Next Generation Solar Energy
Report
- Ausbau der Zusammenarbeit mit Wissenschaft und Wirtschaft
- Nanotechnologie für Effizienzsteigerung und Kostenreduktion
- 280 Teilnehmer aus 23 Ländern auf der Konferenz im Erlanger Schloss
Als erste Generation der Photovoltaik wird die kristalline Siliziumtechnologie bezeichnet. Der Weg hin zum Modul ist durch eine lange Wertschöpfungskette geprägt. Aufgrund hoher Preise für Solarsilizium kamen unterschiedliche Dünnschichtkonzepte auf den Markt, die allerdings nicht an die Wirkungsgrade der klassischen waferbasierten Photovoltaik herankommen. Die zukünftige, sogenannte dritte Generation der Photovoltaik soll geringe Produktionskosten und hohe Wirkungsgrade miteinander vereinen.
Vor diesem Hintergrund trafen sich auf der ersten internationalen Konferenz „Next Generation Solar Energy" vom 12. bis 14. Dezember 280 Teilnehmer aus 23 Ländern im Erlanger Schloss, um neueste Entwicklungen zu diskutieren. Diese Konferenz wurde von der Bayern Innovativ u.a. in enger Zusammenarbeit mit dem Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials der FAU Erlangen-Nürnberg, dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und dem Energiecampus Nürnberg konzipiert.
Im Rahmen der Konferenz wurde ein Nachwuchspreis an vier Wissenschaftler/innen verliehen. Die Jury bildete Professor Dr. Vladimir Dyakonov Vorstandsvorsitzender vom ZAE Bayern und Professor Dr. Tomas Torres von der Universidad Autonoma de Madrid.
Professor Dr. Christoph J. Brabec vom ZAE Bayern, PD Dr. Silke Christiansen vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und Professor Dr. Dirk Guldi von der FAU Erlangen-Nürnberg sowie vom Exzellenzcluster führten mit ihren Beiträgen in die Thematik ein.
Professor Dr. Joachim Hornegger, Vizepräsident für Forschung der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU Erlangen-Nürnberg), begrüßte die Teilnehmer und betonte die große Bedeutung der Next Generation Solar Energy sowie das zusammenführen von Wirtschaft und Wissenschaft. Genau hier setzt die Bayern Innovativ GmbH an. Wesentliche Schritte des Innovationsprozesses von der wissenschaftlichen Erkenntnis bis zur kommerziellen Umsetzung beschrieb Prof. Dr. Josef Nassauer Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH in seinem einführenden Beitrag.
Professor Dr. Dirk Guldi (FAU Erlangen-Nürnberg) wurde im Rahmen der Konferenz ein Check über 28.000 € vom Fond der Chemischen Industrie für die Abteilung Chemie der FAU Erlangen-Nürnberg überreicht.
Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:
- Nanotechnologie für die Photovoltaik - Grundlagen
- Quantenpunkte - Quantum Dot Solarzellen
- Nanodrähte als Lichtfalle
- Up&Down Conversion zur Effizienzsteigerung
Nanotechnologie für die Photovoltaik - Grundlagen
Die Überwindung der derzeitigen physikalischen Grenzen des Solarzellenwirkungsgrades diskutierte Professor Eli Yablonovitch aus Berkeley, Kalifornien, in seinem Übersichtsbeitrag. Er ging dabei auf die wissenschaftlichen Arbeiten von William Shockley und Hans Queisser ein, die den höchst möglichen Wirkungsgrad einer Solarzelle mit 33,7% definierten. Sie untermauerten dieses Limit mit physikalischen Gesetzmäßigkeiten, die bei der Umwandlung von Sonnenlicht in freie Elektronen auftreten. Professor Yablonovitch sieht aber Möglichkeiten, diese Grenzen dadurch zu überwinden indem Solarzellen so entwickelt werden, dass sie auch als gute Lichtquelle agieren. Solarzellen mit hoher Fluorescence verfügen über einen hohen Wirkungsgrad. Eine gute Solarzelle muss dementsprechend auch eine gute Leuchtdiode (LED) sein, so Yablonovitch. Durch epitaxisches Kristallwachstum können Dünnschichtsolarzellen mit guten LED Eigenschaften hergestellt werden.
Eine Schlüsselrolle bei der Weiterentwicklung der Photovoltaik kommt der Nanotechnologie zu. Kristalline halbleitende Nanopartikel sogenannte „Quantumdots (QD)" können auch das Shockley-Queisser Limit überwinden. Dabei spielt ihre Kristallgröße eine entscheidende Rolle. Mit Ihr können die optischen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften verändert und so auf die Solarzelle optimiert werden.
Quantenpunkte - Quantum Dot Solarzellen
QDs gelten als vielversprechendstes Material für die Entwicklung einer neuen Generation von Solarzellen. Da sich ihre Lichtabsorption über ihre Kristallgröße steuern lässt, kann mit ihnen das Sonnenlicht besonders effizient in Strom umgewandelt werden. Sinkt der Preis für die Herstellung von QDs durch Scaleneffekte in den nächsten Jahren, sind die Voraussetzungen zur weiteren Kostenreduktion von Solarzellen geschaffen. Bei der Herstellung von QD-Solarzellen kann auf eine aufwändige Halbleitertechnologie verzichtet werden, wie sie zur Herstellung von Silizium-Solarzellen
notwendig ist.
Die limitierende Größe des Wirkungsgrades ist die entstehende Wärmeenergie die durch die absorbierte Photonenenergie oberhalb der Bandlücke des Halbleiters anfällt.
Die gängige Methode um diesen Wirkungsgradverlust zu minimieren ist ein Sandwichaufbau von mehreren Halbleiterschichten die besser in ihrer Absorption an das Sonnenspektrum angepasst sind. Diese Multijunction Solarzellen oder auch Stapelsolarzellen genannt sind jedoch komplex in der Herstellung und aufgrund ihrer hohen Produktionskosten nur in Verbindung mit konzentrierenden Systemen wirtschaftlich einsetzbar.
Quantum Dot Solarzellen haben das Potential den Wirkungsgrad auf das thermodynamische Maximum von 66% zu bringen. Arbeiten am National Renewable Energy Laboratory (NREL) wurden von Dr. Arthur Nozik vorgestellt. Unterschiedliche Architekturen existieren bereits um QDs in Solarzellen einzusetzen. Nozik stellte Modelle vor mit denen man Wirkungsgrade von über 40% erreichen kann und präsentierte bereits erste Solarzellen mit dieser Technologie mit Wirkungsgraden von bereits über 5%.
Nanodrähte als Lichtfalle
Eine weitere Möglichkeit wurde von Dr. Erik Garnett, Stanford University, vorgestellt. Nanodrähte aus Silizium werden genutzt, um das Sonnenlicht besser einzufangen. Die Nanodrähte wirken dabei wie eine Lichtfalle. Einmal eingefangenes Licht kann die Solarzelle nicht mehr verlassen und bleibt solange im Halbleiter, bis es vollständig absorbiert wurde.
Auch die Gruppe um Dr. Silke Christiansen vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und am Institut für Photonische Technologien Jena (IPHT Jena) beschäftigt sich mit halbleitenden Nanodrähten auf Siliziumbasis. Den Wissenschaftlern ist es gelungen ein innovatives Herstellungsverfahren zu entwickeln. Auf einem Siliziumwafer werden durch einfache nasschemische Verfahren Nanodrähte erzeugt. Normalerweise erscheint ein beschichteter zur Solarzelle weiterverarbeiteter Wafer bläulich und reflektiert das Sonnenlicht wie ein Spiegel. Die mit Nanodrähten hergestellten Wafer am IPHT erscheinen jedoch matt und dunkel. Betrachtet man den Wafer unter einer UV-Lampe, leuchten die hergestellten Nanodrähte rot auf. Das halbleitende Material verhält sich wie eine gut funktionierende Leuchtdiode. Hierin liegt wie schon von Yablonovitch vorgestellt der Schlüssel für zukünftige hocheffiziente und kostengünstige Solarzellen. Die für eine Solarzelle notwendigen Kontakte und Isolationsschichten zur Ladungstrennung werden in weiteren Schritten auf die Nanodrähte aufgebracht. In einem geeigneten Aufbau aus diversen leitfähigen und isolierenden Schichten kann das eingefangene Licht in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Gesamteffizienz so einer Nanodraht-Solarzelle liegt momentan bei 9,1 Prozent. Dieser Wert ist einer der weltweit höchsten, der mit Dünnschicht-Siliziumsolarzellen erreicht wurde. Herkömmliche Solarzellen auf Basis von klassischen Siliziumwafern erreichen zwar deutlich höhere Wirkungsgrade allerdings erfordert die Herstellung solcher Solarzellen einen hohen Materialeinsatz. Die Nanodraht-Solarzellen sollen nach weiterer Entwicklung deutlich kostengünstiger in der Produktion sein.
Ein alternatives Halbleitermaterial untersuchte Professor Dr. Bernd Witzigmann von der Universität Kassel. Verschiedenen Elemente der III. und V. Gruppe des Periodensystems können verwendet werden, wie z. B. Gallium (Ga), Indium (In), Arsen (As), Phosphor (P), Antimon (Sb), Aluminium (Al) für die Herstellung von Mischkristallen, deren Absorptionskante zwischen 500-6000 nm eingestellt werden kann. Die meisten dieser Verbindungen besitzen zudem den Vorteil einer extrem hohen Absorption, was zur Folge hat, dass dünne Schichten von nur einigen Mikrometern ausreichen, um
das nutzbare Licht zu absorbieren. Witzigmann stellte halbleitende Nanodrähte mit Dicken von 2 bis 200 nm und Längen von einigen Mikrometern vor die Eigenschaften der Nanotechnologie mit der makroskopischen Weld verbinden und somit einen entscheidenden Beitrag für die Entwicklung von zukünftigen Photovoltaiktechnologien liefern können.
Up&Down Conversion zur Effizienzsteigerung
Professor Dr. Jennifer Dionne von der Stanford University, nutzt dagegen Nanomaterialien, um das energieärmere längerwelligere Sonnenlicht in energiereicheres kurzwelligeres Licht umzuwandeln, welches von der Solarzelle besser genutzt werden kann. Bildlich gesprochen kann so aus rotem Licht blaues Licht entstehen. Dionne lässt dabei den Halbleiter der Solarzelle unangetastet und baut mit Nanopartikeln eine weitere Schicht in die Solarzelle ein. Das Sonnenlicht welches nicht im Halbleiter absorbiert wird dringt durch die Halbleiterschicht hindurch und wird von der Rückseite als kurzwelligeres Licht wieder in die Solarzelle zurückreflektiert. Auch der umgekehrte Fall ist möglich, dass energiereiches Sonnenlicht in energieärmeres Licht umgewandelt werden kann. Mit der Up&Down Conversion Technologie kann somit das Lichtspektrum an die Bandlücke des Halbleiters optimal angepasst werden, was zu einer Wirkungsgraderhöhung führt.
Die Lichtabsorption kann auch durch nanostrukturierte Siliziumkristalle in einer dreidimensionalen Solarzellenarchitektur erhöht werden. Ein Gemeinschaftsprojekt zwischen der Schott AG und dem Helmholtz Zentrum Berlin entwickelt Dünnschichtsolarzellen mit dem Ziel einen Wirkungsgrad von über 20% auf diese Weise zu erreichen, so Professor Dr. Bernd Rech.
Wichtig bei allen neuen Technologien für eine zukünftige neue Generation an Photovoltaikmodulen ist die Wirtschaftlichkeit. Hohe Wirkungsgrade sollte man sich nicht mit kostenintensiven seltenen Materialien erkaufen die nicht im großen Maßstab einsetzbar sind. Es gilt niedrige Produktionskosten mit hohen Wirkungsgraden zu vereinen. Über die Anforderungen an Wirtschaftlichkeit und Effizienz referierte Dr. Winfried Hoffmann, Vizepräsident der European Photovoltaic Industry Association (EPIA) und machte deutlich wie wichtig eine skalierbare wirtschaftliche Produktion ist.
Alle neu vorgestellten Nanotechnologien lassen sich prozesstechnisch so umsetzen, dass die Solarzellen und Module durch Druckprozesse herstellbar sind. Somit wird die Photovoltaik der Zukunft druckbar und kostengünstiger. Die Konferenz bot eine hervorragende Möglichkeit sich unter Experten auszutauschen, neue Kontakte aufzubauen und Kooperationen einzugehen.
Ansprechpartner:
Dr. Robert Bartl
