Solarenergie en miniature

Forscher an den Sandia Labs haben Mikrosolarzellen aus multikristallinem Silizium entwickelt, die Module mit wesentlich geringerem Materialeinsatz, aber gleichem Wirkungsgrad ermöglichen.

Multikristallines Silizium ist derzeit der Goldstandard für Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad. Allerdings nicht ohne Nachteile: Die Kosten sind hoch, die daraus gefertigten Zellen schwer und spröde in der Konsistenz. Forscher an den Sandia National Laboratories haben nun mikroskopisch kleine Solarzellen entwickelt, die materialsparende biegsame Module aus multikristallinem Silizium ermöglichen – bei gleichem Wirkungsgrad.

„Bei Mikrosystemen geht es darum, Dinge billiger, leistungsfähiger und funktionaler zu machen“, sagt Gregory Nielsen, der Leiter des Entwicklungsprojekts. Das ist ihm und seinen Kollegen mit den Winzlingen im Ansatz bereits gelungen.

Die Zellen haben einen Durchmesser von 0,25 bis 1 Millimeter. Deshalb genügt ein Zehntel der Schichtdicke herkömmlicher Zellen. Die müssen bei Flächen von typischerweise 15 Quadratzentimetern mindestens 100 Mikrometer dick sein, um nicht zu brechen.

Mit Hilfe von Ätzverfahren werden die Winzlinge zunächst aus Siliziumblöcken herausgearbeitet. Gibt man ihnen eine sechseckige Form, entsteht nur wenig Abfall, weil die Kanten der Zellen wie einem Wabenmuster nahtlos aneinander liegen. „Die Materialeinsparung ist beträchtlich“, freut sich Nielsen.

Eine zweite chemische Bearbeitung verleiht ihnen dann die gewünschten elektrischen Eigenschaften, bevor Metallkontakte aufgebracht werden. Im letzten Arbeitsschritt ätzen die Wissenschaftler noch einmal die oberen 10 bis 20 Mikrometer der Zelle in einer festgelegten Struktur weg. Das Endprodukt ist eine 20 Mikrometer dicke Scheibe, die mit 14,9 Prozent denselben Wirkungsgrad wie herkömmliche Zellen aus demselben Material hat.

Bislang hat Nielsens Gruppe nur einzelne Mikrosolarzellen als Proof of Principle gefertigt. Nun ist sie dabei, die Zellen zu Modulen zu verbinden und ein Verfahren zu finden, mit dem sich dies möglichst effizient bewerkstelligen lässt. In einer Trägerflüssigkeit könnte man die Zellen auf Kunststofffolien drucken und so biegsame Solarmodule herstellen.

Die würden die existierenden flexiblen Zelltypen beim Wirkungsgrad um Längen schlagen. Das liegt an den Materialien, die bislang verwendet werden: Das Titandioxid-Farbstoff-Gemisch von Grätzel-Zellen hat im Idealfall einen Wirkungsgrad von 11 Prozent. Die Polymermischung in den „Plastic Power“ genannten Modulen von Konarka bringt es gar nur auf vier Prozent. „Wir gehen davon aus, dass wir mit dem hocheffizienten Material dieselbe Biegsamkeit bei einem Fünftel der Fläche hinbekommen“, sagt Nielsen.

Neben der Materialeinsparung und Wirkungsgrad haben die Mikrosolarzellen haben einen dritten Vorteil: Der Aufwand, Licht im richtigen Winkel auf ihre Oberfläche zu lenken, ist geringer. Herkömmliche Module müssen mit Hilfe von Motoren am Sonnenstand ausgerichtet werden, oder sie benötigen große Linsensysteme als Lichtsammler. Für eine Anordnung aus Mikrozellen würde hingegen ein Gitter aus vielen kleinen Linsen genügen, die jeweils nur Bruchteile von Millimetern justiert werden müssten, um möglichst viel Sonnenlicht einzufangen.

Die Mikrozellen könnten zugleich mit klassischen Linsen, die das einfallende Licht brechen und bündeln, kombiniert werden. Die lassen 90 Prozent des einfallenden Sonnenlichts durch. Für herkömmliche große Solaranlagen eignen sie sich aber nicht, weil mit zunehmendem Durchmesser auch die Kosten nach oben schnellen und ein größerer Abstand zwischen Modul und Linse nötig wird.
Stattdessen verwendet man hier flachere Fresnel-Linsen, die das Licht mit Hilfe konzentrischer Ringstrukturen brechen, aber nur 80 Prozent des Sonnenlichtes durchlassen.

Das Sandia-Projekt ist vom Solar Technologies Program des US-Verteidigungsministeriums finanziert worden. Nielsen erwartet, dass die ersten Module in drei Jahren anwendungsreif sind und zunächst vom Militär genutzt werden – etwa in Zeltplanen. Bis die Haltbarkeit den Anforderungen der Solarbranche entspricht, dürften aber noch ein paar weitere Jahre ins Land gehen. (nbo)