Dünnschichtsolarzellen auf Plastik

Dünnschichtsolarzellen auf Plastik

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Die Empa hat den Wirkungsgrad flexibler «CIGS»-Solarzellen seit ihrem ersten Weltrekord 1999 beständig gesteigert. Nun ist einem Team ein weiterer Durchbruch gelungen. Was dies für die Solarindustrie bedeutet, erklärt Stephan Bücheler von der Abteilung «Dünnfilme und Photovoltaik» im Interview.
 
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Stephan Bücheler, Gruppenleiter in der Abteilung «Dünnfilme und Photovoltaik» an der Empa, zeigt eine «CIGS»-Solarzelle.
 
Um Solarstrom günstig anbieten zu können, versuchen Wissenschaftler und Ingenieure seit Langem, eine preiswerte Solarzelle zu entwickeln, die gleichzeitig hocheffizient und einfach zu produzieren ist. Nun ist einem Empa-Team unter der Leitung von Ayodhya N. Tiwari ein Durchbruch gelungen. Die Forscher konnten den Wirkungsgrad für die Energieumwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität bei «CIGS»-Dünnschichtsolarzellen auf flexiblen Plastikfolien erneut deutlich steigern.Über die Jahre hat das Labor den Wirkungsgrad flexibler «CIGS»-Solarzellen seit ihrem ersten Weltrekord von 12.8 Prozent im Jahr 1999 mit 14.1 Prozent (2005), 17.6 Prozent (2010) und 18.7 Prozent (2011) immer weiter verbessern können. Der neueste Rekordwert beläuft sich auf 20.4 Prozent. Dieser Wirkungsrad ist der höchste, der mit polykristallinen Siliziumsolarzellen jemals erreicht wurde.

Was ist das Revolutionäre an den Solarzellen, die Sie entwickelt haben?
Stephan Bücheler: Neben den bekannten kristallinen Siliziumsolarzellen gibt es verschiedene Dünnschichttechnologien wie beispielsweise amorphes Silizium, «CdTe»- oder «CIGS»- Solarzellen. Die letzteren Beiden werden im Labor für Dünnfilme und Photovoltaik an der Empa erforscht und entwickelt. Diese Solarzellen bestehen aus einer Abfolge mehrerer Schichten, die auf ein Trägermaterial aufgetragen werden. Es ist uns kürzlich gelungen, einen Beschichtungsprozess zu entwickeln, der es uns erlaubt, «CIGS»-Solarzellen mit sehr hohem Wirkungsgrad auf Plastikfolien aufzubringen.

Wofür steht die Abkürzung «CIGS»?
Die Abkürzung «CIGS» steht für die chemische Verbindung CuInGaSe2. Das ist ein Halbleiter, der aus den Elementen Kupfer, Indium, Gallium und Selen besteht. In dieser «CIGS»-Schicht wird das Sonnenlicht absorbiert, und freie elektrische ­Ladungen werden angeregt. Über elektrische Kontakte  an der Vorder- und Rückseite können diese Ladungen einem Stromkreis zugeführt werden.

Die neuen Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von 20,4 Prozent…
Dieses Ergebnis stellt einen neuen Wirkungsgradrekord für die «CIGS»-Dünnschichtsolarzellen dar und entspricht den höchsten Wirkungsgraden, die mit polykristallinen Siliziumsolarzellen (heutiger Weltmarktführer) erreicht werden.

Wird man diese Panels ausrollen können wie einen Teppich?
Es wird möglich sein, solche flexiblen Solarmodule einfach auszurollen. Ausserdem ist es denkbar, diese Module direkt auf Bauelemente wie zum Beispiel Flachdachfolien, Ziegel oder auch Trapezblech zu laminieren und damit in das Gebäude zu integrieren.

Was die Installation solcher Panels angelangt – mit welchen Preisen muss man rechnen?
Grundsätzlich ist der Aufwand der Installation vergleichbar mit derjenigen der heute bekannten ­Solarmodulen. Im Fall einer integrierten Lösung fallen bei der Installation solcher Solarmodule nur (Zusatz-)Kosten für die elektrischen Komponenten wie die Verkabelung und Wechselrichter an.

Wie sieht es bei den Produktionskosten aus?
Das flexible Substratmaterial erlaubt den Einsatz von schnellen Rolle-Zu-Rolle-Verfahren, wie sie aus der Verpackungsindustrie bekannt sind. Zusammen mit dem hohen Wirkungsgrad, den wir jetzt für diese Technologie zeigen konnten, kann man von einer deutlichen Senkung der Produktionskosten ausgehen. Auch in der Schweiz gibt es Firmen, die sich mit der Kommerzialisierung solcher Ideen beschäftigen. Was wir erreicht ­haben, ist ein höherer Wirkungsgrad einer Solarzelle im Labormassstab. Bis zur kostengünstigen Produktion können noch ein paar Jahre vergehen. Einen solchen Prozess in die Industrie zu transferieren, ist ein zeit- und kostenintensiver Vorgang.

Und bei Solarziegeln und Solarfassaden?
Man kann heute schon Ziegel kaufen, bei denen Solarmodule integriert sind. Allerdings sind diese Ziegel im Vergleich zu konventionellen Solarmodulen noch teuer. Die neuen Dünnschichttechnologien auf Plastikfolie können dabei helfen, die Preise von Solarziegeln zu reduzieren. Zudem erfüllen solche Bauelemente nicht nur den einen Zweck der Stromproduktion, sondern auch jenen der Dacheindeckung. Ein Bauteil übernimmt also zwei Funktionen gleichzeitig. Die leichten und flexiblen Solarmodule, wie sie an der Empa entwickeln werden, erlauben auch neue Konzepte bei der Planung von Solarfassaden.

Gemäss Swissolar lassen sich 50 Prozent der heutigen, durch Atomstrom generierten Energie bis 2025 durch Photovoltaik ersetzen. Ist das realistisch?
Die Photovoltaik hat ein sehr grosses Potenzial, auch in der Schweiz. Das Ziel von Swissolar ist sportlich, aber technisch sicher realisierbar. Für diese Energiemenge müssten bis 2025 Solarmodule mit einer Gesamtleistung von etwa zehn bis 15 GWp installiert werden. Dies entspricht etwa einem Zehntel der Gebäudefläche in der Schweiz. Allerdings darf man beim Ausbau der Sonnenenergie in diesem Massstab die Stromspeicherung nicht vernachlässigen, da sich die Stromproduktion nicht (immer) mit dem Bedarf deckt. Die Entwicklung von effektiven Stromspeichern wird daher immer wichtiger. (Claudia Porchet)

Die Graetzel-Zelle
Anders als herkömmliche Siliziumzellen sind Farbstoffsolarzellen, die nach ihrem Erfinder auch Grätzel-Zellen genannt werden, transparent. Michael Grätzel ist Professor für chemische Technologie an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Er und sein Forschungsteam liessen sich vom chemischen Vorgang der Photosynthese inspirieren, mit dem Pflanzen Sonnenlicht in nutzbare Energie umwandeln. Die Grätzel-Zelle imitiert dieses Prinzip. Sie besteht aus Titandioxid oder TiO2, das mit einem Farbstoff bedeckt ist. Einfallendes Licht regt die Farbstoffmoleküle an. Diese Moleküle geben daraufhin Elektronen an das TiO2 ab. Dieses leitet die Elektronen ab, die so, in Form von elektrischem Strom, über ­einen äusseren Stromkreis fliessen können. Grätzel-Zellen müssen nicht senkrecht zur Sonneneinstrahlung stehen, um ihren vollen Wirkungsgrad zu entfalten. Aus diesem Grund kann man sie auch an einer Fassade montieren. (ek)

Zur Person

Stephan Bücheler wurde 1977 im deutschen Waldshut geboren. Er studierte Physik an der ETH in Zürich. Anschliessend arbeitete als Wissenschaftler im Labor für Dünnschichttechnologie und Photovoltaik an der Empa. An dieser Stelle ist er heute Gruppenleiter und verantwortlich für die Forschung und Entwicklung von «CIGS»- sowie «CdTe»-Dünnschichtsolarzellen und -modulen. (cet)

 

«Neue Perspektiven für den Einsatz an Gebäuden und Fassaden»

Module auf der Basis von kristallinem Silizium sind zwar nach wie vor absolut dominant. Doch nun lassen sich mit «CIS» und «CIGS» höhere Wirkungsgrade erzielen. Mit der Herstelllung günstiger Zellen, die sich auf Plastik aufziehen lassen, liesse sich ein neues grosses Marktsegment erschliessen.

Wir brauchen eine Energie-Dauerleistung von rund 6000 Watt pro Kopf. Bis zur 2000-Watt-Gesellschaft ist es also noch ein weiter Weg. Da 46 Prozent des nationalen Energieverbrauchs im Gebäudebereich ­anfallen, ist es sinnvoll, hier anzusetzen: Mit ­solaren Gebäudehüllen liesse sich dieser Wert drastisch senken. Die Grundfläche des Schweizer Gebäudeparks beläuft sich auf etwa 450 Quadratkilometer. In der Schweiz gibt es rund 200 Quadratkilometer für Solarenergienutzung geeignete Dach- und Fassadenflächen, auf denen man 18 Milliarden Kilowattstunden Solarstrom erzeugen kann. Das sind 30 Prozent unseres Strombedarfs. Dies hält Swissolar, ein Schweizer Dachverband für Sonnenenergie, in einem Thesenpapier fest.
 
Swissolar geht davon aus, dass 20 Prozent Solarstrom in weniger als 15 Jahren realisierbar sind. Dafür müssten im Durchschnitt jährlich 6 Quadratkilometer Dächer und Fassaden mit Solarmodulen ausgerüstet werden – etwa die Hälfte davon auf Neubauten, denn die Gebäudefläche wächst jährlich um 3 Quadratkilometer. Die bestehenden AKW produzieren jährlich zirka 25 Terawattstunden. Auf 90 Quadratkilometern Dach- und Fassadenflächen könnte man mittels Photovoltaik 12 Terawattstunden produzieren.
 
«Zurzeit sind Module auf der Basis von kristallinem Silizium absolut dominant», führt David Stickelberger aus. «Diese decken 90 Prozent des Weltmarktes ab, in der Schweiz wohl noch etwas mehr.» Der Geschäftsleiter von Swissolar stellt fest, dass diese in den meisten Fällen die tiefsten Preise pro Kilowattstunde erreichten und am ehesten sogenannte «CdTe»-Module konkurrenzieren können, die «allerdings nur für Freilandanlagen und vor allem für wärmere Klimazonen geeignet und zudem ökologisch umstritten sind.» In der Schweiz kämen diese seines Wissens nicht zum Einsatz.

Noch relativ tiefe Wirkungsgrade

Stickelberger weist darauf hin, dass die Erforschung von Dünnschicht-Siliziummodulen («a-Si») in der Schweiz eine lange Tradition habe, «angeführt vom Forschungsinstitut IMT der EPFL». Er bedauert allerdings, dass diese Technologie immer noch relativ tiefe Wirkungsgrade habe, momentan ohne Kostenvorteile gegenüber kristallinem Silizium, weil Silizium sehr rasch sehr billig geworden sei. «Die Firma Flexcell, die ‹a-Si›-Module auf Folien produzierte, musste leider ihre Tore schliessen». Dennoch: Mit «CIS» und «CIGS» lassen sich zurzeit höhere Wirkungsgrade erzielen. Wie steht Swissolar dazu? Stickelberger freut sich, dass dies nun auch auf flexiblem Material möglich ist. «Das eröffnet neue Perspektiven für den Einsatz an Gebäuden, wobei auch ‹a-Si› auf Folien irgendwann wieder aktuell werden dürfte.» Beide Technologien hätten den Vorteil, dass sie im Schwachlichtbereich höhere Ausbeuten als kristallines Si hätten und zudem durch Erwärmung nicht an Effizienz verlieren würden. Beides seien gute Voraussetzungen, beispielsweise für den Einsatz an Fassaden. «Mit der neuen EMPA-Technologie liegt der Wirkungsgrad nun nochmals deutlich höher. Allerdings ist noch nicht bekannt zu welchem Preis eine kWh produziert werden kann. Mit der Verlegung ab Rolle wird der Einbau in vielen Fällen nochmals deutlich billiger.»

Speicherung ist sichergestellt

Eine andere Frage: Gesetzt den Fall, die Ziele von Swissolar lassen sich erreichen – stellt sich dann nicht das Problem der Speicherung? «Der Tag-Nacht-Ausgleich lässt sich bei diesen Mengen über Pumpspeicherwerke, auch jene, die im Bau sind, sicherstellen. Immer wichtiger werden zudem Batteriesysteme, die neuerdings in Deutschland gefördert werden. Den saisonalen Ausgleich kann grösstenteils über die bestehende Wasserkraft sichergestellt werden – allenfalls mit stärkerer Füllung beziehungsweise Leerung der Stauseen als heute.» Für den verbleibenden Rest gäbe es verschiedene Ansatzpunkte: etwa die Reduktion des winterlichen Strombedarfs durch den ­Ersatz von Elektroheizungen, die Wärme-Kraft-Koppelung, vorzugsweise mit Biomasse, Windstromimporte, die Erhöhung bestehender Staumauern oder auch Solarkraftwerke im Alpenraum. (Claudia Porchet)