Wissenschaftler am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) haben mit 20,1 Prozent Wirkungsgrad bei Dünnschichtsolarzellen einen neuen Weltbestwert aufgestellt. Die Rekordsolarzelle aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, kurz CIGS, wurde im ZSW-Forschungslabor in Stuttgart hergestellt. Der Durchbruch bei der Materialentwicklung soll mittelfristig die Wirtschaftlichkeit der CIGS-Dünnschichtphotovoltaik deutlich verbessern. Mit dem Erfolg holen die Forscher aus Baden-Württemberg den Weltrekord nach Deutschland: Seit 16 Jahren hatte das US-Forschungsinstitut NREL den Titel inne.
Das ZSW in Stuttgart. Foto: ZSW
„Bei unserem Rekord handelt es sich nicht nur um einen Rekord für CIGS-Solarzellen, sondern für Solarzellen in Dünnschichttechnik generell“, freut sich Dr. Michael Powalla, Mitglied im ZSW-Vorstand und Geschäftsbereichsleiter Photovoltaik. „Der Wirkungsgrad ist ein Ergebnis kontinuierlicher und systematischer Forschung, die vom Bundesumweltministerium und dem Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg seit vielen Jahren unterstützt wird. Besonders die enge Kooperation zwischen Grundlagenforschung an der Universität, anwendungsnaher Forschung am ZSW und der Produktion bei unserem Industriepartner Würth Solar hat uns diesen Spitzenplatz eingebracht.“
Die Fläche der Weltrekordzelle beträgt 0,5 Quadratzentimeter. Die Solarzelle wurde in einer CIGS-Laborbeschichtungsanlage mit einem modifizierten Simultanverdampfungsprozess hergestellt, der im Prinzip auf Produktionsprozesse aufskalierbar ist. Die Solarzelle, bestehend aus der halbleitenden CIGS-Schicht und den Kontaktschichten, ist insgesamt nur rund vier tausendstel Millimeter dick. Bei der Herstellung müssen die elektrischen und optischen Eigenschaften sehr gut aufeinander abgestimmt sein - ein extrem schwierig zu beherrschender Vorgang. Das Fraunhofer ISE in Freiburg hat die neuen Ergebnisse bestätigt.
Höhere Wirkungsgrade verbessern die Stromausbeute und somit die Rendite von Photovoltaikanlagen. „Der Weg zur industriellen Anwendung ist jetzt der nächste Entwicklungsschritt“, so Michael Powalla. Es werde aber noch einige Zeit dauern, bis die Erhöhung des Wirkungsgrades der CIGS-Zellen kommerziell umgesetzt werde kann.
Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Sie sind eine der Schlüsseltechnologien für eine klimafreundliche Energieversorgung.
Im Vergleich zu Standardsolarzellen aus kristallinem Silizium spart die Dünnschichtphotovoltaik durch eine mikrometerdünne Beschichtung Material und Kosten. In den letzten Jahren hat sie ihren Marktanteil von sieben auf rund 17 Prozent gesteigert. Es gibt drei Variationen der Dünnschichtsolartechnik (amorphes Silizium, Kadmium-Tellurid und CIGS) – den höchsten Wirkungsgrad hat die CIGS-Dünnschichttechnik.
Marktübliche CIGS-Module verfügen derzeit über einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von zehn bis zwölf Prozent – ein Modul hat stets einen niedrigeren Wirkungsgrad als eine einzelne Solarzelle. Die neue Bestleistung zeigt das große Potenzial der CIGS-Technik für eine kostenreduzierte, effiziente Photovoltaik. Michael Powalla geht davon aus, dass in den nächsten Jahren Wirkungsgrade von 15 Prozent auch im kommerziellen Modul erzielt werden können.
Bei der Entwicklung von CIGS-Dünnschichtmodulen ist das ZSW international führend. Das Institut brachte die Technologie zusammen mit der Firma Würth Solar zur Industriereife. Würth Solar startete 2006 die damals weltweit erste Großserienproduktion von CIGS-Solarmodulen in Schwäbisch Hall. Die Kapazität beträgt inzwischen 30 Megawatt pro Jahr.
Das ZSW ist der Forschungs- und Entwicklungspartner von Würth Solar.
Das ZSW gehört zu den renommiertesten Forschungsinstituten auf den Gebieten Photovoltaik, Energiesystemanalyse, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen. An den drei Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 170 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Sie erwirtschaften einen Umsatz von über 22 Millionen Euro.