Photovoltaik-Forschung: „SolarWinS“ lotet das Wirkungsgrad-Potenzial multikristalliner Silizium-Solarzellen aus
Während der kommenden drei Jahre will der durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) mit ca. 5,5 Millionen Euro geförderte Forschungsverbund ermitteln, welches Wirkungsgrad-Potenzial Solarzellen aus mono- und multikristallinem Silizium noch bergen.
Mehr als vier von zehn Solarzellen, welche heute zum Einsatz kommen, bestehen aus multikristallinem Silizium. Dieses ist vergleichsweise preiswert, jedoch lassen sich mit der gegenwärtig in der Industrie eingesetzten Technik nur etwa 17 % der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Leistung umwandeln. Weitere 40 % aller in Modulen verbauten Solarzellen werden aus monokristallinem Silizium hergestellt. Sie erreichen zwar einen höheren Wirkungsgrad von etwa 19 %, dafür fallen während der Kristallzüchtung höhere Kosten an. Mit welchem dieser beiden Materialien in Zukunft kostengünstiger Energie erzeugt werden kann, ist gegenwärtig noch offen.
Hochreine Blockpräparation und hocheffiziente Solarzellen aus multikristallinem Silizium
Die physikalischen Grenzen sind für Solarzellen aus hochreinem, monokristallinem Silizium im Prinzip bekannt. Daher konzentrieren sich die Forscher zunächst auf das multikristalline Material: Hier entstehen während der Blockherstellung häufig Kristalldefekte, an die sich Verunreinigungen anlagern und dadurch die Stromausbeute und somit den Wirkungsgrad senken. Die Verunreinigungen kommen dabei überwiegend nicht aus dem – heutzutage hochreinen – Silizium-Rohstoff, sondern werden während der Kristallisation kontinuierlich aus der Umgebung eingetragen.
Nagelprobe mit Solar-Wafern aus Reinraum-Laboratorien
In einem ersten Schritt soll daher die Kontamination während der Blockherstellung in den Kristallisations-Labors der Projektpartner kontrolliert und systematisch verringert werden. Die Auswirkungen auf die Materialeigenschaften werden anschließend im Detail untersucht. Damit nicht genug: Als „Nagelprobe“ werden aus den Siliziumscheiben in Reinraum-Laboratorien Hocheffizienz-Solarzellen gefertigt, welche am deutlichsten Aufschluss über den unter optimalen Bedingungen erreichbaren Wirkungsgrad geben.
Ferner verfolgen die Forscher das Ziel, grundlegende Parameter während der Kristallzüchtung zu messen. Diese sollen in rechnergestützte Modellierungen einfließen, welche eine detaillierte Beschreibung der physikalischen Vorgänge während der Blockherstellung ermöglichen.
Gerüstet für die Zukunft
Falls sich herausstellt, dass multikristallines Silizium im Prinzip keinen anderen Limitierungen unterliegt als sein monokristallines Pendant, sollte es mittelfristig möglich sein, multikristalline Solarzellen mit einer Leistungsausbeute herzustellen, welche der von monokristallinen Zellen vergleichbar ist.
1 % höherer Wirkungsgrad kann für einen Hersteller Millionengewinne bedeuten
„Die momentane Wirkungsgraddifferenz von zwei Prozent klingt nach wenig, sie ist aber nicht nur wissenschaftlich, sondern auch wirtschaftlich höchst relevant. Denn schon eine Steigerung des Wirkungsgrades um nur ein Prozent kann für eine Firma mit einer Produktion von etwa 100 Millionen Solarzellen im Jahr einen jährlichen Zusatzgewinn von mehr als 20 Millionen Euro bedeuten“, rechnet Prof. Giso Hahn vor, Leiter der Abteilung Photovoltaik der Universität Konstanz.
Bestätigt wird dies von Dr. Kai Petter, Projektleiter des Verbundpartners Q-Cells SE: „Wir erhoffen uns durch dieses Projekt Informationen über den zukünftigen Weg der Photovoltaik. Die strategische Entscheidung, den Schwerpunkt von Entwicklung und Produktion auf mono- oder multikristallines Silizium zu legen, ist von bedeutender Wichtigkeit für Investitionen und damit die langfristige Ausrichtung und Wettbewerbsfähigkeit der beteiligten Unternehmen.“
19.05.2011 | Quelle: Fraunhofer ISB | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH
