Photovoltaik

Technologisch stehen bei der Photovoltaik weiterhin Zellen auf Basis kristallinen Siliziums als Halbleiter im Vordergrund. Der aktuelle Standard hierbei heißt PERC, kurz für „Passivated Emitter and Rear Contact“. Dabei werden Vorder- und Rückseite der Zellen besser vergütet als bei dem vorher üblichen Standardzellkonzept, die Lichtausbeute im langwelligen Bereich ist erhöht. Weiterentwicklungen dieser Technologie sind bereits in Sicht, in Form passivierter selektiver Kontakte. Diese lassen nur eine Art Ladungsträger passieren und verhindern dadurch, dass freie positive und negative Ladungsträger miteinander rekombinieren und damit nicht mehr als Strom entnommen werden können. Die industrielle Ertüchtigung neuartiger Zellkonzepte ist ein zentraler Bestandteil von Forschung und Entwicklung. Die Anlagenbauer setzen zudem verstärkt auf innovative Fertigungsverfahren im Sinne von Industrie 4.0, um die Investitionskosten für mögliche Kunden herabzusetzen. Im Bereich der Dünnschichttechnologien werden ebenfalls Erfolge gemeldet: Auf der Konferenz PVSEC 2017 präsentierten verschiedene Hersteller Verbesserungen der Wirkungsgrade ihrer CIGS-Module. Bei CIGS-Zellen besteht der Halbleiter statt aus Silizium aus den Elementen Kupfer, Indium, Gallium und Selen. Neben einer kostengünstigen Herstellung ist der Vorteil von allen Dünnschichttechnologien insbesondere die gute Integrierbarkeit in Gebäudefassaden.

Förderschwerpunkte und wissenschaftliche Fortschritte

Um die Vorteile zu sichern, die Deutschland vorweisen kann – eine hohe Qualität der Produkte sowie technisch fortschrittliche und innovative Produktionsverfahren – fördert das BMWi Forschungsprojekte im Bereich Photovoltaik. Ein Hauptziel besteht nach wie vor darin, bei steigender Qualität Kosten zu senken. Forschungsprojekte sollen dazu beitragen, den Material- und Energieverbrauch zu senken, effektivere Herstellungsprozesse zu etablieren und den Wirkungsgrad der Zellen zu erhöhen, um Hochleistungsmodule und eine effiziente Systemtechnik bereitzustellen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) haben zum Beispiel im Frühjahr 2017 mit einem Wirkungsgrad von 21,9 Prozent einen neuen Weltrekord für Solarzellen aus multikristallinen Silizium erreicht, dem meistverwendeten Silizium für Photovoltaik. Das Projekt multiTOP, innerhalb dessen der Rekord erreicht wurde, wird vom BMWi gefördert. Solche Erfolge aus der Forschung werden durch Fortschritte aus der Praxis flankiert. So konnte etwa das Unternehmen Heckert Solar GmbH, führender PV-Hersteller aus Sachsen, die Leistung seiner Module steigern, indem es deren Größe um wenige Millimeter in Länge und Breite angepasst hat. Diese optimalen Maße waren das Ergebnis von Simulationsrechnungen, die ein Forscherteam innerhalb des BMWi-Förderprojekts CTM100 weiterentwickelt hat. In diesem Projekt von Fraunhofer ISE, Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP und zwölf deutschen Industriepartnern, wird nicht die Zelle, sondern das Modul als solches optimiert.

Eine hohe Qualität der Module ist darüber hinaus von besonderem Interesse mit Blick auf den steigenden Anteil der Solarenergie in den Stromnetzen. Eine zuverlässige Einschätzung der Modul- und Systemleistung ist hierbei unerlässlich. Auf das System Photovoltaik-Anlage bezogen spielt zudem der Wechselrichter als Komponente eine wichtige Rolle. Innerhalb des Projekts ModulWR_4 arbeiten die Projektpartner an einer neuen Generation von Wechselrichtern für Solarmodule. Diese sollen zukünftig direkt in das Modul integriert werden, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert und die Systemkosten reduziert werden sollen. Der neue Wechselrichter soll so flach sein, dass er auf der Rückseite des Moduls mit einlaminiert werden kann. Hierzu wird der ganze Aufbau neu überdacht.

Um Stromnetze zu entlasten, liegt zudem der lokale Verbrauch des ebenfalls lokal erzeugten Stroms im Blick von Forschung und Entwicklung. Wird dieser optimiert, können Netzausbau oder Speicher eingespart werden, was wiederum die Gesamtkosten senkt.

Im Rahmen der BMBF-Förderbekanntmachung „Materialforschung für die Energiewende“ wurde für den Bereich der Perowskit-Solarzellen eine auch international konkurrenzfähige Expertise aufgebaut. Über diese BMBF-Förderung gelang es, Anschluss an die Weltspitze der Perowskit-Forschung herzustellen. Im Projekt CISOVSKIT liegt der Fokus auf der Entwicklung von Perowskit-Materialien für dünnschichtbasierte Solarzell-Typen. Zwei Solarzellen auf CIGS- und Perowskit-Basis werden in einer Tandemkonfiguration miteinander verknüpft. Der Wirkungsgrad der so entwickelten Hybrid-Solarzelle soll den summierten Wirkungsgrad der Einfachzellen deutlich übertreffen und könnte so die Photovoltaik in Zukunft revolutionieren. Drei weitere Projekte im Bereich Photovoltaik ergänzen die Förderung. Sie verfolgen die Entwicklung neuartiger Elektrodenmaterialien für Siliziumsolarzellen, entwickeln effiziente Mehrfachsolarzellen auf Basis von III/V-Halbleitern und untersuchen Absorberschichten für den Einsatz in umweltverträglichen Dünnschichtsolarzellen.

Die organische Elektronik ist eine Zukunftstechnologie, die den effizienten Umgang mit Ressourcen und Energie verspricht. Das BMBF hatte hierzu 2011 die Fördermaßnahme „Organische Elektronik, insbesondere organische Leuchtdioden und organische Photovoltaik“ gestartet. Es geht beispielsweise darum, den Wirkungsgrad von organischen Solarzellen und -modulen zu erhöhen, um sie auf diese Weise für den Photovoltaikmarkt attraktiv zu machen. Organische Solarzellen lassen sich in Form, Farbe und Transparenz anpassen. Sie sind somit für vielfältige Anwendungen einsetzbar, beispielsweise in Glasfassaden, im Fahrzeugbau und in Textilien. Im Rahmen des bereits abgeschlossenen Projektes POPUP wurde auf der Hannover Messe 2017 der Prototyp einer Solarbrille mit Gläsern aus semi-transparenten, organischen Solarzellen präsentiert.

Projektförderung

Im Schwerpunkt Photovoltaik haben das BMWi und das BMBF im Jahr 2017 449 laufende Vorhaben mit rund 84,46 Millionen Euro gefördert. 2017 haben die Ministerien zudem 104 Forschungsprojekte mit einem Fördermittelansatz von rund 90,71 Millionen Euro neu bewilligt (vgl. Abb.).