Photovoltaik

Zur Kostensenkung sind auch vollkommen neue physikalische Ansätze zu verfolgen. Exemplarisch dafür sind:

• Entwicklung von Stapelsolarzellen zur günstigeren Ausnutzung des spektral breit verteilten Sonnenlichts
• Entwicklung neuer Bauelementstrukturen von Solarzellen
• Solarzellen mit hochstrukturierten Absorbern und Nanostrukturen in der Fläche zur Verringerung von Reflexionsverlusten, zur Verbesserung der Kristallqualität oder zur Materialeinsparung
• Entwicklung des Photonenmanagements
• neue Materialsysteme und Halbleitertechnologien

• die Silizium-Wafer-Technologie besteht in der Prozessierung von monokristallinen oder multikristallinen Scheiben mit einer Dicke von unter 200 μm
• die kristalline Siliziumtechnologie dominiert weiterhin den deutschen und weltweiten Photovoltaik-Markt aufgrund der großen Fortschritte bei der Steigerung des Solarzellenwirkungsgrades so wie bei der Kostenreduktion in der Herstellung der Silizium-wafer, Solarzellen und Module
• die Silizium-Photovoltaiktechnologie ist über lange Jahre erprobt und zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit aus.

Trotz der enormen Fortschritte dieser Technologie gibt es noch sehr große Kostenreduktionspotenziale, die nur durch Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen erschlossen werden können:

a. Höhere Wirkungsgrade, zum Beispiel durch

• neuartige Solarzellenstrukturen mit geringeren optischen und elektrischen Verlusten
• extrem dünne Beschichtungen zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften
• Verbesserung der Materialeigenschaften von Silizium
• Photonenmanagement
• Stapelsolarzellen auf Basis von Standard-Silizium-Solarzellen in Kombination mit anderen Halb­leitern, um einen höheren Wirkungsgrad zu ermöglichen

b. Einsparung und Substitution von kostentreibenden Materialien, insbesondere

• kostenreduzierte Herstellung von Solar-Silizium (Solar-Grade-Si) und sägefreie Wafertechnologien
• Prozessierung dünnerer Silizium-Wafer (120 µm) bis hin zu ultradünnen Wafern (< 80 µm)
• Ersatz von Silber als Leitermaterial

c.    Entwicklung kostengünstiger hochproduktiver Techniken

• thermische Verfahren
• nass- und plasmachemische Verfahren
• hochgenaue laser- und druckbasierte Verfahren

Bei Dünnschichtmodulen bestehen die photoelektrisch aktiven Schichten aus nur wenigen Mikrometer dünnen Materialen, die großflächig abgeschieden werden. Die Technologien arbeiten mit verschiedenen Absorber­materialien wie CIS-/CIGS, CdTe und GaAs, kristallinem Silizium sowie alternativen Materialien wie Perowskiten und Kesteriten.

• Dünnschichtmodule benötigen zur Herstellung wenig Energie und Material.
• Bestimmte Dünnschichttechnologien können auch schwache Lichtverhältnisse gut nutzen und bringen bei hohen Temperaturen gute Leistung.
• Aufgrund der Effizienz­rekorde im Labor gilt die CIGS-Technologie als eine der Dünnschichttechniken mit dem größten wirtschaftlichen Potenzial.

Kostensenkungen können erreicht werden durch:

• Skalierungseffekte
• optimierte, effizientere Produktionstechnologien
• Verringerung des Materialeinsatzes
• Umsetzung der hohen Laborwirkungsgrade in die Modulproduktion
• direkte Gebäudeintegration
• alternative Substrate (Polyimid- und Stahlfolien) für die Rolle-zu-Rolle-Prozessierung
• Entwicklung und Optimierung neuer Materialien wie Kesterit-Solarzellen

Solarzellen auf der Basis von Halbleitergemischen in Lösung können mit Hilfe von Drucktechniken auf flexiblen­ Substraten großflächig hergestellt werden.
Aktuelle Entwicklungen mit einer deutlichen Steigerung der Wirkungsgrade und Lebensdauern zeigen, dass gedruckte Solarmodule auch jenseits von Nischenanwendungen großes Potenzial aufweisen.

• Organische Solarzellen (OPV) lassen sich in Fassaden einbauen; semi-transparente Module können sogar in Fenster integriert werden.
• OPV verwenden umweltfreundlicher Rohstoffe, können unproblematisch entsorgt werden und haben niedrige Energierücklaufzeiten von nur wenigen Monaten.

Für die weitere Entwicklung organischer Solarzellen werden folgende Bereiche bearbeitet:

• Evaluierung neuer aus der Flüssigphase prozessierbarer Halbleitersysteme mit verbesserter Anpassung an das Solarspektrum und optimierten Ladungstransporteigenschaften
• Weiterentwicklung selektiver Schichten zwischen Elektrode und Absorber
• Verbesserung bestehender kostengünstiger Solarzellkonzepte und organischer Tandemsolarzellen
• Angepasste Produktionstechnologien wie zum Beispiel Rolle-zu-Rolle-Prozessierung
• Verbindungstechnologie
• Verkapselung insbesondere flexibler Solarzellen
• Verbesserung der Stabilität und Lebensdauer
• Lichtmanagement

Die noch junge Technologie nutzt das Know-how zu OPV und deren Aufbau, ersetzt jedoch die lichtabsorbierende Schicht durch Methylammonium-Bleijodid, einem organisch-anorganischen Kristall.

• Mit Perowskiten werden im Labor Wirkungsgrade von über 20 % erzielt, wobei ähnliche und kostengünstige Herstellungsprozesse wie bei der OPV zum Einsatz kommen

Die beiden größten Herausforderungen auf dem Weg zur Marktreife sind

•    die derzeit noch viel zu geringe Langzeitstabilität (u. a. ist der Kristall wasserlöslich)
•    die Giftigkeit des Bestandteils Blei, den man möglichst durch einen alternativen Stoff ersetzen sollte

Für Lösungsvorschläge ist ein tiefer gehendes Verständnis der Wirkungsprinzipien der noch jungen Perowskit-Technologie erforderlich.

Bei der PV-Konzentrator-Technologie wird das Sonnenlicht mittels einer Optik gesammelt und auf eine sehr kleine Solarzellenfläche gebündelt.

• so wird im PV-System teures Halbleitermaterial eingespart und es können die effizientesten Solarzellen (industriell gefertigte Mehrfachsolarzellen auf Basis von III-V-Halbleitern mit über 42 % Wirkungsgrad) eingesetzt und die ­inhärenten Vorteile hoher Ladungsträgergenerationsraten genutzt werden
• die PV-Konzentratortechnologie eignet sich besonders für Kraftwerke an Standorten mit viel direkter Sonneneinstrahlung.

Zur Kostensenkung werden folgende Forschungsschwerpunkte bearbeitet:

• Solarzellenstrukturen für höchste Leistungsdichten (bis 2000 Sonnen)
• kostengünstige industrielle Fertigungstechnologien der Solarzellen und der konzentrierenden Optik
• Anpassung von Konzentratoroptik und Solarzelle, innovativer Modulbau
• höhere Wirkungsgrade der Solarzellen
• Erforschung neuer Materialien

Nach der elektrischen Verschaltung der Einzelsolarzellen sorgt die Verkapselung dafür, dass Solarmodule auch unter extremen Klimabedingungen langfristig ­betrieben werden können und ermög­licht die sichere ­Montage.
Forschungs- und Entwicklungsfragen sind unter anderem:

• Modultechnologien mit deutlich reduzierten Material- und Systemkosten
• Entwicklung von Hochleistungsmodulen mit hohem Flächenertrag
• verlustarme elektrische Verschaltungsmethoden und optisch effiziente Einkapselung
• deutlich gesteigerte technische Lebensdauern der Module für neue PV-Technologien
• Modultechnologien für spezielle Anwendungen, insbesondere für die Gebäudeintegration

Die erwartete Langzeitstabilität der Photovoltaik-Module muss für unterschiedlichste Klimabedingungen in geeigneten Alterungstests untersucht werden:

• Analyse und Modellierung von Alterungsmechanismen und deren Wechselwirkung
• Korrelation von natürlicher Alterung, beschleunigter Alterung und Prozessmodellen für die Degradation
• Verbesserung von Prüfverfahren und deren Weiterentwicklung für neue PV-Technologien
• Modellrechnung zur Alterung und zur Schadensbildung bei PV-Modulen

Photovoltaische Kraftwerke sind in Deutschland leistungsfähige­ und zuverlässige Stromlieferanten. Sie werden sowohl in Deutschland als auch weltweit eine tragende Rolle im zukünftigen Energiemix spielen.
Breite Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen sind erforderlich:

• präzise Leistungs- und Ertragsprognosen von PV-Kraftwerken
• Steigerung der Performance Ratio (Verhältnis zwischen maximal möglichem und tatsächlich erreichten Ertrag) insbesondere für neue PV-Technologien
• Verstetigung der Stromproduktion im Tagesverlauf durch Erzeugungs-, Speicher- und Lastmanagement im Verteilnetz
• Technologieentwicklung zur Senkung der Systemkosten bei Material, Montage, Wechselrichter und allgemeine Elektroinstallation.
• Wartung und Zustandsdiagnose von Solarkraftwerken

Neben der Einspeisung von PV-Energie ins Netz können PV-Wechselrichter auch lokale Energie­speichersysteme steuern und zudem zur Spannungsstabilisierung im Stromnetz und zur Erhöhung der Übertragungskapazität beitragen. Darüber hinaus sollen PV- und Batteriewechselrichter zunehmend netzbildend agieren, um diese Funktion der konventionellen Kraftwerke zu unterstützen, damit sie langfristig ersetzt werden können.

Forschungs- und Entwicklungsfragen sind u.a.:

• angepasste Wechselrichterlösungen zur Optimierung der Lastflüsse zwischen fluktuierenden und regelbaren Erzeugern, zeitabhängigen Verbrauchern und Speichern
• Entwicklung von kostengünstigen multifunktionalen „intelligenten“ PhotovoltaikWechselrichtern, um lokal und regional die Lastflüsse zwischen fluktuierenden Erzeugern, zeitabhängigen Verbrauchern, Speichern und schnell regelbaren Stromerzeugern zu optimieren
• weitere Kostensenkung von Wechselrichtern sowie Steigerung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer auf das Niveau von PV-Modulen
• Entwicklung von Algorithmen und Simulationen zur Steigerung der Eigenverbrauchsquote beim Zusammenspiel von PV-Anlage, Batteriespeicher und Wärmepumpe sowie für deren netzdienlichen Betrieb
• neben klassischen Freiflächen- und Aufdachsystemen bieten gebäudeintegrierte Anlagen ein hohes Flächenpotenzial. Um dieses Potenzial effektiv zu nutzen, bedarf es multifunktionaler Fassadenelemente sowie neuer Ansätze zur Verschaltung der Module zur Gebäudeintegration.

Mit wachsenden Produktionskapazitäten für Solarzellen spielen Fragen des Recyclings, der technischen Lebensdauer und der Energierücklaufzeiten eine wichtige Rolle und sind zunehmend Gegenstand von Forschungs­- und Entwicklungsprojekten:

• Reduktion von Material- und Energieeintrag bei der Herstellung
• Wiederverwertbarkeit der photovoltaischen Elemente und Materialien

• Solarressourcen-Bewertung und spektral hochaufgelöste Solarstrahlungsdaten für die nächste Generation von PV-Technologien