Das Foto zeigt wie sich mit neuen Verfahren Oberfläche, Rückseite und Kontakte von Photovoltaikzellen optimieren lassen, wie hier innerhalb des Forschungsprojekts ForTeS - Entwicklung fortschrittlicher Technologien zur Effizienzsteigerung von Silicium-Solarzellen der nächsten Generation.
© Singulus Technologies AG
Mit neuen Verfahren lassen sich Oberfläche, Rückseite und Kontakte von Photovoltaikzellen optimieren, wie hier innerhalb des Forschungsprojekts ForTeS - Entwicklung fortschrittlicher Technologien zur Effizienzsteigerung von Silicium-Solarzellen der nächsten Generation.

Photovoltaik

Unternehmen und Institute arbeiten kontinuierlich daran, die Kosten der Photovoltaik-Produktion weiter zu senken, die Qualität und Effizienz der Zellen und Module zu erhöhen sowie eine bessere Einbindung des Solarstroms in das Versorgungssystem zu gewährleisten. 2020 hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) 116 neue Photovoltaik-Förderprojekte auf Grundlage des 7. Energieforschungsprogramms bewilligt. Rund 84 Millionen Euro sind 2020 in 480 laufende Forschungs- und Entwicklungsprojekte geflossen.

In den gemeinsamen Förderprojekten setzen sich Wirtschaft und Wissenschaft konkrete Entwicklungsziele. Dadurch sinken die Investitions- und Betriebskosten – und die Finanzierungsmöglichkeiten steigen. Im November 2020 hat die EnBW Energie Baden-Württemberg AG beispielsweise den mit 187 Megawatt größten deutschen Solarpark in Brandenburg in Betrieb genommen. Der EnBW-Solarpark Weesow-Willmersdorf ist der erste ohne EEG-Subventionen errichtete Solarpark in Deutschland.

IRENA, die internationale Agentur für erneuerbare Energien, hat in ihrem Bericht "Renewable Power Generation Costs in 2019" die Entwicklung des vergangenen Jahrzehnts dokumentiert: Demnach sind die Kosten für die Produktion von Strom aus Photovoltaik zwischen 2010 und 2019 um 82 Prozent gesunken. Immer öfter liegen diese unter den Kosten für die Produktion von Strom aus fossilen Kraftwerken. Und auch die Internationale Energieagentur (IEA) weist mit ihrem Bericht "Net Zero by 2050 - A Roadmap for the Global Energy Sector" von Anfang 2021 auf die Bedeutung der Photovoltaik hin: „Immer billigerer Strom aus erneuerbaren Energien ist entscheidend für ein globales CO2-freies Energiesystem. Der von der IEA aufgezeigte Weg erfordert eine rasche Vergrößerung der Kapazitäten von Solar- und Windenergie noch in diesem Jahrzehnt.“

Grafische Darstellung der Fördermittel im Bereich Photovoltaik seit 2015.
© Projektträger Jülich

Verteilung der Fördermittel im Bereich Photovoltaik seit 2015.

  Entwicklung des Neubewilligungsvolumens im Bereich Photovoltaik seit 2015.
© Projektträger Jülich

140 Gigawatt weltweit im Jahr 2020 zugebaut

Die sinkenden Kosten und die Notwendigkeiten der neuen Energiepolitiken spiegeln sich in den Ausbauzahlen. Sowohl national als auch international hat Strom aus Photovoltaik einen großen Anteil an der heutigen Energieversorgung. Rund 9 Prozent des Stroms, der bei den deutschen Verbrauchern im Jahr 2019 angekommen ist, stammt aus Photovoltaik. Nach Daten der Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik ist die installierte Photovoltaik-Leistung in Deutschland im Jahr 2020 von rund 49 auf 53,8 Gigawatt angestiegen. Damit liegt der Ausbau 2020 bei rund 4,9 Gigawatt, deutlich höher als im Jahr 2019 mit rund 3,8 Gigawatt zugebauter Leistung. Weltweit sind nach ersten Schätzungen der Internationalen Energie Agentur (IEA) 2020 rund Jahr 140 Gigawatt Photovoltaik-Leistung zugebaut worden.

Durch integrierte Photovoltaik neue Flächen erschließen

Der Einsatz der Technologie ist vielfältig: Kleine Hausdachanlagen und große Freiflächenanlagen auf dem Feld sind die aktuell bekanntesten Anwendungsgebiete. Weitere Potenziale stecken in der sogenannten integrierten Photovoltaik: Die Module werden hierbei in Oberflächen eingebaut. Besonders Gebäudefassaden bieten sich dafür an. Aber auch Lärmschutzwände, Fahrzeuge, Gewässer und landwirtschaftlich genutzte Flächen kommen grundsätzlich infrage.

Das Foto zeigt CIGS-Module an der Fassade eines Spar-Supermarktes in Norwegen.
© NICE Solar Energy GmbH
CIGS-Module an der Fassade eines Spar-Supermarktes in Norwegen.

Kristallines Silizium als Basistechnologie

Zellen auf Basis kristallinen Siliziums als Halbleiter stehen weiterhin im Vordergrund der Entwicklung. Der aktuelle Standard hierbei ist die sogenannte PERC-Technologie, kurz für "Passivated Emitter and Rear Contact". Im Mai 2020 hat die Meyer Burger AG in Freiberg (Sachsen) eine neue Photovoltaikfertigung in Betreib genommen. Hergestellt werden Module mit einer innovativen Heterojunction-Smartwire-Technologie, die nach Angaben des Unternehmens Vorteile hinsichtlich Nachhaltigkeit und Leistungsfähigkeit bietet.

Mit Blick auf die Zukunft sind auch Stapelzellen ein zentrales Thema der BMWi-Forschungsförderung. Zwei oder mehr Solarzellen aus verschiedenen Materialien werden dabei übereinandergeschichtet. Oft dient kristallines Silizium hierbei als Basisschicht. Durch die Kombination unterschiedlicher Halbleitermaterialien kann ein größeres Spektrum des Sonnenlichts genutzt werden. Jede Schicht fängt ein anderes Teilspektrum ein – damit steigt der Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad zeigt an, wie viel Prozent der einfallenden Lichtenergie in Nutzenergie, also Strom, umgewandelt werden kann.

Steile Entwicklungskurve bei Perowskiten

Insbesondere stehen Stapelzellen mit Perowskiten kurz vor der Serienreife. Perowskite sind ein Halbleitermaterial, das in der Photovoltaik-Forschung erst seit 2009 eine Rolle spielt. Forschung und Entwicklung haben dazu geführt, dass die Wirkungsrade von Zellen aus Silizium und Perowskiten in den letzten Jahren steil angestiegen sind.

Wichtig bei sämtlichen Forschungsansätzen ist es, neue Konzepte aus dem Labor auf industrielle Produktionsprozesse übertragen zu können. Flexibel auf verschiedene Zellkonzepte umrüstbare Anlagen sowie Informations- und Kommunikationstechnologie tragen dazu bei.

Die Kombination aus Silizium und Perowskit ist erst seit einigen Jahren in der Photovoltaik-Forschung relevant. Die erste Publikation mit einer organisch-inorganischen Perowskit-Schicht als photoaktives Material in einer Solarzelle wurde erst 2009 veröffentlicht. Die für die Photovoltaik relevanten Perowskite sind keine einfachen Materialien, sie sind vergleichsweise instabil und empfindlich gegenüber hohen Temperaturen oder Feuchtigkeit. Forschung und Entwicklung haben jedoch dazu beigetragen, dass die Materialien entsprechend modifiziert und – unter anderem durch geeignete Verkapselungen – stabil eingesetzt werden können. Seit 2013 finden sich Solarzellen aus Perowskiten in den Charts des National Renewable Energy Laboratory (NREL) aus den USA, seit 2017 auch Tandemzellen aus Silizium und Perowskiten. In diesen Charts sind nahezu alle Solarzell-Typen mit den jeweiligen Rekord-Wirkungsgraden verzeichnet. Die Kurven für Perowskit-Verbindungen sind seitdem steil angestiegen.