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02. Mai 2009 11:41 Uhr

Bildung und Wissen

Helle Köpfe

Um Solarstrom konkurrenzfähiger zu machen, muss er billiger und effektiver werden. In Freiburg gehen Forscher deshalb auf Rekordjagd. Ein Besuch im Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme

Das Produkt, mit dem alles angefangen hat, steht noch heute auf dem Schreibtisch des Institutsgründers. Ein durchsichtiges, oranges Plexiglasschild, in der Mitte matt leuchtend, während die Kanten fast schon gleißend hell strahlen, noch stärker als der leuchtende Schriftzug in der Mitte: "Professor Adolf Goetzberger". Als Fluoreszenzkollektor, kurz Fluko, stellt der für sein Lebenswerk diese Woche vom Europäischen Patentamt ausgezeichnete "europäische Erfinder des Jahres 2009" seine Erfindung vor. "Ursprünglich wollten wir mit diesem Material mal neue Displays entwickeln", erzählt Adolf Goetzberger, der Gründer und ehemalige Direktor des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme. Der Trick: In dem Kollektor sammelt ein Farbstoff die Energie des Sonnenlichts ein, um sie fluoreszierend in anderen Wellenlängen zurückzustrahlen. Auf der Vorder- und Rückseite der Platte ist dem Licht der Weg aus dem Plastik versperrt. Weil die Strahlen dort totalreflektiert werden, bleiben sie so lange gefangen, bis sie die Kanten der Platte erreichen – dort leuchten sie dann konzentrierter und heller als je zuvor.

Goetzberger, damals Leiter des Fraunhofer Instituts für angewandte Festkörperphysik in Freiburg, kam Ende der 70er Jahre auf die Idee, die Technik auch anders zu nutzen. Er wollte mit dem Fluko den damals noch schwachen und teuren Solarzellen auf die Sprünge helfen. Aus der Idee wurde eine Arbeitsgruppe, aus der Arbeitsgruppe ein Institut. Nachdem es dem studierten Experimentalphysiker endlich mühevoll gelungen war, die eigene Fraunhofer-Gesellschaft von der Zukunftsfähigkeit seines Konzepts eines Instituts für Solarenergie zu überzeugen, gründete er 1981 das ISE, das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme.

Aus dem Projekt Fluko ist nicht viel geworden. Die Materialien waren nicht optimal, erzählt der inzwischen 80-Jährige. Auch die quadratische, leuchtende Fluko-Solaruhr mit Leuchtzifferanzeige war den Kunden "angeblich zu kitschig", was Goetzberger, wie seinem Gesichtsausdruck unschwer zu entnehmen ist, noch heute nicht verstehen kann. "Hinzu kam, dass die Verkäufer die Funktionsweise der Uhr nicht erklären konnten." Dabei war der Beamte aus dem Forschungsministerium einst so begeistert von der Uhr gewesen, wie Goetzberger erzählt: Da sei ja ausnahmsweise mal ein richtiges Produkt durch die Forschungsförderung entstanden. "So etwas erleben wir ganz selten mit unseren Projekten."

Das ISE dagegen hat sich prächtig entwickelt. 18 Mitarbeiter waren es im Gründungsjahr 1981, inzwischen sind es über 800. Der vierstöckige Betonbau und andere angemietete Provisorien sind inzwischen einem modernen, hellen Neubau gewichen. "Ich bin froh, dass ich alt genug geworden bin, das alles noch zu erleben", sagt der Gründer hinter einem Holzschreibtisch, der noch von Papier, Stiften und Briefbeschwerern dominiert wird – der PC ist in die Ecke verbannt. Noch immer besitzt er ein Büro in seinem ehemaligen Institut, das er täglich aufsucht. Früher habe sich das Institut von Umweltkrise zu Umweltkrise retten müssen, erzählt Goetzberger. Die Ölknappheit der 70er Jahre, der Tschernobylschock, der Treibhauseffekt – "jede Krise hat uns aus einer misslichen Situation gerettet". Die kurzzeitige Aufmerksamkeit für die alternativen Energien sicherte jeweils neue Forschungsprojekte und dringend benötigtes Geld. Inzwischen streiten sich die Abteilungsleiter nicht mehr um Euro, sondern um den Platz im Institut, wie ein heutiger Abteilungsleiter erzählt. Die aktuelle und größte Umweltkrise sowie das Erneuerbare-Energien-Gesetz der vormaligen Rot-Grünen-Bundesregierung haben der ganzen Solarbranche den Boom gebracht.

"Wir sind das größte Institut unserer Art in Europa und die Nummer zwei im Bereich Solarenergieforschung in der Welt", sagt ein stolzer Stefan Glunz, der einst im ISE als Diplomand anfing und inzwischen als Abteilungsleiter für den Bereich "Siliziumsolarzellen – Entwicklung und Charakterisierung" zuständig ist. Heute geht es am ISE nicht mehr ums Überleben, sondern darum, "die nächste, noch bessere Solarzelle zu machen, damit die anderen Institute weinen", belustigt sich Stefan Glunz.

Solarforschung ist heutzutage nicht nur der Versuch, die Energieprobleme der Menschheit zu lösen, sondern gleicht manchmal auch einem sportlichen Wettkampf. Ein Weltrekord jagt den nächsten. Dem mit 41,1 Prozent höchsten Wirkungsgrad einer Mehrfachsolarzelle Anfang dieses Jahres ging am ISE 2008 der effektivste Photovoltaik-Wechselrichter aller Zeiten voraus. Auch den Weltrekord für Solarzellen aus multikristallinem Silizium hält bisher ein Freiburger Team.

Glunz’ Rekordschmiede wird von dicken Glasscheiben streng von der Außenwelt abgeschirmt. In den Reinraum darf nicht einmal ein Staubkorn ohne Erlaubnis. Hinter den Scheiben stapfen die Wissenschaftler dick eingepackt mit Plastikbrillen, Plastikstiefeln und weißen Plastikeinteilern wie die Bewohner einer Raumstation durch die Laborräume. Solarzellenentwicklung ist Mikrometerarbeit, da kann schon ein einzelnes Haar mit hundert Millionstelmetern Durchmesser die elektrischen Kontakte stören. Selbst der helle Wissenschaftler-Kopf steckt unter einer weißen Kapuze, die nur noch Auge, Nase und Kinn freilässt. Wo an der solaren Zukunft gearbeitet wird, darf es auch ruhig nach Zukunft aussehen.

Wie diese Zukunft aussieht, skizziert ein Optimismus ausstrahlender Leiter des ISE so: "10, 20, 30 Prozent des Stroms durch Sonnenenergie halte ich innerhalb der nächsten zwei, drei Jahrzehnte für realistisch", schwärmt Eicke Weber. Momentan ist es noch rund ein Prozent. Das wie eine magische Formel immer wieder vorgebetete Nahziel lautet "Netzparität" – Kostengleichstand zwischen dem Strom aus der Zelle vom eigenen Dach und dem aus der Steckdose – Institutsleiter Weber visiert es in den nächsten vier, fünf Jahren an. Noch sei der Photovoltaikstrom, wie sich die Energie aus Solarzellen auch nennt, immer noch die teuerste Form der erneuerbaren Energien, so Weber. Damit sich das ändert, sollen die Produktion billiger und die Solarzelle effektiver gemacht werden.
29 Prozent Wirkungsgrad sind, zumindest für den theoretischen Physiker, mit einer Siliziumzelle möglich. Mehr lassen Material und Technik nicht zu. Andere Halbleiter sind zwar denkbar, dürften aber in unseren Breiten nicht mit dem unbegrenzt vorhandenen Ausgangsstoff Silizium von den Sandstränden dieser Welt konkurrieren können.

26 Prozent Wirkungsgrad hält Glunz mit seinen Zellen für theoretisch machbar. Wobei hier zwischen zwei Arten von Solarzellen unterschieden werden sollte. Wird das Rohmaterial, die CD-große Waferscheibe, aus einem einzigen gewachsenen, überall gleich ausgerichteten Siliziumkristall geschnitten, handelt es sich um sogenannte monokristalline Solarzellen, die einen besonders hohen Wirkungsgrad, aber auch einen besonders hohen Preis besitzen. Zeigt sich auf dem Wafer das Marmormuster eines gegossenen multikristallinen Siliziumkristalls, werden sie in beiden Punkten unterboten.

Über 23 Prozent Wirkungsgrad hat man im Reinraum des Instituts bei monokristallinen Zellen schon erreicht. Das sind fünf Prozent mehr, als die besten Zellen auf dem Hausdach schaffen. Jeder weitere Rekordversuch beginnt in den Plastikbecken der dortigen Nasschemie. Dort gilt es mit Hilfe der Chemie, die Wafer aufnahmefähiger für Licht zu machen. Per Pinzette werden die 0,2 bis 0,3 Millimeter dicken Scheiben von Gestalten in weißen Plastikkostümen in Laugen-, Säure- und Wasserbäder getunkt. Werden Zeit und Temperatur mit den Reglern unter den Becken genau kontrolliert, fressen die Chemikalien entlang der Kristallstruktur kleine, Mikrometer große Pyramiden in die Oberflächen der Wafer. Ihr Vorteil: Einfallende Lichtanteile, die sonst gespiegelt würden, werden von den Pyramiden später in schrägen Winkeln wieder in das Silizium zurückreflektiert und zur Energiegewinnung genutzt. Auch der nächste Schritt ist Nanometerarbeit. Im Raum nebenan schiebt man die Wafer in sogenannten "Booten" in eine Art Torpedorohr. Bei 800 Grad wird eine 100 Milliardstelmeter dicke Phosphorschicht in die Oberflächen der borhaltigen Scheiben eindiffundiert und gebrannt.

Erst das Zusammenwirken der beiden Gegenspieler Bor und Phosphor als Gegenpole im Silizium sorgt dafür, dass das Sonnenlicht nicht nur neue Elektronen freisetzt, sondern dass sie auch als Strom fließen. Gelänge es in diesen Öfen demnächst, Bor und Phosphor im Wafer nicht mehr als Schichten übereinander, sondern in kleinen Streifen an der Unterseite nebeneinander anzuordnen, ließen sich dem Silizium weitere Wirkungsgrade abringen. Bisher muss der Strom noch über kleine Kontakte an der Oberseite der Solarzelle abgeleitet werden, mikrometergroße Silberstreifen, die in der Regel acht Prozent der Siliziumscheibe das Licht wegnehmen.

Würden die Stromleiter alle an die Unterseite der Scheiben gelegt, wäre das Problem gelöst. Die Solarzellen ließen sich dann sogar einfach wie Chips auf Platinen montieren. Visionen, die Glunz schwärmen lassen: "Dank solcher Zellen hat es die Nasa schon mit einem Solarflugzeug auf 29 000 Meter Höhe geschafft." Bei solchen Zahlen beginnen die Augen des Wissenschaftlers zu leuchten. Höhenweltrekord und 22 Prozent Wirkungsgrad – das kann sich sehen lassen. Allerdings auch der Preis. "Jetzt geht es darum, solche Zellen in der Massenproduktion ebenfalls finanzierbar zu machen."

Ein Grundproblem der Solarforscher. "Den Formel-1-Wagen", wie ihn Glunz nennt, den Rekordhalter aus den Reinräumen auch als "Volkswagen" für die breite Masse produzierbar und finanzierbar zu machen. Am ISE hat man deshalb 2006 das PV-Tec eingeweiht. Für 14 Millionen Euro wurde auf 1200 Quadratmetern eine Art Modellfabrik eingerichtet, die es immerhin selbst in der Stunde auf 1000 produzierte Solarzellen bringt. Statt an Weltrekorden wird hier vor allem an den "Maschinen der nächsten Generation" geschraubt, wie es Andreas Grohe, Gruppenleiter im PV-Tec ausdrückt. "Im Labor mögen jetzt schon viele Sachen funktionieren. Wir versuchen hier aber, diese Techniken mit der entsprechenden Zuverlässigkeit auch in die Produktion einzubauen." Noch ist von den angestrebten, vollautomatisierten Prozessinseln, in denen ein Roboterarm die Siliziumscheiben nacheinander in Bad, Ofen und Drucker steckt, nicht viel zu sehen. Stattdessen stehen in der Halle überall große, weiße Kästen verteilt. Im einen werden die Wafer von Roboterhänden vom einen Chemikalienbecken ins nächste gehoben, im anderen Kasten besonders effektiv gebrannt, gelasert oder mit Kontakten bedruckt. Ständig überwacht von zahlreichen Mitarbeitern in den obligatorischen weißen Kunststoffeinteilern und Kapuzen.

Dass in der Siliziumbearbeitung noch Optimierungspotenzial steckt, kann man sich angesichts solcher Arbeitsschritte trotzdem gut vorstellen. Die Zukunft der Photovoltaik mag in superdünnen Zellen liegen. Die Gegenwart ist aber so, dass derjenige, der eine 200 bis 300 Mikrometer kräftige Siliziumscheibe wie am ISE auf rekordverdächtige sieben Mikrometer Dicke verschmälern will, in dem brüchigen Material nicht sägen kann. Er muss das überzählige Silizium mit Lauge wegätzen.

Auch für andere mikroskopisch kleine Effekte werden derart grobschlächtige Methoden eingesetzt. Wer tatsächlich an der Unterseite seiner Wafer in kleinen Streifen Phosphor ins Silizium einbringen will, muss zunächst den Rest um die Streifen herum abdecken, um dann die gesamte Scheibe mit Phosphor zu bedampfen. Am Mikroskop im Reinraum lassen sich Muster auf die Zelle projizieren, die mit zehn Mikrometer Breite rekordverdächtig schmale Leitungsbahnen auf der Zelle erlauben. Per Zielkreuz werden entsprechende Schablonen über die Wafer gefahren. Werden dieselben Silberstreifen per Siebdruck im PV-Tec aufgedruckt, sind sie 120 Mikrometer breit.

In der Modellfabrik probieren die ISE-Forscher nun eine Art Tintenstrahldrucker aus. Seitdem sie auch die entsprechenden Druckflüssigkeiten entwickelt haben, können sie mit diesem "Tintenstrahl" 20 Mikrometer breite Leitungen drucken. Noch mehr Mühe und Kosten soll in ferner Zukunft der Laser sparen. Modernste Solarzellen sind von hinten verspiegelt, um das durchscheinende Licht noch einmal zurückzuwerfen und erneut zu nutzen. Das Problem: Durch diese Isolierschicht müssen noch mühevoll die Stromleitungen gelegt werden. Dank Laser und LVC-Verfahren werden sie zumindest im PV-Tec inzwischen einfach durch die Verspiegelung hindurch gebrannt. Auch bei anderen Kleinstarbeiten soll der Laser in Zukunft zum Einsatz kommen.

Vorstellbar sind allerdings auch ganz andere Solarzellen, an denen am ISE ebenfalls geforscht wird. Mehrfachsolarzellen erzielen ihre 41,1 Prozent Wirkungsgrad zum Beispiel dadurch, dass Halbleiter wie Gallium, Indium und Arsen das dem Silizium ersetzen. Mischkristalle, die nicht nur effektiver als das Konkurrenzprodukt, sondern auch viel teurer sind. "Im All werden derartige Zellen schon länger verwendet", erzählt ISE-Abteilungsleiter Andreas Bett. "Seitdem wir das Licht durch vorgeschaltete Linsen 500-fach konzentrieren, werden diese Zellen in Kraftwerken in südlichen Ländern rentabel eingesetzt."

Viel Potenzial traut man am ISE auch sogenannten Farbstoffsolarzellen zu. Statt dem Silizium soll hier eine farbige Ruthenium-Verbindung das Licht absorbieren – ein ähnliches Prinzip, wie es die Pflanzen mit dem Farbstoff Chlorophyll für ihre Photosynthese nutzen. Die Prototypen am ISE erreichen mit fünf Prozent also weit weniger als die Siliziumkonkurrenz, dafür bieten die Farbstoffzellen andere Vorteile. Die ISE-Forscher wollen mit den bunt schimmernden, durchsichtigen Platten Glasfassaden bestücken. "Zunächst müssen wir aber die Langzeitstabilität der Module verbessern", sagt ISE-Forscher Henning Brandt. Unter anderem müssen die Zellen noch besser gegen Luft und Wasser geschützt werden.

Zum Hoffnungsträger und Weltrekordhalter ist sogar wieder Goetzbergers Fluko geworden. Erst vor kurzem hat das Team von Projektleiter Jan Christoph Goldschmidt mit 6,7 Prozent Wirkungsgrad den erfolgreichsten Fluoreszenzkollektor aller Zeiten gebaut. Mit sogenannten Quantenpunkten sollen bestimmte Lichtwellenlängen verstärkt und durch das Aufeinanderschichten verschiedenfarbiger Plexiglasplatten größere Lichtbereiche genutzt werden. Selbst die Solaruhr erlebt ein Revival: "Bei uns rufen inzwischen sogar Leute aus Amerika an", erzählt Goldschmidt, "und fragen: ‚Sagen Sie mal, diese tolle Solaruhr von früher, gibt es die noch?’" Solche Sätze lassen sogar einen Erfinder des Jahres strahlen.

Autor: mich