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Photovoltaik-Technologien im Überblick
Die Geschichte der Photovoltaik begann vor rund 60 Jahren mit Solarzellen aus kristallinem Silizium. Noch heute verfügt diese Technologie über den grössten Marktanteil. Mittlerweile wurden jedoch viele weitere Photovoltaik-Technologien entwickelt. Wir stellen jene vor, die heute für die Stromproduktion auf der Erde relevant sind, und vergleichen ihre jeweiligen Charakteristika sowie ihre Vor- und Nachteile.
Spricht man von Photovoltaik, meint man die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Das Sonnenlicht wird in einem Material, meist einem Halbleiter, eingefangen und deponiert seine Energie durch Anregung von freien Ladungsträgerpaaren. Diese werden in einer Solarzelle durch ein elektrisches Feld in positive und negative Ladungen getrennt und über zwei Elektroden (Vorder- und Rückkontakt) einem Verbraucher zugeführt.
Bei den Technologien, die heute für die Stromproduktion auf der Erde relevant sind, unterscheidet man grob zwischen Solarzellen aus kristallinem Silizium und Dünnschicht-Solarzellen. Für die praktische Anwendung werden mehrere solcher Solarzellen zu Solarmodulen verschaltet. Das Marktvolumen einzelner Dünnschicht-Technologien ist in den letzten Jahren im dreistelligen Prozentbereich gewachsen, der grösste Anteil (86 %) wird aber immer noch durch kristalline Silizium-Solarmodule abgedeckt.
Solarmodule aus kristallinem Silizium
Silizium ist nach Sauerstoff das Element, das am zweithäufigsten auf der Erde vorkommt. In der Natur findet man es hauptsächlich in Form von Siliziumdioxid (SiO2) als Quarzsand oder Quarzkristall. Aus SiO2 wird in einem mehrstufigen, energieaufwendigen Verfahren hochreines polykristallines Silizium (poly-Si) hergestellt. In Blöcke gegossen dient es als Ausgangsmaterial für poly-Si-Solarzellen. Aus eingeschmolzenem poly-Si können in einem weiteren Schritt Silizium-Einkristalle (mono-Si) gezogen werden. Die gewonnenen poly-Si-Blöcke oder mono-Si-Blöcke (Si-Einkristalle) werden in etwa 0.2 mm dicke Scheiben («Wafer») gesägt und in einer Abfolge von mehreren Prozessschritten zu Solarzellen weiterverarbeitet.1 Zur Herstellung von Solarmodulen werden die Solarzellen in der Regel zunächst nach Leistung gruppiert, mittels Leiterbahnen seriell zu Strängen verschaltet, anschliessend zwischen Glas und Kunststofffolien (Tedlar oder Polyester) laminiert und mit elektrischen Kontakten versehen. Solarmodule aus monokristallinem bzw. polykristallinem Silizium haben als bereits lange bewährte Technologie die höchsten Marktanteile. Ihre Vorteile sind die hohen Wirkungsgrade und die gute Verfügbarkeit des Ausgangsmaterials.
Dünnschicht-Solarmodule
Lange Zeit war der Begriff «Dünnschicht-Solarmodul» ein Synonym für die amorphe Silizium-Technologie (a-Si). Im Gegensatz zum kristallinen Silizium sind die Atome im amorphen Material nicht geordnet, weshalb es andere physikalische Eigenschaften hat. Der Bereich des Sonnenlichtspektrums, der in elektrische Energie umgewandelt wird, ist kleiner. Durch Einfügen von anderen chemischen Elementen in die a-Si-Schichten (= Dotieren, z. B. mit Germanium) lässt sich dieser Bereich verschieben. Dies lässt sich auch durch eine teilweise Ordnung der Atome in der amorphen Siliziumschicht zu Nanokristallen (nc-Si) erreichen. Stapelt man zwei (Tandem-) oder drei (Tripel-)Solarzellen (a-Si und/oder nc-Si) aufeinander, lässt sich der Anteil des umgewandelten Sonnenspektrums erhöhen.
Mittlerweile haben sich auch weitere Dünnschicht-Technologien wie CdTe (Verbindungshalbleiter Cadmiumtellurid) oder CIGS (Verbindungshalbleiter Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid: Cu(In,Ga)Se2) auf dem Markt etabliert. Einer der Hauptgründe für deren noch relativ kleinen Marktanteil ist, dass die Herstellungsverfahren meist geheim gehalten wer-den. Die Verbindung Cadmiumtellurid ist im Gegensatz zum elementaren Schwermetall Cadmium eine für den Menschen ungiftige, stabile chemische Verbindung.10, 11, 12
Der Herstellungsprozess der Dünnschicht-Solarmodule unterscheidet sich grundsätzlich von dem der Solarmodule aus kristallinem Silizium. Zwar bestehen die Solarzellen ebenfalls aus elektrischen Kontakten und einem absorbierenden Material, in dem im Zusammenspiel mit weiteren Schichten auch die Trennung der Ladungsträger stattfindet. Diese Schichtstapel werden aber direkt auf einem Trägermaterial hergestellt. Die Dicke der Schichtstapel liegt in der Regel unter 5 m, wobei die lichtabsorbierende Schicht nur 13 m einnimmt, also etwa hundertmal weniger als bei den Solarzellen aus kristallinem Silizium. Damit sinkt nicht nur der Materialaufwand deutlich, sondern auch die für die Herstellung benötigte Energie.
Als Trägermaterial können, je nach Technologie, Glas, Metall- oder Kunststofffolien eingesetzt werden. Verwendet man flexible Trägermaterialien, lassen sich schnelle Rolle-zu-Rolle-Verfahren für die Herstellung der Schichten in der Fertigung nutzen. Auch in der Dünnschicht-Technologie können Solarzellen nach einer Leistungssortierung ähnlich wie Solarzellen aus kristallinem Silizium durch Leiterbahnen zu Solarmodulen verschaltet werden. Weitaus häufiger werden die Solarzellen aber schon während der Herstellung durch eine geeignete Strukturierung seriell zu Modulen verschaltet. Diese Methode nennt man auch monolithische Verschaltung, die man an dünnen parallelen Streifen auf den Solarmodulen erkennt.
Auf dem Markt findet man fast ausschliesslich Glas-Glas-laminierte Module ohne Rahmen. Elektrische Kontakte werden auf der Rückseite nach aussen geführt. Flexible Solarmodule sind noch ein Nischenprodukt. Sie versprechen aber weitere Vorteile: Flexible und leichte Produkte erlauben zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten wie zum Beispiel die Installation auf gekrümmten Flächen oder auf Gebäuden, die nicht für zusätzliche Lasten ausgelegt sind.
Weitere Technologien mit hohem Potenzial
Andere Technologien, die auf dem PV-Markt noch nicht messbar sind, aber ein hohes Potenzial haben, sind Farbstoffsolarzellen (auch Grätzel-Solarzellen genannt), organische Solarzellen, Hybridkollektoren und hocheffiziente Solarzellen in Kombination mit einer Optik, die das Sonnenlicht auf die Solarzellen bündelt (Konzentrator-Solarzellen).
Graue Energie des Gesamtsystems reduzieren
Das jährliche Wachstum des globalen Photovoltaikmarkts lag in den vergangenen Jahren immer im höheren zweistelligen Prozentbereich. Die Preise haben sich innerhalb von weniger als fünf Jahren halbiert. Damit ist eine kostendeckende oder sogar wirtschaftliche Stromproduktion an vielen Standorten schon möglich. Natürlich ist es wichtig, für eine wirtschaftliche Stromproduktion auf einen möglichst niedrigen Preis pro Leistung und damit auch Preis pro produzierte Energie zu achten. Für eine nachhaltige Stromproduktion sollte aber auch die Energierücklaufzeit des Systems weiter minimiert werden. Eine Möglichkeit dazu bietet die Gebäudeintegration. Bei geeignetem Produktdesign und passender Wahl der Technologie können Solarmodule eine zusätzliche Funktion in der Gebäudehülle übernehmen und damit die graue Energie des Gesamtsystems reduzieren. Um Konzepte der Gebäudeintegration voranzutreiben, ist aber eine stärkere Zusammenarbeit zwischen Planern und der Solarindustrie wünschenswert.
Anmerkungen
1 Vgl. z. B. H. Häberlin: Photovoltaik Strom aus Sonnenlicht für Verbundnetz und Inselanlagen. Electrosuisse Verlag, 2. Auflage, 2010.
2 Die Einheit GWp (Gigawatt peak) bezeichnet die Nennleistung von Solarmodulen, gemessen unter standardisierten Testbedingungen (1000 W/m2 Einstrahlungsintensität, normiertes Sonnenspektrum AM1.5G, 25 °C Solarmodultemperatur).
3 Average factory gate price and German spot market price, in: Photon International 8/2012.
4 Zum Beispiel mit HIT-Solarzellen (HIT = heterojunction with intrinsic thin layer), rückseitig kontaktierten Solarzellen oder Solarzellen mit passivierten Emittern (PESC).
5 M. de Wild-Scholten: Environmental Profile of PV mass production: Globalization. EU-PVSEC, 2011.
6 Navigant Consulting Inc.: Overview of Supply and Demand for PV Technologies. Präsentiert
an der 55th Annual SVC Technical Conference, 28. 4.3. 5. 2012, Santa Clara, USA.
7 Diese Zahlen beziehen sich auf geschätzte Fördermengen und Technologieentwicklungen bei Rohstoffförderung und Modulherstellung unter Berücksichtigung heute bekannter weiterer Einsatzgebiete.
8 V. Fthenakis: Land use and electricity generation: A life-cycle analysis. Renewable and Sustainable Energy Review, 13, 27462750, 2009.
9 Die Leistung von Solarmodulen nimmt bei zunehmender Temperatur ab. Diese Leistungsabnahme ist am stärksten bei c-Si und am kleinsten für a-Si/nc-Si. Für CIGS und CdTe liegt sie dazwischen.
10 In zahlreichen unabhängigen Studien wurde nachgewiesen, dass während des Betriebs von CdTe-Solarmodulen keinerlei Schadstoffemission auftritt. Eine mögliche Emission im Fall eines Brands liegt deutlich unter den Grenzwerten.11, 12 Bei unsachgemässer Handhabung kann CdTe allerdings eine Gefahr für Wasserorganismen darstellen. Obwohl CdTe-Solarmodule nicht als Sondermüll klassifiziert sind, garantieren die Hersteller eine Rücknahme aller ausgelieferten Module, unter anderem zur Sicherung von wertvollen Rohstoffen.
11 www.csp.fraunhofer.de/presse-und-veranstaltungen/details/id/47/
12 A. Jäger-Waldau: Peer-Review of Major Published Studies on the Environmental Profile of CdTe Photovoltaic Systems. European Commission DG JRC, 2005.
Preise von Solaranlagen
Der durchschnittliche Preis von Solarmodulen lag im Juli 2012 bei etwa 1 CHF/Wp, wobei einzelne Technologien für etwa 0.60 CHF/Wp gehandelt wurden.2, 3 Weiterentwicklungen der Produkte und Produktionsprozesse, Massenproduktion und globaler Preisdruck führten dazu, dass der Preis für Solarmodule in den letzten fünf Jahren um rund 70 % gefallen ist.
Solarmodule allein machen noch keine Solaranlage. Für netzgekoppelte Anlagen werden Wechselrichter benötigt, die den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom/Drehstrom umwandeln. Heutige Wechselrichter übernehmen häufig auch weitere Funktionen wie die automatische Netztrennung bei Stromausfall oder die Überwachung der Solaranlage. Der Preis der Wechselrichter hängt, ebenso wie der von Solarmodulen, von der Leistung ab. Für die Solaranlage werden allerdings auch Komponenten benötigt, deren Preis von der Installationsfläche und damit vom Wirkungsgrad der Solarmodule abhängt. Dazu gehören sowohl die Unterkonstruktion und Verkabelung als auch die Installation selbst. Für die Gesamtkosten einer Solaranlage spielt also nicht nur der Preis pro Leistung der Komponenten, sondern auch der Wirkungsgrad der Solarmodule eine grosse Rolle.