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Solar: Sonnenaufgang im Solar Valley


neue energie - epaper ⋅ Ausgabe 10/2020 vom 08.10.2020

In Bitterfeld und Freiberg wollen Firmen mit neuer Technik einen neuen Anlauf wagen, die Photovoltaik-Industrie in Deutschland langfristig zu etablieren.


Klappe, die Zweite für das deutsche Solar Valley: In einige der verwaisten Hallen der ostdeutschen Solarwirtschaft soll neues Leben einziehen - und damit an die große, aber kurze Blütezeit der deutschen Photovoltaikindustrie vor zehn Jahren anknüpfen. Insbesondere junge Unternehmen wollen nun zeigen, dass Deutschland dank seiner führenden Forschung weiterhin ein guter Industriestandort für hochmoderne Technik ist.

Aus Sicht der Fertigungsverfahren ...

Artikelbild für den Artikel "Solar: Sonnenaufgang im Solar Valley" aus der Ausgabe 10/2020 von neue energie. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: neue energie, Ausgabe 10/2020

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... revolutionär ist beispielsweise das Konzept der Firma Nexwafe, einer Ausgründung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (Ise) in Freiburg. Nexwafe verzichtet bei der Waferfertigung auf das verlustträchtige Sägen der Siliziumblöcke, bei dem fast die Hälfte des energieaufwendig produzierten Kristalls zu Siliziumstaub zerrieben wird. Statt dessen züchtet das Unternehmen die Kristallplättchen gleich in der gewünschten Dicke. Dazu scheidet es das Silizium aus einem Gas auf einem Saatkristall ab, wobei sich das Kristallgefäß an der Struktur der Unterlage orientiert. Ohne Sägeverlust wird die Schicht dann abgelöst. Physiker Stefan Reber, einst Abteilungsleiter am Ise, heute Firmenchef von Nexwafe, spricht gerne vom „Klonen“ der Siliziumkristalle.

Epitaxie heißt das Verfahren in der Kristallographie. Aus der Mikroelektronik war es zwar bekannt, musste jedoch für die Photovoltaik aufwendig angepasst werden. Nachdem das gelungen ist, spricht die Firma von sogenannten „Drop-in-Replacements“. Das bedeutet: Die neuartig erzeugten Wafer können in bestehenden Zellfertigungen der Kunden anstelle der bisher gesägten Wafer eingesetzt werden, ohne dass es einer Anpassung der Produktionsprozesse bedarf.

Nach einer im Jahr 2015 in Freiburg aufgebauten Pilotfertigung entsteht nun eine Industrielle Fertigung für „EpiWafer“ im Chemiepark Bitterfeld-Wolfen. „Wir wollen die Photovoltaik wieder zurück nach Europa bringen“, sagt Geschäftsführer Reber. Im ersten Halbjahr 2021 soll Baubeginn sein, 2022 wird die Fertigung starten. Anfangs soll die Kapazität bei 400 Megawatt pro Jahr liegen. Der Standort war günstig: Die hochreinen Chlorsilane, aus denen das Silizium abgeschieden wird, werden durch Rohrleitungen von der Silicon Products Bitterfeld angeliefert, die sich direkt nebenan befindet.

Neuer Zweck für alte Hallen

Ebenfalls in Bitterfeld-Wolfen wird die Firma Meyer Burger in die Zellfertigung einsteigen. Der Schweizer Maschinenbauer, der durch Drahtsägen für die Siliziumblöcke der Solarwirtschaft bekannt wurde, verlängert seine Wertschöpfungskette, indem er künftig auch selbst Zellen und Module produziert. Für die Zellfertigung hat das Unternehmen Hallen des ehemaligen Solarzellenherstellers Sovello in Bitterfeld angemietet, die Modulproduktion wird im sächsischen Freiberg stattfinden, in ehemaligen Gebäuden des insolventen Solarworld- Konzerns.

Auch diese Zellen werden von einer neuen Art sein - genannt Heterojunction- Solarzellen (HJT). Dabei wird eine kristalline Siliziumscheibe mit einer Schicht amorphen Siliziums umhüllt. Die unterschiedlichen Siliziumstrukturen erhöhen die Stromausbeute, sodass Wirkungsgrade von 25 Prozent für die Zellen und 22 Prozent für die Module angepeilt sind.

Zugleich setzt Meyer Burger auch auf eine neue Technik im Modul: Die Solarzellen werden mit der sogenannten „Smart- Wire Connection Technology“ verbunden. Anstelle gelöteter Leiterbahnen treten dünnere Drähte, die die Zelloberfläche weniger verschatten. Die neuartigen Verbindungen seien zudem „weniger anfällig für Mikrorisse und weisen einen besseren Stromfluss durch verringerte Widerstände auf“, betont das Unternehmen.

Irgendwann jedoch ist die klassische Siliziumzelle ausgereizt. Die Physik kennt die Grenze genau: bei 29,4 Prozent Wirkungsgrad. Das ist das Shockley-Queisser-Limit, benannt nach seinen Entdeckern. Diesem ist man im Labor mit 26,7 Prozent bereits recht nahe. Überwinden lässt sich die Grenze, indem man Mehrfachsolarzellen nutzt. Sie bestehen aus mehreren Schichten, von denen jede auf einen anderen Teil des Sonnenspektrums optimiert ist. Mit solchen Kombinationen lässt sich in ganz neue Dimensionen vordringen: Den Effizienz- Weltrekord hält seit April 2020 das amerikanische National Renewable Energy Laboratory (NREL), das mit einer Sechsfach- Solarzelle auf einen Wirkungsgrad von 47,1 Prozent kam.

Aber auch mit zwei Schichten lässt sich das besagte 29,4-Prozent-Limit schon deutlich übertreffen. Zellen dieser Art will die Firma Oxford PV ab Mitte kommenden Jahres in Brandenburg an der Havel in Serie fertigen und damit Hallen neu beleben, in denen Bosch Solar einst Dünnschichtmodule produzierte. Oxford PV setzt dabei auf eine ganz neue Stoffklasse: auf Perowskite. Der Name steht nicht für eine einzelne Substanz, sondern für eine spezielle Kristallstruktur; ein klassischer Halogenid-Perowskit ist etwa das Methylammonium- Bleijodid. Doch die Vielfalt an Perowskiten ist groß, sowohl organische wie auch anorganische Stoffe können Perowskit- Struktur aufweisen.

Der entsprechende Stoff wird dann hauchdünn auf eine Silziumscheibe aufgebracht. In diesem Fall erhöht sich der theo-retisch mögliche Wirkungsgrad auf 42 Prozent. Den aktuellen Weltrekord mit Perowskit- Silizium-Tandemzellen halten mit 29,1 Prozent seit Januar 2020 Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Berlin. Oxford PV plant in der Serienfertigung zunächst mit einem Wirkungsgrad von 27 Prozent, um diesen dann jährlich in Schritten von einem Prozentpunkt bis auf 29 Prozent zu steigern. Als ein Hemmnis für den Praxiseinsatz von Perowskiten galt lange Zeit ihre verleichsweise rasche Degradation: Durch kristalline Veränderungen beim Lichteinfall drohte ihre Leistung zu sinken. Inzwischen kann Frank Averdung, Chef von Oxford PV, jedoch „industriekompatible Garantien“ für die Haltbarkeit der Zellen zusichern.

Neue Zellkonzepte: Statt sie zurechtzusägen lässt das Startup Nexwafe seine Siliziumplättchen gleich in der gewünschten Dicke aufwachsen (links).


Die Solarzellen der Firma Meyer Burger bestehen aus einer kristallinen Siliziumscheibe, die von einer Schicht amorphem Siliziums umhüllt ist (rechts).


Das Streben nach höheren Wirkungsgraden ist ökonomisch nach wie vor attraktiv. An den Gesamtkosten einer Photovoltaikanlage hat die Zelle nur einen Anteil von zehn bis 20 Prozent. Selbst wenn deutlich teurere Zellen in den Modulen zum Einsatz kommen, kann sich das demnach schnell rechnen. Denn dank ihres höhe- ren Wirkungsgrads pro Kilowatt Leistung braucht man weniger Modulmaterial, und auch die Installationskosten sinken.

Forschung und Industrie hoffen, die Fertigung hocheffizienter, neuer Solarzellen in Europa nicht nur ansiedeln, sondern auch langfristig etablieren zu können. Im Mai haben 90 Akteure aus 15 europäischen Ländern - Unternehmen der gesamten solaren Wertschöpfungskette und Forschungseinrichtungen - dafür das Bündnis „Solar Europe Now“ gegründet. Die Vereinigung hält die europäischen Forschungszentren aufgrund ihrer „Spitzentechnologien für die industrielle Fertigung entlang der gesamten photovoltaischen Wertschöpfungskette“ für weltweit führend.

Einige der fortschrittlichsten Ansätze wie etwa Tandem-Solarzellen und nachhaltige Produktionverfahren würden derzeit in europäischen Forschungszentren entwickelt, betont Ise-Chef Andreas Bett. Solche Technik bilde die Grundlage für die Renaissance einer global wettbewerbsfähigen industriellen PV-Produktion in Europa. Die Förderung von Forschung und Entwicklung in diesem Sektor stärke zudem „die industrielle Souveränität der EU gegenüber China und Asien“ , wo derzeit 97 Prozent der weltweit produzierten Solarmodule herkommen, hebt „Solar Europe Now“ hervor.

Die Industrieaktivitäten in Deutschland fallen in eine Zeit, in der die heimische Photovoltaik-Branche wieder an Selbstbewusstsein gewinnt. In den ersten sieben Monaten dieses Jahres wurden in Deutschland 2,8 Gigawatt Photovoltaik (brutto, also ohne Berücksichtigung rückgebauter Anlagen) installiert. Bis Dezember dürfte damit der Vorjahreswert von 3,86 Gigawatt überschritten werden. In den besten Jahren - von 2010 bis 2012 - kamen in Deutschland jeweils gut sieben Gigawatt hinzu.

Dieser Wert gilt übrigens auch als Mindestmaß, um das Ziel von 65 Prozent Erneuerbaren im Jahr 2030 zu erreichen. Idealerweise, so hoffen Forscher, Entwickler und Produzenten, werden europäische Firmen einen großen Anteil dazu beisteuern.


Fotos: Nexwafe, Meyer Burger