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 Die Enkel von James Watt Die erste Europäische Photovoltaikkonferenz im 21. Jahrhundert hatte eher den Charakter eines Forums und war weniger die klassische Aneinanderreihung von Vorträgen.
Die Erfindung der Dampfmaschine durch den Glasgower James Watt wies den Weg in das Industriezeitalter. Heute, 200 Jahre später, arbeiten die großen Kraftwerke – ob fossil oder nuklear – noch immer auf Basis von Dampf. »Photovoltaik wird die Dampfmaschine der solaren industriellen Revolution – und diese Konferenz in der Stadt James Watts ist ein Symbol für den Aufbruch in das Solarzeitalter«, betonte der SPD-Bundestagsabgeordnete und diesjährige Chairman Hermann Scheer zur Eröffnung der 16. Europäischen Photovoltaikkonferenz. Die technische Vision für das 21. Jahrhundert skizzierte dann Larry Kazmerski, Direktor der Photovoltaikabteilung des amerikanischen Nationalen Laboratoriums für Erneuerbare Energien (NREL). Demnach werden in den nächsten zehn bis fünfzehn Jahren Solarzellen aus Silizium weiter den Markt dominieren: Polykristallines Silizium gewinnt Marktanteile auf Kosten des monokristallinen, und auch amorphes Silizium soll ein Revival erleben. Der Trend zeige zu Solarzellen aus Dünnschichtsilizium, meint Kazmerski. Als Stromlieferant für die Gewinnung des Energieträgers der Zukunft, Wasserstoff aus Wasser, werde die Photovoltaik eine herausragende Rolle einnehmen. Schon im Jahr 2010 soll die Produktion mit zehn Gigawatt pro Jahr ein 50-faches über der heutigen Weltjahresproduktion an Solarzellen liegen.
Ob es nun mikro-mechanische Maschinen oder andere elektronische Geräte sind: Vieles werde bis 2025 mit integrierten Solarzellen zur Stromversorgung ausgestattet sein. In der Mitte des nächsten Jahrhunderts sei Photovoltaik die Energie für einen Großteil der Bevölkerung. »Und Ende des Jahrhunderts«, schloss Kazmerski seine Vision, »werden sich unsere Groß-Groß-Groß-Enkel die heutigen Solarmodule in der Abteilung für antike Technik ihrer holographischen Cybermuseen vielleicht ähnlich amüsiert anschauen, wie wir das heute mit den ersten Flugzeuge tun, die um 1902 gebaut worden sind.« Im darauffolgenden Augenblick ließ er genau diese Vision der schönen neue Solarwelt – zumindest für die USA – auf dem Boden der Realität zerplatzen. Er sprach über das amerikanische Forschungs- und Entwicklungsbudget. Provokativ projizierte er der US-Regierung – seinem Arbeitgeber –, wie er die finanziellen Anstrengungen der USA im Vergleich zum weltweit erfolgreichsten Solarstrommarkt in Japan sieht: Das US-Budget verwandelte sich auf der Leinwand in den kleinen roten Punkt in der Mitte der japanischen Flagge, während der weiße Untergrund das japanische darstellte. Scheer schlug in die gleiche Kerbe – nur etwas eindringlicher –, als er der Politikerkaste und der Solarindustrie vorwarf, zuwenig Aktionismus zu zeigen. »Großartig angekündigte Programme, die nie umgesetzt werden, wie das 1-Million-Dächer-Programm in den USA oder das 10.000-Dächer-Programm der italienischen Regierung, richten nur Schaden an.« Er appellierte an die internationale Solarszene, sich ein Beispiel am erfolgreichen deutschen Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) zu nehmen, um »Druck auf die nationalen Regierungen auszuüben, damit ähnliche Anreize geschaffen werden«. Mehr Watt pro Gramm Die kurzen Zeiträume von durchschnittlich sechs Monaten zwischen den drei großen Photovoltaikkonferenzen in Europa, Japan und den USA erschweren es den Wissenschaftlern, jedesmal ein neues Highlight aus den Tiefen des Labors zu zaubern. Noch schwerer haben es diejenigen Forscher, die sich im Bereich der ältesten und Markt dominierenden Solarzellentechnologie aus kristallinem Silizium tummeln. Nicht einmal Jianhua Zhao von der australischen Universität New South Wales – bekannt als Abonnent des Wirkungsgradweltrekordes für monokristalline Solarzellen – konnte die aktuellen 24,7 Prozent auch nur um ein Zehntel Prozentpunkt nach oben treiben. Da der Preis für das begrenzt zur Verfügung stehende »Abfallsilizium« aus der Halbleiterindustrie mit wachsender Nachfrage auf dem Solarmarkt mittelfristig ansteigen wird, arbeiten die Forscher verstärkt an neuen Techniken zur Herstellung dünner Solarzellen und solchen mit höheren Wirkungsgraden. Auf dem Weg zur Effizienz zeigt sich ein Trend zur Vergrößerung der Absorptionsfläche: Dies geschieht, indem die beiden über die Solarzellenoberfläche laufenden Kontaktfinger, die den produzierten Strom zur nächsten Zelle im Modul leiten, von der Vorderseite entfernt werden. Das niederländische Forschungsinstitut ECN in Petten und das belgische Zentrum für Mikroelektronik IMEC in Leuven verfolgen zwei verschiedene Techniken: Bei der Technik namens »Front Metallization Wrap Through« (FMWT) wird das Kontaktgitter durch kleine Löcher in der Zelle auf die Rückseite geleitet, wo es dann mit den Kontaktfingern verbunden wird. Beim »Metallization Wrap Around« (MWA) hingegen werden die Kontaktfinger an die Seitenkanten der Solarzelle gelegt. Dünnere Solarzellen können durch das Sägen dünnerer Siliziumscheiben hergestellt werden. Aber selbst bei den derzeit dünnsten Solarzellen von 200 Mikrometer gibt es noch einmal die gleiche Menge an Materialverlust, verursacht durch den Sägevorgang; zudem ist es kaum noch möglich, den Kristallziehprozess zu beschleunigen. Um diese Schritte zu umgehen, wenden sich immer mehr Institute und Firmen der Erforschung und Entwicklung von Solarzellen aus Dünnschichtsilizium zu, einer Technologie, bei der das Silizium direkt auf einem Substrat – meist aus Keramik – kristallisiert wird. Die Forschungsgruppe von Ralf Bergmann am Stuttgarter Institut für Physikalische Elektronik (IPE) veröffentlichte einen eindrucksvollen Rekord von 14 Prozent für eine zwei mal zwei Zentimeter große monokristalline Siliziumdünnschichtzelle. Der Clou: Der Dünnschichtfilm kristallisiert auf einem wiederverwendbaren Siliziumsubstrat. Als nächstes gilt es nun, größere Zellen mit ähnlich hohen Wirkungsgraden zu produzieren – und vielleicht irgendwann zu kommerzialisieren. Diesen Schritt hat weltweit allerdings erst eine Firma vollbracht: Das amerikanische Unternehmen AstroPower aus Newark in Delaware. Dort jedoch hütet man sein Wissen natürlich wie den Heiligen Gral. Und vermeintlich wissenschaftliche Vorträge des Geschäftsführers Allen Barnett erinnern dann doch eher an Produktpräsentationen auf der Aktionärshauptversammlung. Auf diese Weise wurden auch AstroPowers neue Module in Glasgow vorgestellt, allerdings nicht von Beginn an. Erst am dritten Tage der Ausstellung wurde das 150-Watt-Modul mit 20 mal 20 Zentimeter großen Dünnschichtsolarzellen angeliefert. Die Forscher im Bereich der Dünnschichtzellen aus Cadmium-Tellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) haben im Gegensatz zu ihren Kollegen aus der Siliziumdünnschicht oftmals schon einen Großteil des beschwerlichen Weges zum verkäuflichen Produkt zurückgelegt. David Cunningham vom Weltmarktführer BP Solarex stellte eine Produktionsserie der CdTe-Modulproduktion aus der Pilotanlage in Fairfield, Kalifornien, in Größen von 35,6 mal 155 Zentimeter (0,55 m2) und 61 mal 155 Zentimeter (0,94 m2) mit beachtlichen durchschnittlichen Wirkungsgraden von 9,9 Prozent vor. Zwar verlor Cunningham in seiner Rede kein einziges Wort über den möglichen Verkaufsstart der CdTe-Module, die bei BP Solarex auf Grund des schlechten Öko-Images von Cadmium schlicht »Apollo-Module« heißen. Doch die großen Fortschritte mündeten Ende Mai sogar in einem Weltrekord von 10,8 Prozent für das Modul von der Größe eines halben Quadratmeters, und deuten darauf hin, dass die CdTe-Forscher von BP Solarex überzeugende Signale an die Konzernspitze senden wollen, an dieser Technologie festzuhalten: Schließlich hat BP Solarex seit dem Zusammenschluss von BP Solar und Solarex vor über einem Jahr offiziell immer noch nicht entschieden, welche der nunmehr vier konzerneigenen Technologien (monokristallin, polykristallin, amorph oder CdTe) weiterverfolgt werden soll. Neuer CIS-Rekord für Kleinmodule: 16,6 Prozent Einen neuen Weltrekord vermeldeten Mitglieder der schwedischen CIS-Forschergruppe aus dem Angström-Institut in Upsala. Auf ihren T-Shirts teilten sie den Konferenzteilnehmern mit, dass der neue Rekord für Kleinmodule nun bei 16,6 Prozent liegt. Innerhalb eines Jahres erhöhten die Schweden damit ihren eigenen Rekord von 14,7 um fast zwei Prozentpunkte. Das aus vier Zellen bestehende Rekord-Modul weist durchaus interessante Unterschiede zu konventionell hergestellten CIS-Modulen auf. Zusätzlich zur klassischen Kontaktschicht aus Zinkoxid-Aluminium (ZnO-Al) befinden sich auf der Solarzellenoberfläche so genannte Kontaktfinger: für Dünnschichtmodule vollkommen unüblich. Deren Einsatz ermöglicht unter anderem die Verwendung einer wesentlich dünneren ZnO-Al Kontaktschicht; die Solarzelle kann mehr Licht absorbieren und somit mehr Strom produzieren. Die gängige Produktion von CIS-Solarzellen erfolgt auf Glassubstraten. Eine Umstellung auf flexible Substrate aus Kunststoff oder Blech könnte jedoch neue Anwendungsgebiete zum Beispiel in der Satellitentechnik eröffnen, wo dünne, leichte Solarzellen zur Stromproduktion eingesetzt werden. Gleichzeitig könnte man dann die Massenproduktion im kostengünstigen Roll-to-Roll-Prozess entwickeln, einem Verfahren, bei dem die Solarzellen auf das Substrat aufgedampft werden, während es automatisch von einer großen Rolle auf eine andere Rolle gewickelt wird. Forscher am Stuttgarter Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) haben die ersten zehn mal zehn Zentimeter großen CIS-Module auf Eisenblechen hergestellt. Die Wirkungsgrade für CIS-Module auf Substraten aus Molybdän und Titan lagen zwischen zehn und elf Prozent. Dass CIS-Module auf flexiblen Substraten in Zukunft wirklich eine Alternative zu den in der Raumfahrt häufig eingesetzten Gallium-Arsenid-Zellen (GaAs) sind, zeigte eine Gruppe vom IPE. Dort wurden verschiedene für die Weltraumtechnik hergestellte Solarmodule und solche aus CIS mit Elektronen beschossen, die der Stärke der Strahlung im Weltraum entspricht. Ergebnis: Solarmodule mit CIS-Solarzellen degradierten weitaus weniger als solche mit GaAs oder Silizium. Die Wirkungsgrade der GaAs-Zellen sind allerdings unerreicht. Andreas Bett vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg präsentierte eine Tandem-Solarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid/Gallium-Indium-Arsenid (GaInP/GaInAs) mit einem Wirkungsgrad von ungefähr 30 Prozent unter tausendfacher Sonnenkonzentration. Ob es aber nun 30,4 oder lediglich 29 Prozent sind, ist noch unklar. »Die Kalibrierung der Messsysteme bei uns und bei NREL weichen um vier Prozent voneinander ab. Das ist bei normalen Zellen nicht so tragisch, aber unter vielfacher Konzentration schon«, erklärt Bett, aus dessen Arbeitsgruppe eine weitere interessante Veröffentlichung kam. Bei herkömmlichen GaInP/GaInAs-Tandemzellen kann der untere Teil der Solarzelle die Stromproduktion begrenzen. Eine Substitution der GaAs-Schicht durch eine aus GaInAs würde hingegen die Empfindlichkeit gegenüber dem Infrarotspektrum des Lichtes erhöhen, und somit auch einen theoretischen höheren Wirkungsgrad ermöglichen. Bayer liefert kein solares Silizium vor 2004 Die starke Nachfrage für Solarmodule in Japan und Deutschland hat die Angst vor einer erneuten Siliziumknappheit geweckt. Der Ruf nach einer von der Halbleiterindustrie unabhängigen Solarsiliziumproduktion wurde daher in Glasgow wieder lauter. Hans-Dieter Block, leitender Chemiker im Solarsilizium-Projekt der Bayer AG, erklärte in seinem Vortrag zwar, dass mit dem Bayer-Prozess bei einer Produktion von 5.000 Tonnen pro Jahr ein Kilogramm Silizium für weniger als zehn Euro hergestellt werden könnte, und somit auf einem Niveau liege, dass die japanische Firma Kawasaki-Steel mit ihrem derzeitigen Pilotprojekt nicht erreiche. Aber auf die Frage, wann diese Fabrik wohl gebaut werde, wandte Block sich Hilfe suchend an den im Auditorium sitzenden Peter Woditsch, Geschäftsführer der Bayer AG Tochter Bayer Solar GmbH: »Es ist einfach, nach einem neuen Prozess zu schreien. Wir brauchen mehr Risikokapital. Ich könnte mir vorstellen, dass wir dann 2004 mit einer Kapazität von 2.500 Tonnen pro Jahr beginnen.« Einigen der Teilnehmer, darunter auch der neue Generalsekretär der Vereinigung der europäischen Photovoltaikindustrie EPIA, Murray Cameron, schien das zu spät: Bereits auf der Konferenz traf man sich zu einem Workshop. Ein »Runder Tisch« mit hochrangigen Vertretern will nun erörtern, wie eine gemeinsame europäische Sicherung des Rohstoffes Silizium gewährleistet werden kann. Nachdem in Glasgow durchsickerte, dass Bayer Solar schon bald aus dem Bayer-Konzern ausgegliedert werde, bekommt die ganze Sache allerdings neue Brisanz. Dass
Recycling von kristallinen Solarmodulen einen baldigen Engpass bei der
Solarsiliziumversorgung lösen könnte, dürfte bei den zurzeit
vergleichsweise geringen Umsätzen und einer Lebenserwartung von weit
über 20 Jahre pro Modul einsichtig erscheinen. Der kostengünstigste
und technisch beste industrielle Recyclingprozess wäre nach
Untersuchungen einer Forschergruppe unter der Leitung von BP Solarex
eine thermische Lösung in einem Flussbettreaktor. Dabei werden die
Siliziummodule für 45 Minuten in ein 450 Grad Celsius heißes Sandbad
gelegt. Während die Kunststoffanteile verbrennen, muss man die
Siliziumscheiben chemisch reinigen, bevor sie wieder zu Solarzellen
verarbeitet werden. Erste Versuche haben Wirkungsgrade im Bereich
derer von neuen Solarzellen ergeben. »Der Europäischen Kommission
reichten unsere Ergebnisse aber nicht aus. Im Allgemeinen will die Europäische Kommission in Zukunft weniger, aber dafür größere Projekte im Bereich erneuerbare Energien fördern. Ziel sei es, einen deutlichen Beitrag zur Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien in der Europäischen Union zu leisten. »Kleine und mittlere Unternehmen müssen jetzt keine Angst haben, aus der Förderung rauszufallen. In größeren Konsortien ist auch für solche Betriebe Platz,« versicherte allerdings der zuständige Kommissionsbeamte Bill Gillett. Von der Konferenz zum Forum »Die
Ausstellung, die Konferenz und die Workshops bieten viele
Gelegenheiten für spontane Veranstaltungen, weil eben jeder hier
ist«, sagte der wissenschaftliche Leiter der Konferenz, Heinz
Ossenbrink. Aus diesem Grund solle das Konzept einer kombinierten
Konferenz und Ausstellung beibehalten werden, auch wenn die Teilnehmer
der beiden Schnittmengen sich nicht mehr vollständig mischen. So
widmeten sich die 1.297 Konferenzbesucher vornehmlich der kaum mehr zu
bewältigenden Nächster Konferenzort ist München Laut Ossenbrink ist mit der Zahl von 185 Vorträgen und 749 Posteraustellungen die Grenze erreicht. Sollten noch mehr wissenschaftliche Beiträge eingereicht werden, müsse man strikter auswählen. »Bei dieser Konferenz sind wir dem Wunsch gefolgt, dass mehr junge Wissenschaftler ihre Arbeiten auf dem Podium vorstellen«, erklärt Ossenbrink. Die fünftägige Konferenz wurde nachmittags jeweils in drei parallel laufende Veranstaltungen aufgeteilt. Dass es infolge nachlässiger Podiumsleiter zu zeitlichen Verzögerungen kam, und Teilnehmer, die von einer Session zur anderen wechseln wollten, die Vortragsanfänge verpassten, betrachtet er als Kinderkrankheit. Alles in allem sei die Konferenz trotz Glasgows Randlage in Europa ein voller Erfolg gewesen, urteilt Ossenbrink – und nebenbei hat sie mehr Sonne auf die Stadt von James Watt scheinen lassen, als es in einem Monat Mai der letzen 40 Jahren der Fall gewesen ist. Die nächste Konferenz findet in München vom 29. Oktober bis zum 2. November 2001 statt. Dort – unter dem Dach mit der weltgrößten aufgeständerten Solarstromanlage der Messe München-Riem und im Land mit dem derzeit größten Solarmarkt Europas – werden noch wesentlich mehr Besucher und Aussteller erwartet. Und vielleicht spielt die Sonne auch hier mit, und beschert den Besuchern einige schöne Tage im Spätherbst.
Michael
Schmela
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