Mit der Kraft der Sonne

Die Strompreise steigen und das Umweltbewusstsein nimmt zu. Viele Verbraucher überlegen, sich ein Stückweit von den großen Energieversorgern unabhängig zu machen – natürlich mit erneuerbaren Energiequellen. Eine Windkraftanlage im Garten oder ein privates Biomassekraftwerk fallen bei näherem Hinsehen weg. Bleibt die Sonnenenergie. Bund und Länder fördern diese Eigeninitiative. Gleichzeitig arbeiten Forschung und Technik an effizienteren und kostengünstigeren Möglichkeiten, die Kraft der Sonne zu nutzen. Bei der Umsetzung spielt Lasertechnik eine entscheidende Rolle. Können wir unsere Häuser bald in kleine Solarkraftwerke verwandeln, ohne sie mit „hässlichen“ Spiegelflächen zu versehen?

Gibt es bald durchsichtige Solarzellen?

Laserinnovation bringt Photovoltaikfertigung zurück nach Europa

Solarzellen werden seit den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts zur Stromerzeugung eingesetzt. Zunächst vor allem dort, wo keine anderen Stromquellen zur Verfügung standen – zum Beispiel beim Betrieb von Satelliten im Weltraum. Mit zunehmender Energieausbeute wurde die Photovoltaik (PV) auch für Wirtschaft und Politik interessant. Inzwischen gilt sie als ein Eckpfeiler nachhaltiger Energieversorgung. Im August 2021 reichte die Fraktion der Grünen im Bundestag den Antrag für ein Solaranlagenausbaubeschleunigungsgesetz ein. Danach wäre eine Photovoltaikanlage für jeden Neubau Pflicht.¹ In einigen Bundesländern werden entsprechende Bestimmungen bereits umgesetzt.

Prinzipiell versteht man unter einer Solarzelle jede Technologie, die den photoelektrischen Effekt nutzt, um aus Licht Strom zu erzeugen. Klassischerweise kommen dabei Silizium oder andere Halbleiter zum Einsatz. Silizium ist in Form chemischer Verbindungen reichlich vorhanden – zum Beispiel als Siliziumdioxid in Sand. Es wird aber in einer Reinheit von 99,99% benötigt, denn jede Verunreinigung wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der Solarzellen aus. Die Herstellung dieses sogenannten Solarsiliziums ist ein komplexer, energieintensiver Prozess mit zahlreichen Zwischenschritten. Entsprechend kostspielig ist die Herstellung der PV-Module.

Industrie und Forschung sind deshalb seit Langem auf der Suche nach Alternativen zur klassischen Solarzelle. Zwei davon stellen wir Ihnen in diesem Artikel vor: Im ersten Fall geht es darum, den Wirkungsgrad der Si-Zellen zu steigern und die Produktion durch den Einsatz von Lasertechnik effizienter zu gestalten. Beim zweiten Beispiel kommt ein alternativer Werkstoff zum Einsatz. Auch hier spielen Laser eine entscheidende Rolle bei der Herstellung.

Heterojunction – Höherer Wirkungsgrad

Von einer Heterojunction-Technologie (HJT) spricht man, wenn zwei unterschiedliche Halbleitermaterialien aufeinandertreffen. Bei Solarzellen handelt es sich dabei um Silizium in zwei verschiedenen Kristallstrukturen: kristallines und amorphes Silizium. Die HJT-Zellen nehmen daher mehr Sonnenenergie auf als herkömmliche Zellen. Gleichzeitig sinkt der Widerstand im Modul, sodass der Wirkungsgrad auf bis zu 25 Prozent steigt. So können HJT-Zellen zum Beispiel auch bei bewölktem Himmel noch Strom liefern. Außerdem lässt ihre Leistung auch bei hohen Temperaturen nicht nach. Man sagt: Sie haben einen niedrigen Temperaturkoeffizienten.

Der schweizer Hersteller Meyer Burger Technology AG hat diese ursprünglich aus Japan stammende Technologie weiterentwickelt und beginnt derzeit in Deutschland mit der Fertigung. Dass die Produktion nicht wie üblich in ein asiatisches Niedriglohnland ausgelagert wurde, liegt auch an einem neuartigen Laser-Brechverfahren der Firma Innolas Solutions. Statt den Wafer anzuritzen und danach mechanisch zu brechen, übernimmt die Maschine beides in einem Schritt. Durch die lokale induzierte Spannung des Laserstrahls lässt sich die Silizium- Platte entlang einer nahezu frei gewählten Zellkante spalten. Das geht nicht nur schneller als beim herkömmlichen Verfahren. Durch die partikelfreie Methode entstehen auch weniger Mikrorisse, die die Qualität der Solarzellen beeinträchtigen würden. Da die Wafer nicht mechanisch gebrochen werden, liegt auch die Zellbruchrate erheblich niedriger.

Organische Materialien - Die Zukunft der Photovoltaik?

Die Zukunft könnte der organischen Photovoltaik (OPV) gehören, die im Unterschied zu den klassischen Si-Designs auf Werkstoffe aus der organischen Chemie setzt –vor allem auf synthetische Kohlenstoff-Verbindungen. Die meisten dieser Lösungen befinden sich noch im Entwicklungsstadium. Im Rahmen von Forschungsprojekten wird aber bereits ihre industrielle Fertigung erprobt.

Organische Solarzellen bieten viele Vorteile. Zunächst entfällt die energie- und zeitaufwendige Silizium-Aufbereitung. Die einzigen metallischen Bestandteile der Zellen sind Elektroden, über die der erzeugte Strom abgeführt wird. In den meisten Fällen wird dafür Kupfer verwendet, das in der Natur reichlich vorhanden ist. Auch mit den Kunststoffen, die für die Stromerzeugung verwendet werden, kann man sparsam umgehen. Drei Gramm aktives Material reichen bereits für eine Fläche von zehn Quadratmetern. Entsprechend dünn sind die Kunststoffschichten, sodass sie mit dem Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf nahezu jede Art von Trägermaterial „gedruckt“ werden können. Unter anderem werden so auch flexible Module und transparente Varianten möglich. All diese Vorteile eröffnen zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten. Organische Solarzellen ließen sich zum Beispiel in Gebäuden, Fassaden oder Glasflächen integrieren und könnten die Sonnenenergie direkt dort einfangen, wo sie verbraucht wird.

Der größte Nachteil der Technologie ist derzeit noch ihr geringer Wirkungsgrad. Der höchste im Labor erreichte Wert lag bei rund 12 Prozent. Im Schnitt gehen Experten derzeit jedoch von rund 7 Prozent aus. Um denselben Effekt zu erzielen, wie bei klassischen Zellen wären also erheblich größere Flächen notwendig.²

Präzise Schnitte im Femtosekundenregime

Mit dem Rolle-zu-Rolle-Verfahren lassen sich schnell große Flächen von Solarzellen herstellen. Das birgt aber auch eine Herausforderung, denn je größer die Fläche, desto höher die Stromstärke des erzeugten Stroms. Um diese zu transportieren, werden Kabel mit einem großen Querschnitt benötigt, was die Flexibiltät der Zellen beeinträchtigen würde. Es gibt aber einen Trick: Wenn man die Gesamtfläche in zahlreiche kleine Zellen unterteilt, bleibt die Energieausbeute nahezu gleich und die Stromstärke sinkt auf ein akzeptables Niveau.

„Die Herausforderung besteht darin, die nur Nanometer dicken Kunststoffschichten so abzutragen, dass die darunter liegenden Schichten nicht beschädigt werden oder Kurzschlüsse entstehen“, sagt Ludwig Pongratz vom Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen. „Das kann nur ein Laser.“ Zum Ritzen – im Fachjargon „Scribing“ – verwenden die Forscher einen Femtosekundenlaser. Für einen extrem kurzen Zeitraum von einer Billiardstelsekunde entsteht dort ein Strahl von so hoher Intensität, dass das abgetragene Material rückstandslos direkt in Plasma umgewandelt wird, während sich das Substrat nicht nennenswert erwärmt. Die einzelnen Impulse werden mit einer Repititionsrate von 200 kHz wiederholt. So entstehen sehr präzise Schnitte. Am ILT wird der Strahl durch diffraktive optische Elemente in elf Teilstrahlen unterteilt und auf das Material gelenkt, sodass ein Modul mit zwölf parallelen Reihen von Zellen entsteht..³

Neben dem Scribing werden in dem Forschungsprojekt auch weitere Arbeitsschritte mithilfe von Lasern durchgeführt – zum Beispiel ein hocheffizientes Trocknungsverfahren und die Verkapselung der Photovoltaikzellen. Dank neuester Lasertechnologie sollte der industriellen Massenproduktion und dem Einsatz von organischen Solarzellen nichts mehr im Weg stehen.