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04-05 | 2019

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Special Erneuerbare

Special Erneuerbare Energien Im Innovationslabor HySPRINT stehen modernste Anlagen zur Abscheidung von Dünnschichten unter Vakuum. Mehrere Forschergruppen versuchen hier, Perowskit-Solarzellen aufzuskalieren, deren Lebensdauer zu steigern oder sie mit anderen Solarzellen zu Tandemzellen zu kombinieren. Dünne Schichten treiben die Photovoltaik voran Die Vielfalt an Solarzellen nimmt zu. Neben klassischen Modulen aus Silizium etablieren sich Dünnschichtmodule aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien auf dem Markt. Verschiedene Absorbermaterialien werden auch miteinander kombiniert. Das Ziel: höhere Lichtausbeute. In etwa einer Stunde strahlt die Sonne mehr Energie auf die Erdoberfläche als die Menschheit in einem Jahr verbraucht. Dieses Potenzial wird bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Photovoltaik-Anlagen, die solare Einstrahlung in elektrischen Strom umwandeln, liefern heute in Deutschland über das Jahr gemittelt 8,7 Prozent des Stroms; an sonnigen Feiertagen kommt bis zu 60 Prozent der elektrischen Energie aus den Solaranlagen. In Kombination mit Windenergie und unterschiedlichen Speichertechnologien könnte die Photovoltaik tatsächlich den gesamten Energieverbrauchs der modernen Gesellschaft abdecken. Und zwar klimaneutral und nachhaltig, denn PV-Module besitzen Lebensdauern von mehreren Jahrzehnten. In den letzten Jahren hat die Photovoltaik nicht nur eine rasante technologische Entwicklung durchlaufen, sondern ist gleichzeitig auch immer günstiger geworden. In vielen Regionen ist die Photovoltaik mittlerweile die preiswerteste Variante um Strom zu erzeugen, sogar im Vergleich zu konventionellen fossilen Kraftwerken. Ein wirtschaftlicher Einsatz von Photovoltaik ganz ohne Förderung ist deshalb nicht nur im Sonnengürtel der Erde, sondern sogar in Deutschland bereits jetzt Realität. Fast alle Szenarien für die Energieversorgung der Zukunft weisen der Photovoltaik in den nächsten Dekaden eine tragende Rolle zu. Für diese Entwicklung waren neben Skalierungs- und Produktivitätseffekten vor allem technologische Fortschritte verantwortlich, insbesondere auch neue Dünnschichttechnologien. Während klassische Silizium-Solarmodule aus kristallinen Siliziumscheiben („Wafer“) von etwa 0,15 mm Dicke bestehen und energieaufwändig bei großer Hitze produziert werden müssen, können Dünnschicht-Module mit einem Bruchteil des Materials und der Energie hergestellt werden. Üblicherweise werden Beschichtungen als „dünn“ bezeichnet, wenn sie eine Dicke zwischen einer Atomlage – dies entspricht einigen Zehntel Nanometer (10 –9 m) und einhundert Mikrometern (10 –6 m)haben. Dünne Schichten werden heute in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt etwa in der Halbleiterindustrie, der Displayindustrie, bei Architekturgläsern aber auch im Korrosionsschutz, für Reibungsfestigkeit und vielen weiteren Anwendungsfeldern. Für die Anwendung in Solarzellen werden lichtabsorbierende Halbleiter sowie transparente leitfähige Kontaktschichten und elektroni- Bild: P. Dera/HZB 16 UmweltMagazin April - Mai 2019

sche Passivierungsschichten als Dünnschichten hergestellt. Wegen der hohen Anforderungen an Reinheit und Dickenkontrolle werden diese Schichten in der Regel in Vakuumverfahren abgeschieden, zum Beispiel durch Verdampfen, Zerstäuben („sputtern“) oder chemische Dampfabscheidung. Die deutsche Anlagenindustrie gehört zu den führenden und modernsten Anbietern auf dem Weltmarkt. Materialvielfalt für Dünnschicht Dünnschicht-Solarmodule gibt es inzwischen auf Basis unterschiedlicher Materialien. Die zwei wichtigsten davon sind CIGS – ein Halbleitermaterial aus den Elementen Kupfer, Indium, Gallium und Selen – und Kadmiumtellurid (CdTe). Beide weisen im Labormaßstab einen Wirkungsgrad von 22 bis 23 Prozent auf. In großflächigen kommerziell verfügbaren Modulen schaffen diese Materialien Wirkungsgrade von 15 bis 18 Prozent. Für kleinere Spezialmärkte wie Raumfahrt und Solarflugzeuge kommen auch Dünnschicht-Solarmodule auf der Basis von Galliumarsenid (GaAs) in Frage, die hohe Wirkungsgrade um 29 Prozent erreichen können. Auch Solarmodule aus organischen Materialien werden bereits für den Markt produziert: Sie sind zwar deutlich weniger effizient als konventionelle Solarmodule, dafür aber farbig und flexibel gestaltbar, was gerade in der modernen Architektur zu neuen Einsatzmöglichkeiten führt. Die Forschung befasst sich mit Hochdruck mit einer neuen spannenden Materialklasse: den Perowskiten. Der Name „Perowskit“ bezieht sich auf die Kristallstruktur. Bei den Perowskiten im Bereich der Solarenergie handelt es sich vor allem um hybride Metall-Halogenid-Verbindungen, die als Halbleiter besonders geeignete elektronische Eigenschaften besitzen und den energiereichen, grünen und blauen Anteil des Sonnenspektrums in Strom umwandeln. Binnen weniger Jahre haben Solarzellen aus Perowskiten ihren anfänglichen Wirkungsgrad von wenigen Prozent auf heute über 22 Prozent gesteigert und damit das Leistungsniveau von CIGS oder CdTe-Zellen erreicht. In allen Fällen ist der Aufbau der Dünnschichtzelle sehr ähnlich. An der lichtdurchlässigen Seite der Solarzelle (´the sunny side´) befindet sich eine etwa 0,5 µm dünne transparente, elektrisch leitfähige Kontaktschicht, wie sie auch in jedem Flachbildschirm oder Handydisplay zu finden ist. Darunter ist die einige Mikrometer dünne Absorptionsschicht, die das Licht in nutzbare elektrische Ladungen umwandelt. Die Rückseite wird üblicherweise von einer etwa 0,2 bis 0,5 µm dünnen Metallkontaktschicht gebildet. Solarmodule werden komplexer Noch dominiert die kristalline Silizium-Technologie am Markt: Etwa 90 Prozent der heute installierten Solaranlagen bestehen aus konventionellen Silizium-Solarmodulen. Das beste Preis-Leistungs-Verhältnis bei diesen Solarzellen ließ sich in den vergangenen Jahren mit Diffusions-, Siebdruckund Temperverfahren erzielen. Dabei wurde eine einzige Dünnschicht eingesetzt: eine wasserstoffhaltige Siliziumnitridschicht mit einer Dicke von etwa 70 nm. Diese Schicht hat eine doppelte Funktion: Sie verringert die unerwünschte Reflexion von Sonnenlicht (was den Solarzellen ihre typische dunkelblaue Farbe verleiht) und sorgt gleichzeitig dafür, dass elektrische Verluste an der Frontseite der Zelle minimiert werden (Passivierung). THE INNOVATION HUB FOR NEW ENERGY SOLUTIONS MESSE MÜNCHEN Treffen Sie die Gestalter der neuen Energiewelt und erhalten Sie wertvolle Impulse und einen umfassenden Markt- und Technologieüberblick! Auf der wichtigsten Branchenplattform The smarter E Europe finden Sie branchen- und sektorenübergreifende Lösungen für einen dezentralen Energiemarkt mit Erneuerbaren Energien. Erleben Sie auf vier parallelen Fachmessen 1.300 Aussteller und 50.000 Energieexperten aus 160 Ländern, die Potenziale ausschöpfen, innovative Ideen realisieren und die dezentrale Energiewirtschaft voranbringen. Werden Sie Teil der führenden Energiefachmessen und -konferenzen The smarter E Europe UmweltMagazin April - Mai 2019

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