Photovoltaik: Dünnschicht-, Farbstoffsolarzellen & Co.
Zukunftsmarkt im Fokus
Durch Photovoltaik wird Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt. Im Energiemix der Zukunft kommt der Solarenergie eine wichtige Bedeutung zu. Zahlreiche Länder haben ihre Kapazitäten in den letzten Jahren deutlich ausgebaut. Die Preise für Solarmodule und –anlagen werden in Zukunft durch Produktivitätssteigerungen und technische Fortschritte weiter fallen. Kristallines Silizium ist heute das wichtigste Material für den Bau von Solarzellen. Vielversprechend ist die Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen, mit denen der Materialverbrauch stark reduziert werden kann. Die nächste Photovoltaik-Generation, die sogenannten organischen Solarzellen, verzichten vollständig auf teures Silizium. Noch liegen die Wirkungsgrade von Kunststoff- und Farbstoffsolarzellen deutlich unter jenen der Silizium-basierten Photovoltaik, doch können die Zellen kostengünstiger und auf einer Vielzahl von Trägermaterialien produziert werden. Damit wird die Erschließung völlig neuer Anwendungsgebiete möglich. Nanotechnologische Verfahren werden zur Steigerung der Wirkungsgrade beitragen. So lässt sich beispielsweise mit nanostrukturierten Oberflächen die Lichtabsorption der Zellen optimieren.
Die deutsche Photovoltaik-Branche boomt
In den letzten zehn Jahren sind die Umsätze der deutschen Photovoltaik-Branche von rund 200 Millionen Euro auf 8,8 Milliarden Euro gestiegen. Der Gesamtbestand der installierten netzgekoppelten Solarstromleistung hat sich von 100 MWp (Mega-Watt-peak) im Jahr 2000 auf 9.785 MWp in 2009 erhöht. 2009 wurden in Deutschland 6.200 Gigawatt an PV-Strom erzeugt, fast dreimal so viel wie im Jahr 2006. (Bundesverband Solarwirtschaft e.V., 2010)
Nanobeschichtung erhöht Wirkungsgrad von Dünnschicht-Solarzellen
Das US-Startup Broadband Solar hat eine Beschichtung entwickelt, die den Wirkungsgrad von Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium von acht auf zwölf Prozent erhöht. Die Beschichtung enthält nanoskalige metallische Partikel, die den Weg der einfallenden Photonen verlängern und dadurch die Menge des absorbierbaren Lichts erhöhen. Mit der Beschichtung soll sich auch der Wirkungsgrad anderer Arten von Dünnschicht-Solarzellen steigern lassen. (Bourzac, 2010)
Züchtung synthetischer Solarzellen aus Tabakpflanzen
Wissenschaftler der UC Berkeley arbeiten daran, synthetische Solarzellen mithilfe von Tabakpflanzen zu züchten. Dafür haben sie einen Virus gentechnisch so verändert, dass er die Pflanzen dazu anregt, Chromophoren zu bilden, winzige Strukturen, mit denen sich Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln lässt. Ziel ist es, die Chromophoren in Zukunft aus den Tabakblättern zu extrahieren, ohne sie zu zerstören. In Flüssigkeit gelöst können diese Strukturen dann auf einen Träger gesprüht werden, beispielsweise Glas oder Plastik. Die synthetischen Solarzellen halten zwar nicht solange wie normale Silizium-Solarzellen, sind aber preiswerter und biologisch abbaubar. Allerdings dürfte es noch einige Jahre dauern, bevor entsprechende Zellen kommerziell genutzt werden. (Bland, 2010)
Druckbare Solarzellen-Folien
Die US-amerikanische Firma Nanosolar Inc. hat ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Solarzellen-Folien bei sehr hohen Prozessgeschwindigkeiten im Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu drucken. Zur Herstellung des mikrometerdünnen Halbleiterfilms wird eine spezielle Nano-Tinte mittels eines Hochleistungsbeschichters auf eine Metallfolie gebracht. Die Nanopartikel absorbieren das Sonnenlicht und wandeln es in elektrischen Strom um. Teures Silizium ist dafür nicht mehr notwendig. Der hohe Durchsatz bei der Produktion ermöglicht die Fertigung von Solarzellen und –modulen mit deutlich überlegener Kosten- und Kapitaleffizienz. (Nanosolar Inc., 2010)
Solar-Handy
Samsung hat mit dem E1107 ein Handy mit Solarunterstützung auf den Markt gebracht. Eine auf der Rückseite angebrachte Solarfolie ermöglicht es, das Handy bei Tageslicht unterwegs aufzuladen. Eine Stunde in der Sonne bringt laut Samsung bis zu zehn Gesprächsminuten oder 20 SMS. Wer ökologisch nachhaltig telefonieren will, muss allerdings auf einige Features verzichten, darunter WLAN, GPS oder eine schnelle Internetverbindung. (Herkner, 2010)
Die installierte PV-Leistung in Deutschland wird sich zwischen 2010 und 2014 verdoppeln
Die in Deutschland installierte PV-Leistung wird sich von 14.786 MWp im Jahr 2010 auf 28.785 MWp im Jahr 2014 verdoppeln. Durchschnittlich wächst die installierte Leistung um drei bis vier GWp pro Jahr. (EPIA, 2010)
Das Dachflächen-Potenzial für Photovoltaik ist bis 2020 bei weitem noch nicht ausgeschöpft
Ein Durchschnittshaushalt in Deutschland kann mit 10 m² Photovoltaik-Dachfläche ein Viertel seines Stromverbrauchs decken. 2008 wurden in Deutschland 5.800 Hektar Gebäudefläche für Photovoltaik und Solarthermie genutzt. 2020 werden es 37.000 Hektar sein. Das sind gerade einmal 15,8 Prozent der geeigneten Gebäudeflächen. (Agentur für Erneuerbare Energien, 2010)
2020: PV-Strom deckt bis zu zwölf Prozent des europäischen Stromverbrauchs
Die Stromproduktion mit Photovoltaikanlagen wird in den nächsten zehn Jahren konkurrenzfähig. Bei den Kosten wird ein schnelleres Sinken als bei jeder anderen Energiequelle erwartet. Einige Länder in Südeuropa werden bereits in wenigen Jahren die sogenannte Grid-Parity (Netzparität) erreichen, d.h. PV-Strom kann zum gleichen Preis wie der Endverbraucherstrom angeboten werden. Bisher deckt PV-Strom allerdings noch weniger als ein Prozent der EU-Nachfrage. Unter den aktuellen Bedingungen wird der Anteil bis 2020 auf vier bis sechs Prozent steigen. Tatsächlich ist ein Anteil von bis zu zwölf Prozent möglich, sofern Entscheidungsträger, Regulierungsbehörden und die Energiebranche für günstigere Bedingungen sorgen. (EPIA und A.T. Kearney, 2009)
Der PV-Weltmarkt wird bis 2020 um durchschnittlich 20 Prozent pro Jahr wachsen
In der letzten Dekade expandierte die Zahl der Neuinstallation um über 40 Prozent pro Jahr. Der zunehmende Wettbwerb sorgt für weiter fallende PV-Anlagenpreise, sodass trotz sinkender Fördergelder der Weltmarkt weiterhin dynamisch wachsen wird. (DB Research, 2010)
2026: Mit Solarenergie lässt sich der komplette globale Energiebedarf decken
Auf dem 4. Dresdner Zukunftsforum am 10. Juni 2010 prognostizierte der Futurologe Ray Kurzweil, dass sich die weltweit mit Solarenergie erzeugte Kapazität, ähnlich wie beim Mooreschen Gesetz, alle zwei Jahre verdoppeln wird. Macht der Anteil der Solarenergie am weltweiten Energiebedarf heute gerade einmal ein Prozent aus, könnte nach acht Verdoppelungszyklen im Jahr 2026 der gesamte Weltenergiebedarf mit Solarenergie gedeckt werden. (Kurzweil, 2010)
Der weltweite PV-Markt wird sich bis 2015 stark konsolidieren
Die Zahl der Solarzellen- und Modulhersteller wird bis 2015 um 40 Prozent sinken. Gleichzeitig erhöht sich der Marktanteil der Top 10 der Branche von 44 auf 57 Prozent. (goetzpartners, 2009)
Mehrfachsolarzellen könnten bis 2015 Wirkungsgrade von bis zu 50 Prozent erreichen
Der vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) aufgestellte Wirkungsgrad-Weltrekord liegt gegenwärtig bei 41,1 Prozent. Neue Materialien und ausgereiftere Methoden zur Kühlung werden es ermöglichen, den Konzentrationsfaktor der Sonnenstrahlung bei Mehrfachsolarzellen weiter zu erhöhen. (solarserver.de, 2009)
2012: Dünnschicht-Solarzellen erreichen einen Marktanteil von 30 Prozent
Dünnschicht-Solarzellen können auf fast jede Oberfläche gedruckt werden und kommen ohne den Rohstoff Silizium aus. Autokarossen, Fenster oder ganze Fassaden können so in Zukunft zur Energiegewinnung genutzt werden. Auch wenn der Wirkungsgrad noch lange nicht konkurrenzfähig ist, haben Dünnschicht-Solarzellen ein enormes Potenzial. Die Produktionskosten sind mit 80 Euro-Cent pro Watt nur halb so hoch wie bei Siliziumzellen. Zudem ist der Energieverbrauch bei der Herstellung erheblich niedriger als bei der Silizium-Konkurrenz. Um die für die eigene Herstellung nötige Energie selbst zu erzeugen, benötigen Siliziumzellen zwei Jahre. Dünnschicht-Solarzellen amortisieren sich bereits nach einem Jahr. Weltweit arbeiten etwa 160 Unternehmen an neuen Dünnschicht-Produktionsmethoden. Nach einer Prognose des Bonner Marktforschungsinstituts EuPD Research wird der Marktanteil von Dünnschichtzellen von 17 Prozent in 2009 auf 30 Prozent in 2012 steigen. (Kempkens, 2009)
Dünnschicht-Solarzellen werden zur Energiegewinnung in Elektrofahrzeugen genutzt
Sinkende Preise und technologische Fortschritte werden den Einsatz von Photovoltaik im Automobilbereich deutlich vorantreiben. Während heutige Polysilizium-Dachmodule relativ schwer sind und sich negativ auf die Batteriereichweite und -lebensdauer von Elektro- und Hybridfahrzeugen auswirken, werden in Zukunft ultra-leichte Dünnschicht-Solarzellen, die zusätzlich die Flächen an den Türen, auf den Fenstern und im Innenbereich der Fahrzeuge zur Energiegewinnung nutzen, breite Anwendung finden. (Frost & Sullivan, 2009)
Farbstoff- und Kunststoffsolarzellen werden in bestehenden und neuen PV-Märkten sukzessive Marktanteile erobern
Bis 2020 werden beide Bereiche der Organischen Photovoltaik ihre Produktionskapazitäten deutlich ausbauen. Farbstoff- und Kunststoffsolarzellen werden vor allem in der gebäudeintegrierten Photovoltaik, im Automobil- und Flugzeugbau sowie im Bereich der Unterhaltungselektronik breite Anwendung finden und teure Silizium-Solarzellen teilweise verdrängen. (Greentech Media, 2009)
2015: "Solarfarbe" erreicht einen Wirkungsgrad von 15 Prozent
Klobige, aufwendig zu installierende Solarmodule könnten bereits in wenigen Jahren passé sein. Die von der Firma Dyesol entwickelte "Solarfarbe" lässt sich auf zahlreiche Oberflächen auftragen. Der Stahlkonzern Corus plant, bis zu 100.000 Quadratmeter große Hallendächer mit dem lichtempfindlichen Farbstoffkomplex zu beschichten. Bis zum Jahr 2015 soll der Wirkungsgrad von gegenwärtig sieben auf 15 Prozent gesteigert werden, was einer Ausbeute von etwa 150 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr entspricht. (Sprothen, 2009)
Flexible Mikrofaser-Solarzellen werden zur Stromerzeugung in Kleidungsstücken eingesetzt
Forscher am California Institute of Technology haben flexible Solarzellen entwickelt, die bei gleicher Leistung nur einen Bruchteil der teuren Halbleitermaterialien benötigen wie konventionelle Solarzellen. Die Wissenschaflter verwenden für die Solarzellen eine Matrix aus langen, sehr dünnen Silizium-Drähten, die in ein Polymer-Substrat eingebettet werden. Der Silizium-Anteil am Gesamtvolumen liegt bei zwei Prozent.
In Zukunft könnten flexible Mikrofaser-Solarzellen beispielsweise in Kleidungsstücken zur Stromerzeugung eingesetzt werden, um elektronische Geräte wie Handys oder MP3-Player aufzuladen. (California Institute of Technology, 2010)
Japan baut bis 2030 ein Solarkraftwerk im All
Space Solar Power System (SSPS) heißt das Milliarden-Projekt, dessen Verwirklichung bis 2030 geplant ist. Mehrere Quadratkilometer große Kollektoren mit einer Leistung im Gigawatt-Bereich sollen auf einer Umlaufbahn außerhalb der Erdatmosphäre stationiert werden. Die Übertragung der Solarenergie zur Erde erfolgt mittels Laser oder Mikrowellen. Riesige, auf dem Meer schwimmende Parabolantennen sollen die Energie auffangen und anschließend wieder in Strom zurückverwandeln. Bereits in wenigen Jahren soll ein Satellit die Übertragung per Mikrowelle testen. (heise online, 2009)