Die ungenutzte Kraft der Sonne

Wer denkt, bei Produktion und Betrieb von Solarzellen sei das Effizienzpotenzial bereits ausgeschöpft, irrt gewaltig. Innovationen zeigen den Weg.

Illustration: Josephine Warfelmann
Illustration: Josephine Warfelmann
Olaf Strohm Redaktion

Solarzellen werden immer besser. In Zukunft werden sie das komplette Spektrum des Sonnenlichts ausnutzen können, auch bei schlechten Wetterbedingungen. Forscher in den Philippinen haben bereits Solarzellen aus Bio-Abfällen entwickelt, die UV-Licht absorbieren und so Strom an bewölkten Tagen erzeugen können. Innovative Produktionsanlagen fertigen heute bis zu 10.000 Solarzellen pro Stunde. Zudem arbeiten Wissenschaftler an Methoden, um Silizium aus ausgedienten Modulen wiederzugewinnen und für neue Solarzellen zu verwenden. Mit diesen Fortschritten bei Materialien, Strukturen, Produktion und Recycling werden Solarzellen in Zukunft noch effizienter und kostengünstiger werden. Photovoltaik könnte so zum führenden Energieträger avancieren. Auch in Deutschland wird fieberhaft an der Zukunft der Solarenergie geforscht. Hier einige Beispiele.
 

ZIEL: 50 PROZENT WIRKUNGSGRAD

Der aktuelle Rekord beim Wirkungsgrad von Mehrfachsolarzellen liegt seit dem 30. Mai 2022 wieder beim Fraunhofer ISE. Nach einem Rekord der Freiburger 2014 übertraf das National Renewable Energy Laboratory in den USA den Wirkungsgradrekord im Jahre 2020. Nun ging die Bestmarke mit einer Ausbeute von 47,6 Prozent erneut nach Freiburg. Nun arbeitet das Institut in

seinem Projekt „50Prozent“ an einer bislang noch nicht übertroffenen Grenze: Ziel ist die Herstellung von monolithischen III-V-Mehrfachsolarzellen mit über 50 Prozent Wirkungsgrad unter konzentrierter Einstrahlung. Neben Energieausbeute pro Fläche sind Aspekte wie Kosten, Ressourcenverbrauch und damit auch die Nachhaltigkeit solarer Energieerzeugung Teil der Berechnung. Das Fraunhofer Institut hat zudem die Wettbewerbsfähigkeit der Deutschen Photovoltaikindustrie im Blick und strebt dabei nach immer effizienteren Ergebnissen und Produktionsprozessen.
 

NEUE KLASSE VON SOLARZELLEN

Perowskit-Tandemsolarzellen kombinieren eine Perowskit- mit einer konventionellen Solarzelle und sind mit einem Wirkungsgrad von gegenwärtig rund 33 Prozent noch effizienter als herkömmliche Silizium-Solarzellen. Zudem bestehen sie aus kostengünstigen Ausgangsstoffen – Perowskit ist ein relativ häufiges Mineral – und werden mit einfacheren Verfahren gefertigt. Voraussetzung für den hohen Wirkungsgrad ist eine sehr hochwertige und extrem dünne Perowskit-Schicht, deren Herstellung ohne Defekte und Löcher eine der größten Herausforderungen darstellt. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie KIT, der Plattformen Helmholtz Imaging am Deutschen Krebsforschungszentrum und Helmholtz AI haben nun einen Weg gefunden, um per Künstlichen Intelligenz (KI) die Qualität von Perowskit-Schichten und damit der Solarzellen vorherzusagen und sind damit der Marktreife einen wichtigen Schritt nähergekommen. 
 

WASSERSTOFF AUS SONNENLICHT

Derzeitige Technologien zur Herstellung von grünem Wasserstoff in Elektrolyseuren sind für eine breitere Anwendung oftmals noch zu ineffizient oder zu teuer. Bei der solaren Wasserspaltung, häufig auch als künstliche Photosynthese bezeichnet, wird Wasserstoff mit Solarenergie hergestellt. Ein Team von Forschenden um Dr. Matthias May vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen hat nun eine Solarzelle vorgestellt, die integraler Bestandteil der photoelektrochemischen Apparatur ist und direkt mit den Katalysatoren für die Wasserspaltung zusammenarbeitet. Die Entwicklung aus Tübingen stellt mit einem Wirkungsgrad von 18 Prozent den zweithöchsten je gemessenen Wert für die direkte solare Wasserspaltung dar und belegt den ersten Platz, wenn man die Fläche der Solarzelle berücksichtigt. 
 

NACHHALTIGERE SOLARZELLEN

So genannte Heterojunction-Solarzellen weisen durch ihren geringen Siliziumverbrauch einen besonders niedrigen CO2-Fußabdruck auf und erreichen in industrieller Produktion bislang die höchsten Wirkungsgrade. Jedoch wird bei deren Herstellung wertvolles Silber für die Leiterbahnen und Kontakte verwendet, dessen Preise stetig steigen. Ein Team des Fraunhofer ISE hat nun ein Galvanikverfahren entwickelt, bei dem Silber durch Kupfer bei der Heterojunction-Technologie ersetzt wird. Kupfer ist um ein Vielfaches preiswerter als Silber und zudem leichter verfügbar. Dazu wurden bisher teure Lacke oder Folien auf Polymer-Basis, die ebenfalls verwendet werden, durch Aluminium ersetzt, das sich ebenso wie Kupfer vollständig recyceln lässt. Der Umstieg von Silber auf Kupfer und von Polymer auf Aluminium bringt auch einen doppelten Vorteil: Die Herstellung der Solarzellen wird dadurch nachhaltiger und gleichzeitig deutlich kostengünstiger.
 

SOLARDACH ÜBER EINER AUTOBAHN

Seit knapp einem Jahr erzeugt es Strom: das erste Photovoltaik-Dach über einer Autobahn. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hatte zusammen mit dem AIT Austrian Institute of Technology und dem Verkehrstechnik-Anbieter Forster Industrietechnik GmbH diese PV-Anlage über der Autobahn A 81 erreicht und erprobt sie derzeit. Ziel des tri-nationalen Projektes ist es herauszufinden, ob und wie sich Straßenflächen für die Erzeugung von Solarstrom nutzen lassen. Die zehn Meter lange Testanlage besteht aus einer 10 mal 17 Meter großen Dachfläche aus Photovoltaik-Modulen, die sich etwa 5,5 Meter über der Fahrbahn befinden. Das Projekt zielt zunächst auf die Entwicklung des Prototyps einer mit Photovoltaik-Modulen bestückten Straßenüberdachung sowie des anschließenden Baus und der messtechnischen Begleitung des Demonstrators ab. Die Anforderungen an eine Photovoltaikanlage als Straßenüberdachung stellen eine große Herausforderung dar. 
 

BAHNSCHWELLEN-PV

Auch die Bahn möchte ihr Netz gerne zur Erzeugung von Solarstrom nutzen, um bis 2038 ihren gesamten Bahnverkehr auf 100 Prozent Ökostrom umzustellen. Gemeinsam mit dem britischen Unternehmen Bankset Energy testet sie, ob sich auch die Schieneninfrastruktur für Nutzung von Solarenergie eignet. Bankset Energy will dabei den Raum zwischen den Schienen für das Verlegen von Solarpaneelen nutzen und hat eigenen Angaben zufolge damit begonnen, Schienenwege mit Photovoltaik zu belegen. In Deutschland wurden auf einem Testfeld der Erzgebirgsbahn Solarmodule auf Bahnschwellen verlegt. Der Test konnte mit einem Proof of Concept abgeschlossen werden. Das Potenzial ist enorm: Rechnerisch könnte ein flächendeckender Einsatz im Streckennetz der Bahn Energie wie fünf Atomkraftwerke liefern.

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