Mit Solarzellen auf Rekordjagd

Die Schweiz gehört bei der Forschung und Entwicklung von Fotovoltaik zur Weltspitze. Das Forschungszentrum CSEM in Neuenburg fällt dabei besonders auf.

Bei den Stromerzeugungskosten hat die Solartechnik die Atomenergie überholt: Blick ins Neuenburger Reinraumlabor. Foto: Thomas Egli

Bei den Stromerzeugungskosten hat die Solartechnik die Atomenergie überholt: Blick ins Neuenburger Reinraumlabor. Foto: Thomas Egli

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Das Hauptgebäude des Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) hat eine zweite Fassade bekommen. Sie steht einige Meter vor der bisherigen und bildet einen neuen optischen Abschluss des alten Komplexes. Dabei ging es nicht in erster Linie um eine ästhetische Verbesserung der Architektur. Es ist die Demonstration modernster Solartechnik. Auf mehr als 600 Quadratmetern sind 210 Fotovoltaikmodule montiert. Das Besondere ­daran: Hocheffiziente kristalline Solarzellen werden von beiden Seiten bestrahlt, die freistehende riesige Glaswand nutzt das Tageslicht doppelt. Damit soll künftig Strom deutlich billiger fliessen. Wie viel Strom die Fassade liefert, wird man aber erst sagen können, wenn sie mehrere Monate in Betrieb ist.

Das CSEM in Neuenburg gehört zu den innovativsten Forschungsinstituten in Sachen Fotovoltaik. Das Zentrum entstand 1984, mitten in der grossen Uhrenkrise, aus der Zusammenlegung mehrerer Uhrenforschungsinstitute. Der Leiter des Fotovoltaik-Zentrums am CSEM, Christophe Ballif, baut die Brücken von der Forschung bis zur marktreifen Entwicklung. Die Labors in Neuenburg werden einerseits von der ETH Lausanne und andererseits vom CSEM selbst betrieben. Ballifs Leute arbeiten für und mit rund 40 Unternehmen in der Sparte Solarenergie.

Grosse Hoffnungen

Die Suche nach besseren Solarzellen ist weltweit im Gang. Wenn sich die Forscher mit Rekorden bei der Effizienz gegenseitig überbieten, fängt beim CSEM die Arbeit erst an. Ein Beispiel sind Zellen, die aus dem Mineral Perowskit aufgebaut werden. In diese Stoffklasse setzen die Forscher grosse Hoffnungen für die Produktion von Solar­zellen, die gleichzeitig preisgünstig und effizient sind. «Das Problem ist, dass sie derzeit erst einige Stunden halten», sagt Christophe Ballif. «Praxistauglich sind die Zellen erst, wenn sie während Jahren ohne Verlust arbeiten.» Ausserdem muss es gelingen, Flächen im Massstab von Quadratdezimetern herzustellen, auch die besten bisherigen Labormuster sind noch ganz klein.

Eine Solarzelle wird bedruckt. Foto: Thomas Egli

Bis vor wenigen Jahren hatte noch niemand an Perowskite für Solarzellen gedacht. Nun erproben die Material­forscher fieberhaft ein Rezept nach dem anderen. Fachleute des CSEM testen bereits Produktionsmethoden, die später vielleicht in der Industrie eingesetzt werden können. Dazu dient das neue Reinraumlabor in Neuenburg, das seit diesem Jahr in Betrieb ist.

Die Erforschung neuer Materialien ist nur ein Teil der Solarzellenentwicklung. Auch die bisherigen Materialien – Silizium in unterschiedlichen Formen – haben noch viel Verbesserungspotenzial. Beispielsweise wird das kristalline Silizium in immer dünneren Scheiben, sogenannten Wafers, verwendet. Das Verhältnis zwischen der für die Herstellung benötigten Energie und der gewonnenen Energie hat sich in wenigen Jahren stark verbessert. «In Südeuropa lässt sich die für die Herstellung benötigte Energie heute in weniger als einem Jahr wieder hereinholen, im Norden dauert es vielleicht zwei oder drei Jahre», sagt Christophe Ballif. Bei einer Lebensdauer von zwanzig oder mehr Jahren produziert ein Solarmodul ein Mehrfaches der eingesetzten Energie.

Zu schneller Fortschritt

Eine vielversprechende Neuheit, an der das CSEM gemeinsam mit dem Labor für erneuerbare Energie des US-Energie­ministeriums (NREL) arbeitet, ist die Tandemzelle. Zwei Fotovoltaikzellen werden dabei so übereinander angeordnet, dass jede einen bestimmten Teil der Wellenlänge der Sonnenstrahlung erfasst. Als Zellen, die den Infrarotbereich nutzen, werden sogenannte Silizium-­Heterojunction-Zellen des CSEM verwendet. Anfang Jahr konnten NREL und CSEM einen Rekord-Wirkungsgrad von 29,8 Prozent erreichen, mehr als die theoretische Obergrenze einer einfachen Siliziumzelle. «Wir hoffen, dass wir bald die Schwelle von 30 Prozent überschreiten», sagt Christophe Ballif.

Die Jagd nach Effizienzrekorden hat Folgen für das Geschäft der Hersteller von Solarmodulen. In der Fotovoltaikbranche, so erklärt Christophe Ballif, gibt es eine ähnliche Lernkurve wie in der Chipindustrie: Jedes Mal, wenn sich in den letzten Jahren die Produktionsmenge verdoppelt hat, ist der Preis um 20 Prozent gefallen. Je besser die Effizienz der Zellen und je rationeller die Produktion, desto billiger wird zunächst die Anlage und dann der gewonnene Strom. Die Fortschritte der Fotovoltaik waren so schnell, dass viele Unternehmen mit alten teuren Fabrikanlagen oder zu kleinen Produktionsmengen von neuen Fabriken überrundet wurden, die billiger offerieren können. Nicht wenige Unternehmen büssten das mit dem Konkurs.

Heute liefert eine Fotovoltaikanlage in sonnigen Ländern Strom zu Gestehungskosten um die fünf Rappen pro ­Kilowattstunde. Die Tendenz ist stark sinkend; was die direkten Stromerzeugungskosten betrifft, hat die Solartechnik die Kernkraftwerke bereits überholt. Für Christophe Ballif ist klar, dass die Solar­energie ein grosser Teil der Lösung für die Zukunft ist. Zumal die Akzeptanz in der Öffentlichkeit sehr gut ist.

Am CSEM werden Solarmodule entwickelt, die nicht mehr wie solche aussehen, sondern als weisse Elemente eine Fassade verkleiden oder in einem Terracotta-Ton wie Ziegel auf dem Dach liegen. Kürzlich wurde in Zürich ein Gebäude eröffnet, dessen elegante Solarfassade dank den vom CSEM entwickelten Elementen mehr Strom liefert, als im Haus verbraucht wird. Das CSEM arbeitet auch an flexiblen Solarzellen, zum Beispiel für die Versorgung von smarten Armbanduhren und anderen mobilen Geräten ganz ohne Netzstrom.

Schwache Solarproduktion

Dass sich viele Lobbys so lange gegen die neuen Energiequellen gewehrt haben und es auch weiter tun, versteht Christophe Ballif nicht. Die Forscher hätten schon lange auf die Marktrisiken einer zentralen konventionellen Stromproduktion hingewiesen. Die Skepsis gegenüber einer dezentralen Energiewirtschaft teilt er auf keinen Fall: «Die Elektrotechnik hinter den Solarmodulen, Windrädern oder Biogasanlagen ist viel billiger geworden.» Die Steuerung von Stromnetzen mit verschiedenen Quellen und Verbrauchern sei vom Standpunkt des Ingenieurs aus überhaupt kein Problem.

Die Schweizer Forschung und Entwicklung zur Fotovoltaik findet zu einem guten Teil in Neuenburg und Lausanne statt. Aber auch am Forschungszentrum Empa in Dübendorf sind Arbeiten im Gang, wobei andere Techniken erprobt werden als in der Westschweiz. Fast etwas peinlich wirkt da die Position der Schweiz auf der internationalen Rangliste bei der Produktion: Mit rund 2 Prozent Anteil am gesamten Stromverbrauch liegt die Schweiz bei der Fotovoltaik bloss im internationalen Durchschnitt, weit hinter den Spitzenreitern Italien, Deutschland und Griechenland mit 7 bis 8 Prozent.

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 21.09.2016, 17:58 Uhr

Christophe Ballif. Der Physiker leitet das Fotovoltaik-Zentrum am CSEM. Er erhielt kürzlich den angesehenen Bequerel-Preis.

Hoher Wirkungsgrad

Solarzelle mit doppelter Ausbeute

Ein Start-up der ETH Lausanne hat einen Solarzellen-Prototyp entwickelt, der eine Ausbeute von 36,4 Prozent liefert. Handels­übliche Solarzellen schaffen derzeit nur etwa 20 Prozent. Der Trick beruht gewissermassen auf einer «Lupenbrille», die das Licht fokussiert. Das Start-up Insolight entwickelte ein flaches optisches System aus Kunststoff, das das Sonnenlicht einfängt und auf die kleine Oberfläche der Solarzellen fokussiert. Die transparente Platte besteht quasi aus nebeneinander aufgereihten Lupen. Um das Sonnenlicht effizient einzufangen, bestimmt ein Sensor die Position der Sonne. Entsprechend wird die transparente Platte mit den Mini-­Lupen jeden Tag mehrere Millimeter bewegt. Ähnliche Systeme werden auch in anderen Labors weltweit entwickelt, der nun vorgestellte Prototyp sei nahezu marktreif. (SDA)

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