Holografische Solarzellen

Die Stromgewinnung mit Hilfe der Solartechnik erfreut sich zunehmender Beliebtheit. Problematisch bleiben allerdings die recht hohen Kosten. Der Grund: Das zur Herstellung fotovoltaischer Solarzellen notwendige kristalline Silizium ist noch sehr teuer. Ein Ansatz, diese Kosten zu senken, ist die Nutzung von Spiegeln- und Linsensystemen, um das Licht der Sonne besser zu bündeln. Dadurch schrumpft die Größe der notwendigen Siliziumfläche, um den gewünschten Elektrizitätsbedarf zu decken. Traditionelle Methoden zur Lichtkonzentration sind allerdings mit eher unattraktiven und großen Aufbauten verbunden, die sich für Hausdächer nur bedingt eignen.

Das US-Spezialunternehmen Prism Solar Technologies will dieses Problem nun gelöst haben: Ein neuartiges Solarmodul, das seit Kurzem als Prototyp vorliegt, nutzt die Holographie-Technik, um das Licht zu bündeln. Die Kosten sollen so um bis zu 75 Prozent gegenüber traditioneller Solartechnik sinken, was sie deutlich wettbewerbsfähiger gegenüber fossiler Energiegewinnung macht.

Die neue Technologie ersetzt große Lichtkonzentratoren durch flache Panels, die mit einer Hologrammschicht laminiert sind. Prism-Solar-Chef Rick Lewandowski hält den Ansatz für deutlich eleganter als die alten Methoden der Lichtbündelung. Die Module lassen sich auf Hausdächern installieren und sogar in Fenster und Glastüren einbauen.

Zwischen 25 und 85 Prozent weniger Silizium ist so notwendig, weil das fotovoltaische Material nicht die ganze Fläche des Solarpanels einnehmen muss, um die gleiche Wattleistung zu erreichen. Stattdessen wird das Fotovoltaik-Material in mehreren Reihen angebracht. Die Hologramme lenken das Licht innerhalb einer Glasschicht derart um, das es so weit reflektiert wird, bis es auf die Siliziumschicht trifft. Das Muster wird zuvor per Laser eingebrannt. Die Kosten reduzierten sich so von 4 auf 1,5 Dollar pro Watt, wie Lewandowski erklärt.

Prism Solar ist derzeit dabei, sechs Millionen Dollar an zusätzlichen Mitteln von Risikokapitalfirmen einzusammeln. Die neuen Module sollen in einer ersten Generation ab Ende des Jahres produziert werden. Ihr Preis läge dann bei 2,40 Dollar pro Watt. Module der nächsten Generation mit noch besserer Technik dürften die Kosten noch weiter herunterbringen.

Hologramme sind allerdings in ihren Lichtbündelungseigenschaften weniger effizient als gewöhnliche Konzentratoren. Sie verstärken das eintreffende Licht auf den Zellen nur um den Faktor 10, während mit linsenbasierten Systemen Faktoren zwischen 100 und 1000 erreicht werden.

Traditionelle Konzentratoren sind allerdings sehr kompliziert. Die Linsen oder Spiegel müssen der Sonne direkt zugewandt sein, um das Licht fokussieren zu können. Daher müssen sie sich ständig nach dem Licht ausrichten. Sie erhitzen die Solarzellen außerdem deutlich – ein Kühlsystem muss daher her. Im Ergebnis machten sie für Heimanwender daher wenig Sinn, meint George Douglas, Sprecher des US-Nationallabors für erneuerbare Energiequellen. Dennoch sei der Wirkungsgrad größer als bei Hologrammen.

Diese haben jedoch Vorteile, die diesen Nachteil wieder aufwiegen: Sie können beispielsweise bestimmte Lichtfrequenzen herausfiltern und sie auf Solarzellen lenken, die am besten mit diesen Frequenzen arbeiten, um die maximale Energieleistung aus dem Licht zu holen. Frequenzen, die die Zellen erhitzen würden, lassen sich außerdem ablenken, was ein Kühlsystem überflüssig macht. "Nur der Bereich des Sonnenlichtes, der tatsächlich wichtig ist, wird verwendet", sagt Selim Shahriar, Direktor am Labor für Atom- und Fotonen-Technologie der Northwestern University.

Hologramme lassen sich außerdem so aufbauen, dass sie das Licht aus verschiedenen Winkeln aufnehmen – bewegliche Teile werden nicht benötigt. Die Prism-Solar-Technik nutzt diese Vorteile. Christo Sojanoff, emeritierter Professor für Ingenieurwissenschaften an der TU Aachen, glaubt allerdings, dass der Preis noch auf 2,40 Dollar pro Watt sinken müsse, um mit bestehenden Angeboten konkurrieren zu können.

Lewandowski glaubt jedoch, dass seine holografischen Module in wenigen Jahren nur noch 1,50 Dollar pro Watt kosten werden. Die nächste Generation der Module soll die Solarzellen zwischen zwei mit Hologrammen versetzten Glasschichten packen. Zu diesem Preis könnte die Solartechnik dann auch mit Stromgewinnung aus fossilen Brennstoffen konkurrieren, die derzeit laut aktueller Zahlen des Marktforschungsinstitutes Solarbuzz noch dreimal billiger ist.

Douglas vom US-Nationallabor fürchtet allerdings, dass das viele Glas den Preis steigern könnte. Eine solch neuartige Methode könnte sich dennoch als lukratives Investment erweisen, weil weniger Silizium gebraucht wird, was Geld spare. Die große Nachfrage nach Solarzellen in Deutschland und anderen europäischen Ländern könne bereits heute kaum mehr gedeckt werden: "Es gibt bereits Silizium-Knappheiten, was die Produktion in der Welt der Photovoltaik bremst."

Holografische Solarkonzentratoren werden bereits seit den frühen Achtzigerjahren diskutiert. Eine kommerzielle Umsetzung fehlte bislang, wie TU-Aachen-Mann Stojanoff betont, der sich intensiv mit der Technik beschäftigt hat. Seine Firma, die Holotec GmbH aus Aachen, forscht und produziert ebenfalls im Bereich holografischer Materialien. Northeast Photosciences aus den USA habe kurz vor der Produktion solcher Solarzellen gestanden, musste dann aber aus anderen Gründen aufgeben, wie Stojanoff berichtet.

Sollte alles gut gehen, könnte Prism Solar so tatsächlich zum ersten Anbieter holografischer Solar-Konzentrator-Module werden. Es würde sich lohnen.

Übersetzung: Ben Schwan. (wst)