Energierevolution: "100% Solarstrom in weniger als 25 Jahren"
Dünnschicht-Solarzellen sollen nun deutlich billiger werden, weil für das teure und hochgiftige Schwermetall Cadmium eine billige und saubere Alternative gefunden wurde
Schon vor mehr als zehn Jahren hatten Wissenschaftler wie der Raumfahrttechniker Wolfgang Seboldt erklärt, dass sich der weltweite Bedarf an elektrischem Strom komplett durch Sonnenenergie decken ließe (Solarenergie ganz groß). Diesem Ziel scheint man nun einen großen Schritt näher gekommen zu sein. Im Bereich der breit anwendbaren Dünnschicht-Solarzellen gibt es bedeutsame Fortschritte. Im Fachmagazin "Nature" haben Forscher eine billige und unschädliche Alternative für das bisher verwendete hochgiftige und teure Schwermetall Cadmiumchlorid vorgestellt.
Im Bereich der Solarenergie zeichnet sich eine revolutionäre Wende bei der Herstellung von Solarzellen ab, macht der Nature-Artikel. Eine Forschergruppe der University of Liverpool unter Leitung von Prof. Ken Durose hat mit Magnesiumchlorid eine sehr günstige Alternative für das hochgiftige Cadmium gefunden, das bisher meist in den Dünnschicht-Solarzellen verwendet wird. Deshalb wird erwartet, dass die Preise für die Solarzellen der 2. Generation purzeln werden.
Und die Dünnschicht-Solarzellen haben gegenüber den Zellen der 1. Generation auf Basis von Silizium, das in der großen Mehrheit der bisherigen Zellen eingesetzt wird, den großen Vorteil, dass sie sehr breit angewendet werden können. Sie brauchen nur wenig Silizium, sie sind nur zwei Mikrometer dünn und das photosensitive Material lässt sich problemlos auf Glas und sogar auf flexible Oberflächen auftragen. Sie erreichen relativ hohe Wirkungsgrade auch bei diffusem Licht und sie zeigen zudem gute Leistungen bei hohen Temperaturen. Das macht sie auch besonders dort attraktiv, wo die Sonnenstrahlung sehr intensiv ist und es deshalb sehr heiß wird.
Ein großes Problem stellt bisher das Cadmiumchlorid dar. Es wird dazu verwendet, um den Wirkungsgrad von Zellen auf Cadmiumtellurid-Basis zu steigern, die bisher am billigsten sind und deshalb besonders oft zum Einsatz kommen. Eine dünne Schicht dieses Salzes wird auf die Solarzelle aufgesprüht. Damit wird die Licht absorbierende Schicht in ihrer Struktur so verändert, dass deutlich mehr Licht absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Effizienz wird damit von ursprünglich 1-2% auf bis zu 15% und unter Laborbedingungen sogar auf fast 20% gesteigert. Damit reichen Dünnschicht-Zellen im Wirkungsgrad schon an den von üblichen Siliziumzellen heran.
Doch die Technik auf Basis von Cadmium birgt diverse Probleme. Denn das Schwermetall ist hochgiftig. Bei der Verarbeitung müssen die Beschäftigten aufwendig geschützt werden, denn Cadmiumchlorid kann zu genetischen Veränderungen führen und Krebs auslösen. Durch seine Wasserlöslichkeit ist es zwar einfach zu verarbeiten, es birgt aber auch große Gefahren für die Umwelt und die Ökosysteme. Die hohen Sicherheitsstandards in der Produktion verteuern den eigentlich einfachen Produktionsprozess, der zudem von einem geringen Rohstoffverbrauch gekennzeichnet ist. Aber alle Elemente müssen nach der Verwendung aufwendig entsorgt und der giftige Stoff ebenfalls teuer aus den Abwässern beseitigt werden. Das treibt den Preis für die Herstellung genauso in die Höhe wie der hohe Preis für Cadmiumchlorid.
Jon Major war an dem Team beteiligt, das deshalb nach Alternativen für den giftigen Stoff gesucht hat. "Wir wissen durch andere Studien, dass es das Chlorid ist, das diese Leistungssteigerung der Solarzelle ausmacht", erklärte er. Cadmium sei nicht so wichtig und deshalb hätten sich die Forscher in Liverpool gefragt: "Welche anderen Chloride gibt es noch, die ungiftig und günstig sind und funktionieren könnten?"
Nachdem diverse Salze auf die Tauglichkeit zur Steigerung der Effizienz von Dünnschicht-Solarzellen getestet wurden, stießen die Forscher darauf, dass Magnesiumchlorid fast genauso effizient wirkt wie Cadmiumchlorid und unbedenklich verarbeitet werden kann. Die Zellen seien so gut wie die, die unter Verwendung des Schwermetalls produziert würden, erklärt Major. (http://www.nature.com/news/bath-salt-chemical-promises-safer-solar-cells-1.15464) Da dieses Salz im Winter sogar auch als Streusalz eingesetzt wird, wird schon der klare Kostenvorteil deutlich. Während ein Kilogramm Magnesiumchlorid nur etwa 73 Cent kostet, muss für ein Kilogramm Cadmiumchlorid etwa 220 Euro bezahlt werden, rechnen die Forscher vor.
Doch das ist nur einer der riesigen Vorteile. Billiger wird die Herstellung vor allem deshalb, weil bei der Verarbeitung ganz anders gearbeitet werden kann. Man benötigt weder Gasmasken, wie beim Aufsprühen von Cadmiumchlorid auf eine Oberfläche, noch leistungsstarke Dunstabzugssysteme. Die teure Abscheidung aus dem Abwasser oder die sehr teure Entsorgung der mit dem Schwermetall belasteten Abfälle fallen weg. "Wir können das Magnesiumchlorid mit einer handelsüblichen Airbrush-Pistole auf die Solarzellen aufsprühen", berichtet Major.
Deshalb erklärt sich der Kostenvorteil nur zu einem kleinen Teil durch deutlich niedrigere Rohstoffkosten. Durch die Verwendung von Cadmiumchlorid fielen für die Produktion von Dünnschicht-Solarzellen mit einer Leistung von einem Gigawatt zusätzliche Kosten in einer Höhe von 1,1 Millionen Euro an, meint Major. Im klaren Kontrast dazu stünden die knapp 3700 Euro, die bei der Verwendung von Magnesiumchlorid anfielen. Für die Produzenten biete sich zudem an, dass bisherige Produktionsverfahren weiterhin verwendet werden könnten, mit denen schon seit 25 Jahren gearbeitet wird. Hohe Investitionen zur Umstellung sind deshalb nicht nötig.
Für die Forschergruppe ist Cadmium aber nicht nur ein Kostenproblem, sondern auch ein Imageproblem. Schließlich gehe es bei erneuerbaren Energien auch darum, eine umweltschonende Alternative zu den fossilen Energieträgern zu finden. Dafür ist ausgerechnet das hochgiftige Schwermetall völlig ungeeignet. Dagegen eignet sich dafür Magnesiumchlorid besonders gut, dass auch als Badesalz verwendet wird. Es ist so unbedenklich, dass es zur Gerinnung von Sojamilch zu Tofu verwendet und in Japan Nigari genannt wird.
Trotz der Imageprobleme und niedrigerer Wirkungsgrade konnten Dünnschicht-Solarzellen schon bisher ihren Marktanteil vor allem durch den Kostenvorteil gegenüber der Solarzellen der 1. Generation ausweiten. Ihr Anteil auf dem Solarmarkt lag im Jahr 2007 noch bei rund 10%, doch er steigerte sich schon 2009 auf 20%. Das ist auch deshalb beachtlich, weil in dieser Zeit die Photovoltaik insgesamt ein starkes Wachstum verzeichnete. Allerdings fiel mit den Preisen für herkömmliche Module (Die ersten 25 Prozent sind geschafft) auch der Marktanteil der Dünnschicht-Solarzellen bis 2013 wieder auf 10% zurück.
Die Solarzellen auf Basis von Cadmium-Tellurid, die nun deutlich billiger werden sollen, haben aber bisher die größte Marktdurchdringung erreicht. Neben dieser Technik gibt es auch noch Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium. Die haben den Nachteil eines deutlich geringeren Wirkungsgrads. Dagegen bieten Kupfer-Indium-(Gallium)-Selen (CIS/ CIGS) relativ hohe Wirkungsgrade und zeigen ebenfalls ein sehr gutes Verhalten bei diffusem Licht und hohen Temperaturen. Bisher werden sie aber selten verwendet. Erwartet wird, dass mit einer Ausweitung der Produktion auch eine deutliche Verteuerung der sehr seltenen Rohstoffe Indium und Gallium einhergeht. Allerdings gibt es auch hier schon erfolgreiche Ansätze, das besonders kostspielige Indium durch billiges Zinn und Zink zu ersetzen.
Nicht nur für die Liverpooler Forscher ist die Kostenfrage von entscheidender Bedeutung dafür, um die Anteil von Solarenergie an der Stromerzeugung auszuweiten. "Wenn die erneuerbare Energie in Zukunft mit fossilen Brennstoffen mithalten will, dann müssen die Produktionskosten der Anlagen deutlich gesenkt werden", erklärt Major. Bedeutsame Schritte seien in der Vergangenheit schon gegangen worden. Er fügte an, dass "unsere Entwicklung das Potenzial hat, die Kosten wesentlich zu senken." Denn die ohnehin schon billigsten Zellen der 2. Generation könnten über das Magnesiumchlorid nun noch deutlich billiger werden.
Die Forscher sehen nun den Zeitpunkt gekommen, an dem die Produktion von Solarstrom billiger werden könne, als die Stromerzeugung über Gas. Das rechnet der Leiter des Stephenson Institute for Renewable Energy an der Universität von Liverpool Ken Durose vor. Majors Chef erwartet insgesamt, dass die Solarenergie schrittweise billiger und billiger wird. Und für Salim Ismail ist längst eine Energierevolution absehbar. "Die Revolution wird kommen, wenn der Preis für den Solarstrom sich dem Strompreis in den USA angleicht und das wird in vier Jahren der Fall sein", sagt der Direktor der kalifornischen Singularity University. Die Universität im Silicon Valley wird von der Nasa und von Google getragen und ist im Forschungszentrum der Nasa angesiedelt. Für den ehemaligen Yahoo-Vizepräsident Ismail sieht die Solarenergie einer sehr strahlenden Zukunft entgegen: "100% des Strombedarfs wird in weniger als 25 Jahren über die Sonne gedeckt."