Solarzellen sind in einigen Ländern und Regionen ein vertrautes Bild auf vielen Dächern von privaten Wohn- und teilweise auch von Geschäftsimmobilien. Ihre Verbreitung verdanken sie oft in erster Linie Förderungen und Subventionen – und nicht nur einer günstigen Besonnung. In den vergangenen zwanzig Jahren sind die Wirkungsgrade kontinuierlich verbessert worden, sodass sich der Einbau oft auch ohne Förderung finanziell lohnt.
Dennoch bleibt noch viel zu tun. Die derzeit installierte Basis von 1,2 Terawatt müsste bis 2050 auf über 70 Terawatt ausgebaut werden, um – zusammen mit weiteren nachhaltigen Energiequellen wie Wind – die fossile Stromproduktion zu ersetzen.
Wirkungsgrade über 30 Prozent
«Der Bereich der Photovoltaik (PV) ist sehr aktiv und dynamisch, da der Bedarf an PV-Anlagen in den kommenden Jahren und Jahrzehnten sehr gross ist», sagt Matthieu Despeisse, Group Leader Solar Modules beim CSEM in Neuenburg. Ihm zufolge gibt es zahlreiche neue Entwicklungen. Sie konzentrieren sich zunächst auf Leistungsverbesserungen, konkret auf die Erhöhung des Umwandlungswirkungsgrads, die Steigerung der kWh-Erzeugung pro installiertem Photovoltaikmodul sowie die Erhöhung der Zuverlässigkeit von PV-Modulen auf über dreissig Jahre Lebensdauer bei geringerem Leistungsabfall während der Lebensdauer.
Gleich drei Forschungsgruppen, eine davon von der EPFL in Lausanne in Zusammenarbeit mit dem CSEM, haben auf der Basis von Perowskit-Topzellen und Silizium-Unterzellen neue Effizienzweltrekorde gemeldet. Perowskit ist ein Kristallstrukturvariante des ziemlich häufigen Minerals Calciumtitanat. Die Wirkungsgrade liegen zwischen 31 und 34 Prozent – gegenüber 24,5 Prozent, die sich bei kommerziellen «reinen» Silikonzellen auf Hausdächern ergeben, und 27 Prozent, die sich im Labor erzielen lassen.
«Das Forschungsfeld ist äusserst wettbewerbsorientiert, weltweit arbeiten viele Gruppen auf diesem Gebiet», heisst es seitens des Berliner Helmholtz-Zentrums für Materialien und Energie, dem zweiten der derzeit drei führenden Forschungseinrichtungen (das dritte befindet sich in Saudi-Arabien). Technische Basis der Rekorde sind sogenannte Tandemzellen. Diese bestehen aus einer verbesserten Perowskitverbindung in Kombination mit einer speziellen Oberflächenmodifikation. Damit lassen sich die Ladungsrekombination weitgehend unterdrücken und die hiermit verbundenen Verluste verringern.
Die Forschungsgruppen analysierten das Geschehen an den Grenzflächen und in den einzelnen Schichten, passten die Topelektronen an, verbesserten die Optik und modifizierten die Oberflächen mit einem neuartigen speziellen Molekül. «Erst die Kombination aller Modifikationen ermöglichte es, Höchstwerte der Photospannung sowie des Photostroms und folglich in puncto Effizienz zu erzielen», resümierten die Forschenden vom Berliner Helmholtz-Zentrum.
Panels werden kreislauffähig
Der zweite Schwerpunkt der Verbesserungen ist laut Despeisse die Verringerung der Umweltauswirkungen durch Recycling und Kreislaufwirtschaft sowie die Verringerung des Materialverbrauchs. Und drittens liegt der Schwerpunkt auf verbesserten Integrationsmöglichkeiten. In dieser Hinsicht sind bei Gebäuden die wichtigsten Entwicklungen bei farbigen PV-Modulen zu sehen, mit einheitlicher Ästhetik bis hin zu integrierten künstlerischen Designs für Dächer und Fassaden sowie zu einer verbesserten Leistung für die Gebäudeintegration und neuen Moduldesigns mit geringem Gewicht und unterschiedlichen Formen.
«Es ist anzumerken, dass die Innovation auch mit einer neuen Generation von Installationsansätzen und -techniken einhergeht, beispielsweise auf Fliesen, Jalousien, Betonwänden, leichten Fassadenstrukturen», sagt Despeisse. «Eine Vielzahl neuer Technologien wird derzeit und in den kommenden Jahren kontinuierlich eingesetzt. Es wird neue Generationen von PV-Modulen geben, die sich in den kommenden Jahren stark diversifizieren werden.»