Wie geht es weiter mit dem Wirkungsgrad von Photovoltaikanlagen?

Anfang der 1990er Jahre arbeitete ein Forschungsteam unter der Leitung von Andrew Blakes und Martin Green an der University of New South Wales (UNSW) in Australien daran, den Weltrekord für die effizienteste monokristalline Solarzelle zurückzugewinnen. Die Gruppe hatte in den 1980er Jahren Pionierarbeit geleistet, mit einer Reihe von rekordverdächtigen Entwicklungen, die den Wirkungsgrad der Energieumwandlung in Labormustern von Solar-PV-Zellen von 18 % im Jahr 1984 auf 20 % bis 1986 steigerten, aber 1988 die Führung an ein konkurrierendes Team der Stanford University verloren hatte.

1989 berichtete die UNSW-Gruppe über ein neues Solarzellendesign – eine sogenannte Passive Emitter Rear Collector (PERC)-Zelle – mit einem Wirkungsgrad von 22-23 %, womit das Team den Weltrekord zurückeroberte.

Im Laufe der 1990er Jahre erhöhten Verbesserungen an der PERC-Zelltechnologie durch das Team den Zellwirkungsgrad auf 25 %, ein Rekord, der 15 Jahre lang Bestand haben sollte.

Im Jahr 2015 hatten PERC-Solarzellen den Übergang von einer Laborkuriosität zum Einsatz in massenproduzierten Solarmodulen vollzogen. In den folgenden Jahren dominierte PERC den Solarmarkt. Im Jahr 2019 basierten alle neu installierten Fertigungslinien für Solarzellen auf der PERC-Technologie, und PERC machte 65 % aller hergestellten Solarzellen aus.

Aus dieser Historie lässt sich ableiten, dass, obwohl die Laborentwicklungsarbeiten an PERC-Zellen bis 1999 abgeschlossen waren, es weitere 16 Jahre dauerte, bis Produkte auf Basis dieser Technologie auf dem Markt erschienen.  

Aus der Grafik ist auch ersichtlich, dass zwischen 1999 und 2014 weltweit in den Laboren keine weiteren Fortschritte bei der Steigerung der Effizienz monokristalliner Zellen erzielt wurden. Wenn jüngste rekordverdächtige Fortschritte die gleiche Zeit benötigen, um von Forschungsgeräten zur Serienfertigung überzugehen, werden wir bis 2030 warten müssen, bevor sie in kommerziellen Solarmodulen auftauchen.

Es mag gut sein, dass aufgrund des massiven Wachstums der Solarindustrie in der Zwischenzeit die aktuellen Forschungsbudgets weitaus größer sind als die von 1999, sodass wir möglicherweise keine 16 Jahre warten müssen. Doch unbestreitbar könnte die Einführung von PERC ein Plateau im unaufhaltsamen Fortschritt der Solarzelleneffizienz darstellen, der seit vielen Jahren ein Merkmal des Solar-PV-Marktes ist.

Wie haben die Modulhersteller reagiert?

Angesichts von Kunden, die sich an Module gewöhnt haben, deren Leistung jedes Jahr stieg, haben die Hersteller zu einem scheinbar billigen Trick gegriffen. Wenn die Zellen nicht effizienter werden, machen wir die Module einfach größer. Es ist eine Vielzahl unterschiedlicher Zellformate und Modulgrößen entstanden. Siehe meinen früheren Blog zur Verbreitung von Modul- und Zellformaten.

Diese nicht so subtile Täuschung hat die Tatsache verschleiert, dass die Technologie ins Stocken geraten ist. Obwohl die Modulleistungen steigen, erhöht sich die spezifische Leistung (Leistung pro Quadratmeter) nur geringfügig und dies aufgrund einer effizienteren Packung der Zellen in den größeren Modulen.

Es gibt jedoch eine Grenze, wie groß ein Modul gemacht werden kann, bevor Nachteile bei der Handhabung und der Installationsfreundlichkeit die Vorteile aufzuwiegen und schließlich zu übertreffen beginnen, insbesondere bei Dachanlagen, wo die mechanische Handhabung weniger einfach zu organisieren ist.

Wie geht es weiter mit der Solarzelleneffizienz?

Die Herausforderung für Forscher, die Effizienzsteigerungen bei Solarzellen anstreben, besteht darin, dass die Zellen bereits nahe an einer „Mauer“ – der Shockley-Queisser-Grenze – sind. Diese theoretische Effizienzgrenze basiert auf physikalischen Gesetzen. Für eine monokristalline Siliziumzelle mit einem einzelnen p-n-Übergang, wie sie heute in Solarmodulen verwendet wird, liegt die Grenze bei 32 %. Mit Laborzelleneffizienzen von 26,1 % beträgt der aktuelle Rekord bereits 81 % des maximal möglichen Werts.

Einige Branchenteilnehmer sehen in Heterojunction-Technologie (HJT)-Zellen den Nachfolger von PERC. Von Sanyo in den 1980er Jahren eingeführt und 2009 von Panasonic übernommen, erreichen HJT-Solarzellen derzeit einen Weltrekordwirkungsgrad von 26,7 %, etwas höher als PERC-Zellen, doch weisen diese Zellen eine ähnliche theoretische Effizienzgrenze auf, die auf einem einzelnen p-n-Übergang basiert.

Eine Möglichkeit, sich von der theoretischen Effizienzgrenze zu lösen, besteht darin, eine Zelle mit mehreren p-n-Übergängen zu schaffen, die jeweils auf unterschiedliche Wellenlängen abgestimmt sind. Ein breiteres Spektrum von Lichtwellenlängen kann dann in Elektrizität umgewandelt werden. 

Unter den Ansätzen zur Erforschung von Mehrschichtzellen scheint ein Ansatz, der als Tandem-Perowskit-Zelle bezeichnet wird, der Kommerzialisierung am nächsten zu sein. (Siehe zum Beispiel Oxford Photovoltaics). Eine dünne Schicht aus photovoltaischem Perowskit-Material wird auf die Oberfläche der Siliziumzelle aufgebracht. Das Perowskit entzieht einem Satz von Lichtwellenlängen Energie und lässt den Rest zur Umwandlung durch die darunter liegende Siliziumzelle passieren. Wirkungsgrade von nahezu 30 % wurden im Labor erreicht, und wichtig ist, dass die Verbesserungsrate schnell ist, was auf weitere Fortschritte hindeutet.

Das Problem jeder herausfordernden Technologie besteht darin, die Trägheit aufgrund riesiger Investitionen in bestehende Fertigungsanlagen für kristalline Siliziumzellen zu überwinden und den Kunden zu beweisen, dass die nächste Neuerung eine gleiche Lebensdauer haben wird. Das Interessante am Ansatz der Tandem-Perowskit-Zelle ist, dass sie buchstäblich auf der bewährten kristallinen Siliziumzelle aufbaut, indem sie eine neue Schicht hinzufügt. Bestehende Anlagen könnten modifiziert statt verschrottet werden, und die Aufgabe, die Langlebigkeit zu beweisen, wird etwas weniger anspruchsvoll.

Die rasche Entstehung einer globalen Solarindustrie wurde durch sinkende Kosten der durch Solarenergie erzeugten Energie vorangetrieben, indem die Kosten pro Watt-Peak von PV-Modulen immer weiter gesenkt wurden. Die beiden Triebfedern technologischer Verbesserungen der Zellenergiedichte und Skaleneffizienzen haben Hand in Hand gearbeitet, um diese Kosten pro Watt-Peak Jahr für Jahr zu senken.  

Nun sieht es so aus, als ob die Zelltechnologien, die die Branche so weit gebracht haben, an ihre Grenzen stoßen.

Solange die heutigen bahnbrechenden Zelltechnologien den Weg vom Labor zur Massenproduktion nicht wie die Erfindungen des UNSW-Teams zurücklegen, wird sich die Solarindustrie stärker auf Skaleneffekte und Fertigungseffizienzen verlassen müssen, um Verbesserungen voranzutreiben.

Dieser Blog wurde zuerst auf Solar Blogger hier veröffentlicht.