Sonne effizienter nutzen

Jenaer-Forscher wollen den Wirkungsgrad von Dünnschicht-Solarzellen erhöhen, denn die Kraft der Sonne könnte die Energieprobleme der Menschheit lösen. Erfolgversprechende Ansätze gibt es schon, doch dem weltweiten Siegeszug der Solartechnik stellen sich noch Hindernisse in den Weg. Eines davon ist die ungenügende Effizienz der Solaranlagen.

"Wir wollen den Wirkungsgrad unserer Dünnschichtsolarzellen auf 18 Prozent erhöhen", sagt Prof. Dr. Carsten Ronning von der Universität Jena. Der Physiker leitet gemeinsam mit Dr. Udo Reislöhner ein Teilprojekt in einem ehrgeizigen Forschungsvorhaben, das vom Bundesumweltministerium mit insgesamt gut drei Millionen Euro gefördert wird. Am Projekt "Rechnerunterstützte Optimierung des Wirkungsgrades von CIGS-Dünnschichtsolarzellen in der industriellen Umsetzung" sind fünf Industriepartner und drei Forschungseinrichtungen beteiligt. Angelegt ist es auf drei Jahre und der Startschuss ist gerade erfolgt.

Am Jenaer Institut für Festkörperphysik werden im Rahmen des Großprojekts insbesondere die Grenzflächen und Defekte der CIGS-Solarzellen untersucht. Das Jenaer Teilvorhaben wird mit insgesamt 500.000 Euro gefördert. Diese CIGS-Solarzellen sind extrem dünn, sie weisen Stärken von zwei bis drei Mikrometer auf. Damit sind sie geeignet auf verschiedene Untergründe, z. B. auf flexiblen Folien, aufgedampft zu werden. Die Bezeichnung CIGS steht für [Cu(In, Ga)(Se)2], also die Bestandteile Kupfer, Indium, Gallium und Selen. Dieser Materialmix hat sich als besonders erfolgsträchtig erwiesen: Eine CIGS-Solarzelle im Labormaßstab hält mit 20 Prozent den Wirkungsgrad-Weltrekord unter den Dünnschichtsolarzellen.

In diese Regionen wollen auch die Jenaer Forscher vorstoßen: "Das Ziel ist ein Wirkungsgrad von 18 Prozent, aber bezogen auf Module mit einer Fläche von 30 mal 30 Zentimeter", sagt Carsten Ronning. Er ist sich sicher, dass besonders die Grenzflächen und Defekte den Wirkungsgrad von Dünnschicht-Solarzellen begrenzen. "Wenn wir die Grundlagen noch genauer verstehen, werden wir die Effizienz steigern können", sagt Udo Reislöhner. Im Rahmen des Projekts wird deshalb u. a. der Doktorand Sven Schönherr damit beschäftigt sein, sich intensiv in die Materie einzuarbeiten und die Solarzellen umfassend charakterisieren.

Aktuell liegt der Wirkungsgrad bei etwa 13 Prozent in der Serienproduktion von Modulen. Reislöhner verweist zudem darauf, dass die Jenaer Forscher sich mit CIGS-Solarzellen beschäftigen, die im Zwei-Stufen-Verfahren hergestellt werden. Dabei werden zunächst Kupfer, Indium und Gallium aufgebracht, ehe dann in einer zweiten Kammer die Schichten mit Selendampf reagieren. Nachteil dieses Verfahrens: Anders als beim Aufdampfen in einem Schritt lässt sich der Prozess weniger gut steuern, wodurch die Wirkungsgrade generell geringer sind. Der Vorteil: Dieses Verfahren ist technisch wesentlich einfacher und kostengünstiger als das Verfahren, bei dem in einem Schritt bedampft wird.

Die Leitung des gesamten Forschungsprojekts liegt bei der IBM Deutschland GmbH. Beteiligt sind weiterhin die Schott AG in Mainz, die Bosch Solar CISTech GmbH in Brandenburg, die Robert Bosch GmbH in Gerlingen-Schillerhöhe, das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, die Johannes-Gutenberg-Universität Mainz sowie die Manz CIGS Technology GmbH in Schwäbisch-Hall. 

Quelle: Sonnenseite / Institut für Festkörperphysik der Friedrich-Schiller-Universität Jena 2012 / Bild: Fraunhofer ISE

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