Höhenflug beim Wirkungsgrad

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Klassische Silizium-Solarzellen sind immer noch die verbreitetsten Sonnenlichtfänger fürs Hausdach. Weiterentwickelte Silizium-Module halten die konkurrierenden Ansätze auf Abstand.

Die Schweizer Luftwaffe hat ihre Pilatus-Flugzeuge bereits verlegt. Denn die Ingenieure des Solar-Impulse-Projekts der beiden Schweizer Elektroflug-Pioniere Bertrand Piccard und André Borschberg brauchen Platz, viel Platz. Bald wollen sie im Hangar des Militärflugplatzes Payerne südlich von Bern mit der Konstruktion des neuen, verbesserten Solarfliegers beginnen. Die Maschine wird mit 80 Metern Spannweite an den Airbus A380 heranreichen, das weltweit größte Verkehrsflugzeug. Im Jahr 2012 soll das E-Fluggerät dann zu einer Reise abheben, die Luftfahrtgeschichte schreiben könnte: der Weltumrundung ohne Treibstoff und ohne CO2-Emissionen.

Ein Ereignis, das Vorbildcharakter haben könnte. "Der Kohlendioxid-Ausstoß aus dem Luftverkehr soll bis 2050 um die Hälfte sinken. Warum nicht mithilfe solarer Passagierflugzeuge?", sagt Projekt-Initiator Bertrand Piccard. Flugzeuge und Schiffe, die emissionsfrei mit Brennstoff- oder Solarzellen angetrieben werden, sind längst mehr als eine kühne Vision.

Ende Mai 2011 wird der Schweizer Raphaël Domjan mit seinem solarbetriebenen Katamaran Tûranor PlanetSolar nach achtmonatiger Weltumrundung in Monaco zurückerwartet. Bereits im Juli 2010 gelang Solar-Impulse-Pilot André Borschberg mit dem ersten Prototyp ein 26-Stunden-Flug über Payerne. Vier Elektromotoren mit 30 Kilowatt (kW) Gesamtleistung hievten das 1,5 Tonnen schwere Gerät auf 8500 Meter Höhe.

Danach trieben 12000 in die Flügel integrierte monokristalline Rückseitenkontaktzellen der US-Firma SunPower mit 22,5 Prozent Wirkungsgrad die Propeller an. SunPower-Solarzellen fangen mehr Licht ein und sind effizienter als herkömmliche Siliziumzellen, da sich ihre Stromanschlüsse auf der Rückseite befinden, sodass die Front nicht von Kontakten verschattet wird. Die neue Solar Impulse soll für die Weltumrundung noch effizientere Solartechnik nutzen. Piccard will Mehrschichtenzellen einbauen, die, anders als Siliziumzellen, aus verschiedenen Schichten unterschiedlich legierter Halbleiter bestehen. Da sie jeweils eine andere Wellenlänge des Lichts nutzen, steigt ihr Wirkungsgrad auf 30 Prozent.

High-End-Zellen in mobilen Anwendungen sind die Speerspitze der Photovoltaik (PV) und unterscheiden sich noch stark von den stationären Modellen. Mobile Zellen müssen auf höchste Stromausbeute bei geringstem Gewicht gezüchtet werden. Die neuen Mehrschichtenzellen von Solar Impulse sollen deshalb nicht dicker sein als 50 Mikrometer. Einem Solaranlagenbetreiber kann die Dicke seiner Zellen hingegen relativ egal sein. Er kommt problemlos mit den 180 Mikrometern gängiger Siliziumzellen zurecht.

Dennoch sind die schlanken Hocheffizienzzellen auch für stationäre Anwendungen richtungweisend. Denn hohe Zellenproduktionskosten machen Sonnenenergie teuer: In Deutschland produzieren PV-Systeme Solarstrom nach Berechnungen der Fachzeitschrift "Photon" für durchschnittlich elf Cent pro Kilowattstunde (kWh). Damit ist er viermal teurer als Kohlestrom. Bessere Wirkungsgrade können den Preis erheblich drücken. Der Wirkungsgrad beeinflusst die Wirtschaftlichkeit der Zellenproduktion stärker als jeder andere Faktor: Jeder Prozentpunkt mehr Wirkungsgrad, so die Faustformel, senkt die Kosten um sieben Prozent, da pro Watt weniger Material benötigt wird.

Nicht alles, was in den prototypischen Vorreitern mit einem hohen Wirkungsgrad glänzt, lässt sich jedoch in der Massenfertigung mit vertretbarem Aufwand realisieren. Bei den Mehrschichtenzellen wird eine Germaniumscheibe im Vakuum mit verschiedenen Absorbern beschichtet. "Dieses Verfahren ist für großflächige terrestrische Anwendungen zu teuer", sagt Gerald Siefer, Stapelzell-Experte am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg. Siliziumzellen lassen sich leichter umsetzen. ISE-Chef Eicke Weber glaubt, dass ihre Effizienz bereits mit relativ geringem Aufwand auf deutlich über 20 Prozent wachsen könne; derzeit verfügbare Standardzellen kommen auf durchschnittlich 17 Prozent.

SunPowers Rückseitenkontaktzellen, die in Tests bereits rekordverdächtige 24,2 Prozent Wirkungsgrad erreichen, geben die Richtung vor. Ihr Nachteil sind jedoch die hohen Kosten, bedingt durch eine aufwendige Produktion. Statt auf revolutionäre Effizienzsprünge setzten die meisten Hersteller daher auf kosteneffizientere evolutionäre Entwicklungen ihrer Siliziumzellen, erklärt Paul Wyers, Leiter des Bereichs Solarenergie am niederländischen Energieforschungsinstitut ECN.

Nach zwei Jahrzehnten intensiver Siliziumforschung haben die Labore der Industrie inzwischen eine Reihe verschiedener Optimierungsverfahren entwickelt, um erstens mit geringstem Aufwand möglichst viel Licht einzufangen und zweitens Ladungsträgerverluste in der Zelle zu vermeiden. Strom fließt nur dann, wenn die negativ geladenen Elektronen die Kontakte auf der Vorderseite und die positiv geladenen Freistellen, die durch das Abwandern der Elektronen entstehen – die sogenannten Elektronenlöcher –, den Rückkontakt erreichen. Die größten Verluste entstehen dadurch, dass sich Elektronen und Löcher an Stellen mit Unregelmäßigkeiten im Halbleiterkristall oder an dessen Oberfläche wieder neutralisieren, im Fachjargon: rekombinieren.

Die chinesischen Hersteller Suntech Power und Yingli Green Energy lösen dieses Problem derzeit am besten. Suntech hat gemeinsam mit der University of New South Wales in Sydney Zellen entwickelt, die 10 bis 15 Prozent effizienter sind als seine bisherigen Zellen – die monokristalline Variante erreicht 19,2 Prozent Wirkungsgrad. Ein Geheimnis von Suntech ist der selektive Emitter. Das ist die obere aktive Schicht des Siliziumkristalls. Sie wird gezielt mit Phosphor verunreinigt. Je mehr Phosphor sie enthält, desto besser leitet sie die generierten Elektronen aus der Zelle zu den Kontakten, da sich durch die Phosphoratome der Übertragungswiderstand zwischen dem Halbleiter und den Kontakten verringert. Zu viel Phosphor ist aber schlecht für den Wirkungsgrad.

Denn die Phosphoratome wirken wie Störungen in der Kristallstruktur, an denen sich die erzeugten Ladungsträger wieder rekombinieren, ehe sie die Kontakte erreichen. Suntech arbeitet daher nur direkt unter den Kontakten mit viel Phosphor, dazwischen mit weniger. So verbessere sich die Effizienz bei nahezu gleichbleibenden Prozesskosten, sagt Technikchef Stuart Wenham.

Yingli wiederum will den Wirkungsgrad seiner Zellen mittels eines speziellen monokristallinen n-Typ-Siliziums und sogenannter "Metal-Wrap-Through"-Technik (MWT) auf 20 Prozent steigern. Siliziumzellen bestehen aus zwei unterschiedlich dicken Bereichen, die sich in ihrer Leitfähigkeit unterscheiden. In Standardzellen ist die dickere untere Schicht mit Bor angereichert, um einen Überschuss positiver Ladungsträger zu erhalten, im oberen Emitter sorgt dagegen Phosphor für einen Überschuss negativer Ladungsträger. n-Typ-Zellen sind genau umgekehrt aufgebaut (siehe Grafik). Ihr Vorteil: Wegen seiner speziellen Atomeigenschaften neigt Bor weniger dazu, die generierten Ladungsträger zum Rekombinieren zu bringen, weshalb die Zellen einen höheren Wirkungsgrad erreichen. Das wiederum macht es möglich, mit billigerem Silizium zu arbeiten, das mehr Verunreinigungen enthält, oder Zellen mit höheren Effizienzen herzustellen.