Weltrekord mit flexiblen Solarzellen

News: Weltrekord mit flexiblen Solarzellen

Leichte, flexible und kostengünstige Solarzellen bieten vielversprechende Aussichten für Anwendungen im Weltraum und auf der Erde; bei zukünftiger Großproduktion könnten sie den Solarstrom gar konkurrenzfähig machen. Entwickelt wurden die neuartigen Solarzellen von einer Forschergruppe des Instituts für Quantenelektronik der ETH Zürich. Die Forscher haben ein Verfahren entwickelt, um die Dünnschichten aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen auf Kunststofffolien aufzutragen. Damit läßt sich ein Wirkungsgrad von fast 13 Prozent erreichen - ein Weltrekord für flexible Solarzellen.

Dünnschichten aus einem Halbleiter aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS) haben sich bereits im Ausland als vielversprechende Solarstromquellen erwiesen. Einer Forschungsgruppe der ETH Zürich ist es nun erstmals gelungen, solche CIGS-Dünnschichten mit der nötigen Qualität auf eine Kunststofffolie statt auf Glas aufzubringen. Damit war es möglich, bis fast 13 Prozent der einfallenden Lichtenergie in Elektrizität umzuwandeln – "ein Weltrekord für Solarzellen auf flexiblen Trägern!", sagt Hans Zogg, Leiter der Gruppe Dünnschichtphysik am Institut für Quantenelektronik (IQE), der seine Forschungen im Rahmen eines EU-Projekts unter anderem mit Unterstützung des Schweizerischen Nationalfonds durchführte.

Die Dünnschichten sind nur gerade 2-3 Tausendstel Millimeter dick, deshalb verbraucht die CIGS-Technologie nur geringe Mengen von Substanzen. Daraus resultieren niedrigere Herstellungskosten und eine kürzere Energierücklaufzeit (diese gibt an, wie lang ein Solarmodul braucht, bis es gleich viel Energie geliefert hat, wie für seine Herstellung aufgewendet wurde). Diese Vorteile kommen allerdings erst dann voll zur Geltung, wenn auch ein leichtes und dünnes Trägermaterial verwendet wird. In dieser Hinsicht sind Polymerfolien dem Glas überlegen und bieten zusätzlich den Vorteil der Flexibilität.

Die Schwierigkeit ist allerdings, daß das Auftragen der CIGS-Schicht durch Aufdampfen im Vakuum bei einer Temperatur um 500°C erfolgen muß, um die erwünschte Qualität zu erhalten. Bei einer so hohen Temperatur werden aber handelsübliche Polymerfolien mechanisch unstabil. Um das Problem zu umgehen, hat die Zürcher Gruppe die Dünnschicht in zwei Schritten hergestellt: "Zunächst wird der Kunststoff auf eine Glasplatte aufgebracht, die die erforderliche Stabilität sichert, und darauf die dünne Schicht abgeschieden", erklärt Ayodhya Nath Tiwari vom IQE, der das Verfahren entwickelt hat. "Vorher wird auf die Glasplatte eine Schicht aus gewöhnlichem Kochsalz aufgetragen. Am Schluss des ganzen Prozesses wird diese Schicht in Wasser aufgelöst – so läßt sich die abgekühlte Folie samt der dünnen Schicht vom Glassubstrat abtrennen."

Aussichten für Anwendungen bieten sich unter anderem im Weltraum an. Dort ließe sich mit einem Kilogramm der flexiblen CIGS-Zellen eine elektrische Leistung von 1,5 Kilo-watt hervorbringen – dies ist rund sechs Mal mehr als mit der gleichen Gewichtsmenge der heute verwendeten Zellen aus kristallinem Silizium. Zudem ist CIGS strahlungsresistenter – ein weiterer Vorteil für den Einsatz im Weltraum. Flexible Zellen müßten auch nicht zwangsläufig in mechanisch anfällige Strukturen, in Solarpanels, eingebaut werden. Sie könnten zum Beispiel an die Oberfläche eines Ballons oder Segels angebracht werden, den man im Weltraum aufblähen bzw. aufspannen würde.

Aber auch Anwendungen auf der Erde sind denkbar. "In Gebieten von Entwicklungsländern, die vom elektrischen Netz nicht erschlossen sind, oder auf dem Meer, in Hochgebirgen und Wüsten könnten leichte, abrollbare Sonnensegel mobile medizinische Geräte, Kühlschränke, Telekomanwendungen und weitere Dienstleistungen mit Strom speisen", sagt Ayodhya Nath Tiwari. Dank der Flexibilität können die Zellen auch auf unebene Oberflächen geklebt werden, etwa auf Autokarosserien oder Schiffen. CIGS-Zellen wären auch als Stromquelle für Kreditkarten vorteilhaft. Die heute verwendeten Dünnschichten aus amorphem Silizium haben einen wesentlich niedrigeren Wirkungsgrad.

Allerdings können die am IQE verwendeten Laborapparaturen nur CIGS-Zellen von einigen Quadratzentimetern beschichten. Zur Zeit sind Gespräche mit möglichen Partnern im Hinblick auf die Herstellung grossflächiger Zellen im Gang. Die Produktion von flexiblen CIGS-Zellen im industriellen Massstab dürfte nach Meinung der Wissenschaftler wesentlich weniger kosten als diejenige der heutigen Solarzellen aus kristallinem Silizium. Bei genügender Produktionsmenge könnten in Zukunft vielleicht sogar konkurrenzfähige Solarstrompreise möglich sein.