Die Leistungsfähigkeit herkömmlicher Solarmodule stößt zunehmend an Grenzen. Die Zukunft könnte sogenannten Tandemmodulen gehören, die auf gleicher Fläche deutlich mehr Strom produzieren.
In gleißendem Sonnenlicht und bei großer Hitze verlegt die Firma Elektro Udo Schmidt Solarmodule auf einem Dach im saarländischen Mimbach. Es tut sich derzeit viel auf deutschen Dächern, denn immer mehr Eigenheimbesitzer wollen mit Hilfe von Photovoltaikanlagen ihren eigenen Strom produzieren. Und so langfristig Geld sparen und sich bei den Energiekosten und der Versorgung unabhängiger machen.
„Die Nachfrage nach Photovoltaikanlagen ist gerade nochmal enorm gestiegen. Was natürlich auch mit den steigenden Energiekosten zusammenhängt“, sagt Holger Nicolaus, Geschäftsführer des Elektrofachbetriebs.
Siliziumtechnologie nahezu ausgereizt
Kernbestandteil der Photovoltaikmodule ist Silizium. Die Module halten in der Regel zwei bis drei Jahrzehnte. Die Technologie ist etabliert und wurde stetig weiterentwickelt. „In den vergangenen 20 Jahren hat sich die Leistung der Siliziummodule quasi verdoppelt“, sagt Nicolaus. Doch auch wenn es immer noch kleine Leistungssteigerungen gebe, komme die Technik so langsam an ihre Grenzen.
Moderne Silizium-Solarzellen wandeln aktuell rund 22 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in elektrischen Strom um. Doch die Physik setzt Grenzen: Das theoretische Maximum liegt bei knapp 29 Prozent.
Perowskit-Schicht als nächste Evolutionsstufe?
Diese Grenze will das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) weiter nach oben verschieben. Rund 50 Menschen forschen im neuen Labor zur schnelleren Markteinführung von Perowskit-Silizium-Photovoltaik intensiv an einer hauchdünnen Schicht.
Perowskit ist ein Material mit besonderer Kristallstruktur und außergewöhnlichen Fähigkeiten. Nach Instituts-Angaben kann es Licht deutlich besser absorbieren, es besonders gut in Strom umwandeln und ist dabei noch vergleichsweise einfach in der Fabrik herzustellen.
Millionenförderung des Bundes
Dabei ist die Perowskit-Schicht so dünn wie ein Hundertstel eines menschlichen Haares. Wegen des Potenzials hat das Bundesenergieministerium das neue Reinraum-Labor mit rund 17 Millionen Euro gefördert.
Perowski soll die bisherige Siliziumtechnik jedoch nicht ersetzen, sondern ergänzen. „Die Kombination aus Perowskit und der erwachsenen Silizium-Technologie kann wirklich ein evolutionärer Schritt sein, um die Grenzen von 29 Prozent Wirkungsgrad zu überwinden“, sagt Martin Hermle, Leiter des Forschungsprogramms Perowskit-Silizium-Photovoltaik am Fraunhofer ISE.
Mehr Strom durch weitere Schicht
Das Silizium nimmt die Perowskit-Schicht dabei quasi „huckepack“. In sogenannten Tandemsolarzellen werden beide Materialien übereinandergeschichtet. Jede Schicht ist auf einen anderen Teil des Lichtspektrums spezialisiert.
Durch diese Kombination könnten theoretisch bis zu 43 Prozent des Sonnenlichts in Strom umgewandelt werden. Hermle erwartet, dass die Stromerzeugung so um mindestens die Hälfte erhöht werden kann.
Das Ziel der Forschenden ist es, diese Technologie in die Industrie zu bringen. Die große Herausforderung: Die Haltbarkeit der Tandemmodule. „Niemand, der eine Solarzelle auf dem Dach hat, möchte alle fünf Jahre ein Gerüst aufbauen und das Modul austauschen, sondern es soll mindestens zwei Jahrzehnte funktionieren“, sagt Hermle. Diese Stabilität gebe es noch nicht. Derzeit seien es meist fünf bis sechs Jahre – in Einzelfällen auch zehn Jahre.
Oxford-Ausgründung produziert bereits Tandemzellen
Genau an diesem Punkt sind sie bei Oxford PV – einer Ausgründung der weltberühmten britischen Universität. Im Werk in Brandenburg an der Havel arbeitet das Unternehmen schon seit zehn Jahren an der Produktionsweise von Perowskit.
Die PV-Module hätten zurzeit einen Wirkungsgrad von 25 Prozent – also etwas mehr als reine Siliziummodule – bei einer Lebensdauer von zehn Jahren. In den kommenden Jahren sollen Wirkungsgrad und Haltbarkeit stetig gesteigert werden.
„Ich glaube absolut, dass es eine Frage des Wanns und nicht des Obs ist“, sagt der Oxford-PV-Vorstandsvorsitzende David Ward. Bis zum Jahr 2030 will man einen Wirkungsgrad von 30 Prozent bei einer Lebensdauer der Tandemmodule von 20 Jahren herstellen.
Tandemtechnik ist teurer
Da zwei Typen von Solarzellen verwendet werden, seien sie aktuell noch etwas teurer als die PV-Module aus Silizium. „Aber sie erzeugen auf derselben Fläche eben auch mehr Strom“, so Ward.
Weil die dünne und leichte Perowskit-Schicht aus Sonnenstrahlen effizienter mehr Strom erzeugen kann, könnten Solarmodule in Zukunft nicht mehr nur auf Dächern oder Balkonen montiert werden, sondern auch an Fassaden oder auf den Dächern von Autos und Lastwagen.
Auch, dass für die Perowskit-Schicht etwas mehr giftiges Blei verwendet werden muss als in Siliziumzellen, sei kein wirkliches Problem. „Um das Ganze wirklich gefährlich für den Menschen zu machen, müsste man die komplette Solarzelle in sich aufnehmen“, sagt Hermle.
Standortvorteil für Europa?
Aktuell wird weltweit intensiv zu den Tandemzellen geforscht. Auf den Massenmarkt können sie laut Fraunhofer ISE in den nächsten zwei bis drei Jahren kommen. Derzeit wird ein Großteil der Silizium-PV-Module in Asien produziert. Laut neuesten Erhebungen kamen im vergangenen Jahr mehr als 90 Prozent der Importe aus China. Eine enorme Abhängigkeit also.
Könnte Perowskit dazu führen, dass die PV-Produktion in Deutschland und Europa ein großes Comeback feiert? In Sachen Forschung sieht Hermle Deutschland und Europa aktuell an der Weltspitze. Die exzellenten Anlagen- und Maschinenbauer, die die Produkte mit ihrem Wissen günstiger machen könnten, seien ein weiterer Standortvorteil.
Für das Unternehmen Oxford PV, das in der Forschung häufig die Expertise des Fraunhofer ISE in Anspruch nimmt, spielt die Politik jetzt eine entscheidende Rolle. Sie müsse die Rahmenbedingungen schaffen, um eine Fertigung in Europa aufzubauen.
