EU-Projekt ATHLET will Dünnschichtsolarzellen an den Markt bringen
Die Kostensenkung von Solarzellen ist die zentrale Herausforderung der modernen Photovoltaik. In Berlin startet am 20. Februar das europaweit größte Forschungsprojekt, das sich dieser Herausforderung stellt. Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus 11 Ländern arbeiten zusammen, um den Übergang der zweiten Generation von Solarzellen, so genannten Dünnschichtzellen, aus den Laboren in den Markt zu beschleunigen.
Solarzellen der zweiten Generation
Solarzellen der zweiten Generation benötigen bei der Herstellung sehr wenig Material und Energie. Sie sind ultradünn und werden durch neuartige Prozesstechnologien hergestellt. Die Europäische Union und nationale Partner werden in den nächsten vier Jahren im Rahmen des Forschungsprojektes „ATHLET“ insgesamt rund 21 Millionen Euro in die Forschung und Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen investieren. Das Hahn-Meitner-Institut Berlin (HMI), koordiniert die Zusammenarbeit von Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen. Die Partner aus 11 europäischen Ländern werden zwei aussichtsreiche Technologienpfade weiterentwickeln und entsprechende Produkte am Markt positionieren. An beiden Technologien ist das HMI unter den führenden Foschungsakteuren.
Im Rahmen des Integrierten Projekts „ATHLET“ werden erstmals gemeinsam zwei Technologien entwickelt, die jeweils auf unterschiedlichen Materialien beruhen. Da beide Materialsysteme auch Gemeinsamkeiten haben, werden durch die Zusammenarbeit Ressourcen gebündelt und Synergien genutzt.
Zwei Technologien unter einem Dach
Die so genannte CIS-Technologie wird u.a. von Shell Solar vorangetrieben. Statt Silizium wird bei diesem Solarzellentyp eine Verbindung aus den Elementen Kupfer, Indium und Selen zur Lichtabsorption verwendet. Dieses Material nimmt bei gleicher Schichtdicke wesentlich mehr Licht auf als Silizium. Daher genügen bereits wenige Mikrometer um das Sonnenlicht vollständig zu absorbieren, im Gegensatz zu 200-300 Mikrometern bei herkömmlichen Siliziumwafern. Die Materialkosten bei der Produktion sind entsprechend niedriger.
Die zweite Technologie verfolgt das Konzept der so genannten mikromorphen Dünnschichtsolarzelle. Diese Tandem- oder Stapelzellen aus Silizium kombinieren zwei Zellen mit unterschiedlichen Absorptionsspektren. Sie können so das Spektrum des Sonnenlichtes besser ausnutzen und haben daher einen höheren Wirkungsgrad als vergleichbare Einzelzellen. Dieser Zelltyp kann seit einiger Zeit erfolgreich im Labormaßstab hergestellt werden und wird nun mit Unterstützung von Schott Solar zur Marktreife gebracht.
Sichere Energie und Arbeitsplätze auch in Zukunft
Die Photovoltaik gilt als Schlüsseltechnologie der Zukunft. Sie kann einen wesentlichen Beitrag leisten um die Abhängigkeit von Importen an Energieträgern wie Öl und Gas und den Ausstoß von CO2 zu reduzieren. Die Photovoltaikindustrie setzt schon heute Milliarden-Beträge um und schafft nebenbei tausende von neuen Industriearbeitsplätzen. Daher ringen die globalen Kräfte aus den USA, Japan und Europa hart um die technologische Führerschaft. Mit dem „ATHLET“ Projekt strebt Europa eine Spitzenposition in dieser Entwicklung an.
Damit das rasante Wachstum der Branche auch in den kommenden Jahren weitergeht, müssen die Kosten für Solarstrom noch tiefer fallen. Der heutige Markt wird von Solarmodulen auf Basis von Siliziumwafern beherrscht. Der bereits erreichte Preisrückgang ist im Wesentlichen auf die Steigerung der Produktionsvolumina und verbesserte Herstellungstechnologien zurückzuführen. Derzeit bremst die Knappheit an Silizium den weiteren Preisrückgang. Auch wenn in naher Zukunft dieser Engpass durch den Aufbau neuer Produktionskapazitäten überwunden wird, bleibt die anhaltende Kostenreduktion das zentrale Thema für die Photovoltaik.
Welcher Entwicklungspfad in Zukunft die Nase vorn hat, wird sich wahrscheinlich erst zeigen, wenn die Produkte in nennenswertem Umfang am Markt verfügbar sind. Möglich ist auch, dass die verschiedenen Solarmodule ihre jeweiligen Stärken in unterschiedlichen Anwendungsgebieten ausspielen.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.