Effizientestes Solarmodul der Welt: Ein praxisnäherer Rekord

Purzelnde Rekorde sind in der Welt der Photovoltaik keine Seltenheit. Mittels Integration neuer Materialien und Techniken können die Grenzen der heute massengängigen Silizium-PV-Module teils deutlich überschritten werden. Doch was in Labor und Forschungseinrichtung beste Werte erzielt, hat einen langen Weg vor sich, bevor es eines Tages in nennenswerter Zahl auf Hausdächern, an Balkonen oder als Parkplatzüberdachung Strom produziert. Eine Meldung des Freiburger Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) lässt nun aufhorchen. Das „effizienteste Solarmodul der Welt“ sei dort nun entwickelt worden, heißt es von dort in dieser Woche. Was aber heißt das?

2023 hatte das ISE eine Silizium-Gallium-Stapelsolarzelle mit 36,1 Prozent Wirkungsgrad entwickelt – ein Weltrekord. Und 34,2 Prozent ist die eine Zahl, über die sich die Freiburger Forscher jetzt freuen – dabei ist diese neue Zahl niedriger als die alte. Und die Wissenschaftler freuen sich ebenfalls über ein zweites Modul, das 31,3 Prozent erzielt. Und darin steckt schon ein Hauptunterschied: Nicht einzelne Zellen, sondern Module sind es, die hier Rekordwerte in ihren Klassen erzielen.

Mit den beiden neuen Tandemmodulen sollen unterschiedliche Anwendungsszenarien angegangen werden – und das nicht nur im Labor. In beiden Fällen handelt es sich um III-V-Module – das bezeichnet die verwendeten Elementgruppen –, bei denen also die Nachteile herkömmlicher Solarzellen durch einen Aufbau in mehreren Schichten und mit Materialien der Hauptgruppen III und V ausgeglichen werden. Dabei wird aus den unterschiedlichen Wellenlängen in der Bandlücke des jeweils oberen Materials noch Strom erzeugt. Am Fraunhofer ISE wird seit 40 Jahren zu solchen Zellen geforscht und immer wieder werden Schwellen zu höheren Effizienzgraden durchschritten. Doch ob die Rekorde am Markt ankommen, hängt von Fertigungstechnik und Skalierung ab.

Weil sie teurer sind als normale Solarzellen, war die Anwendung von Tandemzellen aber bislang primär dort üblich, wo lange Zeit die effiziente Energieausbeute noch wichtiger als die Kosten war: im Weltraum, etwa bei Satelliten-Solarzellen. Für diese spielen im Regelfall Gallium und Germanium eine Rolle – teure Materialien, vor allem im Vergleich zum heute meist genutzten Silizium. Doch auch damit sind Tandemzellen möglich, und auch die bieten noch Effizienzreserven. „III-V im Tandem mit Silizium als günstigere, III-V auf Germanium als etwas effizientere Variante, sind beides interessante Technologierouten für integrierte PV-Anwendungen überall dort, wo Fläche begrenzt ist“, sagt Andreas Bett, der das Freiburger Institut leitet.

Forschungsergebnisse sollen tatsächlich in Anwendung gehen

Gemeinsam mit Industrieunternehmen aus Europa haben die beteiligten Forscher mit Geld vom Bundesforschungsministerium ihre neuen Module entwickeln können. Was außerhalb der Erde bereits etabliert ist, kann nun mit einigen Anpassungen auch näher an der Erdoberfläche Strom erzeugen. „Im Fall des III-V-Germanium-Moduls aus dem Projekt ‚Vorfahrt‘ sind die Rekordzellen schon großformatig und die zur Modulherstellung verwendeten Prozesse sind seriennah“, sagt Laura Stevens den Stand zu ihrem Projekt. 34,2 Prozent Wirkungsgrad erzielt dieses Modul, bei dem die Oberflächenstruktur des Glases per Nanoimprint noch einmal optimiert wurde.

Das ISE verwende selbst Equipment, was dem der Industrie sehr ähnlich sei, was den Transfer vereinfachen könne. Modulmaterialien und Prozesse seien industrieüblich, also dem entsprechend, was für die Weltraumsolarzellen bereits genutzt werde. Bei den eigentlichen Kosten für die Integration der Module wäre gegenüber einem bisherigen Modul daher kaum ein Unterschied vorhanden. Und dabei spiele noch etwas eine Rolle, erklärt Stevens: Das Modul mit strukturiertem Glas und darin enthaltenen Solarzellen sei in Deutschland entwickelt und hergestellt worden.

Bei der Siliziumvariante ist die Zukunft noch offener. „III-V auf Silizium schlägt die Brücke zwischen dem Stand der Technik und High-Tech Produkten aus der Weltraumforschung“, erklärt Jonas De Rose, aber die Kombination der beiden Technologien sei nicht trivial. Der Erfolg der Freiburger Wissenschaftler nun: die Kleinserienproduktion dieser Zelle – 218 Quadratzentimeter groß, 31,3 Prozent Wirkungsgrad, der nächste wichtige Schritt für die Technik von 2023, die damals mit 36,1 Prozent in ihrer Klasse Rekorde aufstellte.

„Für die industrielle Umsetzung müssten Prozesse an der Schnittstelle der beiden Halbleiter weiter skaliert werden“, sagt der ISE-Forscher. Das notwendige Wissen dafür sei in Deutschland grundsätzlich vorhanden. „Diese Skalierung ist aber nur bei entsprechender Nachfrage aus dem Markt zu erwarten“, sagt De Rose. Interessenten gebe es jedoch dafür. Und zwar in beide Richtungen: zum einen ist der irdische Bedarf an effizienteren Solarmodulen groß. Denn der Platzbedarf für Photovoltaik ist in Summe nicht zu unterschätzen – neue Technologiemöglichkeiten wie die jetzt vom ISE weiterentwickelten oder etwa über zusätzliche Linsen gebündelte Konzentrator-PV könnten hier Vorteile bieten, die die Mehrkosten vertretbar machen.

Ein bisschen Space muss sein

Vor allem aber gibt es einen immer stärkeren Bedarf an kostengünstigeren, aber dennoch hocheffizienten und robusten Modulen für die Raumfahrt. Mit dem Boom auch kleinerer Satelliten geht es für die Hersteller um die Skalierung im Massengeschäft. Am Forschungsprojekt für die Germanium-Module war unter anderem die einstige Telefunken-Tochter Azur Space beteiligt, die heute zur kanadischen 5N-Plus-Gruppe gehört und seit dem ersten deutschen Satelliten Azur Solarzellen für außerirdische Anwendungen produziert.

Der eigentliche Fortschritt der ISE-Forscher liegt also diesmal nicht primär darin, mit ihren III-V-Tandemmodulen einen hohen Wirkungsgrad erzielt zu haben – sondern mit diesem auch einen deutlichen Schritt in Richtung Fertigung gegangen zu sein. Ob und wann diese Module aber wirklich massenverfügbar werden, ist dennoch nicht seriös absehbar. Und ob sie dann in Deutschland oder Europa gefertigt würde, noch weniger.

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