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15. Mai 2010

Wie Solarstrom billig wird

Geballtes Sonnenlicht – hochgradig ausgenutzt: Am Fraunhofer-Institut ISE wird die Photovoltaik verbessert.

Strom aus Sonnenlicht: Wie das geht, weiß man seit längerer Zeit. Doch das eigentliche große Ziel jeder technischen Entwicklung, nämlich sich auf dem Markt gegen konkurrierende Verfahren durchzusetzen, ist noch nicht erreicht. Strom aus Sonnenlicht kostet hierzulande mehr als Strom aus fossilen Brennstoffen oder aus Atomkraft – auch wenn Kritiker darauf verweisen, dass in deren Preisen ja keineswegs alle Kosten berücksichtigt seien.

Mit diesem Grundproblem schlägt man sich auch am Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) herum. Die dortige Forschung verfolgt im Grundsatz drei Wege zum großen Ziel. Zum einen versucht man, Photovoltaikmodule aus Siliziumplatten, wie sie schon auf vielen Hausdächern installiert sind, einschließlich deren Produktion technisch zu verbessern, um sie insgesamt billiger zu gestalten und ihre Ausbeute der Sonnenenergie (15 bis 18 Prozent) zu erhöhen. Ein zweiter Weg ist, statt des reinen und teuren Siliziums weniger wertvolles Material zu verwenden. Dessen niedrigerer Preis wird freilich erkauft mit niedrigeren Wirkungsgraden. Auch daran wird in Freiburg intensiv geforscht.

Der dritte Weg, für den Frank Dimroth und sein 50-köpfiges Team stehen, nimmt hohe Kosten in Kauf, verspricht aber dafür hohe Leistung. Denn es wird technischer Aufwand betrieben, um das Sonnenlicht zu konzentrieren und den Wirkungsgrad der Photovoltaikzelle zu steigern – nämlich auf 41,1 Prozent, ein Rekordwert. Am Ende ist die Leistungsfähigkeit des ganzen Moduls so groß, dass sich das Ganze wieder rechnet. Für ihre Forschungen haben Dimroth und seine Arbeitsgruppe jetzt den höchstdotierten französischen Wissenschaftspreis der Fondation Louis D erhalten.

Die von Dimroth entwickelte hochleistungsfähige Solarzelle ist winzig: Nur drei Quadratmillimeter misst ihre Fläche. Aber der Aufwand, der für ihre Herstellung betrieben wird, ist groß. Zudem bedarf es noch einer ausgefeilten Technik, damit das winzige Teil funktioniert. Über spezielle Linsen aus Silikon, sogenannte Fresnel-Linsen, wird das Sonnenlicht auf die Zelle gelenkt – in 500-facher Bündelung. Damit die Fokussierung dauerhaft gelingt, muss das Licht der Sonne stets senkrecht einfallen. Deshalb wird das Modul über einen Motor millimetergenau dem Gang der Sonne nachgeführt, und in seinem Inneren müssen die einzelnen Elemente – Linse und Solarzelle auf Haaresbreite exakt installiert sein: eine Herausforderung für die Mechaniker unter den Solarenergieforschern.

Gedacht ist diese Technik nicht für Hausdächer. Dafür wäre sie zu teuer. Dimroth und sein Abteilungsleiter Andreas Bett sehen den Einsatzort vielmehr in großen Photovoltaikkraftwerken etwa in Südeuropa. In Spanien wurde 2009 südlich von Madrid die erste große Demonstrationsanlage mit 1,7 Megawatt Leistung installiert. Noch gilt eine solche Investition als mutig, obwohl Dimroth überzeugt ist, dass die Anlage wirtschaftlich arbeitet: Als neue Technologie muss diese Art der Solarstromgewinnung die Investoren noch davon überzeugen, dass sie 20 Jahre durchhalten kann, ohne in ihrer Leistung nachzulassen.

Dabei ist der Kern der Technik längst erprobt. Solche hocheffizenten Solarzellen versorgen seit etwa 15 Jahren Satelliten im Weltraum mit Strom. Denn sie sind leichter und kleiner als andere Technologien – und das zählt in der Weltraumfahrt als Kostenargument. Diese Art des Einsatzes hat die Entwicklung entscheidend vorangetrieben, sagt Dimroth, wobei Weltraumforschung weiterhin in seinem Fokus ist: "Es gibt Unterschiede, aber auch hohe Synergien zwischen den beiden Einsatzfelder der Photovoltaikmodule." Der 38 Jahre alte Physiker kümmert sich in seinem Team vor allem um die winzige Solarzelle, die in großer Stückzahl auf sogenannten Wafern produziert wird.

Die besondere Qualität dieser Zelle liegt darin, dass sie Energie aus drei verschiedenen Bereichen des Sonnenlichtspektrums höchst ergiebig herausfiltern kann, indem drei Teilzellen übereinander gestapelt sind. Dieser Aufbau ist Dimroths zentrales Forschungsthema, das ihn schon in seiner Doktorarbeit im Jahr 2000 beschäftigt hat. In dem Epitaxie genannten Verfahren (siehe Graphik) werden präzise aufgebaute Kristalle erzeugt, die aus Elementen wie Gallium, Aluminium, Arsen oder Phosphor bestehen. Die Zusammensetzung der Kristalle bestimmt, welcher Bereich des Sonnenlichts absorbiert wird. Der Vorzug der von Dimroths Team entwickelten "metamorphen Dreifachsolarzelle" liegt darin, dass die Absorptionsbereiche der drei Teilzellen besonders gut an das das Sonnenlicht auf der Erde angepasst sind.

Die Dreifachzellen werden in 30 bis 40 dünnsten Schichten aufgebaut, indem Gase auf die Grundplatte aus einem perfekten Germanium-Kristall (ein seltenes und darum teures Metall) geleitet werden. Entscheidend ist dabei, dass die Atome trotz unterschiedlicher Struktur das Kristallgitter präzise ohne Fehlstellen oder fremde Atome aufeinander aufbauen. Jedes Atom muss, sagt Dimroth, letztlich am richtigen Platz sitzen; zugleich müssen Verunreinigungen vermieden werden. Denn nur eine perfekte Kristallstruktur erlaubt höchstmögliche Effizienz in der Umwandlung von Licht in Strom.

Theoretisch ist auf diese Weise ein Wirkungsgrad von mehr als 50 Prozent zu erreichen. Doch es gibt auch andere Ansätze, die Technologie zu verbessern. Denn von den heute erreichten 41 Prozent bleiben, durch die Technik des Moduls bedingt, nur etwa 30 Prozent übrig. Daher forscht man am ISE nicht bloß an noch besseren Photovoltaikzellen, sondern feilt auch an Aufbau und Mechanik der Systeme.

Autor: Wulf Rüskamp