Solarforscher in Weltrekordlaune

Forscher der Empa in Dübendorf peilen die grösstmögliche Effizienz an – mit günstigeren Dünnschichtsolarzellen.

Die Solarzellen von Bertrand Piccards Solarflieger sind hocheffizient, doch die Technologie ist bereits weiter.

Die Solarzellen von Bertrand Piccards Solarflieger sind hocheffizient, doch die Technologie ist bereits weiter. Bild: Pool New/Reuters

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Hätte Bertrand Piccard seinen Solarflieger einige Jahre später entwickelt, die Ingenieure hätten die Flügel der Solar Impulse 2 vielleicht mit ganz anderen Solarzellen ausgekleidet. Der Strom für die Motoren des Fliegers fliesst aus ­monokristallinen Siliziumzellen, die 0,135 Millimeter dünn sind und 23 Prozent des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln. Ein beachtenswerter Wirkungsgrad, der in marktüblichen Solarzellen noch nicht erreicht wird.

Dennoch ist die Technologie heute bereits einen Schritt weiter. Das Eidgenössische Materialforschungsinstitut Empa in Dübendorf hält mit einem Wirkungsgrad von 20,4 Prozent den Weltrekord bei den sogenannten CIGS-Zellen. Das sind Dünnschichtsolarzellen, bestehend aus den Halbleitermaterialien Kupfer, Indium, Gallium und Selen. Sie sind 100-mal dünner als das herkömmliche Pendant aus Silizium. Zwar erreichen sie noch nicht die Effizienz der Zellen der Solar Impulse, doch überzeugen sie durch andere Eigenschaften: fein, biegsam und leicht. Und für die Herstellung wird weniger Energie aufgewendet als bei Siliziumzellen.

Zauberwort Wirkungsgrad

Das Geheimnis: Die Empa hat als Trägerschicht der Halbleiter ein Polymersubstrat gewählt, also Plastik. «Die Herausforderung ist, die einzelnen Schichtstapel der Zelle defektfrei zu produzieren und die Zellen im Modul möglichst effizient zu verschalten», sagt Stephan Bücheler, Leiter einer Forschungsgruppe in der Abteilung Fotovoltaik der Empa. Im Zellverbund erreicht das CIGS- Modul im Labor einen Wirkungsgrad von 17 Prozent.

Wirkungsgrad – das ist das Zauberwort unter den Fotovoltaikforschern. Je höher er ist, desto günstiger sind die Gestehungskosten. «Module unter 11 Prozent sind nicht markttauglich», sagt Bücheler. Steigt der Wirkungsgrad, dann verbessert sich auch die Energierücklaufzeit. Damit wird beschrieben, wie lange es geht, bis die Solarzelle jene Energie produziert hat, die für die Herstellung verbraucht wurde. Bei Silizium liegt diese heute im Durchschnitt bei zwei Jahren, die CIGS-Module schaffen es in eineinhalb Jahren. «Unser Ziel ist es, unter ein Jahr zu kommen», so der Empa-Forscher. In der Schweiz ist die Energierücklaufzeit etwas länger als in Sonnenstaaten im Süden.

Muster eines biegsamen Moduls einer CIGS-Dünnschichtsolarzelle. (Foto: Empa)

Die CIGS-Technologie steckt noch in den Kinderschuhen. Der globale Marktanteil beträgt rund 2 Prozent. Grösster Hersteller ist die japanische Firma Solar Frontier. Diese Solarzellen werden jedoch auf dem starren Träger Glas hergestellt. Die Empa-Entwicklung auf Polymer oder Metallfolie mit einem Wirkungsgrad von 20,4 Prozent ist deshalb weltweit einmalig – und soll in den nächsten Jahren industriereif werden. Helfen soll die ETH-Start-up-Firma Flisom, die eben im Zürcher Niederhasli ihre Produktionsanlagen fertiggestellt hat. Sie verwendet dazu ein an der Empa entwickeltes Niedertemperaturverfahren, um CIGS-Solarmodule auf Polymerfilmen herzustellen. Kombiniert mit ­Lasertechnologie, lassen sich auf den neuen Maschinen die Module auf einer meterbreiten Polyimidfolie fabrizieren, die aufrollbar ist.

Flisom geht davon aus, dass künftig die Kosten für installierte Solaranlagen weit tiefer liegen werden als die aktuell günstigste Siliziumzelle. Die flexiblen ­Solarmodule sollen in Fotovoltaikgross­anlagen zum Einsatz kommen, in Gebäude integriert werden; sie eignen sich auch für die mobile Stromversorgung.

Nahe der physikalischen Grenze

Die Vorteile der CIGS-Technologie sind erkannt. Deshalb schläft auch die Konkurrenz nicht. In den USA, in Korea und vor allem in Japan laufen die Forschungsarbeiten auf Hochtouren. Das Ziel: den Wirkungsgrad erhöhen und ­damit die Kosten weiter senken. Dieses Ziel wird auch die Empa verfolgen. Im Mai fiel der Startschuss für das EU-Forschungsprojekt «Sharc 25», das für drei Jahre im Rahmen des Forschungsprogramms «Horizon 2020» mit 4,6 Millionen Euro gefördert wird. Die Schweizer Regierung steuert 1,6 Millionen Euro bei. Angepeilt wird für die CIGS-Zelle ein Wirkungsgrad von 25 Prozent. Damit würden die Materialforscher allmählich ein Niveau erreichen, das nahe an der Grenze dessen liegt, was physikalisch bei diesen Materialien machbar ist.

Beim Forschungsprojekt ist die Empa der wissenschaftliche Koordinator. Geleitet wird es vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg. Beteiligt sind noch acht andere europäische Institute, darunter die Start-up-Firma Flisom. «Hier geht es nun ums Detail, ein solches Ziel ist nur mit dem Know-how mehrerer Beteiligter zu erreichen», sagt Bücheler.

Schwachpunkt Indium

Und wie steht es mit der Ökobilanz dieser Solarzellen? Bücheler antwortet zurückhaltend. Diese lasse sich eigentlich nur in Szenarien errechnen. Werden die CIGS zum Beispiel in China hergestellt, so ist die Produktion nicht klimafreundlich, weil die Energie vielfach aus Kohlekraftwerken stammt. In der Schweiz wäre die Herstellung CO2-frei, solange der Strom von Wasser-, Sonnen- und Windkraft oder jetzt noch von Atomkraftwerken kommt.

Schwachpunkt der CIGS ist der Bestandteil Indium, ein seltenes Metall, das in der Natur nur beschränkt vorkommt. Die grössten Vorkommen liegen in Kanada, China und Peru. Es wird aber auch in Russland oder in der Ukraine abgebaut. «Bei der aktuellen und auch angestrebten Produktionsrate von Solarzellen ist das Vorkommen noch kein Thema, doch Alternativen sollten gesucht werden», sagt Bücheler. Technisch lasse sich das Indium auch rezyklieren, allerdings fehle die Erfahrung. Die Empa hat erste vielversprechende Versuche mit Alternativen gemacht. Zum Beispiel mit Verbindungen aus Kupfer, Zink, Zinn und Schwefel, die fast «unerschöpflich» in der Natur vorkommen.

Im Grunde sind die Kosten für die Fotovoltaik wie überall in der Energiebranche verzerrt, weil es keine Kostenwahrheit gibt. Das gibt auch Bücheler zu. «Eigentlich müssten Faktoren wie CO2-Emissionen und Recyclingoptionen eingerechnet werden, aber es gibt leider keine politische Lenkung», sagt der Empa-Forscher.

Trotz grossem Ehrgeiz bei der Entwicklung hocheffizienter Dünnschicht­solarzellen: Bücheler sieht die CIGS nicht als Konkurrenz zur Siliziumzelle. Diese wird es noch lange geben, weil in den letzten Jahren enorm viel Geld in die Infrastruktur investiert wurde. Für die flexiblen CIGS müssen die Herstellungsanlagen erst noch gebaut werden. Die Investitionskosten sind hoch. Trotzdem glaubt Stephan Bücheler, dass in zwei bis drei Jahren die CIGS-Zellen, die in der Pilotanlage der Flisom produziert werden, markttauglich sind.

Erstellt: 05.07.2015, 18:15 Uhr

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