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Weltrekord: Solarzelle erreicht 46% Wirkungsgrad

Weltrekord: Solarzelle erreicht 46% Wirkungsgrad

Deutschen und französischen Forschern der Unternehmen Soitec, CEA Leti und dem Fraunhofer ISE ist es gelungen, einen neuen Weltrekord in Sachen Wirkungsgrad von Solarzellen zu erreichen. Die Mehrfach-Solarzelle für konzentrierende Photovoltaik wandelt 46 Prozent der direkten Sonneneinstrahlung in Energie um. In naher Zukunft peilen die Forscher mit dieser Technologie sogar die Überschreitung der 50-Prozent-Marke in Sachen Wirkungsgrad an.

Interview mit Prof. Dr. Stefan Krauter: “Man müsste nur dem Endverbraucher Zugang zur Strombörse verschaffen”

Prof. Dr. Stefan Krauter ist Professor und Lehrstuhlinhaber für Nachhaltige Energiekonzepte an der Universität Paderborn. Er ist Spezialist auf dem Gebiet der Photovoltaik und war 2006 Mitbegründer des Photovoltaik-Instituts Berlin (PI-Berlin),  wo er als Vorstandsmitglied tätig ist. Krauter ist zudem sehr auf dem lateinamerikanischen aktiv, gründete in Brasilien ein PV-Unternehmen, ist auf zahlreichen Messen aktiv und war sieben Jahre lang Gastprofessor an der Bundesuniversität von Rio de Janeiro. Milk the Sun sprach mit ihm über aktuelle Entwicklungen und Zukunft der Photovoltaik sowie die aktuelle politische Situation in Deutschland rund um die Erneuerbaren.

Prof. Dr. Stefan Krauter: "Es werden astronomische Preise angesetzt, um die Energiewende "unrealisierbar" zu machen"

Milk the Sun: Sehr geehrter Herr Prof. Dr. Krauter, Sie sind Vorstandsmitglied des PI-Berlin. Was macht das PI-Berlin, was sind die Aufgaben?

Krauter: Das PI-Berlin prüft PV-Module und PV-Systeme auf Qualität und Performance. Ich bin für die wissenschaftliche Zusammenarbeit, PR und Marketing zuständig.

Milk the Sun: Photovoltaik-Module werden zwar immer effizienter, dennoch ist die Solarenergie vergleichen mit anderen Formen der Stromgewinnung relativ ineffizient. Gibt es Hoffnung, dass die Photovoltaik einen deutlichen Schritt nach vorne macht – Stichwort Wirkungsgrad?

Krauter: Wichtig sind die Kosten pro erzeugter kWh, da gab es erhebliche Fortschritte: Wir können jetzt in Deutschland Solarstrom zu einem Preis anbieten für den wir noch für 2 Jahren in die Sahara gehen mussten. Der Wirkungsgrad spielt nur insofern eine Rolle, als dass man die Fläche für ein PV-Kraftwerk reduzieren könnte, wenn der Wirkungsgrad zunimmt (was auch geschah, wenn auch nicht bei Weitem in der Größenordnung wie der Preis abnahm)

Milk the Sun: Der Lateinamerikanische Markt gewinnt in Europa in den letzten Monaten vermehrt an Bedeutung. Sie sind dort jedoch schon seit vielen Jahren aktiv. Viele Südamerikanische Länder haben einen sehr hohen Anteil Erneuerbarer Energien. Was kann Deutschland von Ländern wie Brasilien in Sachen Erneuerbarer/ Photovoltaik lernen?

Krauter: Brasilien hat über 70% Wasserkraft, die restlichen 30% könnte Brasilien sofort mit PV oder Wind bewerkstelligen, da die Speicherkapazitäten der Stauseen enorm sind und zudem der Verbrauch mit der Sonneneinstrahlung einher geht. Das neue Einspeisegesetz beruht auf Net-Metering, d.h. das Preisverhältnis von eingespeistem und bezogenen Strom ist stets 1:1, damit ist auch ein Inflationsausgleich eingebaut, der im deutschen EEG fehlt.

Milk the Sun: Der deutsche Bundesumweltminister Peter Altmaier bezifferte die möglichen Kosten der Energiewende in Deutschland auf bis zu eine Billion Euro. Was sagen Sie dazu?

Krauter: Diese Zahl ist aus der Luft gegriffen: 1. der Netzausbau ist völlig überteuert – es gibt Gegenstudien z.B. von Jarass, die auf viel niedrige Werte kommen. 2. Durch dezentrale Strukturen lässt sich die Energiewende zu einem Bruchteil des Preises realisieren, dann würden allerdings die bisherigen Oligopole stark an Macht verlieren. Deswegen werden astronomische Preise angesetzt um die Energiewende „unrealisierbar“ zu machen.

Milk the Sun: Neben der Eine-Billion-Aussage von Altmaier stieß auch der  „Strompreisbremse“ genannte Vorschlag von Altmaier und Bundeswirtschaftsminister Rösler auf wenig Gegenliebe bei Unterstützern der Energiewende. Was halten Sie von dem Vorschlag?

Krauter: Fast die Hälfte der EEG-Umlage sind nicht für die Erneuerbaren, sondern sind Ausgleichzahlungen um den Oligopolen entgangen Gewinn zurückzuzahlen, die durch den STROMPREISVERFALL DURCH ERNEUERBARE an den Energiebörsen entstanden sind. D.h. die Erneuerbaren reduzieren die Preise an Strombörse, man müsste nur dem Endverbraucher Zugang zur Strombörse verschaffen.

Milk the Sun: Welche Möglichkeiten sehen Sie, wie man dem steigenden Strompreis entgegen wirken kann, ohne den Ausbau Erneuerbarer zu gefährden?

Krauter: Offener & fairer Markt: 1. Eigenstromverbrauch (eigener Strom für 0,19 €/kWh statt 0,26 €/kWh von den Energiekonzernen) . 2. Öffentlicher Zugang zur Strombörse um überflüssigen Strom zu verkaufen oder bei Überproduktion günstig einzukaufen (teilweise liegt der Strompreis bei 0,00 €/kWh).

Milk the Sun: Als Professor an diversen Universitäten arbeiten Sie viel mit jungen Menschen. Lassen sich generelle Unterschiede in den Ansichten von jüngeren und älteren Menschen feststellen bezüglich der Energiewende und  einer nachhaltigen Energieversorgung in der Zukunft?

Krauter: Würde ich nicht am Alter festmachen Ich glaube, dass viele ältere Menschen der Energiewende sehr aufgeschlossen gegenüberstehen und vorhandene Strukturen in Frage stellen.

Milk the Sun: Welche Hoffnung setzen Sie in die heutigen Studenten im Bereich der Nachhaltigen Energiekonzepte?

Krauter: Dass sie die Herausforderung „Energiewende“ ernst nehmen und ihre Zukunft darin sehen.

Wir bedanken uns bei Herrn Prof. Dr. Krauter für das Gespräch.

Organische Solarzellen: Erhöhte Effizienz durch Nanogitter

Lichtschluckende Nanogitter aus Gold in dünnen organischen Sandwich-Solarzellen. Was sich anhört wie eine technische Errungenschaft aus einer Science-Fiction-Komödie könnte den Wirkungsgrad von zukünftigen Solarzellen merklich erhöhen.

Photovoltaik SiliziumEffizienzsteigerung um bis zu 175 Prozent

Forscher des NanoStructure Laboratory der Universität in Princeton (USA) haben Solarzellen mit feinsten Gitterstrukturen versehen, um Reflexion und Streuverluste zu verringern. Dabei entstanden Messwerte, die die Effizienz bisheriger organischer Solarzellen bei seitlich eintreffem, diffusen Licht wie z.B. bei Wolkenhimmel um bis zu 175 Prozent übertrafen. Bei direktem Licht lag die Steigerung bei 52 Prozent. Neben der besseren Effizienz bei seitlichem und indirektem Licht liegt ein weiterer Vorteil der neuen Methode in der kompakteren Bauweise, der dünnere, flexiblere und günstigere organische Solarzellen ermöglicht.

Das Lochgitter-System, das auf den Namen „PlaCSH“ (Plasmonic Cabity with Subawavelength Hole-array) hört, konnte in einem breiten Wellenlängenspektrum bis zu 96 Prozent des einfallenden Lichtes absorbieren – selbst bei sehr geringem Einfallswinkel. Bisher besteht die Oberfläche von Dünnschicht-Solarzellen meist aus transparenten Elektroden aus Indiumzinnoxid, das z.B. auch in Touchscreens oder Flüssigkristallbildschirmen seine Anwendung findet. An den Schichtübergängen zu den weiteren Schichten, der Strom erzeugende Schicht und der Metallelektrode, entstehen hohe Streu- und Reflexionsverluste, die den Wirkungsgrad der Solarzellen verringern.

Erwartung der Forscher übertroffen

Dass das feine Metallgitter aus Gold, gerade mal 30 Nanometer hoch und versehen mit Löchern von 175 Nanometern Durchmessern (bei rund 25 Nanometer dünnen Stegen), die Streuverluste so sehr verringern würde, lag allerdings außerhalb des Erwartungsbereiches der Forscher.

Mit der neuen Methode lassen sich Solarzellen in hauchfeine Nanostrukturen „drucken“ und damit günstig auf großen Flächen anbringen. Gegenüber den bisherigen Indiumzinnoxid-Zellen ist damit auch eine Verbesserung Biegsamkeit und der Unempfindlichkeit in Sicht.

Die Forscher hegen zudem die Hoffnung, auch die Effizienz herkömmlicher Silizium-Solarzellen wie sie in den meisten Photovoltaik-Anlagen verbaut sind mit dieser Methode verbessern zu können. So müsse nach Forscherangaben die Zwischenschicht nicht zwangsläufig aus organischem Material bestehen, sondern könne unter Umständen auch durch anorganisches Silizium und Galliumarsenid gebildet werden. Der Vorteil liegt auf der Hand: Bisher liegen organische Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von rund vier Prozent weit hinter den Silizium-Konkurrenten, die rund 20 Prozent Effizienz erreichen.

Quelle: Wissenschaft Aktuell

Schwarzes Silizium erhöht Wirkungsgrad von Solarzellen

Über ein Drittel der weltweit aus Solarstrom-Anlagen gewonnenen Energie wird in Deutschland produziert. Ein Kritikpunkt, den sich die Photovoltaik dabei jedoch immer wieder gefallen lassen muss, ist der Wirkungsgrad der Zellen. Ein weiterer Schritt zur Verbesserung dieses Wirkungsgrades scheint Forschern des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institutes (HHI) gelungen zu sein: Schwarzes Silizium schafft es, auch die Wärmestrahlung der Sonne zu nutzen.

Herstellung durch Schwefel-Laserbehandlung

Bisherige Solarzellen konnten nur drei Viertel der Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln. Dabei ging das verbleibende Viertel, die Infrarotstrahlung, verloren. Schwarzes Silizium hingegen erweitert den Erfolg bisheriger Silizium-Zellen um genau diese Strahlung. Gewonnen wird es durch eine besondere Behandlung mit einem Laser: „Schwarzes Silizium erhält man, indem man übliches Silizium unter Schwefelatmosphäre mit einem Femtosekundenlaser bestrahlt. Die Oberfläche wird aufgeraut, einzelne Schwefelatome in das Siliziumgitter eingebaut und das Material erscheint schwarz.“, so Dr. Stefan Kontermann, Gruppenleiter der Fraunhofer-Projektgruppe Faseroptische Sensorsysteme des HHI. Solarzellen mit Schwarzem Silizium könnten so ihren Wirkungsgrad deutlich erhöhen.

Mauerbau in Miniaturform

Um den Wirkungsgrad von Solarzellen aus Schwarzem Silizum weiter zu erhöhen, wurde die Pulsform des Lasers, mit dem das Silizum bestrahlt wurde, verändert. So schwächten sie ein Problem des bisherigen Schwarzen Siliziums deutlich ab: Der Schwefel in diesem Silizium sorgt dafür, dass die gewonnen Elektronen nach oben und so zur Stromgewinnung transportiert werden können – als ob sie auf eine Mauer gehoben werden. Während bei normalem Silizium das Infrarotlicht nicht die nötige Energie besitzt, um umgesetzt zu werden, übernimmt der Schwefel im Schwarzen Silizium die Aufgabe einer Zwischenstufe. Problematisch war bisher allerdings, dass diese Zwischenstufe nicht nur die Abgabe von Elektronen, sondern auch die Wiederaufnahme selbiger erleichterte – der gewonnene Strom geht wieder verloren. Ein veränderter Laserpuls brachte laut Kontermann die Lösung: „Wir haben den eingebauten Schwefel über die Laserphotonen so verändert, dass möglichst viele Elektronen hinaufkommen können, aber möglichst wenig wieder hinuntergelangen.“

Suche nach dem optimalen Laserpuls

Um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, werden die Laserpulse nun immer wieder verändert, um die Unterschiede im Material und im erreichten Wirkungsgrad zu untersuchen. In Zukunft soll dies ein Algorithmen-System übernehmen. Prototypen von Solarzellen aus Schwarzem Silizium konnten die Forscher bereits produzieren. Das Nah-Ziel definiert Kontermann so: „Wir hoffen, den Wirkungsgrad kommerzieller Solarzellen, der momentan bei etwa 17 Prozent liegt, um ein Prozent erhöhen zu können, indem wir sie mit Schwarzem Silizium kombinieren.“ In Zukunft sollen also Zellen aus bisheriger Produktion mit Schwarzem Silizium kombiniert werden. So entsteht eine Tandem-Zelle. Zudem ist geplant, die Laseranlage über eine Ausgründung zu vermarkten und Herstellern so zu ermöglichen, Schwarzes Silizium für die Eigenproduktion herzustellen und damit für die Photovoltaik-Serienproduktion zu öffnen. Das unter dem Namen „Maßgeschneiderte Lichtpulse“ laufende Projekt wird am 11. Oktober 2012 in Goslar als einer der Preisträger im Wettbewerb „365 Orte im Land der Ideen“ ausgezeichnet.

Quelle: Fraunhofer

Was ist eigentlich Konzentrator-Photovoltaik?

Seit einiger Zeit spricht die gesamte Solarbranche von der Konzentrator-Photovoltaik. Was man darunter genau versteht, das haben wir von Milk the Sun uns einmal angesehen.

Konzentrator-Photovoltaik (concentrated photovoltaics) basiert auf einer neuen Technologie, die es ermöglicht, doppelt so viel Energie aus Sonnenlicht zu gewinnen als bisher. Zugrunde liegt der sog. CPV-Technologie ein ebenso einfacher wie wirkungsvoller Effekt. Wer hat noch nicht mit einer Lupe Sonnenstrahlen auf ein Blatt Papier gebündelt und so ein Feuer entfacht? Genau das machten sich jetzt Unternehmen und Forschungsinstitute zunutze und entwickelten Solarmodule, die mit speziellen Linsen ausgerüstet sind. Die einfallenden Sonnenstrahlen werden wie mit einer Lupe um das 500 bis 1000fache auf kleinste Flächen konzentriert. Im Labor erzielten Wissenschaftler mit dieser Methode bereits Wirkungsgrade von mehr als 40%, bei fabrikgefertigten CPV-Modulen sind es 30%. Ein beachtlicher Wert, wenn man bedenkt, dass mit herkömmlichen Siliziummodulen gerade einmal 15-20% erreicht werden. Die neuartigen Zellen bestehen aus mehreren Halbleiter-Verbindungen (meist aus Gallium oder Germanium), die übereinander geschichtet werden. Jede dieser Schichten absorbiert dabei eine andere Wellenlänge. Dies bedeutet, dass die Zellen einen viel größeren Spektralbereich des Sonnenlichts ausnutzen können als die bereits erwähnten Siliziumzellen. Die Konzentrator-Photovoltaik ist mittlerweile so weit, in Serienproduktion zu gehen. Und was die Effizienz der Zellen angeht, ist angeblich noch lange kein Ende in Sicht.

Was heißt das nun für den Verbraucher? Der Photovoltaik ist es mit der neuen CPV-Technologie gelungen, einen sehr hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem Materialbedarf zu erzielen, sprich: billigen Strom zu erzeugen. Ein Hoffnungsträger für die im Moment kriselnde Solarbranche. Allerdings sollte man hierbei nicht vergessen, dass die Konzentrator-Photovoltaik optimale Sonneneinstrahlung benötigt und die Kosten nicht allein von den Materialien abhängig sind. Die Höhe der Stückzahl spielt eine ebenso wichtige Rolle. Und auch die bereits etablierten Siliziummodule werden in der Herstellung immer billiger und besitzen den Vorteil, dass sie nicht ganz so abhängig von einem optimalen Standort sind. Die Zukunftsaussichten der Konzentrator-Photovoltaik sind aber auf jeden Fall vielversprechend. Experten wie Dirk Morbitzer, Geschäftsführer des Beratungsunternehmens Renewable Analytics, ist überzeugt, dass „es absolut realistisch [ist], dass die Kosten bis 2015 sogar auf unter sieben Cent sinken werden.“

Quelle: Spiegel Online