Ob die Solarenergie die Energienöte der Menschheit lösen kann, weiß keiner. Aber Alternativen gibt es nicht allzu viele
Aus: Spektrum der Wissenschaft, Dezember 2011
Die Fotovoltaik boomt, und solarthermische Kraftwerke stehen in den Startlöchern: Strom aus Sonnenlicht stellt eine wichtige Säule für die zukünftige Energieversorgung dar. Dennoch bleiben noch viele Hausaufgaben zu erledigen, bis die Sonne fossile Energiequellen vollständig ablösen kann.
Wie Spektrum der Wissenschaft in seiner Dezember-Ausgabe – als ersten Teil einer sechsteiligen Serie über „Energie der Zukunft“ – berichtet, wird die Solarenergie eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung der Zukunft spielen. Deutschland ist beim Ausbau der Fotovoltaik derzeit führend; Länder wie USA und China werden aber in den nächsten Jahren vorbeiziehen, wobei China als Produzent von Solarmodulen den Markt dominieren wird.
Vorreiter bei der Fotovoltaik ist derzeit noch Deutschland. Allein 2010 wurden hier zu Lande Module mit insgesamt rund 7,4 Gigawatt Leistung aufgebaut, fast so viel wie in den 20 Jahren davor. So summiert sich die heute installierte Leistung auf über 17 Gigawatt. Auch wenn manches dafür spricht, dass sich das exponentielle Wachstum der letzten Jahre auf einen linearen Anstieg abschwächen und in andere Regionen der Welt verlagern wird, dürfte Deutschland weiterhin eine Triebfeder hinter dieser Technologie bleiben.
Warum gerade Deutschland? Zwei Gründe haben zum Fotovoltaikboom bei uns geführt. Zum einen das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das dem Besitzer einer entsprechenden Anlage 20 Jahre lang eine fixe Einspeisevergütung garantiert, womit er eine Rendite von fünf bis acht Prozent erwirtschaftet. Wer sich in den letzten Jahren eine Fotovoltaik-anlage aufs Dach montierte, hat sein Geld definitiv besser angelegt als die Aktienspekulanten. Zum anderen stammen große Teile der Technologieentwicklung aus Deutschland – etwas Besseres kann einer Branche kaum passieren.
Doch dieses Idyll ist in Gefahr. Im August dieses Jahres schockierten gleich mehrere Hersteller von Fotovoltaikmodulen die Öffentlichkeit mit Gewinneinbrüchen. Auch ließ eine Deckelung des EEG deutsche Investoren zurückhaltend werden.
Immerhin: Solarzellen bieten noch großes Verbesserungspotenzial. Vor allem so genannte Tandem- und Konzentratorzellen treiben den Wirkungsgrad nach oben, auch an die Nanotechnologie knüpfen sich Hoffnungen. Neben der Fotovoltaik werden sich solarthermische Großkraftwerke etablieren, weil diese Wärme speichern und damit nachts Strom liefern können. Allen Konzepten gemeinsam ist, dass bei der Produktion Laser zum Einsatz kommen. So wird das intensive Laserlicht zum wichtigsten Werkzeug für die Fotovoltaikforscher – etwa bei folgenden Verfahren:
• Selektive Emitter: Der Emitter, also die sonnenzugewandte Halbleiterschicht einer Solarzelle, sammelt die vom Sonnenlicht erzeugten Elektronen über dünne Leiterbahnen ein. Damit er möglichst gut leitet, wird er mit Phosphoratomen gezielt verunreinigt – der Fachmann spricht von Dotierung. Der selektive Emitter steigert den Wirkungsgrad einer kristallinen Solarzelle um bis zu 0,5 Prozentpunkte, bei heute üblichen Zellen also auf rund 16,5 Prozent. Derartige Solarzellen sind bereits am Markt.
• Löcher im Silizium: Ein anderes Konzept verfolgen das Institut für Solarenergieforschung in Hameln und das Fraunhofer ISE. Sie verlegen die Emitterkontakte auf die Rückseite, weil sich dadurch die Fläche zum Energieeinfang vergrößert. Doch wird davon ein Teil der Halbleiterschicht verdeckt, der damit keinen Beitrag zur Stromerzeugung leistet. Daher sollen nun winzige leitende Löcher im Siliziumsubstrat dafür sorgen, dass die Ladungsträger von der Vorderseite nach hinten fließen, wo sie eingesammelt werden.
Allerdings verbessern solche Maßnahmen den Wirkungsgrad teilweise nur um einige Zehntelprozentpunkte. Damit dieser einen richtigen Sprung macht, müssen andere Konzepte her. Eine naheliegende Methode sind so genannte
• Konzentratorsolarzellen, bei denen Linsen das Sonnenlicht auf den Halbleiter bündeln. Das spart Material und Kosten. Im Jahr 2015 sollen weltweit solche Anlagen mit einer Leistung von einem Gigawatt ans Netz gehen – noch vergleichsweise wenig. Dennoch ist das langfristige Potenzial dieses Zellentyps hoch, vor allem in sonnenreichen Gegenden, weil konzentrierende Solarzellen bei starker Einstrahlung besonders wirtschaftlich sind.
• Tandemsolarzellen: Ihr ganzes Potenzial schöpfen konzentrierende Solarzellen aber erst als Tandemsolarzellen aus. Herkömmliche Module haben die schlechte Eigenschaft, nur einen Ausschnitt aus dem Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts – nämlich den langwelligen Anteil – in Strom umwandeln zu können: Die beste Ausbeute lässt sich bei Wellenlängen um 1000 Nanometer erzielen, also mit infrarotem Licht. Die Energie, die im kurzwelligen Teil des Spektrums steckt, verpufft demnach ungenutzt. Nun kann eine einzelne Solarzelle niemals das gesamte Lichtspektrum abdecken. Stapelt man jedoch mehrere Zellen zu einem Sandwich und optimiert jede Schicht auf eine bestimmte Wellenlänge, steigt die Ausbeute rapide an.
Mutter Natur hat dieses Prinzip längst perfektioniert. Blätter sind im Prinzip Solarzellen, die einen Sommer lang Biomasse erzeugen und dann im Herbst entsorgt werden. Den Pendants aus Menschenhand sind sie allerdings weit unterlegen. Rund elf Prozent beträgt der Wirkungsgrad einer Siliziumsolarzelle, wenn man – analog zur Fotosynthese – noch eine chemische Speicherung mittels Elektrolyse und anschließender Verbrennung des Wasserstoffs hinzurechnet. Pflanzen schaffen übers Jahr gerechnet weniger als ein Prozent.
Sowohl für Blätter als auch für Solarzellen gilt: Wenn die Sonne nicht scheint, entsteht weder Biomasse noch Strom. Deshalb wird intensiv an Speichern für elektrische Energie geforscht, die einen Überschuss vom Tag für die Nacht vorhalten.
Aus: Spektrum der Wissenschaft, Dezember 2011
Die Fotovoltaik boomt, und solarthermische Kraftwerke stehen in den Startlöchern: Strom aus Sonnenlicht stellt eine wichtige Säule für die zukünftige Energieversorgung dar. Dennoch bleiben noch viele Hausaufgaben zu erledigen, bis die Sonne fossile Energiequellen vollständig ablösen kann.
Wie Spektrum der Wissenschaft in seiner Dezember-Ausgabe – als ersten Teil einer sechsteiligen Serie über „Energie der Zukunft“ – berichtet, wird die Solarenergie eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung der Zukunft spielen. Deutschland ist beim Ausbau der Fotovoltaik derzeit führend; Länder wie USA und China werden aber in den nächsten Jahren vorbeiziehen, wobei China als Produzent von Solarmodulen den Markt dominieren wird.
Vorreiter bei der Fotovoltaik ist derzeit noch Deutschland. Allein 2010 wurden hier zu Lande Module mit insgesamt rund 7,4 Gigawatt Leistung aufgebaut, fast so viel wie in den 20 Jahren davor. So summiert sich die heute installierte Leistung auf über 17 Gigawatt. Auch wenn manches dafür spricht, dass sich das exponentielle Wachstum der letzten Jahre auf einen linearen Anstieg abschwächen und in andere Regionen der Welt verlagern wird, dürfte Deutschland weiterhin eine Triebfeder hinter dieser Technologie bleiben.
Warum gerade Deutschland? Zwei Gründe haben zum Fotovoltaikboom bei uns geführt. Zum einen das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), das dem Besitzer einer entsprechenden Anlage 20 Jahre lang eine fixe Einspeisevergütung garantiert, womit er eine Rendite von fünf bis acht Prozent erwirtschaftet. Wer sich in den letzten Jahren eine Fotovoltaik-anlage aufs Dach montierte, hat sein Geld definitiv besser angelegt als die Aktienspekulanten. Zum anderen stammen große Teile der Technologieentwicklung aus Deutschland – etwas Besseres kann einer Branche kaum passieren.
Doch dieses Idyll ist in Gefahr. Im August dieses Jahres schockierten gleich mehrere Hersteller von Fotovoltaikmodulen die Öffentlichkeit mit Gewinneinbrüchen. Auch ließ eine Deckelung des EEG deutsche Investoren zurückhaltend werden.
Immerhin: Solarzellen bieten noch großes Verbesserungspotenzial. Vor allem so genannte Tandem- und Konzentratorzellen treiben den Wirkungsgrad nach oben, auch an die Nanotechnologie knüpfen sich Hoffnungen. Neben der Fotovoltaik werden sich solarthermische Großkraftwerke etablieren, weil diese Wärme speichern und damit nachts Strom liefern können. Allen Konzepten gemeinsam ist, dass bei der Produktion Laser zum Einsatz kommen. So wird das intensive Laserlicht zum wichtigsten Werkzeug für die Fotovoltaikforscher – etwa bei folgenden Verfahren:
• Selektive Emitter: Der Emitter, also die sonnenzugewandte Halbleiterschicht einer Solarzelle, sammelt die vom Sonnenlicht erzeugten Elektronen über dünne Leiterbahnen ein. Damit er möglichst gut leitet, wird er mit Phosphoratomen gezielt verunreinigt – der Fachmann spricht von Dotierung. Der selektive Emitter steigert den Wirkungsgrad einer kristallinen Solarzelle um bis zu 0,5 Prozentpunkte, bei heute üblichen Zellen also auf rund 16,5 Prozent. Derartige Solarzellen sind bereits am Markt.
• Löcher im Silizium: Ein anderes Konzept verfolgen das Institut für Solarenergieforschung in Hameln und das Fraunhofer ISE. Sie verlegen die Emitterkontakte auf die Rückseite, weil sich dadurch die Fläche zum Energieeinfang vergrößert. Doch wird davon ein Teil der Halbleiterschicht verdeckt, der damit keinen Beitrag zur Stromerzeugung leistet. Daher sollen nun winzige leitende Löcher im Siliziumsubstrat dafür sorgen, dass die Ladungsträger von der Vorderseite nach hinten fließen, wo sie eingesammelt werden.
Allerdings verbessern solche Maßnahmen den Wirkungsgrad teilweise nur um einige Zehntelprozentpunkte. Damit dieser einen richtigen Sprung macht, müssen andere Konzepte her. Eine naheliegende Methode sind so genannte
• Konzentratorsolarzellen, bei denen Linsen das Sonnenlicht auf den Halbleiter bündeln. Das spart Material und Kosten. Im Jahr 2015 sollen weltweit solche Anlagen mit einer Leistung von einem Gigawatt ans Netz gehen – noch vergleichsweise wenig. Dennoch ist das langfristige Potenzial dieses Zellentyps hoch, vor allem in sonnenreichen Gegenden, weil konzentrierende Solarzellen bei starker Einstrahlung besonders wirtschaftlich sind.
• Tandemsolarzellen: Ihr ganzes Potenzial schöpfen konzentrierende Solarzellen aber erst als Tandemsolarzellen aus. Herkömmliche Module haben die schlechte Eigenschaft, nur einen Ausschnitt aus dem Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts – nämlich den langwelligen Anteil – in Strom umwandeln zu können: Die beste Ausbeute lässt sich bei Wellenlängen um 1000 Nanometer erzielen, also mit infrarotem Licht. Die Energie, die im kurzwelligen Teil des Spektrums steckt, verpufft demnach ungenutzt. Nun kann eine einzelne Solarzelle niemals das gesamte Lichtspektrum abdecken. Stapelt man jedoch mehrere Zellen zu einem Sandwich und optimiert jede Schicht auf eine bestimmte Wellenlänge, steigt die Ausbeute rapide an.
Mutter Natur hat dieses Prinzip längst perfektioniert. Blätter sind im Prinzip Solarzellen, die einen Sommer lang Biomasse erzeugen und dann im Herbst entsorgt werden. Den Pendants aus Menschenhand sind sie allerdings weit unterlegen. Rund elf Prozent beträgt der Wirkungsgrad einer Siliziumsolarzelle, wenn man – analog zur Fotosynthese – noch eine chemische Speicherung mittels Elektrolyse und anschließender Verbrennung des Wasserstoffs hinzurechnet. Pflanzen schaffen übers Jahr gerechnet weniger als ein Prozent.
Sowohl für Blätter als auch für Solarzellen gilt: Wenn die Sonne nicht scheint, entsteht weder Biomasse noch Strom. Deshalb wird intensiv an Speichern für elektrische Energie geforscht, die einen Überschuss vom Tag für die Nacht vorhalten.
