Was hilft wirklich gegen den Klimawandel?

Länder, die CO2-Emissionen so schnell, substanziell und kostensparend wie möglich reduzieren möchten, sollten auf erneuerbare Energien statt auf Nuklearenergie setzen. Das legt eine Analyse von Daten aus 123 Ländern über einen Zeitraum von 25 Jahren hinweg nahe, die von der University of Sussex Business School und der International School of Management (ISM) durchgeführt wurde. Nuklearenergie führt auf nationaler Ebene nicht zu weniger CO2-Emissionen und sollte deshalb nicht als effektive kohlenstoffarme Energiequelle betrachtet werden.

Hilft nicht gegen CO2
AKW Gösgen
Bild: Guntram Rehsche

Die Forscher fanden in ihrer globalen Betrachtung heraus, dass erneuerbare Energien mit deutlich niedrigeren CO2-Emissionen einhergehen, während dies bei Nuklearenergie nicht der Fall ist. In ärmeren Ländern ist Atomkraft sogar mit höheren CO2-Emissionen verbunden. Die Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift Nature Energy publiziert wurde, zeigt außerdem, dass erneuerbare Energien selten erfolgreich mit Nuklearenergie koexistieren. Vielmehr verdrängen sich die beiden Energiesysteme gegenseitig und beschränken damit ihre Effektivität.

Benjamin Sovacool, Professor für Energy Policy an der University of Sussex Business School, meint dazu: „Die Daten deuten klar darauf hin, dass Nuklearenergie zur CO2-Eindämmung die weniger effektive Variante darstellt. Nachdem Atomkraft zusätzlich kaum erfolgreich mit erneuerbaren Energien koexistieren kann, sollten Investitionen in Nuklearenergie anstelle von erneuerbaren Energien in Frage gestellt werden. Länder, die Investitionen in Nuklearenergie im großen Maßstab planen, riskieren, nicht ihr volles Potenzial im Kampf gegen den Klimawandel auszuschöpfen.“

Die Analyse der Forscher basiert auf Daten der Weltbank und der Internationalen Energieagentur von 1990 und 2014. Als möglicher Grund für die Inkompatibilität von Nuklearenergie und erneuerbaren Energien wird zum Beispiel die Ausgestaltung der Elektrizitätsübertragung und -verteilung angeführt. Die Einführung kleinteiliger Anlagen im Bereich erneuerbare Energien ist sehr zeitaufwändig und kostspielig, wenn die Netzstruktur für eine zentralisierte Produktion von Elektrizität (wie bei Nuklearenergie) optimiert ist.

Andrew Stirling, Professor für Science und Technology Policy an der University of Sussex Business School, sagt dazu: „Dieser Artikel entlarvt, wie irrational es ist, sich auf ein ‚do everything‘-Argument zu stützen, wenn es um Investitionen in Nuklearenergie geht. Unsere Ergebnisse zeigen nicht nur, dass diese Investitionen weniger wirksam hinsichtlich der Reduktion von CO2-Emissionen sind als Investitionen in erneuerbare Energien, sondern auch, dass Spannungen zwischen diesen beiden Investitionsstrategien einen wirksamen Kampf gegen den Klimawandel gefährden.“

Die Studie zeigt, dass Nuklearenergie nur in „reichen“ Ländern mit etwas geringeren CO2-Emissionen einhergeht. Dieser Zusammenhang ist jedoc
h deutlich schwächer als der Zusammenhang zwischen erneuerbaren Energien und CO2-Emissionen. Patrick Schmid, Professor für Quantitative Methoden an der International School of Management (ISM) in München, meint dazu: „Das Erstaunliche an der Datenlage ist, wie widerspruchsfrei sich die Ergebnisse lesen. Die Resultate sind über verschiedene Länder und Zeiträume hinweg sehr klar und konsistent.

Zudem ist der Zusammenhang zwischen erneuerbaren Energien und geringeren CO2-Emissionen ungefähr siebenmal stärker als der Zusammenhang zwischen Nuklearenergie und CO2-Emissionen.“ Götz Walter, Professor für Wirtschaftspsychologie an der International School of Management (ISM) in München, ergänzt: „Auch wenn die Datenlage keine Kausalschlüsse zulässt, ist die Eindeutigkeit der Analyseergebnisse überraschend. Für eine Verringerung der CO2-Emissionen sind erneuerbare Energien und nicht Nuklearenergie die richtige Strategie.“

Hintergrund
Die International School of Management (ISM) zählt zu den führenden privaten Wirtschaftshochschulen in Deutschland. In den einschlägigen Hochschulrankings rangiert die ISM regelmäßig an vorderster Stelle. Die ISM hat Standorte in Dortmund, Frankfurt am Main, München, Hamburg, Köln, Stuttgart und Berlin. An der staatlich anerkannten, privaten Hochschule in gemeinnütziger Trägerschaft wird der Führungsnachwuchs für international orientierte Wirtschaftsunternehmen in kompakten, anwendungsbezogenen Studiengängen ausgebildet. Alle Studiengänge der ISM zeichnen sich durch Internationalität und hohe Lehrqualität aus. Projekte in Kleingruppen gehören ebenso zum Hochschulalltag wie integrierte Auslandssemester und -module an einer der rund 190 Partneruniversitäten der ISM.

• Studie: nature energy „Differences in carbon emissions reduction between countries pursuing renewable electricity versus nuclear power“ 
•  
• QUELLE: International School of Management (ISM) 2020

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13 Fraunhofer-Thesen zur Energiewende

Wie kann die Energiewende in Deutschland gelingen? Diese Frage gewinnt momentan zusätzlich Bedeutung, etwa durch die Diskussion, in welcher Form der Staat in der Krise Unternehmen und Branchen unterstützt, die für das Gelingen der Energiewende relevant sind.

Forschende des Fraunhofer Cluster of Excellence »Integrated Energy Systems« CINES haben auf Basis von drei Energiesystemmodellen 13 Thesen abgeleitet, die zeigen, wie ein treibhausgasneutrales Energiesystem für Deutschland aussehen kann. Darin beschreiben sie neben der Rolle der erneuerbaren Energien, wie sehr seltene Stromflauten überbrückt werden können und warum Digitalisierung und europäische Zusammenarbeit eine hohe Relevanz für das Gelingen der Energiewende haben.

Im Fokus der Thesen steht der nationale Energiesektor und die Frage, wie dieser gestaltet werden muss, damit Deutschland im Jahr 2050 95 Prozent weniger Treibhausgase (gegenüber 1990) emittiert. Dieses Ziel ergibt sich aus den Klimazielen des Pariser Abkommens von 2015 und aus den Klimazielen der Bundesregierung.

Die Kernpunkte: Erneuerbare Energien, insbesondere Wind- und Solarenergie, entwickeln sich bis 2050 zur wichtigsten Energiequelle. Der Endenergieverbrauch in Deutschland geht deutlich zurück, vor allem dort, wo heute fossile Energieträger wie Heizöl oder Erdgas dominieren. Gleichzeitig steigt der Stromverbrauch für Verkehr, Gebäudewärme und chemische Prozesse in der Industrie. Für den sehr seltenen Fall, dass an wind- und sonnenarmen Tage erneuerbare Energien nicht ausreichend Strom liefern, übernehmen regelbare Kraftwerke kostengünstig die Energieversorgung. Entscheidend für das Gelingen der Energiewende ist neben Digitalisierung, Forschung und Entwicklung außerdem eine europaweite Zusammenarbeit, beispielsweise bei der Identifizierung besonders ertragreicher Standorte oder bei notwendigen Infrastrukturprojekten in der regionalen Wärmeversorgung. Dem (grünen) Wasserstoff kommt schliesslich eine entscheidende Rolle zu (siehe auch These 11).

Die 13 Thesen basieren auf Erkenntnissen aus drei Szenario-Studien, in denen Forschende der vier CINES-Kerninstitute Fraunhofer ISE, Fraunhofer IEE, Fraunhofer ISI und Fraunhofer IEG unterschiedliche Aspekte der Energiewende modelliert haben. Zu diesen Aspekten zählen die Auswirkungen von Verhaltensänderungen, die Rolle von Verfahren zur Herstellung klimaneutraler Energieträger (Power-to-Gas und Power-to-Liquid), die zunehmende Verzahnung von Strom, Wärme und Mobilität und eine nationale Wasserstoffstrategie.

»Die 13 Thesen bieten eine Grundlage für eine klare Strategie in Richtung eines klimaneutralen Energiesystems für Deutschland«, sagt Mario Ragwitz, Institutsleiter des Fraunhofer IEG und Wissenschaftlicher Direktor des Clusters CINES. »In Zeiten der Krise braucht es genau das, um Investitionssicherheit in der Energiebranche zu gewährleisten.« Hans-Martin Henning, Institutsleiter des Fraunhofer ISE und Clustersprecher ergänzt: »Unsere Studienergebnisse liefern – bei aller Ungewissheit über zukünftige Entwicklungen – robuste Erkenntnisse zu Schlüsselmerkmalen eines zukünftigen Energiesystems, mit dem eine Einhaltung der Klimaschutzziele und zugleich eine sichere Versorgung gewährleistet werden.«

• Fraunhofer-Cluster of Excellence erarbeitet 13 Thesen zur Energiewende in Deutschland [ PDF  0,19 MB ] 
   
• 13 Thesen: Wie die deutsche Energiewende gelingen kann [ PDF  2,36 MB ]  
   
  Wasserstoff-Roadmap für Deutschland

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Wie der Ausbau der Erneuerbaren gelingt

Klima und Energie gehören unweigerlich zusammen. Erneuerbare Energien in der Schweiz auszubauen ist neben einer Reduktion des Energieverbrauchs die wirksamste aller Klimaschutz-Massnahmen. Wie der Ausbau umweltverträglich gelingt und was es braucht, damit es vorwärts geht, haben ExpertInnen und PolitikerInnen aus der Schweiz und Europa an der SES-Fachtagung «Power fürs Klima» erörtert. Dabei wurde klar: Es gibt keine Ausreden mehr, die erneuerbaren Energien sind da.

Mitte Woche hat die Schweizerische Energie-Stiftung SES im Technopark Zürich die Fachtagung «Power fürs Klima - Wie der Ausbau der erneuerbaren Energien gelingt» ausgerichtet. Vor vollen – wenn auch coronabedingt lichteren – Rängen sowie über einen Live-Stream haben rund 150 Personen den Referaten und Diskussionen beigewohnt.

Klima und Energie gehören unweigerlich zusammen: Die rasch voranschreitende Klimakrise ist DIE Herausforderung des 21. Jahrhunderts. «Wir als Klimaforschende sind besorgt. Die Klimaerwärmung findet heute und jetzt statt», erklärte Klimawissenschaftlerin Sonia Seneviratne von der ETH Zürich in ihrem Referat (Bild oben - Vergrössern mit Klick). «Und das Klimaproblem ist ein Energieproblem.» Die Energieversorgung müsse deshalb in den Fokus rücken. «Wir müssen das Zeitalter der fossilen Energieträger hinter uns lassen.»

Lernen vom Ausland: «Worauf wartet die Schweiz?», fragte Energy Watch Group-Präsident Hans-Josef Fell (Bild rechts - Vergrössern mit Klick). Mit der bestehenden Wasserkraft hat die Schweiz beste Voraussetzungen, um ein Energiesystem auf rein erneuerbarer Basis zu realisieren. «100% erneuerbare Energien sind kostengünstiger als das derzeitige Energiesystem und führen zu Null-Emissionen bis 2030.» Bei den weiteren ReferentInnen kristallisierte sich mit Blick auf Europa und die Schweiz heraus, dass die zielführenden Massnahmen für die erfolgreiche Energiewende die folgenden sind:

• Es braucht ambitionierte und mit dem Klimaschutz kompatible Ausbauziele, damit es bei den Erneuerbaren vorwärts geht.
• Der Dialog «Schutz vs. Nutzen» muss dringend weitergeführt werden. Denn es macht wenig Sinn, ein Umweltproblem (Klima) aus der Welt zu schaffen und dabei ein anderes (Biodiversität) zu verschärfen.
• Die Akzeptanz der Bevölkerung ist eine weitere zentrale Voraussetzung. Diese kann durch Partizipation gestärkt werden (Bürgerenergien, Crowdfunding für erneuerbare Energienprojekte).
• Zielführende Marktmechanismen wie etwa differenzierte Investitionsanreize und Auktionen mit gleitenden Marktprämien sind nötig, damit der Ausbau der erneuerbaren Energien stattfindet.
• Die Finanzierung dieser Marktmechanismen muss sichergestellt werden, etwa über einen entsprechenden Netzzuschlag und kostendeckende Rückliefertarife.

Energiegesetz-Revision von zentraler Bedeutung: Der zentrale Hebel für eine erfolgreiche Energiewende ist die Revision des Energiegesetzes, welche nächstes Jahr ins Parlament kommt. Mit Zuversicht hat SES-Präsident Beat Jans in seinem Abschlussvotum den frischen Wind und  Gestaltungswillen in der neuen Parlaments-Zusammensetzung geschildert, wie er an der Fachtagung auch auf dem Politpodium mit Vertreterinnen der SP, CVP und FDP zu spüren war. Die Schweiz muss jetzt die nötigen Weichen stellen, bevor es zu spät ist. Denn Klimapolitik ist in erster Linie immer auch Energiepolitik.

Unterlagen zur Fachtagung
» Präsentationen (Folien) auf Website
» SES-Stellungnahme zur Revision des Energiegesetzes (EnG)

Die Videoaufzeichnungen der einzelnen Referate und Diskussionen werden ab Mitte Oktober auf dem SES YouTube-Kanal veröffentlicht.

Quelle Text: energiestiftung.ch   Bilder: Guntram Rehsche

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Start-up für nachhaltige Solarzellen-Produktion

Solarstrom ist heute die kostengünstigste Energieform weltweit, dazu hat die Forschung wichtige Beiträge geleistet und tut dies weiterhin. Ressourcen schonende Produktionstechnologie ist dabei ein wichtiger Faktor, der neben der Effizienzsteigerung eine immer bedeutendere Rolle spielt. HighLine Technology GmbH ist die jüngste Ausgründung aus dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. 

 

© Highline Technology GmbH

Paralleler Dispensdruckkopf
der Firma HighLine zur
Metallisierung
von Siliciumsolarzellen.

Das in Freiburg angesiedelte Start-up-Unternehmen hat zum Ziel, ein am Institut entwickeltes neues Verfahren zu kommerzialisieren, bei dem die Metallkontakte auf der Solarzellenvorderseite kontaktlos in einem Dispens-Verfahren aufgebracht werden. Dies spart Ressourcen, erhöht die Stromausbeute und hat zudem Kostenreduktionspotenzial. Das Verfahren ist auch auf Produktionsprozesse jenseits der Photovoltaik anwendbar.

Die Kompetenz des jungen Unternehmens HighLine Technology resultiert aus gut zehn Jahren Forschungsarbeit an Dispens-Verfahren für die Metallisierung von Siliciumsolarzellen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. In diesem Zeitraum wurde ein Multi-Düsen Dispens-Druckkopf entwickelt und zugleich viel Know-how zu Druckpasten und -prozessen gewonnen. Die Dispens-Technologie kann problemlos in herkömmliche Produktionslinien für Siliciumsolarzellen integriert werden und dort den für das Aufbringen der Vorderseiten-Metallkontakte üblichen Siebdruck ersetzen. Der Materialverbrauch von kostenintensivem Silber wird um ca. 20% reduziert, die Kontakte werden dünner und mehr Halbleiterfläche steht dem Sonnenlicht zur Verfügung, was eine Erhöhung der Stromausbeute und somit des Wirkungsgrads um ca. 1% relativ zur Folge hat. Das berührungslose Verfahren verspricht bei der Verwendung dünnerer Siliciumwafer eine geringere Ausschussrate. Zudem ermöglicht das Inline-taugliche Druckverfahren perspektivisch eine deutliche Durchsatzsteigerung gegenüber dem industrieüblichen Siebdruckverfahren. Auch andere Produktionsschritte in der Solarzellenfertigung lassen sich mit dem neuen Verfahren optimieren.

Nachhaltige Solarzellenproduktion – aber nicht nur: »Unser Hauptfokus liegt aktuell auf der Reduktion des Materialverbrauchs in der Photovoltaik-Industrie«, sagt Dr. Maximilian Pospischil, Geschäftsführer und einer der HighLine Technology Gründer und ergänzt: »Wir wollen die am Fraunhofer ISE entwickelte hocheffiziente parallele Dispens-Technologie in den Markt bringen. Dabei arbeiten wir weiterhin eng mit dem Fraunhofer ISE PV-TEC zusammen. Unsere Dispens-Technologie ist allerdings über die PV-Branche hinaus auch für andere industrielle Produktionsverfahren interessant. Dabei begleiten wir die Firmen vom Anlagenbau über die Prozessintegration bis hin zur Anwendung«.

Drucken wie mit der Zahnpastatube: Bei der Dispens-Technologie werden die Materialien in einem kontaktlosen Druckverfahren durch feinste Öffnungen eines hochparallelen Druckkopfs auf die Solarzellenoberfläche gedrückt, ähnlich wie Zahnpasta durch die Tubenöffnung. Allerdings verwenden die PV-Produktionsentwickler Düsendurchmesser, die nur halb so dick sind wie ein  menschliches Haar (ca. 20 µm), wobei viele Düsen parallel arbeiten, um die gewünschten Strukturen unter hohem Durchsatz zu fertigen.

HighLine Technology GmbH erhielt Fördermittel aus dem EXIST-Forschungstransfer des Bundeswirtschaftsministeriums BMWi und ist u.a. auch durch die Fraunhofer Technologie-Transferfond Fonds GmbH – FTTF – finanziert.  

Fraunhofer zeichnet sich nicht nur durch industrienahe Forschung aus, sondern auch  durch den Technologietransfer in Form von Ausgründungen. So sind aus dem Fraunhofer ISE bislang mehr als ein Dutzend Firmen hervorgegangen, die am Institut entwickelte Technologien und Methoden in den Markt bringen.

 Quelle: ise.fraunhofer.de

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Berner Schüler*innen installieren Solaranlage

Im Rahmen einer Solarprojektwoche erlebten Achtklässlerinnen und Achtklässler der Volksschule Munzinger hautnah, wie Photovoltaikanlagen montiert werden. Die Jugendlichen packten gleich selber mit an. In praktischen Workshops setzten sie sich zudem mit weiteren Aspekten zum Thema Sonnenenergie auseinander.

Solarpanels auf dem Schulhausdach anbringen, eine solarbetriebenen Lampe löten und kleine Solarautos kreieren – rund 40 Schülerinnen und Schüler aus Bern kamen vor den Herbstferien in den Genuss einer Projektwoche rund um das Thema Solarenergie. Das Projekt Jugendsolar verschafft Jugendlichen die Möglichkeit, selbst einen Beitrag zur Energiewende zu leisten und sich Wissen über die Solarenergie anzueignen. Dabei wird die Energiezukunft lösungsorientiert diskutiert und lokal und praktisch angegangen.

Im Zentrum der Projektwoche stand der Bau einer kommerziellen Solaranlage, welche von den Oberstufenschülerinnen und -schülern der Volksschule Munzinger unter Anleitung und Aufsicht von Fachleuten errichtet wurde. Die Gesamtfläche der PV-Anlagen beträgt rund 600 Quadratmeter, was ungefähr drei Tennisfeldern entspricht. Gebaut wurde auf den Dächern der beiden Pavillonbauten der Volksschule Marzili.

Die Jugendlichen erhielten durch die Projektwoche einen praxisnahen Einblick in eine Branche, die immer wichtiger wird. In Workshops erlebten sie Ansätze, wie die Energiewende konkret umgesetzt werden kann und konnten sich für nachhaltige Entwicklung sowie hochaktuelle umweltpolitische Themen sensibilisieren. Die Gruppenarbeiten beinhalteten einen Solarparcours mit solarem Kochen, das Erfassen des Solarpotentials, Inputs zu Energiesparen und Energieeffizienz sowie das Diskutieren in der Energiearena.

Instruktionen vom Solarexperten: Die Teilnehmenden der Solarprojektwoche hören aufmerksam zu, wie die Solarpanels montiert werden.

Dabei stiess die ganze Woche bei den Teilnehmenden auf reges Interesse, resümiert Vesna Bechstein, eine der Lehrpersonen der beiden Klassen. Besonders ausserschulische und praxisnahe Lernorte kommen bei den Jugendlichen stets gut an. Denn: „Die Themen Treibhauseffekt und Klimawandel haben wir im Unterricht intensiv behandelt. Wir wollen aber nicht nur davon sprechen, sondern auch etwas Praktisches dagegen tun“, erklärt die Lehrerin und fügt lobend an: „Die Schülerinnen und Schüler sind sensibilisiert, sie fragen nach und sind sehr kritisch.“

Zum Abschluss der Projektwoche fanden für Eltern, Schulbehörden und die Lehrerschaft eine Informationsveranstaltung und die Einweihung der Anlage statt. Dadurch wird auch das Umfeld der Jugendlichen für Solarenergie sensibilisiert und das Potential der Sonne in der Bevölkerung bekannt gemacht. Weil der Erfolg dieser Umwelttechnik unmittelbar sichtbar ist, begeistern solche Bildungsprojekte Menschen jeden Alters.

Auf die Beine gestellt wurde die Solarprojekte von der Organisation “Youth on the Roof”. Solafrica nahm daran teil, um von der langjährigen Erfahrung von Retze Koen, ehemaliger Projektleiter von Jugendsolar by Greenpeace, profitieren zu können.

Quelle: Solafrica

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Höherer Wirkungsgrad bei organischer PV

Die Forschung im Bereich der Organischen Photovoltaik (PV)  arbeitet mit Nachdruck daran, die Wirkungsgrade weiter zu erhöhen. Neue Materialien aus der synthetischen organischen Chemie haben in den letzten Jahren deutliche Steigerungen des Wirkungsgrads ermöglicht. Eine der Herausforderungen ist dabei, die oftmals auf sehr kleinen Laborzellen erzielten Werte auf größere Flächen zu übertragen. Das Fraunhofer ISE verzeichnet jetzt zusammen mit dem Freiburger Materialforschungszentrum FMF der Universität Freiburg mit 14,9% einen Rekordwert für organische Solarzellen mit mindestens 1 cm2 Fläche – ein wichtiger Schritt für die Weiterentwicklung dieser kostengünstigen Technologie hin zu einer breiten Anwendungsreife.

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE arbeitet seit vielen Jahren in enger Kooperation mit dem Materialforschungszentrum FMF der Universität Freiburg an organischen Solarzellen und -modulen. Das Ziel ist, zusammen mit Partnern aus der Industrie diese Technologie weiterzuentwickeln und kostengünstig verfügbar zu machen. Deshalb liegt ein Fokus der Forschungsarbeiten darauf, kostengünstige und umweltfreundliche Materialien einzusetzen und ebensolche Prozesse für die Aufskalierung mittels Rolle-zu-Rolle Verfahren zu entwickeln, um dann Solarmodule quasi wie Folien zu produzieren.

Die organische Photovoltaik kann aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften zahlreiche neue Anwendungsfelder erschließen. Organische Solarzellen können ohne Verwendung von Schwermetallen und anderen kritischen Elementen hergestellt werden, haben ein geringes Gewicht, sind mechanisch flexibel, lassen sich sehr gut integrieren, und sie haben auch bei semitransparenter Bauart ein homogenes Erscheinungsbild. Durch Auswahl organischer Halbleiter, die ausschließlich infrarotes Licht absorbieren, können transparente Solarzellen für Fenster und Agrarschutzfolien oder Gewächshausgläser entwickelt werden, die verschiedene Nutzen wie Schutz gegen Unwetter und Überhitzung mit einer relevanten Stromerzeugung verbinden können. Da organische Solarmodule mit sehr geringem Einsatz an Material und Energie hergestellt werden können, haben sie ein sehr hohes CO2-Einsparpotenzial, das durch diese synergetische Nutzung nochmals gesteigert wird. Somit kann die Technologie sowohl einen Beitrag zur Vermeidung als auch zur Anpassung an den Klimawandel leisten, indem sie aufwändige Schutzanlagen in der Landwirtschaft über den Stromertrag refinanziert. Bis zur Produktreife gilt es allerdings noch einige wichtige Entwicklungsschritte erfolgreich zu bestreiten.

Neue Materialien liefern mehr Strom: Im Gegensatz zu anorganischen Solarzellen wie beispielsweise aus kristallinem Silicium besteht die Absorberschicht organischer Solarzellen nicht aus einem Material, sondern aus einem sogenannten Donor/Akzeptor Materialgemisch. Dies ist notwendig, da die Ausbeute an freien Ladungsträgerpaaren sonst zu gering wäre. Nach der Absorption von Photonen kommt es sehr schnell zu einem Ladungsträgertransfer an der Grenzfläche der beiden Materialien. In der Vergangenheit wurden als Akzeptor zumeist Fullerene, also C60-Derivate verwendet. Dabei kam es beim Ladungstransfer in der Regel zu einem erheblichen Energieverlust, der die Spannung der Solarzelle entsprechend reduzierte. Zudem absorbieren Fullerene nur sehr wenig Sonnenlicht, weshalb der Strom hauptsächlich durch die Donorkomponente generiert wurde. Da organische Halbleiter meist nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich absorbieren, konnte dadurch das Sonnenspektrum nicht gut genug ausgenutzt werden. 

 

Diese beiden Limitierungen konnten durch Materialinnovationen überwunden werden. Inzwischen werden als Akzeptor Moleküle verwendet, die den Donormaterialien deutlich ähnlicher sind und deren optische und elektrische Eigenschaften durch Modifikation der chemischen Struktur besser angepasst werden können. Dadurch, dass die neuen Akzeptoren nun selbst starke Absorber sind, konnte der Strom der Solarzellen erheblich gesteigert werden. Parallel dazu wurden die energetischen Niveaus von Donor und Akzeptor besser aneinander angepasst, so dass zugleich die Spannung erhöht wurde. So konnten weltweit inzwischen mit einer ganzen Reihe unterschiedlicher Absorbermaterialien vielversprechende Wirkungsgrade erzielt werden.

Wirkungsgradsteigerung auf größerer Zellfläche: Allerdings geschieht das im Allgemeinen auf sehr kleinen Zellflächen von oft nur einigen Quadratmillimetern. Aus diesem Grund haben die Forscher*innen am Fraunhofer ISE bereits vor einiger Zeit ein Zell-Layout entworfen, welches den photogenerierten Strom sehr effizient von der aktiven Zellfläche ableitet. »Als wir nun hohe Wirkungsgrade mit einem kommerziellen Absorbermaterial auf kleinen Laborzellen erreichten, wollten wir wissen, ob sich das auch auf der größeren Fläche von 1,1 cm2 realisieren lässt. Die Ergebnisse stellten uns sehr zufrieden, da wir keinerlei Einbußen zu verzeichnen hatten«, sagt Dr. Birger Zimmermann, Teamleiter für Produktionstechnologie Organischer Solarzellen am Fraunhofer ISE. Die zertifizierte Messung im CalLab PV Cells des Fraunhofer ISE ergab dann den Wert von 14,9%. »Dies ist ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung«, ergänzt Dr. Uli Würfel, Abteilungsleiter Organische und Perowskit-Photovoltaik am Fraunhofer ISE und Gruppenleiter am FMF der Uni Freiburg, »und wir haben darüber hinaus noch ein paar Ideen, wie sich der Wirkungsgrad weiter steigern lässt. Die nächsten Wochen und Monate werden also sehr spannend.«

Dabei verlieren die Freiburger Forscher*innen nicht aus dem Blick, dass das übergreifende Ziel das Rolle-zu-Rolle prozessierte Modul ist, bei dem noch weitere Randbedingungen erfüllt werden müssen. Nachdem zunächst auf kleiner Fläche in Laborprozessen das Potenzial der neuartigen organischen Absorbermaterialien gezeigt werden konnte, müssen anschließend Wege gefunden werden, wie sich dieses Potenzial möglichst vollständig in großflächige, leistungsfähige Module umsetzen lässt. »Gemeinsam mit Industriepartnern werden wir die Organische Photovoltaik weiter zur Marktreife führen« sagt Institutsleiter Prof. Dr. Andreas Bett. »Diese Technologie, mit ihren flexiblen Anwendungsmöglichkeiten ist langfristig ein wichtiger Baustein für den dringend notwendigen Ausbau der Photovoltaik als wichtigstem Pfeiler der Energiegewinnung in einem nachhaltigen System.« Die Arbeiten wurden im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projekts »H2OPV – Organische Photovoltaik zur Abdeckung von Wasserreservoiren« durchgeführt.

Quelle: ISE Fraunhofer

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