, Leiter der Gruppe Photonische Materialien am AMOLF-Forschungsinstitut in Amsterdam. “Es kann passieren, aber parallel dazu sollten wir über Möglichkeiten nachdenken, Solarzellen herzustellen, die weniger Kapital verbrauchen.”

Eine Reihe neuer Technologien ziele darauf ab, die TW-Herausforderung zu bewältigen. Einige könnten billig in Serie hergestellt, vielleicht gedruckt oder sogar auf Oberflächen gemalt werden. Andere könnten praktisch unsichtbar sein, sauber in Wände oder Fenster integriert. Und eine Kombination aus neuen Materialien und optischer Zauberei könnte uns bemerkenswert effiziente “Solarfallen” liefern. Alle diese Technologien versprächen auf unterschiedliche Weise, viel mehr Sonnenenergie zu gewinnen, was uns eine bessere Chance gibt, die Energieversorgung der Welt in den nächsten zwei Jahrzehnten zu verändern.

Dünnschichttechnologien sind gut etabliert

Die meisten PV-Zellen funktionierten im Wesentlichen auf die gleiche Weise. Eine Schicht aus Halbleitermaterial absorbiert Photonen des Lichts und erzeugt Elektronen und positive Ladungsträger, die als Löcher bezeichnet werden (freie Stellen, an denen sich normalerweise ein Elektron befinden würde). Die Elektronen werden abgeschöpft, um um einen Stromkreis zu umfließen und nützliche Arbeit zu verrichten, bevor sie mit den Löchern auf der anderen Seite der Zelle rekombiniert werden. Eine Siliziumschicht müsse etwa 200 Mikrometer dick sein, um einen guten Teil des auftreffenden Lichts zu absorbieren. Andere Materialien absorbierten jedoch stärker und bildeten effektive, nur wenige Mikrometer dicke lichtspeichernde Schichten. Das mache Zellen auf Basis dieser Materialien potenziell billiger und weniger energieintensiv in der Herstellung.

Einige dieser Dünnschichttechnologien seien gut etabliert. Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) hätten einen Anteil von etwa 5 Prozent am heutigen globalen PV-Markt. Kommerzielle CdTe-Panels hätten in letzter Zeit die Effizienz und die Kosten von Silizium erreicht, und es gäbe noch Verbesserungsmöglichkeiten. So weise beispielsweise die Schnittstelle zwischen einer CdTe-Schicht und dem darunter liegenden Metallleiter Defekte auf, die helfen könnten, Löcher und Elektronen zu rekombinieren und so verhindern, dass sie zum Strom der Zelle beitragen. Es gäbe eine Möglichkeit, diese Quelle der Ineffizienz zu reduzieren, sagt Markus Gloeckler, Chefwissenschaftler bei First Solar Inc. in Tempe, AZ, das die meisten CdTe Module der Welt herstellt. Aber CdTe und CIGS hingen beide von seltenen Elementen ab – Tellur und Indium – und es könne unmöglich sein, diese auf Terawatt-Skalen einzusetzen.

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