Der Weg von Swiss Solar: mit neuen Technologien in die Zukunft
20/10/2021
Die jährlichen Ausgaben für die Solarenergieforschung belaufen sich weltweit auf mehrere Milliarden Dollar. Ihr Anteil an den Gesamtinvestitionen in die Solarenergie, die sich allein im vergangenen Jahrzehnt 2010-2019 auf 1,3 Billionen USD beliefen, ist erheblich. Wie fast ein halbes Jahrhundert Geschichte zeigt, sind es die neuesten Entdeckungen, Entwicklungen und Technologien, denen die PV-Industrie ihre Entstehung und rasante Entwicklung verdankt.
Heute leisten Hunderte von Organisationen, Unternehmen und Tausende von Forschern auf der ganzen Welt einen Beitrag zur Forschung und Entwicklung im Bereich der Solartechnik. Dazu gehören die größten nationalen und internationalen Organisationen – National Renewable Energy Laboratory (NREL), Chinesische Akademie der Wissenschaften, Forschungsinstitute – Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE), Helmholtz-Zentrum Berlin, private Unternehmen – Oxford PV (Großbritannien), Microquanta Semiconductor (China), Solaronix SA (Schweiz).
Seit ihrer Gründung hat die Swiss Solar AG ihre Entwicklungsstrategie auf den Einsatz innovativer Technologien ausgerichtet. In der letzten 2 Jahren wurden über 40 Millionen CHF in die Entwicklung neuer hocheffizienter Solarmodule investiert. Neben den Investitionen in die eigene Entwicklung verfolgt das Unternehmen regelmäßig die wissenschaftliche Forschung und die Fortschritte bei der Entwicklung neuer Produkte, Technologien und Ideen für die Solarenergiebranche. Dies ermöglicht es der Unternehmensleitung, die Entwicklungsrichtung selbst zu bestimmen, und den Fachleuten, neue, effizientere Solarmodultypen für ihre Kunden zu entwickeln.
In diesem Beitrag gehen wir der Frage nach, welche Stoffe, Technologien und originellen technischen Lösungen unserer Meinung nach das größte Potenzial haben, den Markt für PV-Anlagen im nächsten Jahrzehnt maßgeblich zu beeinflussen.
Baustoffe
Man kann mit Sicherheit sagen, dass die gesamte Geschichte der PV-Industrie seit der Entwicklung der ersten PV-Zellen eine Geschichte der Suche, Erforschung und Synthese von Materialien ist, die ihre Leistung maximieren. Und da dieses Ziel noch nicht erreicht wurde, geht die Suche weiter.
Von allen in den letzten zehn Jahren entwickelten Bauelemente für Solarzellen ist die Gruppe der Perowskite die vielversprechendste, was kommerzielle Anwendungen anbelangt.
Perowskite
Perowskit, das seit Mitte des 19. Jahrhunderts als Quelle für Titan, Niob und einige andere Elemente bekannt ist, wurde erst in den letzten Jahrzehnten einem breiten Publikum bekannt. Die Untersuchung seiner Kristallgitterstruktur ermöglichte es den Wissenschaftlern, eine Reihe von Verbindungen (Oxide, Halogenide usw.) mit einer vergleichbaren oder abgeleiteten Struktur zu erhalten, die den gemeinsamen Namen Perowskite erhielten. Wie sich herausstellte, lassen sich durch bestimmte Veränderungen der Kristallstruktur während der Synthese Halbleitermaterialien gewinnen, die für die Herstellung von Solarzellen verwendet werden können.
Forschungen und zahlreiche Experimente haben den hohen Wirkungsgrad von Solarmodulen gezeigt, die auf Zellen aus synthetisch hergestellten Perowskitkristallen basieren. Von anderen neuen Solarmaterialien (organische PV-Zellen, Farbstoffsolarzellen) heben sie sich durch ihre hohe Fähigkeit zur Absorption von Sonnenenergie ab.
Ein wichtiger Vorteil von Perowskit-Solarzellen ist das breite Spektrum der Sonnenenergieabsorption. Durch Veränderung der chemischen Struktur von Perowskiten (Austausch von Atomen im Kristallgitter) entstehen Stoffe, die für einen bestimmten Teil des Spektrums empfindlicher sind, was den Wirkungsgrad von PV-Zellen deutlich erhöht. Um die Bedeutung dieser Tatsache zu veranschaulichen, sei gesagt, dass herkömmliche Siliziumzellen nur einen kleinen Teil des roten Spektrums in Strom umwandeln, der Rest der Strahlung bleibt ungenutzt.
Die heutigen Produktionstechniken ermöglichen es, Perowskite in Form von Lösungen herzustellen und sie mit Hilfe von folgenden Techniken in sehr dünnen Schichten aufzutragen:
- Trocknen der Lösung;
- Zentrifugation;
Die resultierenden Baustoffe verfügen über eine polykristalline Struktur und sind im Gegensatz zu Zellen aus monokristallinem Silizium auch bei einer großen Anzahl von Defekten in der Kristallstruktur unkritisch.
Dies senkt die Herstellungskosten, ermöglicht die Materialbeschichtung auf Oberflächen von nahezu jeder geometrischen Form und vereinfacht die Herstellung flexibler PV-Zellen. Die niedrigen Produktionskosten (im Vergleich zu Silizium-PV-Zellen) sind auch auf die geringere Energieintensität der Prozesse, den fehlenden Bedarf an hochreinen Produktionsanlagen und die Verwendung von Vakuumkammern zurückzuführen.
Gleichzeitig bleibt die Stabilität der aus diesen Komponenten hergestellten Zellen trotz erheblicher Fortschritte bei der Effizienz (Perowskit-PV-Zellen erreichten 2019 bereits 25,2%) eine große Herausforderung. Die einfache Herstellung wurde bisher durch die geringe Beständigkeit gegenüber Sauerstoff und Feuchtigkeit zunichte gemacht. Die wenigen Zehntausend Stunden stabilen Betriebs, die bisher erreicht wurden, deuten darauf hin, dass sie noch einen langen Weg vor sich haben, bis sie eine Lebensdauer von 25-30 Jahren (wie Siliziumzellen) erreichen.
Die Suche geht weiter, und die vorhandenen Lösungen bieten die Gewissheit, dass sie bald erreicht werden. In Australien beispielsweise haben Wissenschaftler bereits eine dramatische Verbesserung der Widerstandsfähigkeit erreicht, indem sie eine kostengünstige Polymerglasbeschichtung als Schutz verwendeten. Die von ihnen bereitgestellten Muster wurden gemäß der Norm IEC 61215:2016 getestet und halten 75 Tage lang Heiz- und 75 Gefrierzyklen stand (bei Temperaturen von -40 bis +85 und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85%). [1]
Bislang haben Perowskite erst ihre ersten Schritte auf dem Markt gemacht, und die Aussichten für ihre kommerzielle Nutzung sind noch weit von Silizium-PV-Zellen entfernt. In dem Maße, wie die Investitionen in Forschung, Produktionskapazität und Stabilität zunehmen, wird ihr Marktanteil jedoch stetig wachsen.
Technologie
Die Entwicklung neuer Technologien für die Herstellung von PV-Zellen ist eine weitere Richtung bei der Suche nach Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz von Solarzellen. Heute führen Wissenschaftler Forschungen und Experimente in verschiedenen Richtungen durch. Die vielversprechendsten davon laut Swiss Solar Experten sind folgende Technologien:
- tandem-Solarzellen;
- kolloidale Quantenpunkte.
Schauen wir uns die grundlegenden Unterschiede sowie die Vor- und Nachteile der einzelnen Optionen einmal genauer an.
Tandem-Solarzellen (Mehrfachsolarzelle)
Der wichtigste Faktor, der die Forschung anregte und schließlich zur Entwicklung von Zellen dieses Typs führte, war die Entdeckung der Wirkungsgradgrenze von Einfach-Solarzellen durch William Shockley und Hans-Joachim Queisser im Jahr 1961. Die von den Wissenschaftlern durchgeführten Berechnungen zeigten, dass die Existenz dieser Grenze auf die mangelnde physikalische Fähigkeit von Solarzellen dieses Typs zurückzuführen ist, das gesamte Spektrum der Sonnenstrahlung effektiv zu absorbieren. So konnte die Richtung der Forschung als Suche nach Möglichkeiten zur Erweiterung des Absorptionsspektrums von Solarzellen definiert werden.
Die Lösung basiert auf einem Kaskadeneffekt, der auftritt, wenn Licht durch zwei oder mehr sich überlagernde Schichten photovoltaischer Materialien fällt. Dabei wandelt jede Schicht eine bestimmte Wellenlänge des Lichts in Strom um und nutzt so die Sonneneinstrahlung besser aus.
Derzeit gibt es eine ausreichend große Zahl von PV-Technologien, die intensiv weiterentwickelt werden, um Solarzellen mit mehreren Übergängen herzustellen. Nach der von der Internationalen Agentur für erneuerbare Energien (IRENA) [2] vorgeschlagenen Klassifizierung können sie nach der Art der verwendeten Materialien eingeteilt werden:
Organische
Sie werden aus leitfähigen organischen Polymeren hergestellt. Ihre Vorteile sind:
- hoher optischer Absorptionskoeffizient;
- relative Transparenz;
- Möglichkeit der Einstellung der Bandlückenbreite;
- niedrige Herstellungskosten.
Der maximale Wirkungsgrad beträgt jedoch 10-15%.
Anorganische
Hergestellt werden sie aus Materialien der Gruppen III bis V des Periodensystems (Ga, In, As, P). Sie sind gekennzeichnet durch:
- Hohen Umwandlungswirkungsgrad;
- Möglichkeit der Abstimmung der Bandlückenbreite;
- geringeren Wirkungsgradverlust beim Erhitzen (im Vergleich zu Si).
Durch die Kombination dieser Eigenschaften konnten bereits Zellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 44,4% für Zellen mit drei Übergängen (GaInP / InGaAs / InGaAs) und 46 %für Zellen mit vier Übergängen (GaInP / GaAs / GaInAsP / GaInAsAs) erzielt werden.
Ein erheblicher Nachteil dieser Zellen sind die sehr hohen Produktionskosten, die trotz des hohen Wirkungsgrades vorerst ihre Anwendung für Raumfahrtprogramme einschränken.
Hybride
Dies ist der vielversprechendste Zelltyp für die kommerzielle Nutzung.
Die mit dieser Technologie hergestellten Zellen bestehen aus Schichten verschiedener Materialien, die mehrere p-n-Übergänge bilden. Die ideale Solarzelle sollte theoretisch Hunderte von verschiedenen Schichten (p-n-Übergängen) haben, die jeweils auf einen kleinen Bereich von Lichtwellenlängen im Spektrum von Ultraviolett bis Infrarot abgestimmt sind.
Der Bau von Tandems auf der Grundlage der heute in der PV-Industrie gebräuchlichsten Siliziumzellen ermöglicht nicht nur die Überwindung der bereits erwähnten Shockley- Queisser -Grenze, sondern auch effizientere und kostengünstigere PV-Solarzellen.
Durch das Aufbringen einer lichtdurchlässigen Perowskit-Schicht auf die Oberfläche von Siliziumzellen kann also ein Kaskadeneffekt erzielt werden. Abgestimmt auf die Absorption von Lichtwellen einer bestimmten Wellenlänge, lässt das Perowskit den Rest der Strahlung durch und macht sie für die Absorption durch die Siliziumschicht verfügbar. Dadurch können die Tandemzellen die Sonnenstrahlung effizienter nutzen und eine höhere Leistung erzielen.
Die Forscher sind der Ansicht, dass eine solche Lösung es in Zukunft ermöglichen wird, die technologischen Vorteile von Perowskiten mit der fortschrittlichen Fertigungsinfrastruktur von Siliziumzellen zu kombinieren. Oxford-Forscher Henry Snaith ist zuversichtlich, dass sich Tandem-Silizium- und Perowskit-Zellen innerhalb der nächsten 10 Jahre kommerziell durchsetzen werden. [3]
Andererseits sind die Mehrschicht-Solarzellen trotz ihrer großen Vorteile noch nicht ohne Beeinträchtigungen. Die wichtigsten davon sind:
- das Problem der Kompatibilität der Schichten – jede Schicht, beginnend mit der obersten, muss Licht ihrer eigenen Wellenlänge absorbieren und darf den Durchgang anderer Wellen zu den unteren Schichten nicht verhindern, und auch die elektrische Anpassung ist für eine maximale Leistung erforderlich, da die Betriebsspannungen und -ströme der Schichten unterschiedlich sein können;
- Fehlende Herstellungstechnologie – die Materialien der Schichten müssen so kombiniert werden, dass jede nachfolgende Schicht die Struktur der vorherigen nicht stört;
- Langlebigkeit – um ein hochwertiges Mehrschichtelement zu schaffen, müssen alle Schichten die gleiche Lebensdauer haben;
- Kosteneffizienz in der Massenproduktion – neben dem erhöhten Wirkungsgrad sollten Tandemzellen im Preiswettbewerb mit den heute gängigen Siliziumzellen erfolgreich bestehen.
Kolloidale Quantenpunkte
Quantenpunkte (QDs) sind Halbleiter-Nanokristalle (unter 10nm) mit elektronischen und optischen Eigenschaften, die sich deutlich von denen massiver Halbleiter unterscheiden. Denn wenn der Kristall so klein ist, dass er einer de Broglie-Wellenlänge entspricht, haben die Prozesse, die bei der Absorption von Licht in ihm ablaufen, Quantencharakter. Folgende einzigartige Eigenschaften von Quantenpunkten erklären das große Interesse an ihrem Einsatz in der Solarenergie:
- die Möglichkeit, das Absorptionsspektrum durch Auswahl der Größe der Nanokristalle anzupassen;
- Fähigkeit, Licht sowohl im sichtbaren Bereich des Spektrums als auch im nahen Infrarotbereich zu absorbieren;
- hohe Extinktionskoeffizienten (ein Maß für die Effizienz der Lichtabsorption bei einer bestimmten Wellenlänge);
Die ersten PV-Zellen auf der Basis von Quantenpunkten aus dem Jahr 1998 hatten einen geringen Wirkungsgrad (etwa 1%) [4], und die damals entwickelte Präzisionsmethode zu ihrer Herstellung – Molekularstrahlepitaxie – war sehr teuer. Durch aktive Forschung und Experimente auf diesem Gebiet (allein in den letzten 10 Jahren wurden mehr als 50.000 Arbeiten veröffentlicht) wurden jedoch erhebliche Fortschritte erzielt.
Bereits 2017 war der PV-Wirkungsgrad von QDs auf 13,4% gestiegen, und die Entwicklung der kolloidalen Hochtemperatursynthese [5] ermöglichte es nicht nur, neue kolloidale Quantenpunkte (CQDs) zu erzeugen, sondern auch die Technologie ihrer Synthese einfach und kostengünstig zu gestalten.
Aufgrund des einfachen chemischen Herstellungsverfahrens und der unerheblichen Dicke der Beschichtung können Quantenpunkte auch als oberste transparente Schicht in Hybrid-Solarzellen verwendet werden, und die Tandembildung mit Silizium-Solarzellen könnte sich positiv auf deren Leistung und Kosten auswirken.
Swiss Solar bewertet die Forschung und Entwicklung in folgenden Bereichen derzeit als am vielversprechendsten:
- Quantenpunkte aus Bleichalcogenid (PbX, X=S, Se);
- Kohlenstoff-Quantenpunkte;
- Blei-Halogenid-Perowskit-Quantenpunkte (Perowskit-Nanokristalle).
Sie zeichnen sich alle durch hervorragende optoelektronische Eigenschaften, Energieumwandlungseffizienz, Stabilität und eine einfache und kostengünstige Synthesetechnologie aus.
Konzentrierende Fotovoltaik
Unter den technischen Lösungen zur deutlichen Steigerung der Solarzellenleistung stechen die Systeme und Anwendungen der konzentrierenden Photovoltaik (CPV) hervor, die derzeit die besten Ergebnisse bei der Umwandlung von Solarenergie erzielen. Die Idee, konzentriertes Sonnenlicht durch optische Linsen zu nutzen, um die Leistung von Solarzellen zu erhöhen, entstand und wurde bereits zu Zeiten umgesetzt, als die Kosten für Solarzellen noch hoch waren und die Entwickler vor der Herausforderung standen, aus einer Zelle mit minimaler Größe eine maximale Leistung zu erzielen.
Die konzentrierende Photovoltaik (CPV) wurde an mehreren Fronten weiterentwickelt und verbessert:
- die Verwendung von Solartrackern;
- die Suche nach leichteren und haltbareren Materialien für die Linsen;
- Verwendung eines Kühlsystems;
- Ersetzen von Siliziumzellen durch effizientere Zellen mit Mehrfachübergängen.
Insolight-Technologie
Einer der jüngsten Fortschritte bei CPV-Anwendungen ist die Entwicklung des Schweizer Unternehmens Insolight, die bereits als neue Generation der hochkonzentrierten Photovoltaik (HCPV) eingestuft werden kann. Die von dem Team junger Wissenschaftler vorgestellte Lösung unterscheidet sich grundlegend von den bestehenden Konzentrationsmodulen, bei denen es sich um großflächige Strukturen aus Linsen, Spiegeln und elektrischen Antrieben handelt, die ihre Position abhängig von der Sonne verändern. Sechseckige Linsen, die sich direkt im Schutzglas des innovativen Moduls befinden, lösen zwei Aufgaben gleichzeitig: Sie bündeln den Lichtstrom und überwachen Veränderungen des Sonnenstandes.
Die von dem Unternehmen entwickelte lichtdurchlässige Version des Moduls lässt genügend Licht für das Wachstum von Pflanzen durch, sodass sie für die Verkleidung von Gewächshäusern verwendet werden können und die Möglichkeit eröffnen, Solarkraftwerke auf landwirtschaftlichen Flächen zu installieren, ohne diese aus der Nutzung zu nehmen. Sowohl Investoren als auch Landwirte werden von dieser Anwendung profitieren – erstere, weil sie beim Kauf von Land sparen, letztere, weil sie weiterhin landwirtschaftliche Produkte anbauen können.
Schlussfolgerung
Wir schließen mit einer vergleichenden Bewertung des „Durchbruchspotenzials“ für den Markteintritt von PV-Materialien, -Technologien und -Lösungen, die wir bereits in Betracht gezogen haben, sowie derjenigen, die nicht Gegenstand dieses Artikels sind (Tab. 1). Wie wir sehen können, stimmen diese Schätzungen gut mit der von uns getroffenen Wahl überein.
Tab. 1 In die engere Wahl gekommene neue PV-Technologien und ihr Potenzial [6]
Es sei auch darauf hingewiesen, dass dieser kurze Überblick keinesfalls umfassend sein soll und keine hundertprozentige Garantie dafür bietet, dass die Prognosen eintreffen werden. Es reicht jedoch aus, um festzustellen, dass die Zeit der Dominanz von Silizium-Solarmodulen auf dem PV-Markt zu Ende geht.
References
[3] https://www.nbcnews.com/science/environment/solar-panels-are-reaching-limit-crystals-change-rcna545
[4] Zaban A. et al. Photosensitization of Nanoporous TiO2Electrodes with.pdf. 1998. Vol. 7463, № 11. P. 3153–3156.
[5] C.B.Murray, D.J.Norris, M.G.Bawendi. J. Am. Chem. Soc., 115, 8706 (1993)