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Die verschiedenen Solarzellenarten II

Grätzel-Zellen (nanokristalline Farbstoffzellen)


Diese Zellen sind auch unter dem Namen Dye Solar Cell (DSC) bzw. Dye-sensitized Solar Cell (DSSC), d.h. farbstoff-sensibilisierte Solarzelle, bekannt.

Eine der interessantesten zeitgenössischen Entwicklungen im Bereich der Photovoltaik wird erstmals 1991 unter dem Namen ihres Erfinders, des deutschen Chemikers Michael Grätzel, international bekannt. Die gemeinsam mit dem amerikanischen Forscher Brian O’Regan am Institut für Physikalische Chemie der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) ab 1988 entwickelte photoelektrochemische Technik ist zwar nicht neu, ist nun aber erstmals effizient gemacht worden. Die Solarzelle arbeitet mit ungiftigem Titandioxid, erreicht einen Wirkungsgrad zwischen 8 % und 12 % und ist sehr billig in der Herstellung. Eine Besonderheit ist auch ihre Sensibilität für diffuses Licht: Wenn mit direkter Sonneneinstrahlung z.B. 10 % erreicht werden, nimmt der Wirkungsgrad – im Gegensatz zu allen anderen Solarzellentypen – bei Bewölkung oder stark sandhaltiger Luft sogar noch zu und kann dann bis zu 13 % erreichen. Aufgrund von Dauertests wird bereits jetzt von einer Haltbarkeit bis zu 5 Jahren ohne Leistungsabfall ausgegangen.

Dieser Durchbruch war Anfang der 1990er so gravierend, das den Forschern anfänglich nur Skepsis und Hähme entgegenschlug.

Das Funktionsprinzip der Zelle ähnelt der Wirkung des Chlorophylls beim Prozeß der Photosynthese. In der Grätzel-Zelle werden die Elektronen einer hauchdünnen Farbstoffschicht durch das einfallende Sonnenlicht angeregt und fließen dann durch eine Halbleiterschicht aus Titandioxid in die auf Glas angebrachte Leiterschicht. Der Farbstoff selbst gleicht sein Ladungsdefizit mit Elektronen aus einer darüberliegenden Schicht Jodlösung wieder aus. Das Titanoxid wird als weiße Anstreichfarbe und Zugabe in Zahncremes massenhaft und billig hergestellt, und selbst bei dauerhafter Bestrahlung erweist es sich als sehr haltbar.

Zwar bemühen sich Prof. Helmut Tributsch vom Berliner Hahn-Meitner-Institut sowie eine japanische Forschergruppe schon seit den 1970er Jahren darum, eine effiziente photoelektrochemische Zelle zu entwickeln, bislang jedoch ohne Erfolg. Die Japaner hatten damals berichtet, mit Licht und dem Halbleiter Titandioxid Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten zu können. Die Ausbeute war allerdings äußerst gering, da das Titanoxid (alleine) nur den ultravioletten Anteil des Sonnenlichtes nutzen kann. Auch der deutsche Physikochemiker Heinz Gerischer hatte Anfang der 1970er Jahre versucht, Halbleiter durch gelöste Farbstoffe zu sensibilisieren, doch die Antriebsenergie verpuffte bereits nach 10 – 100 Milliardstel Sekunden. Und trotz der Oberflächenanbindung der Farbstoffe absorbierte eine dichte Schicht davon nur etwa 1 % des einfallenden Lichts.

Die Probleme, an denen diese Wissenschaftler scheiterten, werden von Grätzel, der seit 1976 erst in Berkeley und dann in Lausanne forscht, genial gelöst: Die Kopplung des Titanoxid mit einem Farbstoff sensibilisiert die Zelle für ein wesentlich breiteres Spektrum, die Lichtausbeute wird durch das Aufrauhen und der damit einhergehenden Vergrößerung der Oberfläche um das 1.000-fache stark gesteigert, als Farbstoff wird eine besonders stabile Metallverbindung gewählt (die es in jedem Baumarkt gibt), und die sonst so häufig beobachtete und zerstörend wirkende Bläschenbildung wird durch eine Lösung unterdrückt, deren Siedepunkt bei über 200°C liegt.

Der schwedisch-schweizerische Elektro-Konzern Asea Brown Bovery (ABB) gibt sich interessiert und will testen, ob sich die Zelle auch in großen Stückzahlen herstellen läßt – allerdings nur mit ‚gebremster Kraft’, wie man sich bei ABB überraschend offen ausdrückt. Der Schweizer Chemiekonzern Sandoz arbeitet unterdessen an der Optimierung des Farbstoffes. Im Jahr 1992 rechnet zumindest Grätzel damit, daß die ersten Zellen in zwei Jahren auf den Markt kommen, zu einem Preis von etwa 2 $/W – also weniger als die Hälfte des Preises der zur Zeit billigsten Zellen.

Ich selbst höre von dieser Innovation schon recht früh und korrespondiere darüber auch mit anderen interessierten Menschen, so daß mir bereits 1992 ein persönlicher, handgeschriebener Versuchsbericht vorliegt, in dem die Künstlerin Ariane Ritter aus Nürnberg eine sehr detaillierte Darstellung ihrer Arbeiten übermittelt, wie sie in ihrem heimischen Backofen eigenhändig eine kleine, sehr einfach strukturierte Farbstoff-Zelle hergestellt hat - die tatsächlich funktioniert.

Nach Veröffentlichung des Buches der Synergie meldet sich Martin Löffler bei mir, der den Versuch von Ariane wiederholen möchte. Er tippt auch Arianes Brief ab, damit ich den technischen Teil hier veröffentlichen kann:

Den Versuch, mit 2 Farben, die metallhaltig sind, eine Solarzelle zu bauen, kann ich nicht mehr ganz nachvollziehen, da mir nur noch eine der benutzten Farben einfällt.

Trotzdem beschreibe ich den Versuch so gut und verständlich wie möglich.

Skizze des Aufbaus dieser Solarzelle

Materialien:

Auf ein Stück Alufolie ca. 20 x 20 cm trug ich eine Gelatineschicht auf und ließ sie trocknen. Darauf trug ich 2 Farbfelder auf, die sich nicht berühren sollten. Die Farbfelder bestehen aus mit Wasser angelöster Gelatine und Farbpigment, das metallhaltig ist. Die Farbpigmentschicht trocknete ich im Backofen bei 50°C.

Nach diesem Trockenvorgang war keine Spannung zwischen den beiden Farbfeldern zu messen. Nach ca. 4 Std. starker Sonneneinstrahlung war eine deutliche Spannung zwischen den Farbfeldern ablesbar.

Soweit der Versuch. Ich hoffe, ich habe Dir ein bisschen geholfen. Du müsstest jetzt einen Fachmann finden, der den Versuch nachempfindet, das andere metallhaltige Farbpigment herausfindet und eine Möglichkeit findet die Spannung in Strom zu verwandeln. (...)


Natürlich erreicht diese Selbstbau-Solarzelle keinen nennenswerten Wirkungsgrad, doch was mich an dem Prinzip der Farbstoff-Zelle so sehr fasziniert, ist ihr Ansatz zur technologischen Demokratisierung der Photovoltaik, wie ich das gerne bezeichne.

Denn alle anderen Solarzellen erfordern extrem aufwendige, technisch komplizierte und sehr kostspielige Anlagen zu ihrer Herstellung. Sowohl diese Anlagen als auch die hierfür notwendige Infrastruktur sind dem Bereich High-Tech zugeordnet und damit weitgehend ein Monopol großer Unternehmen in technologisch fortgeschrittenen Industriestaaten. Sie erfordern außerdem hochqualifizierte Mitarbeiter. In Ländern der 3. Welt ist die Implementierung der notwendigen Reinstraumtechnik zur Herstellung von Silizium dagegen so gut wie unmöglich – selbst dann, wenn das ganze Land ansonsten fast nur aus Sand besteht...

Mit der Gräzel-Zelle sieht das alles zum ersten Mal etwas anders aus. Wenn in Deutschland jemand in seiner Küche eine derartige Zelle selber ‚backen’ kann, dann kann dies auch genauso gut jemand in der Mongolei, in Mauretanien oder auf Malta. Deshalb noch einmal zum mitlesen: Im Gegensatz zu allen anderen Arten von Solarzellen ist die Herstellung der Grätzel-Zelle fast so einfach wie die Zubereitung eines Sandwich: Man bestreicht eine zinnoxidbedampfte Glasscheibe mit Titanoxid, röstet das ganze eine halbe Stunde lang im Ofen, bestreicht die ‚Toastscheibe’ mit einem Farbstoff, darüber kommt eine Jodlösung, oben drauf noch eine zweite bedampfte Glasplatte – und fertig ist die Solarzelle!

Während der durchschnittliche Wirkungsgrad der (fortgeschrittenen) Grätzel-Zelle im Dezember 1991 noch 10,4 % beträgt, erreicht er Ende 1992 schon fast die Marke von 15 %. Mitte 1993 wird die Serienreife bekannt gegeben, und 1994 erfährt man, daß nun erste Produkte mit Grätzel-Zellen auf den Markt kommen sollen. Module für höhere Leistungen könnten schon in wenigen Jahren in die Serienfertigung gehen. Nach einer Schätzung des amerikanischen Triangle Research Institute in Nord Carolina wird die Zelle bei industrieller Fertigung nur ein Fünftel bis ein Zehntel dessen kosten, was gegenwärtig für die anderen marktüblichen Zellen veranschlagt wird.

Eine gute Freundin, die Journalistin Leila Dregger, informiert mich im Januar 1996 über ihr Zusammentreffen mit Grätzel. Sie erlaubt mir auch, hier ihren Bericht zu präsentieren:

„(Grätzel) selbst ist natürlich immer begeistert von sich. War überhaupt lustig, ein Interview während einer S-Bahnfahrt von Wannsee nach Lichtenberg, zwischendrin Sightseeing von Berlin und so. Ein richtig liebenswert zerstreuter Professor. Ja, er ist Berliner, lebt und arbeitet aber jetzt in Lausanne.

Die Grätzelzelle besteht aus einem nur wenige zehntausendstel Millimeter dicken Halbleiterfilm, in den winzige Vertiefungen eingearbeitet sind. Diese ‚schwammige’ Halbleiterschicht ist mit einem (roten) Farbstoff überzogen, der das Sonnenlicht absorbiert. Geringe Fertigungs- und Materialkosten, die billigen und weit verbreiteten Ausgangsstoffe sind Glas, Titandioxid (weißes Farbpigment), organische Lösungsmittel z.B. Jod.

Das System wird jetzt am Institut für angewandte Photovoltaik in Gelsenkirchen weiter erforscht, bis zur Praxisreife. Die Leute erhoffen sich, in drei bis fünf Jahren mit konventioneller Stromerzeugung konkurrieren zu können. Für die geringe Lebensdauer (zwei statt mind. 20 Jahre) wurde eine erste Lösung gefunden: Versiegelung mit Flüssiggas, damit kein Wasser in die Zellen dringt. Es besteht aber auch eine hohe Anfälligkeit der organischen Verbindungen gegenüber Klebstoffen. Und der Wirkungsgrad ist gar nicht schlecht, fast 10 %, das aber auch bei diffusem Licht. Für diese billige Herstellung, und da man sie auch fast durchsichtig machen und daher auch als Fenster verwenden kann, ist das eine tolle Sache. Bis jetzt können sie sie aber noch nicht verschalten, also zu großen Anlagen zusammensetzen. Bis zum Jahr 2000 wollen sie das lösen.

Aber in der Schweiz sind zwei Tüftler, die Zwillinge Meyer, die haben die Probleme schon bei sich in der Küche gelöst. Statt Metall-Verschaltungen, die von der Jodverbindung immer zerfressen werden, benutzen sie Kohlenstoff. Die beiden Meyer scheinen echt fit und sympathisch zu sein, so echte Bastler, denen kein Problem zu verflixt ist.

Grätzel-Forschungsgelder? Wenig würde ich das nicht nennen: Neun Millionen DM für den ersten Entwicklungsschritt, bezahlt vom Land NRW (80 %), den Rheinischen- und den Hamburgischen E-Werken, der Gelsenkirchener Flachglas GmbH, dem Essener Spezialchemikalienhersteller Thomas Goldschmidt, den Stadtwerken und dem Wissenschaftspark Gelsenkirchen.

Ziel: 10 qm Module mit 10 % Wirkungsgrad schon Ende 1996.
Preise: von 30 bis 40 Pf/kWh in 3 bis 5 Jahren.

Bleibt die Anwendung für kleine feine Dinge, vor allem in Innenräumen. Also Taschenrechner, Batterien und Uhren. Swatch bringt dieses Jahr die erste Grätzel-Uhr heraus. Eine Personenwaage sollte schon 1994 in der Schweiz auf den Markt kommen.“


Anfang 1995 benennt das Berliner HMI die Haptprobleme der Grätzel-Zelle: Ihr Wirkungsgrad erreicht nur 8 % und die Zelle ist im Betrieb nicht stabil. Lausanne vermeldet daraufhin, daß durch die Implementierung eines ‚Anker-Moleküls’, das einen lichtaktiven Ruthenium-Komplex enthält, 10 % erreicht werden. Das Institut für angewandte Photovoltaik GmbH in Gelsenkirchen, ein Partner Grätzels, geht davon aus, in drei bis fünf Jahren mit der konventionellen Stromerzeugung konkurrieren zu können, auch wenn die Lebensdauer von derzeit 2 Jahren zuerst auf mindestens 20 Jahre erhöht werden muß.

1996 erreicht die Grätzel-Zelle bei diffusem Licht bereits einen Wirkungsgrad von 18 %. Für die Firma Solaronix in Aubonne (s.u.), im Kanton Waadt, entwickeln die o.g. Meyer-Brüder Andreas und Tobias einen Baukasten, mit dem Schüler und andere solcherart Zellen selber herstellen können; die Vermarktung soll im Herbst 1997 beginnen. Mitte 1998 wird in der Presse allerdings noch immer von einer Haltbarkeit von nur einem Jahr und einem Wirkungsgrad von 8 % gesprochen. In Gelsenkirchen rechnet man damit, ab 2000 mit der Pilotfertigung der nano-strukturierten Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen, wie sie im offiziellen Sprachgebrauch genannt werden, beginnen zu können. Ende 1998 gibt Grätzel außerdem die Entwicklung einer Feststoff-Solarzelle bekannt, die mit einer neuen organischen Substanz namens OMeTAD arbeitet – und einen Wirkungsgrad bis zu 33 % haben soll. An dieser Entwicklung ist das Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung beteiligt.

Dream House von Toyota

Dream House

Ende 2004 soll die Grätzel-Zelle von dem Unternehmen Konarka Technologies aus aus Lowell, Massachusetts, das mit dem amerikanischen Forschungslabor in Oak Ridge zusammenarbeitet, unter dem Namen Nano-Solarzelle (s.d.) auf den Markt gebracht werden, nachdem es gelungen ist eine entsprechende Solarzellenschicht auf eine gebogenen Oberfläche (z.B. Autokarosserie) aufzubringen. Zu diesem Zeitpunkt sollen sich pro Quadratmeter bereits 100 W ernten lassen.

Toyota stellt bereits im März 2005 das erste Gebäude mit fassadenintegrierten Farbstoffzellenkollektoren vor, einen Protoyp namens Dream House, der neben avancierter Solartechnik auch als Präsentationsobjekt zukünftiger Hausautomations-Technik dient, die das Unternehmen ab 2010 zu vermarkten erwartet. Als erster Hersteller kommt dann im Jahr 2006 die Firma Peccel, eine Ausgründung der Universität Yokohama, mit ihrer Dye-sensitized cell als Serienmodell auf den Markt.

Der EPFL-Lizenznehmer Konarka Technologies, der sein Produkt inzwischen Dye-sensitized solar cell (DSSC) nennt, unterzeichnet im August 2006 mit der Londoner Renewable Capital Ltd. ein Kooperationsabkommen zur großindustriellen Produktion seiner Power Plastic Zellen-Bänder. Das Unternehmen hat die ursprüngliche Grätzelzelle sehr stark weiterentwickelt und außerdem eine Produktionstechnologie zur preisgünstigen Herstellung konzipiert. Dabei wird eine photovoltaische Nanotechnologie genutzt, mit der winzige Partikel – 1000 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares – auf Kunststoff oder Fasermaterialien aufgebracht werden.

Konarkas europäische Zentrale befindet sich in Nürnberg, außerdem gibt es Forschungszentren in Österreich und der Schweiz. Das Unternehmen macht auch Werbung damit, daß es für militärische Anwendungen Folien in Tarnfarben anbieten kann. Im September 2006 meldet die Presse, daß Konarka eine 20 MW Fabrikationsanlage für folienbasierte Grätzel-Zellen plant. (Mehr über Konarka findet sich unter Organische Solarzellen).

Michael Grätzel lehrt derweil weiterhin am Eidgenössischen Polytechnikum Lausanne und arbeitet gleichzeitig an der Verwendung von Nanokristallen, um die Effizienz seiner Zellen nochmals deutlich zu steigern. In den neuen Lichterntesystemen stapeln sich Hunderte von Nanopartikeln, die mit einem Farbstoff überzogen sind, der das Licht absorbiert, wobei die Nanopartikel selbst die Elektronen weitertransportieren. Weiter unten komme ich nochmals auf die Nano-Zellen zusprechen.

Konarkas Solardach in Tarnfarben

Tarnfarben-Solardach
von Konarka

Craig Grimes und sein Team von der Pennsylvania State University präsentieren im Februar 2006 Solarzellen, die aus winzigen Röhrchen aus Titandioxid bestehen. Diese wirken für Elektronen wie Schnellstraßen und erhöhen damit die Stromausbeute. Die Herstellung der Solarzellen erfolgt, indem zunächst eine transparente Elektrodenschicht und dann eine 500 Nanometer dünne Schicht Titan auf eine Glasscheibe aufgebracht wird. Anschließend wird das Glas in ein Säurebad getaucht, während gleichzeitig ein elektrischer Strom fließt, wodurch das Titan oxidiert und in der Titanschicht bis zu 360 Nanometer lange Röhrchen aus Titandioxid wachsen. Nach dem Auskristallisieren wird das Titandioxid mit einem Farbstoff behandelt, schließlich folgt ein flüssiger Elektrolyt auf Jodbasis und als Abschluß eine Gegenelektrode.

Sobald Licht durch die Gasplatte fällt, gibt der Farbstoff Elektronen ab, die durch die Nanoröhrchen rasch zur negativen Elektrode geschleust werden. Von dort können sie über einen Stromkreis zur positiven Elektrode und durch den Elektrolyten wieder zum Farbstoff gelangen – und dabei elektrische Arbeit verrichten. Es besteht nun reichlich Optimierungsbedarf, denn mit den 360 nm langen Nanoröhrchen beträgt der Wirkungsgrad der farbstoffsensibilisierten Solarzellen nur rund 3 %. Dieser Wert soll durch den Einsatz einiger Tausend Nanometer langer Röhrchen sowie durch einen geringeren Abstand zwischen den beiden Elektroden gesteigert werden. Der theoretische Idealwert beträgt immerhin 31 %, und er ist verbunden mit einer relativ einfachen und kommerziell leicht umsetzbaren Fabrikation. Mehr über Nanozellen gibt es weiter unten sowie im Kapitel zu den Optimierungs- und Verstärkungstechniken zu erfahren.

Im Dezember 2006 stehen Forscher des Instituts für Physikalische Chemie und Elektrochemie der Leibniz-Universität Hannover schon kurz vor der kommerziellen Einführung einer dort entwickelten kostengünstigen Farbstoff-Solarzelle, bei der die Titandioxid- und Zinkoxidschichten als poröser Film auf eine leitfähige Unterlage elektrochemisch abgeschieden bzw. aufgebracht werden. An diese Oxidschicht wird ein Farbstoff angelagert, in dessen Molekülen durch das Sonnenlicht Elektronen angeregt werden, die auf das Halbleiteroxid übertragen werden und zum leitfähigen Rückkontakt diffundieren. Die Forscher arbeiten daran, die Produktionstemperatur der Zellen auf Raumtemperatur abzusenken, außerdem hat man sich zum Ziel gesetzt, flexible Farbstoffsolarzellen zu entwickeln, die zum Beispiel in Kleidung oder Zeltplanen integriert werden können. Diese sollen auch in vielen bunten Farben hergestellt werden, um sie als energiebringende Accessoires schneller populär machen zu können.

Im Januar 2008 verlautet aus dem Team der Schweizer Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, daß man eine lösungsmittelfreie DSSC-Zelle hergestellt habe, die auf einem binären ionischen Flüssig-Elektrolyt basiert. Mit einem Wirkungsgrad von 7,6 % wird ein neuer Rekord gemessen. Außerdem ist die Zelle auch bei 80°C im Dunkeln, bzw. bei 60°C unter Lichteinfall für über 1.000 Stunden stabil.

Die auf Titandioxid-Elektroden fixierten Farbstoff-Moleküle haben sich als eine sehr attraktive Zellen-Variante erwiesen, die niedrige Kosten und eine relativ einfache Fertigung mit einem hohen Wirkungsgrad verbinden. Die 11 %, die teilweise schon erreicht werden, betreffen allerdings nur Zellen, die flüchtige organische Lösungsmittel als Elektrolyten nutzen, was ihren praktischen Einsatz durch den hohen Dampfdruck dieser Lösungsmittel sehr erschwert.

Michael Grätzel, Shaik Zakeeruddin und ihre Kollegen nutzen zur Herstellung dieser lösemittelfreien Solarzelle eine Mischung aus zwei ionischen Flüssigkeiten als Redox-Elektrolyt in Verbindung mit einem neuartigen Ruthenium-basierenden Farbstoff. Ionische Flüssigkeiten haben im wesentlichen einen Dampfdruck von Null, weshalb sie selbst stabilen und schwerflüchtigen organischen Lösungsmitteln vorzuziehen sind.

Inzwischen gibt es im Netz eine sehr ausführliche und sehr zu empfehlende Selbstbauanleitung der Universität Bayreuth.

Doch auch viele andere Gruppen beschäftigen sich bereits mit der Farbstoffzellen-Technologie:

Ende 2006 verkünden Wissenschaftler der Universität von Tor Vergata in Rom die Entwicklung eines neuen Typs von Farbstoffzelle, bei dem das Pigment von Blaubeeren genutzt wird. Der dunkle Farbstoff namens Anthocyanin sticht bei der spektralen Absorption von Sonnenlicht die meisten anderen pflanzlichen Farbstoffe aus, obwohl die Effizienz bislang erst 1 % beträgt.

Eine Kostenreduktion um 90 % gegenüber Siliziumszellen versprechen im April 2007 neuartige grüne Farbstoffzellen aus Neuseeland, die auch diffuses Licht gut umsetzen. Hierfür wird synthetisches Chlorophyll  eingesetzt, dessen Moleküle auf einem dünnen Film aus miteinander verbundenen Titanium-Dioxid-Partikeln aufgebracht sind, die ähnlich wie Nano-Röhrchen die vom Lichteinfall auf den Farbstoff in Bewegung gesetzten Elektronen weiterleiten. Im Grunde ist es möglich, daraus auch einen Farbanstrich zu machen, der dann Strom erzeugt. Die über 10 Jahre langen Forschungen an der Massey University in Auckland wurden von der Foundation for Research, Science and Technology finanziert. Die ersten Green-Dye Farbstoffzellen sollen im Laufe des Jahres 2008 auf den Markt kommen.

Im Mai 2007 berichten George Crabtree vom Argonne National Laboratory nahe Darien und Michael Wasielewski von der Northwestern University von einer weiteren Methode, mittels sehr einfacher Grundmaterialien eine Solarzelle herzustellen um Wasser zu spalten und Wasserstoff zu produzieren. Auch sie benutzen dabei Titanium-Dioxid (s.u. Wasserstoff).

Im August 2007 melden Forscher der Ohio State University große Fortschritte mit einer rosafarbenen Version der DSSC-Zellen, wobei hier erstmals komplexere Metallverbindungen und unterschiedliche Partikelformen verwendet werden, um die Ausbeute zu steigern. Das Rosa entsteht, weil rote Rutheniumverbindungen mit weißen Metalloxidpulvern gemischt werden, zumeist Titanoxid oder Zinkoxid. Außerdem werden Zink-Stannate verwendet, komplexere Oxide, deren Eigenschaften sich gezielter steuern lassen. Mit diesen erreichen die Solarzellen eine Effizienz von 3,8 %, ein Viertel der Ausbeute typischer Siliziumzellen. Doch schon 2006 hatte man hier eine DSSC-Variante entwickelt, deren Titanoxid in Form winziger Nanodrähte vorlag, wodurch der Elektronentransport direkter vonstatten ging und die Zelle eine Effizienz von 8,6 % erreichte. Nun arbeitet man an der Konstruktion von baumförmigen Nanodrähten, um die Elektronen noch besser ableiten zu können. Bei diesem DSSC-Design sollen die vom Farbstoff umhüllten Teilchen wie Blätter die Oberfläche liefern, während sich die Nanobäumchen zwischen ihnen verzweigen, um die Elektronen zu transportieren. Eine Marktreife wird allerdings erst in einigen Jahren erwartet.

Prof. Arie Zaban von der israelischen Bar-Ilan University entwickelt und patentiert gemeinsam mit Fachleuten seines Unternehmens Bar-Ilan Nanotechnology eine Solarzelle, die im September 2007 vorgestellt wird, und die aus wenige Nanometer durchmessenden Nanodots aus Platin sowie Metalldrähten auf elektrisch leitendem Glas besteht. Diese Zellenart sei bis zu einer Fläche von 100 cm2 herstellbar. Dabei wird mit nanotechnologischen Mitteln ein schwammartiges Netz von Nanodots auf einem flexiblen Träger aus Plastikmaterial aufgebracht, wobei das genutzte Halbleitermaterial mit einem organischen Farbstoff gefüllt wird, der die Lichtenergie absorbiert. Außerdem wird eine Methode entwickelt, den Verbrauch von Platin bei der Zellenherstellung um den Faktor 40 zu reduzieren. Im Dezember 2007 wird bereits eine Zelle in den Maßen 10 x 10 cm vorgestellt.

Zaban ist auch Berater der Firma Orionsolar Photovoltaics Ltd. in Jerusalem (nicht zu verwechseln mit der australischen Orion Solar Pty Ltd.), welche im Rahmen einer Partnerschaft mit der Bar-Ilan University die Kommerzialisierung der neuen Solarzellen vorantreiben will. Man hofft, die Marktreife innerhalb der nächsten fünf Jahre zu erreichen. Anfang 2008 erlaubt die Produktionstechnik des Unternehmens Solarzellen in den Maßen 15 x 15 cm und mit einem Wirkungsgrad von 7 % herzustellen.

Im Dezember 2007 präsentiert die Toin University in Yokohama eine DSSC-Zelle im Din A4-Format, die eine Effizienz von 6 % aufweist. Die Industriepartner der Universität besitzen bereits eine Produktionskapazität von 10 MW pro Monat und wollen ab Februar 2008 ihre Produkte für den kommerziellen Einsatz anbieten. Ein Grund dafür, daß sich nun immer mehr Firmen auf diesem Sektor tummeln, ist das Auslaufen einer Reihe grundlegender Patente im Laufe des Jahres 2008.

Im Jahr 2008 entwickelt Grätzel gemeinsam mit Satoshi Uchida von der Universität Tokio neue Farbstoffe, die das stickstoffhaltige Indolin-Molekül enthalten und durch Licht wirkungsvoller angeregt werden. Auch ohne Rutheniumfarbstoff erzielen die daraus hergestellten Zellen einen Wirkungsgrad von über 7 %. Eine gemeinsam mit Shaik Zakeeruddin und dessen Kollegen am Changchun Institute of Applied Chemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte Zelle, die ohne flüchtige organische Lösungsmittel auskommt, erreicht eine Effizienz von 8,2 %.

Im Juni 2008 erfolgt die Ankündigung, daß an der saudischen King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) ein Zentrum für fortgeschrittene molekulare Photovoltaik eingerichtet werden soll, an dem sich neben der Stanford University und der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) auch der industrielle Partner G24 Innovations beteiligen wird. Finanziert wird das Zentrum durch einen Zuschuß von 25 Mio. $ für die nächsten fünf Jahre.

Im November zeigen Ruthenium-basierende Zellen, die Grätzel gemeinsam mit Forschern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften um Prof. Peng Wang entwickelt hat, eine größere Stabilität bei hohen Temperaturen als alle bisherigen Modelle, sie behalten auch nach 1.000 Stunden bei vollem Sonnenlicht und einer Temperatur von 60°C über 90 % ihrer anfänglichen Ausgangsleistung. Mit einem Wirkungsgrad von 10 % wird außerdem ein neuer Weltrekord erreicht.

Für Michael Grätzel selbst sollte die Welt inzwischen in Ordnung sein. 2009 erhält er für seine bahnbrechende Erfindung den renommierten und mit 1 Million Schweizer Franken dotierten Balzan-Preis, im Jahr 2010 den von Finnland ausgelobten und 800.000 € schweren Millennium-Technologiepreis, der auch als Nobelpreis für Ingenieure bezeichnet wird - und dessen Trophäe sinnigerweise ein spitzer Siliziumkristall ist. Vorangegangen waren zahlreiche weitere Auszeichnungen, u.a. im Jahr 2000 den Grand prix européen de l’innovation, 2001 die Faraday-Medaille, den Gutenberg Research Award und den niederländischen Havinga Award, 2002 den IBC Award, 2003 den Italgas Prize, 2005 den Gerischer Preis, 2008 den Harvey Prize und 2009 die Galvani Medaille. 2011 wird Grätzel mit der seit 1921 vergebenen Wilhelm-Exner-Medaille ausgezeichnet, und 2012 mit dem Albert Einstein World Award of Science. Der ehemals belächelte Chemiker ist heute einer der zehn meist zitierten Chemiker der Welt.

Michael Grätzel mit der finnischen Staatspräsidentin Tarja Halonen

Michael Grätzel mit der
finnischen
Staatspräsidentin
Tarja Halonen

Mitte 2010 liegen die Umwandlungseffizienzen von Grätzels eigenen Zellen unter Standardbedingungen bei 12 % im Labormaßstab und bei 8,6 % für Module, und dies bei einer Lebenserwartung von über 25 Jahren. Allerdings sind noch weitere Verbesserungen im Wirkungsgrad bis zu maximal 31 % für Einzelzellen und über 40 % für Tandemzellen möglich und sollen durch intensive Forschung auch vorangetrieben werden.

Die erwähnte G24 Innovations Ltd. (G24i) im walisischen Cardiff hatte im November 2007 „nach 18 Jahren der Forschung und Entwicklung“ (und dem Erwerb entsprechender Lizenzen von Konarka im Vorjahr) ihren ersten Vertrag abgeschlossen: Die extrem leichten und langlebigen farbstoffsensibilisierten Dünnschicht-Solarzellen (Dye Sensitised Thin Film, DST) des britischen Unternehmens sollen von der Master IT Ltd. für Handy-Ladegeräte in Kenia eingesetzt werden, als Vorreiter einer erschwinglichen und komfortablen mobilen Kommunikation, die auch einige der ärmsten Schichten der Gesellschaft erreicht. Im Dezember vereinbart G24 eine Kooperation mit der BASF zur Entwicklung ionischer Flüssigkeiten und Farbstoffe, um die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad der Solarzellen weiter zu verbessern. Ionische Flüssigkeiten werden eingesetzt, da sie sich auch bei höheren Temperaturen nicht verflüchtigen.

Im Juni 2008 steckt Morgan Stanley Principal Investments 20 Mio. $ in G24i, gefolgt von weiteren 30 Mio. $ durch 4RAE im Juli. Im September vereinbaren G24i und die 2005 gegründete, niederländische Lemnis Lighting die Zusammenarbeit bei der Entwicklung von hochleistungsfähigen, solarbetriebenen LED-Leuchten für Industrie- und Entwicklungsländer. Die Unternehmen hatten hierfür von der Weltbank im Rahmen des ‚Lighting Africa’-Programms einen Zuschuß in Höhe von 200.000 $ bekommen. Mehr darüber findet sich im Unterkapitel Solarleuchten für die 3. Welt.

2009 beginnt die G24i mit der Massenproduktion von flexiblen Modulen, und im Oktober erfolgt die erste Auslieferung von DSSC-Modulen an den Taschen- und Rucksackhersteller Mascotte Industrial Associates in Hong Kong, der die Zellen in seine Produkte integriert. Grätzel gratuliert dem Unternehmen zu seinem Erfolg. Einen Monat später unterzeichnet G24i eine weitere Entwicklungsvereinbarung mit drei der größten staatlichen Forschungsinstitute Chinas. 2010 läßt G24i auf dem Werksgelände ein 120 m hohes Windkraftwerk von Ecotricity errichten, um zukünftig „grüne Produkte mit grünem Strom herstellen“ zu können. Und Tonino Lamborghini ist das erste Unternehmen, das solarbetriebene Taschen mit DSSC-Dünnschicht-Solarzellen von G24i auf den Markt bringt.

Solartasche von Tonino Lamborghini

Solartasche von
Tonino Lamborghini

2011 folgt eine Zusammenarbeit mit Texas Instruments zur Implementierung der DSSC-Zellen in die elektronischen Produkte des US-Konzerns. Und im April 2012 gibt G24i bekannt, daß seine Zellen mit ihrem aktuellen, durchschnittlichen Wirkungsgrad von 26 % alle bisherigen Rekorde gebrochen haben. Im Mai folgt eine Vereinbarung mit Logitech, um die weltweit erste Licht-versorgte, ultradünne Bluetooth-Tastatur herzustellen, die bereits ab Mai 2012 in den USA und Europa zu einem Preis von etwa 130 $ auf den Markt kommen soll. Das Solar Keyboard Folio, das in Deutschland dann tatsächlich 130 € Euro kostet, wird als Zubehör für das iPad 2 und das dritte Apple-Tablet im Online-Shop des Herstellers angeboten. Um den eingebauten Akku zu laden, reicht normales Tageslicht oder künstliches Licht.

Als das „führende Unternehmen bei der Entwicklung von Farbstoff-Solarzellen“ bezeichnet sich allerdings die Schweizer Firma Solaronix SA, die in Aubonne, rund 20 km von Lausanne entfernt, beheimatet ist. Dabei handelt es sich um das bereits 1993 gegründete Unternehmen der Zwillingsbrüder Andreas und Toby Meyer. Parallel zum Entwicklung- und Engineering-Geschäft produziert Solaronix Spezialchemikalien wie Ruthenium-Farbstoffe, Redox-Elektrolyte und verschiedene Arten von nanokristallinen Titanoxiden, wie sie zumeist in Farbstoff-Solarzellen verwendet werden.

2003 werden hier erstmals 45 x 45 cm große Zellen hergestellt – und Solaronix beteiligt sich an dem Fullspectrum-Forschungsprojekt der Europäischen Kommission, bei dem es um eine bessere Nutzung des solaren Spektrums geht. Außerdem wird ein Kooperationsvertrag mit der in Jerusalem ansässigen Firma Orionsolar (später: 3GSolar, s.u.) zur Entwicklung von Low-Cost-Farbstoff-Zellen geschlossen. 2005 wird das Unternehmen Mitglied des von der Europäischen Kommission geförderten Napolyde-Projekts, an dem 23 Großkonzerne, kleine und mittlere Unternehmen sowie akademischen Zentren aus 11 Ländern beteiligt sind, um Innovation bei Solarzellen voranzubringen.

2010 verdoppelt die Solaronix die Größe ihres Produktionsstandorts und beginnt mit dem Verkauf des ersten organischen Farbstoffs namens Sensidizer SQ2, ein Squarain-Derivat, das blau- bis grünfarbige Solarzellen ergibt. [Als Squaraine bezeichnet man eine Klasse von intensiven Farbstoffen, deren Basis die Quadratsäure bzw. deren Ester sind, und die daher auch als Quadratsäurefarbstoffe bezeichnet werden.] Im Oktober wird eine Veröffentlichung mit dem Titel ,Dye Solar Cells for Real, The Guide for Making Your Own Solar Cells’ zum kostenlosen Download bereitgestellt (PDF / 8,5 MB / Version 2012), in welcher der Herstellungsprozeß einer Farbstoff-Solarzelle äußerst detailliert und leicht nachahmbar beschrieben wird.

Beim aktuellen Update dieses Kapitels Mitte 2012 bietet die Solaronix auf ihrer Homepage neben Ausbildungs-Kits und (recht teuren) Demonstrations-Solarzellen nebst deren elektrischen Zubehör (Motor, Modell-Windturbine) verschaltete Farbstoff-Solarzellen-Module (Serio) sowie fortgeschrittene, komplett gedruckte Farbstoff -Solarzellen Prototyp-Module (Mimo) an.

Über die oben erwähnte israelische Firma 3GSolar Photovoltaics Ltd., die mit einem einfachen, kostengünstigen Siebdruckverfahren hocheffiziente Low-Cost DSC-Module der 3. Generation produziert und eng mit Joma International zusammenarbeitet, einem führenden Hersteller von Titanium Dioxide (TiO2) Nanopartikeln mit maßgeschneiderten Eigenschaften, ist ansonsten kaum etwas herauszufinden. Die Firma wird von der Israel Electric Corporation (IEC) und von Smedvig Capital finanziert, und behauptet, die weltweit effizienteste großen DSC entwickelt zu haben, ohne jedoch irgendwelche Zahlen offen zu legen. 3GSolar arbeitet ferner an der Weiterentwicklung der sogenannten Forster Resonance Energy Transfer (FRET) Technologie, bei der Quantum Dots die Leistungsfähigkeit der Farbstoffzellen weiter erhöhen sollen – auch hier bislang ohne Angabe jeglicher bereits erzielter oder geplanter Werte.

Noch viel aktiver sieht es auf wissenschaftlicher Ebene aus – fast überall wird geforscht und untersucht, experimentiert und herumprobiert, um das Potential der DSSC-Zellentechnologie weiter auszuschöpfen.

Annemarie Huijser verteidigt im März 2008 an der TU Delft Ihre Doktorarbeit über die Umsetzung biologischer Prozesse auf Solarzellen. Pflanzenzellen können absorbiertes Sonnenlicht über (im Verhältnis gesehen) lange Strecken von typischerweise 15 bis 20 Nanometer transportieren, bis zu der Stelle, in der es in chemische Energie umgewandelt wird. Dies liegt daran, daß die Chlorophyll-Moleküle in den Blättern in der bestmöglichen Sequenz angeordnet sind. Huijser konzentriert sich daher auf Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen, wo die Farbschicht, die den Halbleiter Titandioxid bedeckt, die Energie aus dem Sonnenlicht absorbiert und damit die sogenannten Exzitonen schafft, die sich dann in Richtung auf den Halbleiter bewegen müssen. Sie vergleicht Farbstoffmoleküle mit Legosteinen und variiert die Art, wie die Steine ​​gestapelt sind um zu beobachten, wie dies den Transport der Exzitonen durch die Solarzellen beeinflußt. Diese sollten sich so frei wie möglich durch das Zellenmaterial bewegen, um möglichst effizient Strom zu erzeugen.

Huijsers Solarzellen sind eng mit den Grätzel-Zellen verwandt. Bei diesen liegen der Farbstoff und der Halbleiter jedoch sehr nahe beieinander, sie sind fast gemischt. Als Ergebnis müssen sich die Exzitonen nicht weit bewegen. Ein Nachteil dieser Art von Zelle ist aber die aufwendige Methode der Ladungstransportverbindung. Aus diesem Grund wählt Huijser einen anderen Ansatz und verwendet ein zweischichtiges System von Farbstoff und Halbleiter. Durch die Untersuchung der besten Aneinanderreihung der Farbstoffmoleküle gelingt es, die mittlere Entfernung, die die Exzitonen in der Solarzelle bewegen, um das zwanzigfache zu erhöhen – bis zu einem Abstand von ca. 20 Nanometern, was etwa den in der Natur gefundenen Systemen entspricht. Um diese neue Art von Solarzellen wirtschaftlich zu machen, muß die Mobilität der Exzitonen allerdings noch um einen Faktor von drei weiter erhöht werden, was laut Huijser aber durchaus möglich sei.

Popcornkugel-Oberfläche

Popcornkugel-Oberfläche

Im April 2008 melden Forscher um Prof. Guozhong Cao an der University of Washington eine fast dramatische Verbesserung bei Farbstoffsolarzellen, die sie durch eine innere Struktur, die an Popcorn erinnert, erreichen konnten. Mit den winzigen Körnchen von rund 15 Nanometern Durchmesser der Halbleiterschicht, die zu größeren Kugeln von rund 300 Nanometern Durchmesser zusammenklumpen, entsteht eine Oberfläche von fast 100 m2 pro Gramm des Materials. Darauf sitzen die Farbstoffmoleküle, aus denen das Licht Elektronen freisetzt, welche dann in die halbleitende Körnchenschicht wandern und zum Stromfluß führen. Für einfache kleine Körnchen aus Zinkoxid gingen die Forscher von 2,4 % Effizienz aus – erreichen mit dem Popcornkugel-Design desselben Materials völlig unerwartet jedoch eine Effizienz von 6,2 %. Da diese poröse Struktur das einfallende Licht länger hält, hat sich die Effizienz der Zellen mehr als verdoppelt!

Während die Wissenschaftler ihre ersten Versuche mit dem einfach zu handhabenden, aber chemisch nicht stabilen Zinkoxid durchführen, soll in den nächsten Versuchen das effizientere Titanoxid angegangen werden, um auch dessen Werte möglichst stark zu steigern. Die Forschung wird von der National Science Foundation, dem Department of Energy, dem Washington Technology Center und dem Air Force Office of Scientific Research finanziert.

Studenten der Rowan University in Glassboro, New Jersey, präsentieren im Mai 2008 Solarzellen, die sie mit den Farbstoffen von Brombeeren, Heidelbeeren, Orangen und Trauben hergestellt haben. Das Team um Prof. Darius Kuciauskas entwickelt hierfür selbständig einen Prozeß, um die Farbstoffe zu extrahieren. Hierbei werden die schweren Teilchen mit Hilfe von Filtern und einer Zentrifuge abgetrennt, um eine Flüssigkeit zu erhalten, die trockengefroren wird. Übrig bleiben Zucker und Farbstoff, nach deren Trennung ein reiner, hell gefärbter Farbstoff in einer sauren Lösung verbleibt. Diese organischen Solarzellen haben zwar eine geringe Leistung, die Produktion von Farbstoff aus Obst ist dafür aber spottbillig.

Im Juni 2008 folgt die Meldung, daß der Einsatz von Nanoröhrchen die Leistung von DSSC-Dünnschichtfilmen um das Zehnfache erhöhen kann. Jessika Trancik vom Santa Fe Institute, Scott Calabrese Barton von der Michigan State University und James Hone von der Columbia University verwenden Kohlenstoff-Nanoröhren, um eine einzelne Schicht zu schaffen, welche die Funktionen sowohl der Oxid- als auch der Platin-Schichten übernimmt – wobei hierfür drei Eigenschaften erforderlich sind: Transparenz, Leitfähigkeit und katalytische Aktivität.

Derzeit besitzen Farbstoffsolarzellen einen transparenten Film aus einem Oxid, das auf Glas aufgebracht und elektrisch leitend ist. Eine zusätzliche, separate Folie aus Platin wirkt als Katalysator, um die beteiligten chemischen Reaktionen zu beschleunigen. Doch beide Materialien haben Nachteile: Die Oxidschichten können nicht einfach auf flexible Materialien aufgebracht werden, da sie auf einem starren und hitzebeständigen Substrat wie Glas bedeutend besser funktionieren, während für die Herstellung der Platin-Folien teure Ausrüstungen erforderlich sind.

Gewöhnliche Filme aus Kohlenstoff-Nanoröhren haben aber auch ein Problem: Wird der Film dicker gemacht, um ein besserer Katalysator zu sein, wird er weniger transparent. Aufgrund der Theorie, daß Materialien als Katalysatoren besser funktionieren, wenn sie winzige Defekte haben, setzen die Forscher die Kohlenstoff-Nanoröhren Ozon aus, was sie ein wenig aufrauht – und aus sehr dünnen Filmen plötzlich sehr viel bessere Katalysatoren macht, deren Effektivität der von Platin nahekommt.

SureVolt von Dyesol

SureVolt von Dyesol

Im Jahr 2008 erreichen die Zellen der im Jahr 2004 im australischen Queanbeyan, in der Nähe von Canberra (Bundesstaat New South Wales) gegründeten Dyesol Ltd. eine Spitzeneffizienz von mehr als 11 %. und bezeichnet sich damit als bei Farbstoff-Solarzellen ‚weltweit führend’. Das Unternehmen will die Farbstoffsolarzellen-Technologie, die im Laufe der vorhergehenden 14 Jahre von Sustainable Technologies International, Greatcell Solar und der EPFL in der Schweiz entwickelt worden war, kommerzialisieren und wird Pionierlizenznehmer der DSC-Technologie. Das Gründerteam hatte bereits in 2000 die weltweit erste Prototypfertigungsanlage für DSC-Zellen gestartet.

Ab 2005 folgt Dyesol der Strategie, die Entwicklung von DSC durch Partnerschaften mit industriellen Größen in Schlüsselmärkten zu beschleunigen. Dazu gehören Corus in Großbritannien (vormals British Steel), mit denen auf Bandbeschichtungsanlagen produzierte DSC auf Bandstahl entwickelt werden, sowie Pilkington, mit denen an DSC-Glaselementen zur Integration in Gebäuden gearbeitet wird. Weitere Partnerschaften und Projekte führen zu Prototypen wie die flexible Multizellenfolie SureVolt für Tarn- und Sicherheitsanwendungen des australischen Verteidigungsministeriums.

2009 schließt Dyesol Kooperationsverträge mit Merck zur Entwicklung neuartiger Elektrolyte für höhere DSC-Leistungsfähigkeit, und mit der australischen CSIRO über die Entwicklung von Farbstoffen ab, die bei der Energiesammlung effektiver und in der Langzeitnutzung stabiler sind. Dyesol liefert inzwischen Fertigungs-, Prototyping- und Forschungsanlagen der dritten Generation, und die australische Produktionseinrichtung besitzt die Kapazität, im Jahr bis zu 200.000 m2 DSC-Erzeugnisse zu produzieren. Die Herstellungslinien stellen derzeit ockerfarbene Farbstoffsolarzellen her, das Unternehmen plant jedoch zukünftig Zellen auch in den Farben grau, grün und blau anzubieten.

Im Februar 2010 gründet Dyesol in Bayern eine GmbH als Tochterfirma, und im Mai wird mit der Singapore Aerospace Manufacturing Pte. Ltd. ein Memorandum of Understanding unterzeichnet, um gemeinsam eine automatisierte Pilot-Fertigungsanlage für DSC-Zellen mit einer jährlichen Produktionskapazität von mehr als 20.000 m2 zu entwerfen und zu bauen. Im Juli wird das mit dem Projektpartner Corus durchgeführte zweijährige Forschungsprojekt abgeschlossen, bei dem es um eine Technik zur Aufbringung von Farbstoffsolarzellen auf Bandstahl in industriellem Maßstab ging. Und im November wird ein Kooperationsvertrag für ein gemeinsames Dreijahresprogramm mit dem japanischen National Institute for Materials Science (NIMS) geschlossen, um das Effizienzniveau der Farbstoffsolarzellen weiter zu steigern.

Im Jahr 2012 arbeitet die Dyesol Inc., die US-amerikanische Tochterfirma der Dyesol Ltd., am Markteintritt im Bereich der gebäudeintegrierten Photovoltaik (BIPV) – mit 120 x 60 cm großen DSC-Glasmodulen. Die Dyesol Inc. ist auch 50 %-ige Eigentümerin des in Ohio registrierten Joint-Venture-Unternehmens DyeTec Solar, das die BIPV-Glasprodukte vermarkten soll. Ein bereits 2008 mit der Timo Technologies Co. Ltd. aus Südkorea begründetes Joint Venture unter dem Namen Dyesol-Timo liefert die vom Stil her höchst innovativen DSC-Module für die im März 2012 im Human Resource Development Centre der Stadt Seoul installierten und von der koreanischen Glasproduktionsfirma Eagon Industrial Co. Ltd. hergestellten Fenster. Es sind moderne Buntglasfenster, welche aus Sonnenlicht sauberen, erneuerbaren Strom erzeugen. Bei den Industry Awards 2012 des australischen Clean Energy Councils ist Dyesol Gewinner des neu geschaffenen Innovationspreises.

DEPHOTEX-Zelle

DEPHOTEX-Zelle

Da viele textile Outdoor-Produkte wie Markisen, Zelte, LKW-Planen, Segel etc. direkt dem Sonnenlicht ausgesetzt sind und somit ideale Flächen für die Energieerzeugung darstellen, wird im November 2008 - basierend auf früheren Arbeiten des Deutschen Textilforschungszentrum Nord-West e.V. (DTNW) - im Rahmen des FP7 das dreijährige EU-Projekt DEPHOTEX (Development of Photovoltaic Textiles based on novel Fibres) ins Leben gerufen, an dem sich neben dem DTNW weitere 13 Partner aus 7 europäischen Nationen beteiligen. Bei dem Forschungsvorhaben zur Entwicklung von textilbasierten Solarzellen, welche Flexibilität, geringes Gewicht und Langlebigkeit kombinieren, werden mit Hilfe unterschiedlicher Materialien und Technologien die photoaktiven Schichten layer-by-layer auf verschiedene textile Substrate aufgebracht, wobei neben Farbstoff-Solarzellen auch Organische Solarzellen untersucht werden.

Den im Dezember 2011 veröffentlichten Ergebnissen zufolge, zeigen leichte und flexible großflächige Einzelzellen von bis zu 6 cm2 eine über mehrere Monate konstante Effizienz von etwa 2 %. Eine Markteinführung soll erfolgen, sobald die Effizienz auf Werte von etwa 3 % - 4 % gesteigert und auch die Langzeitstabilität im alltäglichen Gebrauch bewiesen ist.

Ende 2008 stellt Sony auf der Messe Eco-Products in Tokio erstmals Prototypen von graphisch aufwendig gestalteten Farbstoffsolarzellen vor, die unter dem Namen Hana Akari vermarktet werden sollen. Als Kubus angeordnet werden sie als Lampenschirme präsentiert, die sowohl (in ausgeschaltetem Zustand) das Umgebungslicht, als auch (angeschaltet) das eigene Lampenlicht nutzen. Die Zellen sollen sich in jeder gewünschten Farbe und Form herstellen lassen, ihr gegenwärtiger Wirkungsgrad beträgt 4 %. Ob und wann die Technik auf den Markt kommen soll, wird nicht bekannt gegeben.

Bei anderen Farbstoff-Solarzellen hat Sony im Juni 2008 bereits einen Wirkungsgrad von etwas mehr als 10 % und einen Modulwirkungsgrad von 8,2 % erreicht, der durch weitere Verbesserungen auf eine Umwandlungseffizienz von 10 % gesteigert werden soll. Tatsächlich dauert es anschließend zwei Jahre, bis das Unternehmen auf einer Folgeausstellung im Dezember 2010 denselben Zellentyp zeigt, diesmal unter dem Namen Hana Mado (Blumenkraft, bzw. ‚Flower Power’). Auch diesmal, ohne irgendwelche Aussagen über einen Produktionsbeginn zu machen.

Ganz ähnliche, allerdings kleinflächigere Zellen mit einer Effizient um 8 % herum werden 2009 von der japanischen Elektronikfirma TDK vorgestellt.

Im Jahr 2009 kursiert im April die Meldung, daß Forscher der Oregon State University und der Portland State University festgestellt haben, daß als Diatomeen bekannte mikroskopische Algen die elektrische Leistung von Farbstoff-Solarzellen möglicherweise verdreifachen könnten (s.u. Diatomee-Solarzelle).

Im November 2009 ist die Startup-Firma LivinGreen Materials einer der Finalisten des Cleantech Open Wettbewerbs. Unter dem Namen AggraLight ist hier eine neue Technologie konzipiert worden, bei der die Oberfläche von DSC-Zellen durch strukturierende Aggregate aus Nanopartikeln vergrößert wird, so daß das einfallende Sonnenlicht innerhalb der Schicht mehr ‚herumprallt’, um die Streuung zu reduzieren. Damit sollen die Effizienz verdoppelt und die Herstellungskosten mehr als halbiert werden können. Was sich jedoch nicht so leicht umsetzen läßt, denn bis zum aktuellen Update Mitte 2012 ist von LivinGreen nichts mehr zu vernehmen.

Für Aufsehen sorgt eine Meldung vom Dezember 2009 aus der Monash University in Melbourne, wo Forscher in Zusammenarbeit mit Experten der Universitäten Ulm und Wollongong einen Weg gefunden haben, die Energieausbeute Farbstoff-sensibilisierter Solarzellen deutlich zu erhöhen. Den Wissenschaftlern unter der Leitung von Udo Bach gelingt es, Tandem-Farbstoffsolarzellen so herzustellen, daß sich deren Wirkungsgrad langfristig verdreifachen könnte. Die Tandem-Zelle besteht aus zwei übereinander geschichteten Solarzellen aus verschiedenen Materialien, die für bestimmte Wellenlängenbereiche ausgelegt sind. Um den Ladungstransport zwischen den Schichten zu gewährleisten, wird anstatt der bislang zumeist genutzten (nicht-transparenten) metallischen Kathode eine effiziente und transparente Photokathode aus Nickeloxid entwickelt, die allerdings noch weiter optimiert werden muß. Der gegenwärtige Wirkungsgrad von rund 2,4 % soll durch weitere Verbesserungen verdreifacht werden.

Floating Chair Design

Floating Chair (Design)

Im Juni 2010 werden die Ergebnisse eines internationalen Wettbewerbs veröffentlicht, bei dem das EPFL+ECAL Lab (ein Bereich der Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, der mit der University of art and design Lausanne zusammenarbeitet) Studenten dazu aufgefordert hatte, ihre Ideen für den Einsatz von Farbstoff-Solarzellen vorzustellen. Aus den über 80 Beiträgen wäre der Floating Chair von Diana Chang aus dem California College of Arts ein interessantes Design, das sich auch relativ leicht umsetzen läßt – fehlenden Vandalismus vorausgesetzt. Die minimalistische Parkbank besitzt eine transparente, mit Solarzellen bedeckte Tragkonstruktion, die während des Tages Energie sammelt, um nachts zu leuchten.

Die in Dublin beheimatete irische Firma SolarPrint Ltd. wird 2008 von Dr. Mazhar Bari, Andre Fernon und Roy Horgan gegründet, um Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen der 3. Generation zu entwickeln – die unter Verwendung billiger Rohstoffe zu äußerst wettbewerbsfähigen Kosten druckbar sind. Wesentliches Element der Zelle ist die sonst als Flüssigkeit aufgebrachte Elektrolytschicht, die oftmals Probleme bereitet, und die beim Verfahren von SolarPrint durch eine druckbare Elektrolyt-Paste aus Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphen und ionischen Salzen ersetzt wird. Das Unternehmen erwartet, die Herstellungskosten dadurch auf weniger als ein Viertel der Kosten herkömmlicher Verfahren senken zu können.

Im Juli 2010 erhält SolarPrint 1,6 Mio. € Investitionsmittel von Enterprise Ireland, Custom House Capital und privaten Investoren. Gleichzeitig wird die in Sandyford, Dublin, bestehende Pilotproduktion erweitert und ein neues Hauptquartier eröffnet. Außerdem unterzeichnet das Unternehmen einen Vertrag mit dem Autohersteller Fiat, um Solarkollektoren zu entwickeln, die in die Dachfläche der Fahrzeuge eingebaut werden können. Und gemeinsam mit dem taiwanesischen Industrial Technology Research Institute (ITRI) wird an Consumer-Anwendungen gearbeitet, bei denen die neuen Zellen verwendet werden können. Nach Patentierung der Technologien soll 2011 mit der Großproduktion begonnen werden.

Das Unternehmen konzentriert sich ab Mai 2012 auf die Markteinführung kleine Zellen zur autonomen Versorgung verschiedener Funksensoren, die auch in Innenräumen eingesetzt werden können und eine Lebenserwartung von 10 Jahren haben. In Zusammenarbeit mit den Firmen Analog Devices Incorporated (ADI) und Gas Sensing Solutions Limited (GSS) wird der weltweit erste selbstversorgte, drahtlose CO2-, Temperatur- und Feuchte-Sensor vorgestellt, der mit SolarPrint-Zellen ausgestattet ist.

Oxford PV-Zellen

Oxford PV-Zellen

Über eine ähnliche Technologie wird im Oktober 2010 berichtet. Die von Oxford Photovoltaics (Oxford PV) entwickelten Farbstoff-sensitiven Solarzellen können mittels einer Siebdruck-Technik direkt auf Glas gedruckt werden. Die Gruppe, die mit der Oxford University verbunden ist, gewinnt bei der Disruptive Solutions Competition des britischen Technology Strategy Board ein Preisgeld von mehr als 150.000 $ und plant nun, mit anderen Herstellern zusammenzuarbeiten, um die Entwicklung von Prototypen zu beschleunigen. Außerdem will man die neuen Solarzellen so haltbar wie möglich machen, so daß sie eine Lebenszeit von mindestens 20 Jahren erreichen, wobei die Herstellungskosten im Vergleich zu den gegenwärtigen Preisen von Dünnfilm-Zellen um 50 % gesenkt werden sollen.

Schon im April 2010 meldet die in Hong Kong ansässige Firma Toppan Forms, eine Tochter der Toppan Printing, daß sie nach mehrjähriger Entwicklungsarbeit im Bereich der gedruckten Elektronik-Technologien in Zusammenarbeit mit Partnern wie Konarka, Add-Vision und anderen, nun mit der Erprobung der dünnen, organischen Konarka-Zellen in Verbraucher- und Merchandising-Anwendungen beginnen will. Unter anderem sollen verschiedene Solarladegeräte für elektronische Geräte wie Mobiltelefone auf dem Markt getest werden. Das Unternehmen integriert die Dünnschicht-PV-Technologie auch mit polymeren organischen Leuchtdioden-Displays (P-OLED) und Toppans Audio Paper Technologie zu Werbedisplays, die ausschließlich von Raumlicht betrieben werden. Beim Update 2012 ist auf der Homepage des Unternehmens allerdings nichts mehr davon zu finden.

Forscher der Cornell University um Prof. William Dichtel wiederum finden im Juni 2010 heraus, daß bestimmte Moleküle in Jeans und einigen Tintenfarbstoffen verwendet werden können, um mittels einer Struktur namens Kovalentes Organisches Gerüst (covalent organic framework, COF) effizientere, günstige und flexible Solarzellen zu schaffen. Das Verfahren verwendet Phthalocyanin, ein gängiger industrieller Farbstoff mit ähnlicher Struktur wie Chlorophyll, der nahezu das gesamte Sonnenspektrum absorbieren kann. Dabei werden ein einfacher Säure-Katalysator sowie relativ stabile Moleküle, sogenannte geschützte Catechine, eingesetzt, um die organischen Moleküle zu ordentlichen zweidimensionalen Blättern zusammenzustellen. Diese Blätter werden dann übereinander gestapelt um ein Gitter zu bilden, das für die Bewegung der Ladung Wege durch das Material bietet.

Schwedische Forscher um Zackary Chiragwandi an der Chalmers University of Technology in Gothenburg melden im September 2010, daß sie einen Weg gefunden haben um Solarzellen aus Biolumineszenz-Quallen zu entwickeln: Das grün fluoreszierende Photoprotein Aequorin (Green Fluorescent Protein, GFP), das die im Pazifischen Ozean verbreitete Qualle Aequorea victoria zum Leuchten bringt, wird auf ein Siliziumdioxid-Substrat zwischen zwei Elektroden getropft, wo es sich selbst zu Strängen zwischen den Elektroden verknüpft. Wird das Ganze mit UV-Licht bestrahlt, absorbiert das Photoprotein die Photonen und emittiert Elektronen, womit es einen Strom erzeugt.

[Für die Entdeckung und Weiterentwicklung des grün fluoreszierenden Proteins wurde übrigens im Jahr 2008 der Nobelpreis für Chemie an Osamu Shimomura, Martin Chalfie und Roger Tsien verliehen. Shimomura hatte das Protein erstmals 1961 beschrieben.]

Anfang 2011 melden Wissenschaftler der University of Buffalo um Prof. Michael Detty, daß sie gemeinsam mit Partnern an der University of Rochester um Prof. Richard Eisenberg eine neue Klasse von photosensibilisierenden Farbstoffen entwickelt haben, mit denen sie Solarzellen hergestellt hätten, welche Sonnenenergie direkt in elektrischen Strom umwandeln können – und damit das komplexe System von Leitern umgehen, wie es sonst in den meisten Solarzellen benötigt wird. Leider wird diese interessante Aussage in den Presseberichten nicht näher ausgeführt. Gesagt wird nur, daß die Chalcogenorhodamine genannten Farbstoffe mehr Licht absorbieren als herkömmliche Farbstoffe, und daß sie bei der Freisetzung ihrer Elektronen und der Übertragung von Energie auch effektiver sind. Entsprechende Patente sind bereits angemeldet.

Im März 2011 geben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE bekannt, daß es ihnen gelungen ist, mit industriellen Verfahren und Maschinen die weltweit ersten 60 x 100 cm großen, funktionsfähigen Prototypen von Farbstoffsolarmodule auf einem durchgehenden Glas-Substrat herzustellen. Für die Applikation von Farbstoff und Elektrolyt hatte man gemeinsam mit dem Fraunhofer IAO in Stuttgart eine Station für die automatisierte Befüllung und Endversiegelung der großflächigen Farbstoffsolarmodule entwickelt.

Die Farbstoffsolarmodule des DIE werden im sogenannten Meander-Design hergestellt, und die langzeitstabile Versiegelung erfolgt durch ein ebenfalls im Siebdruck aufgebrachtes Glaslot. Mit 10 x 10 cm großen Modulen erzielten die Fraunhofer-Forscher jüngst einen Wirkungsgrad von 7,1 %. Die Arbeiten am ISE werden im Rahmen von Verbundprojekten durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, die Europäische Kommission und das Umweltministerium Baden-Württemberg gefördert. Das ISE selbst befaßt sich derweil mit Plänen für eine Ausgründung, um erste Demonstrationsanwendungen zu realisieren.

Einen Monat später wird berichtet, daß Forscher an der University of Quebec in Montreal Fortschritte bei der Verbesserung von Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen gemacht haben. Das Team um Benoît Marsan ersetzt die mit Platin überzogen und daher teuren Kathoden mit Kobaltsulfid, das nicht nur billiger, sondern bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom sogar effizienter ist.

Die nächste Meldung stammt vom März 2012 und besagt, daß Zhaohong Huang und sein Team am A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapur die Kosten für Farbstoff-Solarzellen noch weiter reduzieren konnten, indem sie statt Indium-Zinn-Oxid (ITO), dem Standardmaterial für transparente Elektroden, das bis zu 60 % des Zellenpreises verursacht, billig herstellbare Kohlenstoff-Nanoröhren einsetzen. Forschungspartner ist das Singapore Institute of Manufacturing Technology.

Auch Ayomi Perera von der Kansas State University arbeitet an einer Optimierung von Farbstoff-Solarzellen, die den Einsatz giftiger Chemikalien vermeidet - zugunsten von harmlosen Bakterien, wie sie häufig im Erdboden zu finden sind. Einem Bericht vom April 2012 zufolge nutzt Perera das Bakterium Mycobacterium smegmatis, welches ein Protein namens MspA produziert, das in einer gereinigten Form bereits viele Anwendungen hat. Hinzugemischt zu Farbstoffen, die weniger giftige Chemikalien als konventionelle Farbstoffe enthalten, werden damit Solarzellen beschichtet: Der Farbstoff absorbiert das Sonnenlicht, und die Proteinmatrix ‚schnappt’ sich die Elektronen aus dem Farbstoff um elektrischen Strom zu erzeugen. Mit den vermutlich ersten Solarzellen mit eingebauten Proteinen sollen letztendlich Zellen mit biologisch abbaubaren oder umweltfreundlichen Komponenten herstellbar werden.

Im Mai 2012 berichten Forscher der Northwestern University, daß sie einen Weg gefunden haben, ein wesentliches Problem der Grätzel-Zelle zu lösen. Bislang wird der farbstoffsensibilisierte Elektrolyt der Zelle zumeist aus einer organischen Flüssigkeit hergestellt, die auslaufen und die Zelle korrodieren kann. Der Nanotechnologie-Experte Robert P. H. Chang und der Chemiker Mercouri Kanatzidis entwickeln eine formstabile Festkörper-Zelle mit einem neuen Elektrolytmaterial, einer aus Cäsium, Zinn und Jod aufgebaute Dünnfilm-Verbindung (CsSnI3), die als Flüssigkeit startet, aber als Feststoff endet. Hinzu kommt eine große wirksame Oberfläche aus Millionen und Abermillionen von Nanopartikeln, die alle mit Licht-absorbierendem Farbstoff beschichtet sind.

Die einzelne Solarzelle mißt 0,5 x 0,5 cm und ist etwa 10 Mikrometer dick. Hergestellt wird sie, indem die Farbstoff-beschichteten Nanopartikel eingebracht und anschließend von der Flüssigkeit umgossen werden, welche die Nanopartikel umströmt. Ähnlich wie bei Farbe, verdampft das Lösungsmittel und hinterläßt eine feste Masse. Im Gegensatz zur originären Grätzelzelle verwendet die neue Solarzelle Halbleiter sowohl vom n-Typ als auch vom p-Typ, während ein Monolayer aus Farbstoffmolekülen als Übergang zwischen den beiden genutzt wird. Jedes der nahezu kugelförmige Nanopartikel aus Titandioxid ist ein n-Typ Halbleiter – und das CsSnI3-Dünnfilmmaterial bildet eine neue Art von löslichem p-Typ Halbleiter. Der Sonnenlicht-absorbierende Farbstoff, in dem Photonen in Strom umgewandelt werden, liegt genau zwischen den beiden Halbleitern. Der erreichte Wirkungsgrad von 10,2 % ist der bislang höchste unter Festkörper-Solarzellen, die mit einem Farbstoffsensibilisator ausgestattet sind.

Unterstützt wird die Forschung durch die National Science Foundation, das US Department of Energy und die Initiative für Energie und Nachhaltigkeit der Northwestern University (ISEN).

Im selben Monat kursiert auch eine Nachricht der Universität Basel, wo es einem Forscherteam um die Professoren Edwin Constable und Catherine Housecroft gelungen ist, eine Farbstoff-Solarzelle auf der Basis von Zink herzustellen, eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste. Übliche DSC-Zellen bestehen aus dem Halbleiter Titandioxid, auf dem ein Farbstoff verankert ist. Die Schweizer Forscher entwickeln nun eine neue Strategie zur Herstellung und Verankerung von Farbstoffen an der Oberfläche von Titandioxid-Nanopartikeln und können erstmals zeigen, daß dazu auch einfache Zink-Verbindungen verwendbar sind. Das Basler Forscherteam konnte auch die Leistungsfähigkeit von Farbstoffen aus Kupfer demonstrieren.

Die Entdeckung, daß Zinkfarbstoffe zur Herstellung von Solarzellen verwendet werden können, kam laut Projektleiterin Dr. Biljana Bozic äußerst unerwartet, da Zink von den meisten Chemikern als eher ‚langweiliges’ Element angesehen wird, weil die meisten seiner Verbindungen farblos sind. Bei Forschungsarbeiten im Hinblick auf neuartige Beleuchtungssysteme hatten Constable und sein Team allerdings neuartige organische Verbindungen entdeckt, die an Zink gebunden intensiv-farbige Materialien bilden.

Die mit farbigen Zinkverbindungen bestückten Solarzellen arbeiten noch nicht effizient, doch solange herkömmliche Farbstoff-Solarzellen Farbstoffe auf der Basis von Ruthenium verwenden, das als sehr seltenes Metall mit rund 3.000 €/kg (Stand 2012) zu Buche schlägt, bilden Farbstoffe aus dem reichlich vorkommenden und relativ günstigen Kupfer (6,30 €/kg) oder noch billigerem Zink (1,50 €/kg) wirtschaftlich verlockende Alternativen.

Im Juli 2012 berichtet die Fachpresse darüber, daß Forscher des MIT um Dörthe M. Eisele an einem System arbeiten, das die Verfahren des Lichteinfangs durch Tiefsee-Bakterien modelliert. Das Modell besteht aus einem sich selbst organisierenden System aus Farbstoffmolekülen, die perfekt gleichmäßige doppelwandige Nanoröhren bilden. Eisele hatte im Oktober 2009 in der Zeitschrift Nature Nanotechnology einen Artikel mit dem Titel „Uniform exciton fluorescence from individual molecular nanotubes immobilized on solid substrates” veröffentlicht, in dem es um künstliche selbstorganisierte Nanoröhren geht, die ganz ähnlich wie biologische Lichtsammelkomplexe für die Photosynthese aufgebaut sind, und daher als Modellsysteme für die Untersuchung von Energietransport in derartigen Systemen dienen können. Diese nur etwa 10 Nanometer breiten, aber tausend Mal längeren Nanoröhren ähneln in Größe, Form und Funktion den natürlichen Rezeptoren der grünen Schwefelbakterien (Chlorobien), die Energie aus den winzigen Mengen von Sonnenlicht ziehen, das bis in die Tiefen des Ozeans durchzudringen vermag. Es gilt (noch immer) als eines der großen Geheimnisse der Natur, wie sie Licht so effizient ernten kann – und zwar mit einem Wirkungsgrad von 98 %!

Eisele zufolge ist es aber unwahrscheinlich, daß diese besondere Art von Nanoröhrchen je praktische Anwendung finden wird. Es wird damit jedoch gerne experimentiert, um grundlegende Prinzipien zu studieren, die zu optimalen Materialien für bestimmte Anwendungen führen können. Im Gegensatz zu typischen selbstorganisierenden Systemen, in denen jede Struktur ein wenig anders sein kann, bilden die aus einem Cyanin-basierten Farbstoff hergestellten Nanoröhren absolut gleichmäßige Formen und Größen, was sie zu einem optimalen Modell macht. Weitere Fortschritte im Verständnis grundlegender Licht-Ernte-Prozesse können so völlig neue Ansätze zur Erfassung von Solarenergie ergeben.

Die Forschungen wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Alexander von Humboldt-Stiftung, dem Integrative Research Institute for the Sciences (IRIS Adlershof, eine Einrichtung der Humboldt-Universität zu Berlin), der National Science Foundation, dem Center for Excitonics des DOE, dem Army Research Office und der DARPA unterstützt. Forschungspartner sind die Humboldt-Universität zu Berlin, die University of Texas in Austin und die Universität Groningen in den Niederlanden.

Energy Collection

Energy Collection

Im selben Monat und ebenfalls aus den Niederlanden wird über Marjan van Aubel berichtet, eine Produkt-Designerin und Absolventin des Royal College of Art, die mit dem Labor von Michael Grätzel an der EPFL, der Solaronix Lausanne, dem EPFL+ECAL Lab und dem Imperial College London zusammenarbeitet, um der Technologien für ihre Glaswaren zu entwickeln und anzupassen. Bei der Energy Collection werden Alltagsgegenstände genutzt, um Energie aus Tageslicht zu ziehen. Die Solar-Glaswaren sammeln Energie aus dem Umgebungslicht, egal ob aus dem Glas gerade getrunken wird oder es verlassen auf der Seite steht.

Die Farbstoff-Solarzellen sind vollständig in den Objekten selbst integriert, und wenn ein Glas weggeräumt wird, sammelt und speichert es – auf speziell verschalteten Regalbrettern ‚angedockt’ – diese Energie, wobei das Regal als Batterie dient, aus der elektronische Geräte aufgeladen oder eine Lichtquelle versorgt werden können.


Graphen-Solarzellen


Graphen ist die Bezeichnung für eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom von drei weiteren umgeben ist, so daß sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet. Graphen leitet Elektrizität und auch Wärme erstaunlich gut. Stellt man sich die einlagigen Schichten aufgerollt vor, so erhält man gestreckte Kohlenstoffnanoröhren, und wenn einige der Sechserringe durch Fünferringe ersetzt werden, wölbt sich die ebene Fläche zu einer Kugelfläche und ergibt bei bestimmten Zahlenverhältnissen Fullerene (diese behandle ich ausführlich unter Nano-Solarzellen).

Graphen wurde 2004 entdeckt, und der erste bekannte topologische Isolator, eine Legierung aus Wismut und Antimon, erstmals 2007 erwähnt.

Im Juni 2009 entwickeln und patentieren Wissenschaftler um Klaus Müllen vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz neue Verfahren, um durchsichtige Elektroden aus Graphen herzustellen, die in Zukunft Indiumzinnoxid in Solarzellen ersetzen und diese dadurch preiswerter und effizienter machen sollen. Bei dem Pyrolyse-Verfahren beispielsweise werden auf einer Trägerschicht aus Glas Moleküle erwärmt, die in ihrem Kern bereits kleine Graphenscheiben enthalten und zusätzlich noch Arme aus Kohlenwasserstoffketten tragen. In der Hitze verschmelzen diese Moleküle dann zu einem durchsichtigen Film aus Kohlenstoff, der unter 10 nm dick und auch für einen bestimmten Anteil des infraroten Sonnenlichts durchsichtig ist.

Chemiker an der Indiana University Bloomington um Liang-shi Li berichten im April 2010, daß sie eine Methode zur Herstellung ultra-stabiler großer ‚Blätter’ (sheets) aus Graphen gefunden haben, was bislang nicht so einfach war, weil größere Blätter klebrig werden und oft an anderen Blättern haften bleiben. Dabei verwenden sie eine Art 3D Pflaster aus Stacheln zwischen den Kohlenstoff-Blätter. Es gelingt damit, aus dem Ausgangsmaterial Blätter aus 168 Kohlenstoffatomen herauszulösen. Dieses Projekt wird von der National Science Foundation und dem American Chemical Society Petroleum Research Fund finanziert.

Einen der selten externen Links dieser Seite verdient ein Song über Graphene – ja, so etwas gibt es tatsächlich –, der im Oktober 2010 auf YouTube erscheint und eine Hommage an J. J. Cale und Eric Clapton darstellt. Er ist von Wissenschaftlern der Georgia Tech aufgenommen worden... und klingt sogar recht gut!

Im Januar 2011 zeigen Vladimir Bulovic und seine Kollegin Jing Kong am Massachusetts Institute of Technology (MIT) einen weiteren Weg, Graphen als flexibles und lichtdurchlässiges Material für Elektroden in Solarzellen einzusetzen. Durch Dotierung mit Gold(III)-chlorid (AuCl3) läßt sich das ansonsten hoch wasserabweisende und schwer zu beschichtende Graphen zum Träger- und Elektrodenmaterial für photovoltaischen Zellen machen.

An der Rice University wird ebenfalls an transparenten, Graphen-basierten Elektroden gearbeitet, um auf das zunehmend teurer werdende Indiumzinnoxid verzichten zu können. Reines Graphen hat bei einer ausreichend hohen Transparenz allerdings keine ausreichend hohe Leitfähigkeit – und umgekehrt zeigen engmaschige Metallgitter zwar eine gute Leitfähigkeit, doch Lücken zwischen den Nanodrähten (um sie transparent zu halten), machen sie als Stand-alone-Komponenten in leitfähigen Elektroden ungeeignet.

James Tour und sein Team berichten im August 2011, daß die Kombination der Materialien demgegenüber hervorragend funktioniert, da das Metallgitter das Graphen verstärkt und dieses wiederum alle Leerräume zwischen dem Gitter füllt. Auch ein Raster aus fünf Mikrometer dicken Nanodrähten aus preiswertem und leichtem Aluminium beeinträchtigt die Transparenz in keinster Weise.

Graphene Elektrode Grafik

Graphene Elektrode (Grafik)

Im Oktober 2011 gibt ein Team des MIT um Prof. Pablo Jarillo-Herrero bekannt, daß man herausgefunden habe, daß Graphen eine neuartige Reaktion auf Licht aufweist. Herero hatte 2009 das Forschungsstipendium von David und Lucile Packard in Höhe von 875.000 $ zugesprochen bekommen, um sich mit Graphenen als topologische Isolatoren zu beschäftigen.

Der nun entdeckte und hot-carrier-Reaktion genannte Effekt wird durch Lichtenergie ausgelöst und veranlaßt das Material, auf recht ungewöhnliche Art und Weise elektrischen Strom zu produzieren. Dem Team zufolge sei dieser stromerzeugenden Effekt zwar schon zuvor beobachtet worden, aber die Forscher hatten fälschlicherweise angenommen, er würde auf einem photovoltaischen Effekt beruhen.

Unter Mitwirkung von Forschern des National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan, findet man heraus, daß Graphen, sobald helles Licht darauf fällt, zwei Bereiche mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften ausbildet, durch die eine Temperaturdifferenz geschaffen wird, die wiederum einen Strom erzeugt. Graphen heizt sich deshalb so unterschiedlich auf, wenn sie von einem Laser bestrahlt wird, weil der Elektronen des Materials, die Strom führen, durch das Licht erhitzt werden, während das Gitter der Kohlenstoff-Kerne, die das Rückgrat des Graphen bilden, kühl bleiben. Es ist diese Temperaturdifferenz innerhalb des Materials, die den elektrischen Fluß erzeugt. Die Reaktion findet bei Graphen in einem breiten Spektrum von Temperaturen statt, und auch bei Licht, das nicht intensiver als gewöhnliches Sonnenlicht ist.

Der Grund für diese ungewöhnliche thermische Reaktion ist, daß Graphen das stärkste bekannte Material ist. Bei den meisten Materialien würden überhitzte Elektronen Energie an das Gitter um sie herum übertragen. Im Fall von Graphen geht das aber nur sehr schwer, da die hohe Festigkeit des Materials bedeutet, daß es einer sehr hohen Energie bedarf um sein Gitter aus Kohlenstoffkernen zum Schwingen zu bringen – wodurch nur extrem wenig Wärme von den Elektronen auf das Gitter übertragen wird. Da dieses Phänomen so neu ist, ist es noch schwer vorherzusagen, welches seine endgültigen Anwendungen sein könnten. Es könnte ein sehr wirksames Material zum Einfangen der Sonnenergie werden, da es im Gegensatz zu den typischen Photovoltaik-Materialien auf ein breites Spektrum von Wellenlängen reagiert. Bis dahin sind aber noch weitere Forschungen nötig.

Im Mai 2012 melden Wissenschaftler des Centre for Graphene Science der University of Exeter um Monica Craciun, daß sie das bislang transparenteste, leichteste und flexiblste Material erfunden haben, das zum Leiten von Elektrizität geeignet ist. Das GraphExeter genannte Material soll den Wirkungsgrad von Solarzellen um mehr als 30 % verbessern. Hergestellt wird es, indem Eisenchlorid-Moleküle zwischen zwei Schichten aus Graphen eingeklemmt werden. Eisenchlorid erhöht die elektrische Leitfähigkeit von Graphen, ohne die Transparenz des Materials zu beeinträchtigen. Das Forscherteam entwickelt nun eine Spray-on-Version von GraphExeter, die auf Stoffen, Spiegeln und Fenstern eingesetzt werden soll.

Das Centre for Graphene Science vereint die Universitäten von Exeter und Bath in Bereich der international führenden Forschung in Sachen Graphen. Das Zentrum schließt die Lücke zwischen der wissenschaftlichen Entwicklung und der industriellen Anwendung dieser revolutionären neuen Technologie. Die Forschungsarbeit wird von dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) und der Royal Society finanziert.

Zeitgleich berichten Forscher der University of Florida um Prof. Arthur Hebard, daß ihre mit Trifluormethansulfonylamid (TFSA) dotierten Graphen-Solarzellen einen neuen Rekord-Wirkungsgrad erreicht haben: 8,6 %. Der Prototyp besteht aus einem 5 mm2 großen, starren Wafer aus Silizium, der mit einer einzigen Schicht von chemisch mit TFSA behandeltem Graphen beschichtet ist.

Wo Graphen und Silizium zusammenkommen, bilden sie eine sogenannte Schottky-Barriere – eine Einweg-Barriere für Elektronen an dem Metall-Halbleiter-Übergang, die bei Lichteinfall als Energie-Umwandlungszone in der Solarzelle wirkt.

Üblicherweise werden Schotty-Barrieren gebildet, indem ein Metall auf einem Halbleiter-geschichtet wird. Nachdem im Jahr 2011 aber entdeckt wurde, daß Graphen ein geeigneter Metall-Ersatz ist, findet das Team nun heraus, daß die Dotierung des Graphen mit TFSA das elektrische Feldpotential innerhalb der Zelle erhöht und die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom effizienter gestaltet. Außerdem sei TFSA auch stabiler und langlebiger als andere Dotierstoffe, die in der Vergangenheit untersucht worden sind. Die verwendete starre Silizium-Basis des Prototyps wird als wirtschaftliches Material für die Massenproduktion allerdings nicht in Betracht gezogen, weshalb man das dotierte Graphen in Kombination nun mit preiswerten und flexiblen Substrate weiterentwickelt.


Haar-Solarzellen


Im September 2009 feiert die Presse den 18-jährigen Milan Karki aus Katmandu in Nepal, einen auf dem Land aufgewachsenen jungen Burschen, der ein Solarpaneel entwickelt hat, das eine Abwandlung der obigen DSC-Zellen darstellt und als Halbleiter menschliches Haar nutzt. Wie sich herausstellt, funktioniert das Haarpigment Melanin sogar hervorragend als organischer Halbleiter. Auf die Idee kommt Milan durch die Lektüre eines Buches von Stephan Hawking, in dem die Erzeugung von statischer Energie aus Haaren angesprochen wird.

Karki wird klar, daß Melanin einen der Faktoren der Energieumwandlung darstellt, und daß es möglicherweise als Halbleiter dienen könnte. Zusammen mit vier weiteren Klassenkameraden am Trinity International College arbeitet er daraufhin an Prototypen, mit denen Mobiltelefone oder Batterien zur Beleuchtung aufgeladen werden können. Die Paneele selbst sind etwa 180 x 150 cm groß, produzieren bei 9 V bis zu 18 W und haben umgerechnet rund 38 $ gekostet, was sich laut Karki bei Massenproduktion mindestens halbieren ließe. In Nepal kostet ein halbes Kilo menschliches Haar etwa 25 US-Cent. Die Lebensdauer der Zellen beträgt zwar nur wenige Monate, doch Haar ist ein nachwachsender Rohstoff, der vom Besitzer des Solarpaneels ‚aus Eigenproduktion’ wieder aufgefüllt werden kann. Die dreifach teureren Batterien dagegen, die es zu kaufen gibt, halten nur wenige Nächte und sind danach ‚Abfall’.

Zur Herstellung der Zelle nimmt Karki ein Stück Glas, bestreicht das eine Ende mit etwas Siliziumdioxid als Kathode, und befestigt oxidiertes Kupfer als Anode an dem anderen Ende. Anschließend wird zwischen den beiden Verbindungen menschliches Haar ausgebracht und befestigt, welches zuvor in organische Salze getränkt wurde um seine Leitfähigkeit zu steigern. Als Elektrolyt wirken ein paar Tropfen Jod auf dem Haar, und während das Ende mit dem Siliziumdioxid von einer dünnen Schicht aus Graphit bedeckt wird, bleibt das Ende mit dem oxidierten Kupfer dem Sonnenlicht ausgesetzt. Die Funktion der Haare ist es dabei nicht, das Sonnenlicht aufzunehmen, sondern als Brücke (d.h. als Leiter oder Halbleiter) in der Schaltung zu fungieren, um einen elektrischen Stromfluß zu ermöglichen. Bei zahlreichen Tests mit unterschiedlichen Farben zeigte sich, daß schwarzes Haar am besten funktioniert – was Karki mit der größeren Menge der dort vorhandenen Pigmente erklärt. Inzwischen ist auch schon ein Patent angemeldet.

Zur weiteren Beschäftigung mit diesem neuen Technologieansatz sei auf den im November 2007 veröffentlichten Bericht Photoelectrochemical Properties of Melanin von Arturo Solis, Maria E. Lara und Luis E. Rendon aus Mexiko hingewiesen, den man auch Online findet.

Auf der anderen Seite sollte man sich aber auch durch die Website des Ingenieurs Craig Hyatt durcharbeiten, der die ganze Geschichte als Hoax darstellt.


Heiße-Elektronen-Solarzellen (Hot Silicium Cell)


Im Dezember 2009 kursieren die ersten Meldungen über eine Entwicklung am Boston College, wo Forscher um Prof. Michael Naughton erstmals experimentelle Hinweise darauf finden, daß sich die Leistung von Solarzellen durch die Verwendung von sogenannten heißen Elektronen (hot electrons) verdoppeln läßt. An der Sache wird schon seit Jahrzehnten geforscht. Während übliche Solarzellen (in der Theorie!) höchstens rund 35 % der Energie des Sonnenlichts in Strom umwandeln können und den Rest als Wärme verschwenden, soll mit der Nutzung von heißen Elektronen eine Effizienz bis zu 67 % erreichbar sein.

Herkömmliche Solarzellen können nur die Energie bestimmter Wellenlängen des Lichts effizient in Strom umwandeln. Während eine für rote Wellenlängen des Lichts optimierte Zelle Photonen von rotem Licht absorbiert, erzeugt sie Elektronen mit Energieniveaus ähnlich denen der einfallenden Photonen. Wenn die Zelle jedoch ein höherenergetisches, blaues Photon absorbiert, produziert sie zuerst ein ähnlich hochenergetisches Elektron – eben ein heißes Elektron. Dieses verliert jedoch sehr schnell einen hohen Anteil seiner Energie in Form von Wärme, bevor es aus der Zelle entweichen kann, um Strom zu erzeugen. Umgekehrt kann eine für blaues Licht optimierte Zelle kein rotes Licht in Strom konvertieren.

Die Forscher des Boston College stellen daher ultra-dünne Solarzellen her, die nur 15 Nanometer dick sind und eine Leistungssteigerung durch hochenergetische Photonen bzw. die Extraktion heißer Elektronen möglich machen. Da die Zellen so dünn sind, können die heißen Elektronen schnell der Zelle entzogen werden, noch bevor sie abkühlen. Diese Abkühlung geschieht ansonsten innerhalb von wenigen Billionstel Sekunden – wobei sich das Solarmodul aufheizt, was den Wirkungsgrad merklich senkt. Andererseits lassen die neuen Solarzellen einen Großteil des eingestrahlten Lichts passieren – eben weil sie so dünn sind –, und erreichen daher bislang nur einen Wirkungsgrad von 3 %.

Hot Electron Cell

Hot Electron Cell

Hier will das Team mit der Herstellung ganzer ‚Wälder’ aus Nanodrähten ansetzen, die das Licht entlang ihrer Streckungen (Längen) absorbieren. Da jeder Nanodraht sehr dünn ist, müssen die Elektronen nicht weit reisen, um in eine leitfähige Schicht zu entweichen. Damit soll es möglich werden, den Effekt der heißen Elektronen zu replizieren und zu nutzen. Die Forscher hoffen auch die Anzahl der heißen Elektronen erhöhen zu können, die sie aus dem absorbierten Licht sammeln. Um dies zu tun, übernehmen sie einen Ansatz von Prof. Martin Green an der University of New South Wales in Australien, der im Umgang mit heißen Elektronen in Solarzellen als führend gilt. Sein Verfahren beinhaltet die Einbeziehung einer Schicht von Quantenpunkten, die wie Filter wirken und selektiv Elektronen mit höherer Spannung als normal extrahieren.

Zur Kommerzialisierung solcher Nanodrähte gründen Naughton und seine Kollegen in Newton, Massachusetts, ein Startup namens Solasta Inc., das von der renommierten Venture Capital-Firma Kleiner Perkins Caulfield & Byers finanziert wird (s.u. Amorphe Siliziumzelle). Naughton zufolge konnte man bei Solasta bereits beweisen, daß es möglich ist, Quantenpunkte mit den Nanodrähten des Unternehmens zu verbinden.

Daß Quantenpunkte eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von heißen Elektronen spielen, zeigen Untersuchungen eines Teams um Xiaoyang Zhu von der University of Texas, Austin, in welchem auch Kollegen der University of Minnesota um die Professoren Eray Aydil und David Norris mitwirken. Im Juli 2010 berichten die vom DOE und der NSF finanzierten Wissenschaftler, daß sie die heißen Elektronen mit Hilfe photoangeregter Bleiselenid-Nanokristalle (Quantendots) auf einen Titandioxid-Elektronenleiter übertragen haben. Auch hier lautet das Ziel, durch den effektivsten Leiterdraht Energieverluste zu minimieren, indem die Elektronen schnell aus der Solarzelle entfernt werden, bevor sie abkühlen.

Norris, der schon 2009 eine vielbeachtete Arbeit über heiße Elektronen veröffentlicht hat, geht im März 2010 offiziell an die ETH Zürich, um dort an der Weiterentwicklung einer Hot-Silizium-Solarzelle zu arbeiten, die er wegen ihres theoretischen Wirkungsgradlimits von gut 66 % als die ‚ultimative Solarzelle’ bezeichnet. Um der schnellen Abkühlung der Ladungsträger entgegenzuwirken und die Elektronen so lange heiß zu halten, bis sie über das Leitungsgitter die Solarzelle verlassen haben, nutzt Norris Nanostrukturen aus Bleiselenid in Kombination mit einer Schicht aus Titandioxid. Damit gelingt es, die energetische Bandlücke zu vergrößern, die ein Ladungsträger im Halbleitermaterial überspringen muß – wobei die Elektronen durch die größere Lücke quasi gezwungen werden, ihre Energie zu behalten, weil sie sonst die Barriere nicht überwinden können. Daneben arbeiten Norris und sein Team auch noch an Nanosolarzellen (s.d.).

Die Fachblogs berichten im Dezember 2011 über die Arbeitsgruppe um Prof. Xiaoyang Zhu (XYZ Lab) an der University of Texas, wo eine neue Technik eine Pentacen-Schicht nutzt, um die Down-Konvertierung eines jeden heißen (und nicht direkt umwandelbaren) Elektrons in zwei Elektronen zu vollziehen, die von Standard-Silizium-Zellen erfasst werden können. Im Labor wird bereits eine Effizienz von 44 % erreicht.

Interessanterweise meldet im Februar 2012 die Universität Cambridge den exakt gleichen Wirkungsgrad von 44 %, der auch hier mittels einer organischen Halbleiterschicht aus Pentacen erreicht wird, die eine Blaulicht-Verwertung ermöglicht. Der interne Quanteneffizienzgrad liegt sogar bei über 50 %. Das Entwicklerteam veröffentlicht seine Erkenntnisse unter dem Titel ‚Singlet Exciton Fission-Sensitized Infrared Quantum Dot Solar Cells’.


Heißluft-Solarzellen


Das konnte ich mir jetzt einfach nicht verkneifen: Eine eigene Rubrik für sogenannte ‚Vapour-ware’ – also Zellen, die es zumeist niemals gab, mit deren vorgeblicher Existenz aber betrügerische Absichten verwirklicht wurden. Da es dabei immer nach Schema F abläuft (große Versprechungen, Abkassieren von Förder- und/oder Investorengeldern, Verflüchtigung des Geldes, Pleite bzw. Konkurs, möglicherweise mit anschließenden Untersuchungen und Prozessen), sollte ein einziges Beispiel ausreichen.

Dabei handelt es sich um die von James ‚Jim’ McKirdy gegründete Off Grid Solar Inc., in Deland, Florida, die im Mai 2010 eine Förderungszusage in Höhe von 450.000 $ durch die Greater Fort Lauderdale/Broward Economic Development Alliance erhält. Die Paneele der Firma sollen eine Technologie verwenden, bei deren Entwicklung McKirdy Teil eines Teams der US Coast Guard war, welches ein System solarbetriebener Leuchten schuf, die in Form von Kanalmarkierungen installiert wurden und als Navigationshilfen für Bootsfahrer dienten.

Um Investoren zu werben behauptet McKirdy, er habe bereits einen 400 Mio. $ schweren Auftrag für Solarpaneele von einer Firma, die große Solarparks entwickelt – ebenso wie Vertriebsverträge in Tennessee und Texas. Er brauche allerdings erst einmal 40 Mio. $, um in Florida und in Nevada jeweils drei Fabriken zu eröffnen, wobei die erste Anlage in Fort Lauderdale schon im Sommer 2010 in Betrieb gehen soll (sonst verfällt die o.g. Förderzusage).

Das letzte, was man von dem Unternehmen und seinen Next Generation (NXGen) Produkten hört, stammt vom Februar 2011. Der Bericht erklärt auch, warum man hier wahrlich von ‚heißer Luft’ sprechen kann, denn nun soll die Anlage in Fort Lauderdale im zweiten Quartal 2011 die Produktion von 60 x 120 cm großen Paneelen aufnehmen, die mit einem Wirkungsgrad von 46 % (andere Quellen: 50 %) sagenhafte 630 W liefern und mit einer 56 Jahre lang gültigen Herstellergarantie auf die Verarbeitung vermarktet werden sollen. Die Firma habe bereits Aufträge für 850 MW Paneele erhalten.

Er dauert nicht lange, bis McKirdy, der von sich behauptet, seit ihrer Gründung Mitglied der Home Land Security zu sein, in den Fachforen als Dieb, Betrüger und meisterhafter Geschichtenerzähler bezeichnet wird. Der Staat Florida widerruft im September 2011 die Existenz der Firma, da sie keine jährlichen Berichte eingereicht hat. Es ist bislang unbekannt, wie viele Personen finanziell geschädigt wurden. Außerdem habe McKirdy auf betrügerische Weise sogenannte Tesla-Spulen verkauft. Im November 2012 wird er in Florida verhaftet.


Holographische Solarzellen


Im April 2006 gibt die Start-up Firma Prism Solar Technologies Inc. aus Stone Ridge (später: Highland), New York, die Entwicklung einer holographischen Solarzelle bekannt, mit der sich die Herstellungskosten um 75 % reduzieren lassen, während gleichzeitig bis zu 85 % weniger Silizium benötigt wird. Damit sollten sich die Kosten für kristalline Siliziumzellen von 4 $ pro Watt auf 1,5 $ senken lassen.

Hologramm-Zelle

Holographische Zellen
von Prism Solar

Die flachen und teiltransparenten holographisch-optischen Elemente namens Holographic Planar Concentrator (HPC) sind in Streifen angeordnet, die sich mit den zweiseitigen (bifacial) Solarzellen aus kristallinem Silizium abwechseln, wobei die Hologramme die nützlichen Wellenlängen des Sonnenlichtes von unten auf die Zellen konzentrieren. Auf einem weißen Dach montiert, können die beidseitigen Module rund 30 % mehr Energie erzeugen, da der Dünnfilm das Licht auch von der Rückseite empfangen kann.

Die neuen Paneele lassen sich aber nicht nur auf dem Dach – und sogar nach Norden ausgerichtet – installieren, sondern können ebenso in Fenstern und Glastüren integriert werden. Das Unternehmen arbeitet an einem Finanzplan, um bis Ende des Jahres die erste Generation der Module herstellen zu können, die zu einem Preis von 2,40 $ pro Watt verkauft werden sollen. Der von Prism Solar genannte Ertrag von 69,4 W/m2 liegt allerdings weit unter dem anderer Konzentrator-Systeme (s.d.).

Man hört dann erst Ende 2009 wieder etwas von Prism Solar, ohne daß es jedoch inhaltliche Neuigkeiten gäbe - außer, daß das Unternehmen nun einen eigenen Forschungsstandort in Tucson, Arizona, besitzt. Im August 2010 wird eine dreijährige Forschungs- und Entwicklungsvereinbarung mit der Central Hudson Gas & Electric Corp. geschlossen. Im Rahmen eines 190.000 $ teuren Projekts soll die Effektivität der holographischen Solarzellen getestet werden.

Die beiden Unternehmen wollen im Herbst 2010 am Coldenham Umspannwerk in Orange County, New York, drei Solaranlagen gleicher Spitzenleistung installieren (2,5 kW), überwachen und vergleichen, die jeweils ein anderes Design haben: eine holographische Solaranlage mit zweiseitigen Zellen (das Modul-Design von Prism Solar), eine holographische Solaranlage mit einseitigen Zellen sowie ein herkömmliches System mit kristallinen Silizium-Solarzellen. Der Strom der drei Systeme soll ins elektrische Verteilersystem der Central Hudson fließen. Im September erhält Prism Solar einen Zuschuß von knapp 0,5 Mio. $ durch das Manufacturers Energy-Efficiency Grant Assistance (MEGA) Programm.

Die bislang letzte Meldung stammt vom Dezember 2011, als die Firma eine Finanzierung in Höhe von knapp 4,5 Mio. $ bekanntgibt, ohne jedoch den Investor zu nennen. Auf der Website, die teilweise noch ‚Baustelle’ ist, werden Mitte 2012 Module mit hocheffizienten, beidseitigen Solarzellen in zwei Ausführungen angeboten: Bifacial Modules und Holographic Bifacial Modules. Die rahmenlose Module beruhen auf einem Glas-auf-Glas-Design und erreichen einen Modul-Wirkungsgrad von bis zu 19,4 %.

Weitere Unternehmen scheinen sich nicht mit holographischen Solarzellen zu beschäftigen. Im Kapitel Optimierungs- und Verstärkungstechniken präsentiere ich verschiedene ähnliche Entwicklungen (s.d.).


Hybrid-Solarzellen


Der Begriff Hybrid-Zelle läßt sich nicht auf eine bestimmte Umsetzung beschränken. Soweit möglich, habe ich die entsprechenden Solarzellenarten dem Material zugeordnet, aus dem sie hauptsächlich gefertigt sind.

Hybrid-Zelle von Fujitsu

Hybrid-Zelle von Fujitsu

Eindeutig als Hybrid-Zelle definiert sich dagegen eine Entwicklung der japanischen Fujitsu Laboratories Ltd., eine Tochter des Fujitsu-Konzerns, da diese Zelle sowohl diffuses Licht als auch Wärme aufnehmen kann. In der Veröffentlichung vom Dezember 2009 wird betont, daß die neue Zelle aus einem billigen organischen, aber hocheffizienten Material hergestellt werden kann und damit ein großes Potential im Bereich des Micro Energy Harvesting hat.

Es gibt allerdings ein wesentliches Manko: Durch die Veränderung der elektrischen Schaltung, welche die zwei Arten von Halbleitermaterialien (P-Typ und N-Typ-Halbleiter) verbindet, kann die Vorrichtung entweder als photovoltaische Zelle oder als thermoelektrischen Generator funktionieren. Das Unternehmen plant, durch die weitere Entwicklung dieser neuen Technologie namens Matrix Film auch die Leistung der Hybrid-Zelle zu erhöhen, und hat das Ziel, die Technologie um das Jahr 2015 herum zu kommerzialisieren.

Eine weitere hybride Solarzelle besteht aus Silizium und einen an der Photosynthese beteiligten Proteinkomplex und wird einem Studententeam der Vanderbilt University um Prof. Kane Jennings entwickelt. Einem im April 2012 veröffentlichten Bericht zufolge nutzt das Team das sogenannte Photosystem 1 (PS1), das aus Spinat extrahiert und als eine rund einen Mikrometer dünne Schicht auf eine speziell behandelte Siliziumschicht aufgetragen wird. Ein bio-hybrides Solarpaneel mit einer Fläche von rund 60 x 60 cm erzeugt bereits bei einer Spannung von 1 V eine Stromstärke von etwa hundert Milliampere.

An den fast 100 % betragenden Wirkungsgrad des PS1 kommt das allerdings noch lange nicht heran. Trotzdem gewinnt das Team für seine Arbeit eine Förderung in Höhe von 90.000 $ der unabhängigen US-Regierungsbehörde Environmental Protection Agency (EPA), da ein großes Potential besteht und der benötigte Ausgangsstoff für den Proteinkomplex äußerst günstig ist.

Über hybride Solarpaneele, die gleichzeitig Strom und Wärme liefern, berichte ich im Kapitel Solare Niedertemperatursysteme unter Hybridkollektoren. Informationen über Hybride Großanlagen, bei denen PV-Systeme mit Solarthermie-, Windkraft- und/oder anderen Anlagen gekoppelt werden, finden sich im Kapitel über weitere Einsatzformen der Photovoltaik unter Hybridsystem-Anlagen.


Indiumbasierte Solarzellen


Die indiumbasierten Solarzellen lassen sich in drei Materialmischungen unterteilen. Kommerziell haben sie bislang jedoch alle noch keine Relevanz.


Indium-Gallium (InGa)


Forscher am Lawrence Berkelely Lab melden im Februar 2011, daß sie einen Weg gefunden haben, um Multi-Junction-Zellen mit hohem Wirkungsgrad aus einem einzigen Halbleiter-Material herzustellen, anstatt aus Schichten mehrerer verschiedener Materialien. Neben einem Wirkungsgrad von 50 % bietet die neue Zelle die Möglichkeit ihrer günstigen Herstellung auf Standard-Halbleiter-Fertigungsanlagen.

Das Team von Wladek Walukiewicz und Kin Man Yu findet heraus, daß eine Mischung aus Indium und Gallium durch Veränderung des Mischungsverhältnis für verschiedene solare Wellenlängen empfindlich gemacht werden kann. Dadurch wird es möglich, mittels eines standardisierten und Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) genannten Prozesses auf einem einzigen Substrat drei verschiedene Verbindungen übereinander zu schichten und eine Zelle herzustellen, die das gesamte Spektrum erfaßt. Es gibt noch einige technische Probleme zu lösen, aber das Labor arbeitet dabei bereits mit zwei kommerziellen Partnern zusammen, Rose Street Labs Energy aus Phoenix und Sumika Electronic Materials, einem Geschäftsbereich der japanischen Firma Sumitomo.


Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs)


Im Oktober 2008 erreichen Wissenschaftler des National Renewable Energy Laboratory (NREL) um John Geisz einen neuen Solarzellen-Weltrekord von 40,8 % – bei einer konzentrierten Einstrahlung von 326 Sonnen. Die Solarzelle des NREL, die auf den grundlegenden Arbeiten von Mark Wanlass basiert, wird anstatt auf einem Germanium-Wafer auf einem Galliumarsenid-Wafer aufgebaut und besteht aus Indium-Gallium-Arsenid und Indium-Gallium-Phosphid, um das Sonnenspektrum in drei gleiche Teile zu splitten, die jeweils von einer der drei lichtaufnehmenden Substanzen absorbiert werden, um eine möglichst hohe Gesamteffizienz zu erreichen.

John Geisz and Mark Wanlass

John Geisz (l.) und
Mark Wanlass

Nach dem Aufbau der Zelle wird der Wafer gedreht und entfernt, wodurch eine extrem dünne und leichte Zelle entsteht – die im Grunde eine neue Klasse von Solarzellen darstellt, welche sich durch besondere Vorteile in Leistung, Design, Betrieb und Kosten auszeichnet und als Inverted Metamorphic Triple-junction Solar Cell bezeichnet wird. Ihre Erfindung geht auf Mark Wanlass zurück. Das Team von Geisz optimiert den ursprünglichen Entwurf, indem es die mittlere Verbindung ebenso metamorph macht, wie die untere Verbindung. Metamorphische Übergänge sind gitterfehlangepaßt, d.h., daß ihre Atome nicht in Reihe stehen. Die Materialeigenschaften derartiger nicht übereinstimmender Halbleiter lassen einen größeren Spielraum für die Umwandlung von Sonnenlicht.

Die neue Zelle ist ein natürlicher Kandidat für den Satelliten-Markt (wo auch früher schon InGaAs-Zellen eingesetzt wurden) sowie für terrestrische CPV-Arrays, die Linsen oder Spiegel verwenden, um Sonnenlicht auf die Solarzellen zu konzentrieren.

Auch die britische Firma QuantaSol Ltd. arbeitet an speziellen Triple Junction Solarzellen mit spannungskompensierenden Quantengräben (Quantum Wells; daher manchmal auch Quantentöpfe genannt), wobei sie diesen nur wenige Nanometer dicken Schichten Indium-Gallium-Arsenid hinzufügt. Im Juni 2009 erreichen die Zellen des Unternehmens einen Wirkungsgrad von 28,3 %. Ich berichte im Kapitel Optimierungs- und Verstärkungstechniken ausführlich über QuantaSol.


Indium-Gallium-Nitrid (InGaN)


Ende 2002 entdecken Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory in Zusammenarbeit mit der Cornell-Universität und der japanischen Ritsumeikan-Universität ein Material für Solarzellen, das die Strahlung aus dem gesamten Tageslicht-Spektrum – vom Infrarot bis zum Ultraviolett – in elektrische Energie umwandeln kann.

Basis der neuen Zelle ist eine Legierung aus Indium-Gallium-Nitrid, welche eine Energieausbeute von 50 % ermöglichen soll. Die Forscher hatten festgestellt, daß die Bandlücke bei dem Halbleiter Indiumnitrid nicht wie bislang angenommen 2 Elektronenvolt (2 eV) beträgt, sondern vielmehr 0,7 eV, womit sich neue Möglichkeiten für die Produktion hocheffizienter Solarzellen eröffnen. Die Bandlücke bestimmt nämlich, wie energiereich einfallendes Sonnenlicht sein muß, um einen Elektronenfluß und damit Solarstrom zu erzeugen.

Die Bandlücke von Indiumgalliumnitrid kann nun je nach Anteilen von Gallium und Indium verändert, und damit optimal an das Sonnenspektrum angepaßt werden. Je mehr Gallium in der Substanz enthalten ist, desto besser absorbiert es energiereiches Sonnenlicht bis in den ultravioletten Bereich hinein. Nimmt dagegen der Anteil an Indium zu, werden in zunehmendem Maße die anderen Farben des Sonnenspektrums bis hin zum Infrarot absorbiert. Die Anwendung erfolgt, indem zwei Schichten von InGaN mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen übereinander aufgebracht werden, die unterschiedliche Bandabstände mit 1,1 eV und mit 1,7 eV aufweisen und damit einen größeren Spektralbereich des Sonnenlichts energetisch nutzen können. Das für Solarzellen ideale Material ist außerdem hitze- und strahlungsbeständig und läßt sich auch relativ günstig herstellen.

Ich finde allerdings erst 2009 wieder neue Meldungen in Bezug auf Indiumgalliumnitrid, als im Oktober darüber berichtet wird, daß RoseStreet Labs Energy (RSLE) zwei Entwicklungen im Bereich der Solarenergie vorgestellt hat, die InGaN-Kombinationen nutzen. Das eine ist ein Nitrid-Halbleiter-Photovoltaik-System, das mit einer Standard-Silizium-Solarzelle kombiniert ist, während das andere Nitrid-Dünnschicht-Halbleiter nutzt, um aus Sonnenlicht elektrochemisch Wasserstoff zu erzeugen. Durch Veränderung der Proportionen von Indium und Gallium gelingt es RSLE den Bandabstand des Materials von weniger als 1 eV bis etwa 3 eV zu variieren und Wirkungsgrade bis 30 % zu erreichen. Mehr über RSLE findet sich unter Gallium-Nitrid und Silizium.

Im August 2010 folgt die Nachricht, daß Wissenschaftler der Texas Tech University eine Indium-Gallium-Nitrid-Solarzelle entwickelt haben, die deutlich höhere Werte als die bisherigen Zellen mit ähnlichem Indium-Gehalt (in Höhe von rund 35 %) erreicht. Theoretisch sollten Nitridhalbleiter in der Lage sein, Licht über einen sehr breiten Bereich energetischer Bandlücken aufzunehmen: angefangen von Indiumnitrid (InN, ~ 0,65 eV) über Galliumnitrid (GaN, ~ 3,4 eV) bis zu Aluminiumnitrid (AlN, ~ 6,2 eV). Diese Wellenlängen reichen vom Infrarot über das sichtbare Lichtspektrum hinweg bis zum Ultraviolett (2.000 – 200 nm). Leider ist es sehr schwierig, qualitativ hochwertiges InGaN mit hohem Indiumgehalt wachsen zu lassen, weshalb es bislang bei theoretischen Hoffnungen blieb.

Um an dieser Stelle weiterzukommen, verwendet das texanische Forscherteam eine Multi-Quantum-Well (MQW)-Struktur aus InGaN und GaN (3 nm / 16 nm), deren Schichten durch die sogenannte metall-organische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) auf Saphir abgeschieden werden. Dazu kommen eine halbtransparente Schicht aus Nickel/Gold, n-Kontakte aus Titan/Aluminium/Nickel/Gold, eine Nickel-Gold Gitterelektrode, eine Aluminiumbeschichtung als Hintergrundreflektor sowie eine Antireflexionsbeschichtung aus Siliziumdioxid. Was alles sicherlich noch viel komplizierter ist, als es sich hier anhört. Das Ergebnis ist eine 2,3 x 2,0 mm große Zelle mit einem Wirkungsgrad von 2,95 % -, die bei einer 30-fachen Sonneneinstrahlung 3,03 % erreicht – was trotzdem noch weit entfernt ist von dem theoretischen Maximum von 8 %.

Indium/Nanodraht-Zelle

Indium/Nanodraht-Zelle

Indiumgalliumnitrid ist Teil einer III-Nitride genannten Materialfamilie und wird typischerweise auf dünnen Filmen aus Galliumnitrid gezüchtet. Dessen atomare Schichten haben unterschiedliche Kristallgitter-Abstände, im Gegensatz zu den Atomlagen aus Indiumgalliumnitrid. Die Nichtübereinstimmung führt zu einer strukturellen Belastung, die sowohl den Prozentsatz des hinzufügbaren Indiums als auch die Schichtdicke limitiert. Eine Erhöhung des Indium-Anteils erweitert zwar das Sonnenspektrum, das gesammelt werden kann, reduziert gleichzeitig aber die Fähigkeit des Materials, die Belastung zu tolerieren.

Wissenschaftler an den Sandia National Laboratories melden im Juni 2012, daß sie ein Indium-Gemisch auf Nanodrähten haben wachsen lassen, wobei festgestellt wurde, daß ihre kleinen Oberflächen der Indium-Hüllschicht erlauben, sich teilweise entlang jedem Draht zu entspannen und dadurch die Belastung zu verringern. Daraus ergaben sich Nanodraht-Solarzellen mit einem Indium-Prozentsatz von etwa 33 % - was höher ist als bei allen anderen bisherigen Versuch zur Schaffung von III-Nitrid-Solarzellen.

Ansonsten wird Indiumgalliumnitrid insbesondere zur Herstellung neuer LEDs genutzt. Galliumnitrid alleine emittiert mit seiner Bandlücke von 3,4 eV unsichtbares ultraviolettes Licht – doch sobald etwas Gallium durch Indium ersetzt wird, können Farben wie Violett, Blau und Grün erzeugt werden. In Verbindung mit Aluminium können LEDs und Laserdioden produziert werden, die das Spektrum zwischen grünem und ultraviolettem Licht abdecken.


Infrarot-Solarzellen


Etwa die Hälfte aller Solarenergie, die die Erdoberfläche erreicht, besteht aus infrarotem Licht. Obwohl auch mit diversen anderen Materialmischungen versucht wird, den Infrarot-Anteil des Sonnenlichts energetisch stärker zu nutzen, gibt es inzwischen eine eigene Klasse von Solarzellen, die sich primär mit dieser Strahlungsform beschäftigen – da sie neben der Sonne noch diverse andere Quellen hat, angefangen von der industriellen Abwärme bis hin zur sogenannten Umgebungswärme.

Die ersten Meldungen stammen aus dem Jahr 2008, als im August über ein spanisches Team um Perla Wahnón von der Polytechnic University und José Conesa vom Institute of Catalysis des Wissenschaftlichen Forschungsrats, beide in Madrid, berichtet wird, das einem herkömmlichen Halbleiter Titan- und Vanadium-Atome hinzugefügt und dessen elektronische Eigenschaften so verändert hat, daß mit dem Material sowohl sichtbare als auch infrarote Photonen erfaßt werden können. Damit sind theoretisch Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 63 % möglich. Die Idee geht auf andere spanische Forscher aus dem Jahr 1997 zurück, deren Verstellung es war, eine Art von Energie-‚Sprungbrett’ zu schaffen: Anstatt in einem Rutsch auf eine höhere Energie-Ebene zu springen, sollten Elektronen ein Niedrigenergie-Photon absorbieren und dann auf einem mittleren Energieniveau warten, bis ein anderes Photon kommt, um die Reise zu vervollständigen.

Zeitgleich wird über ein amerikanisches Team um Steven Novack am Idaho National Laboratory (INL) berichtet, das ein System von Nanoantennen entwickelt, die auf einer Plastikfolie aufgebracht sind und insbesondere Infrarot-Strahlung im mittleren Bereich, also Wärme, in Strom umwandeln. Hier soll die Ausbeute – zumindest auf Laborniveau – sogar über 80 % betragen. Ein weiterer Vorteil ist, daß die günstig herstellbaren flexiblen Folien auch gut als stromproduzierende Hüllen für Handys und andere Elektronik-Produkte geeignet sind.

Die Nanoantennen können aus einer Reihe von Materialien gefertigt werden, darunter Gold, Mangan und Kupfer, und werden auf speziell behandeltes Polyethylen aufgebracht. Auf einer Kreisfläche von rund 15 cm Durchmesser finden sich dabei über 10 Mio. der winzigen Antennen. Die Wissenschaftler konstruierten auch entsprechende Computermodelle, um die Nanoantennen weiter optimieren zu können. Mit dem richtigen Materialien, Formen und Größen erreichten die simulierten Modelle einen Wirkungsgrad von bis zu 92 % der Infrarotstrahlung.

Forschungspartner bei diesen Arbeiten sind Wissenschaftler der University of Missouri sowie der in Cambridge, Massachusetts, beheimateten Firma MicroContinuum Inc. Mehr über die Nanoantennen des INL findet sich unter Nano-Solarzellen.

Danach dauert es bis zum Jahr 2011, bevor sich an der Infrarot-Front wieder etwas tut. Diesmal ist es eine Meldung vom November des Jahres, derzufolge auch die Professoren Koby Scheuer, Yael Hanin and Amir Boag von der Universität Tel Aviv an der Entwicklung von Nanoantennen zum Einsatz im Solarzellen arbeiten – als Ersatz von Halbleitern.

Sowohl Radio- als auch optische Wellen sind elektromagnetische Energie. Traditionell werden Lichtwellen durch halbleitende Materialien wie Silizium – und Funkwellen von Antennen aus Metall eingefangen. Durch Anpassung klassischer metallischer Antennen, um Lichtwellen bei optischen Frequenzen zu absorbieren, kann allerdings eine viel höhere Umsatzrate von Licht in nutzbare Energie erreicht werden. Diese Effizienz ist außerdem mit niedrigeren Materialkosten gepaart. Für eine optimale Resorption, muß die Abmessung der Antenne allerdings den sehr kurzen Wellenlängen des Lichts entsprechen - eine Problematik, die erst gelöst werden konnte, seitdem Antennen mit einer Länge unterhalb eines Mikrometers herstellbar wurden. Das sehr breite Solar-Spektrum mit UV- bzw. Infrarot-Strahlen im Bereich von 10 Mikrometern bis weniger als 200 Nanometern kann von keinem Halbleiter komplett aufgenommen werden. Eine Gruppe von Antennen, die in verschiedenen Längen mit den gleichen Materialien und Verfahren hergestellt werden, könnte dagegen das gesamte zur Verfügung stehende Spektrum des Lichts ausnutzen.

Erste Tests an einem Prototyp zeigen, daß 95 % der in die Antenne gehenden Leistung wieder heraus kommt. Die neuen Sonnenkollektoren werden aus großen Kunststoffplatten bestehen, auf denen unter Verwendung einer Nano-druckenden Lithographie-Maschine metallische Antennen aus Aluminium und Gold in unterschiedlichen Längen und Formen aufgedruckt sind. Da die Metalle in sehr geringen Mengen anfallen, hat das System das Potential, effizienter und billiger als andere zu sein.

Im Juli 2012 wird gemeldet, daß Chemiker und Materialwissenschaftler der Universität Groningen und der Stiftung für Grundlagenforschung an Materie (Foundation for Fundamental Research on Matter, FOM) um Prof. Kees Hummelen einen Weg gefunden haben, die Ernte von Infrarot-Licht wesentlich effizienter zu gestalten. Hierzu setzen sie einen modifizierten organischen Farbstoff ein, der Infrarotlicht absorbieren und an Nanopartikel aus Lanthanid-Nanokristallen übertragen kann, die mit ihm verbunden sind. Auf einem einzigem Kristall sind über 60 dieser Antennen befestigt, werden es allerdings mehr, dann stören sie sich gegenseitig.

Infrarot-Polymerzelle der UCLA

Infrarot-Polymerzelle der UCLA

Infrarotlicht hat eigentlich zu wenig Energie, um Elektronen in Solarzellen freizugeben, doch die Nanopartikel konvertieren jeweils zwei erfaßte, schwache Photonen in ein einziges starkes und energiereiches Photon – ein Verfahren, das Upconversion bezeichnet wird (Aufwärtskonversion). Dabei kommen anorganische Materialien aus Seltenerdmetallen zum Einsatz, die jedoch nur sehr wenige Infrarot-Photonen absorbieren. Daher werden organische Moleküle mit ihnen verbunden, welche die Photonen besser einfangen können.

Die neuen Antennen-Moleküle verstärken die Emission von sichtbarem Licht zwar um das 3.300-fache (wobei mir nicht ganz klar ist, worauf genau sich diese Steigerung bezieht), doch die Aufwärtskonversion in Nanokristallen ist noch ziemlich ineffizient. Die Inspiration der Wissenschaftler stammt teilweise aus dem Photosynthese-Komplex bei Pflanzen, wo um die aktiven Zentren Ringe aus Licht-absorbierenden Molekülen angeordnet sind.

Im gleichen Monat berichten Forscher der University of California in Los Angeles (UCLA) um Prof. Yang Yang, über die Entwickelung einer neuen Art von Polymer-Solarzellen (PSC), also organische Zellen, die hauptsächlich Infrarotlicht, jedoch kein sichtbares Licht absorbieren, wodurch sie für das menschliche Auge zu etwa 66 % durchlässig sind. Der stark transparente, leichte und flexible photoaktive Kunststoff, der Infrarotlicht in elektrischen Strom umwandelt, erreicht einen Wirkungsgrad von 4 % und soll sich auch großtechnisch recht einfach herstellen lassen.

Auch Solarzellen aus Schwarzem Silizium können die Infrarotstrahlung nutzen. Laut Meldungen vom Oktober 2012 wird diese Siliziumvariante am Heinrich-Hertz-Institut HHI des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik in Goslar hergestellt, indem übliches Silizium unter Schwefelatmosphäre mit einem Femtosekundenlaser bestrahlt wird. Dadurch wird die Oberfläche aufgerauht und einzelne Schwefelatome werden in das Siliziumgitter eingebaut, das dadurch visuell schwarz erscheint.

Den Forschern um Stefan Kontermann gelingt es nun, durch eine Veränderung der Pulsform des Lasers den Wirkungsgrad dieser Solarzellenart zu verdoppeln. Dabei soll künftig ein System von Algorithmen automatisch herausfinden, wie der Laserpuls verändert werden muß, um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. In einem Folgeschritt sollen diese Zellen mit der kommerziellen Technologie vereint werden, wobei man hofft, auf einen Wirkungsgrad von etwa 18 % zu kommen. Ausgangspunkt ist eine handelsübliche Solarzelle, von der die Rückseite entfernt und teilweise mit Schwarzem Silizium beschichtet wird. Außerdem planen die Wissenschaftler bereits eine Ausgründung, welche die neu entwickelte und optimierte Laseranlage vermarkten soll, um es Herstellern zu ermöglichen, Schwarzes Silizium selbst zu produzieren und serienmäßig in die Zellen einzubauen.

(Mehr dazu unter Schwarzes Silizium; s.a.u. Tandem-Zelle, Nano-Zellen und Photonische Kristall-Zellen)


Kesterit-Solarzellen


Kesterit-Zelle

Kesterit-Zelle

Kesterite (Cu2ZnSnS2(e)4) kombinieren Dünnschichtsolarzellen-Technologien mit niedrigen Ausgangsmaterialkosten. Ihre Hauptkomponenten bestehen aus Kupfer, Zink und Schwefel oder Selen (s.u.).

Im März 2011 präsentiert Prof. Susanne Siebentritt vom Labor für Photovoltaik der Universität Luxemburg ein verbessertes Herstellungsverfahren für Kesterit-Solarzellen. In der Vergangenheit hatten mehrere Labore berichtet, daß während der Herstellung auftretender Zinnverlust die Steuerbarkeit der Zusammensetzung einschränken würde. Mit dem neuen Herstellungsverfahren ist es dagegen möglich, den Zinnverlust zu kontrollieren, was auf Anhieb zu einem europäischen Effizienzrekord von 6,1 % führt.


Kupferbasierte Solarzellen


Unter den Zellenarten kann man die auf Kupfer basierende Zellen als die gegenwärtigen Gewinner bezeichnen, denn die meisten Unternehmen auf dem Markt beschäftigen sich mit der Entwicklung und Vermarktung sogenannter CIS- und CIGS-Zellen, wie wir weiter unten sehen werden. Dabei kommen zunehmend Nanotechnologien zum Einsatz. Und auch hier gibt es zwei Möglichkeiten, um die Kosten für die Energieerzeugung durch diese Art der Photovoltaik zu senken: effizientere Solarzellen - oder niedrigere Produktionskosten.

Das ETAlab des Fraunhofer ISE gibt im September 2011 bekannt, daß man einen Weg gefunden habe, um beides gleichzeitig zu tun. Das Forscherteam ersetzt nicht nur die Solarzellen-Kontakte durch kostengünstigere Materialien, indem billiges Kupfer und Nickel statt teurem Silber eingesetzt wird, was zu einer Kostenersparnis von etwa 10 % führt, sondern auch der galvanische Prozeß, mit dem die Kupferkontakte erzeugt werden, ist vergleichsweise preiswert. Um potentielle Leckagen des Kupfers zu stoppen, wird es mit Nickel auf einer Siliziumschicht gebunden. Das Forscherteam erreicht mit seinen zusätzlich auch noch hitzeresistenten Solarzellen eine Effizienz von 21,4 %.

Kupfer-Nanodraht-Zelle

Kupfer-Nanodraht-Zelle

Im gleichen Monat wird über eine weitere Methode berichtet, Solarzellen billiger zu machen. Nachdem Prof. Benjamin Wiley von der Duke University bereits 2010 einen Produktionsprozeß für Wasser-basierende Kupfer-Nanodrähte entwickelt hat (und zur Kommerzialisierung gleich die Firma NanoForge Corp. mitgründet) und es schon Mitte 2011 gelang, die Technik in einem Maßstab anzuwenden, der sie zu einer möglichen Alternative für das seltene und teure Indium-Zinn-Oxid (ITO) in Solarzellen (und auch Touchscreens) macht, gelingt es dem Team nun, das bislang auftretende und störende Problem der Verklumpung zu lösen. Dieses hatte u.a. die Transparenz stark verringert.

Die neue Technik organisiert die Kupferatome in Wasser zu langen, dünnen und nicht-verklumpten Nanodrähten, die dann in transparente leitfähige Folien umgewandelt und als Beschichtung auf Glas oder Kunststoff aufgebracht werden, was mit einem günstigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren erfolgen kann. Die Kupfer-Nanodrähte sind flexibel und behalten ihre Leitfähigkeit und Form, auch wenn sie 1.000 mal hin und her gebogen werden. Der große Gewinn liegt jedoch bei den Materialkosten, denn Indium kostet etwa 800 $/kg und Silber ca. 1.400 $/kg – wogegen das Kilogramm Kupfer nur um 9 $/kg kostet.

Einen großen Fortschritt bei der Produktion könnte auch eine Herstellungsmethode für Solarzellen aus Kupfer, Zink und Zinn darstellen, die von Forschern an der Oregon State University um Greg Herman entwickelt wird. Im August 2012 berichten sie erstmals über ihre billige ‚Ein-Topf’-Technik, die anstelle der herkömmlichen Wärmequellen Mikrowellen verwendet um die Fertigungszeit zu reduzieren und die Prozeßkontrolle zu erhöhen. Dabei reagieren diese drei weit verfügbaren Metalle zu Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid-Nanopartikeln, die wie Tinte aufgebracht werden können, um Solarzellen herzustellen – was auch schon erfolgreich demonstriert wird.

Mehr zu Umsetzungen dieser Technologien findet sich unter Nano-Solarzellen, Solarzellen-Farbe und Solarzellen-Spray.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß Kupfer-Indium-Disulfid ebenso wie Kupfer-Indium-Diselenid und Kupfer-Indium-Selenid oftmals synonym als CIS bezeichnet wird. CIS, CIGS oder CIGSSe stehen für Cu(In,Ga)(S,Se)2 und als Abkürzung für die verwendeten Elemente Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel und Selen (engl. copper, indium, gallium, sulfur, and selenium). Diese Verbindungen stellen I-III-VI-Halbleiter dar, die wegen ihres Kristallaufbaus den Chalkopyriten zugeordnet werden.

Soweit es mir möglich war, habe ich die aktuellen Forschungen, Entwicklungen und Hersteller entsprechend den unterschiedlichen Materialzusammensetzungen zugeordnet.


Kupfer-Cadmium-Sulfid (CuCdS)


Prof. W. H. Bloss, Direktor des Instituts für Physikalische Elektronik der Universität Stuttgart, stellt bereits 1980 einen großflächigen Dünnschichtabsorber aus Kupfer-Cadmiumsulfid her, der einen Wirkungsgrad von 12 % erreicht. Man rechnet aber damit, durch weitere Optimierungschritte bis auf 15 % kommen zu können.

Es scheint allerdings, als sei diese Entwicklungslinie später nicht weiter verfolgt worden.


Kupfer-Indium-Disulfid (CuInS2)


Im April 1997 erfolgt durch den damaligen brandenburgischen Umweltminister Matthias Platzeck im Technologiepark Frankfurt (Oder) die Grundsteinlegung für das Gebäude des bereits 1994 gegründeten Instituts für Solartechnologien gGmbH (IST), das von der Gesellschaft zur Förderung der Solarenergienutzung in Brandenburg (GFS) aufgebaut wird (später: Solarzentrum Frankfurt/Oder).

Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Dünnschicht-Solarzellen waren vom Brandenburger Umweltministerium seit 1992 mit 3,8 Mio. DM gefördert worden – während der Bund sich mit 2,2 Mio. DM daran beteiligt hatte. Nun sollen die zwischenzeitlich entwickelten Bändermodule mit ihren serienverschalteten Solarzellen, die eine besonders kostengünstige Herstellung erlauben, bis zur Serienfertigung gebracht werden, was etwa 8 Mio. DM kosten soll. Grundlage dieser flexiblen Solarzelle ist der Verbindungshalbleiter Kupfer-Indium-Disulfid. Diese Bändermodule bestehen aus vielen Kupferstreifen, die ähnlich wie Dachziegel übereinandergereiht und z.B. an Außenwänden montiert werden können (Synergiefassade).

Im Jahr 2004 liegt der Forschungsschwerpunkt des Instituts für Solartechnologien in der Entwicklung und Herstellung besonders preisgünstiger Solarmodule auf der Basis der sogenannten CISCuT-Technologie, wobei eine CIS-Absorberschicht einseitig auf 30 µm bis 100 µm dicken und 1 cm breiten Metallbändern aufgebracht wird. Bei der Herstellung wird auf diese Kupferstreifen eine etwa 1 µm dicke Indium-Schicht aufgebracht, anschließend erfolgt eine chemische Reaktion mit gasförmigem Schwefel, in deren Folge die photovoltaisch aktive chemische Verbindung aus Kupfer, Indium und Schwefel entsteht.

Der theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad beträgt 30 %, bislang werden allerdings erst zwischen 5 % und 7 % erzielt.


Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2)


An der Entwicklung von CuInSe2-Zellen arbeitet auch die schon 1985 gegründete Firma International Solar Electric Technology (ISET) in Chatsworth, Kalifornien, die auch CIGS-Zellen beforscht und herstellt (s.u.)

Ein weiteres Unternehmen, das sich neben CIGS anfänglich auch mit CuInSe2 beschäftigt, ist die Firma Ascent Solar Technologies Inc. – allerdings, ohne diese Materialzusammensetzung später weiter zu verfolgen.

Im Rahmen eines vier Jahre laufenden Projektes untersuchen ab April 2008 Experten der britischen Durham University verschiedene lichtabsorbierende Materialien, die sich für die Dünnschicht-Technologie nutzen lassen - darunter auch Kupferindiumdiselenid mit seinem Bandabstand von 1,02 eV und einem theoretischen Wirkungsgrad von ca. 24 %. Das Team arbeitet außerdem daran, das Wachstum des Materials direkt zu beeinflussen, um damit kontinuierliche Strukturen formen zu können.

Das PV-21 Projekt wird im Rahmen der ‚SUPERGEN Initiative’ vom Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) mit 6,3 Mio. englische Pfund gefördert.

Im Mai 2010 wird von einem Durchbruch gesprochen, als es Forschern der Oregon State University (OSU) um Prof. Chih-hung Chang gelingt, Mikroreaktoren mit kontinuierlichem Fluß zu verwenden, um Dünnschichtabsorber für Solarzellen zu produzieren. Die bereits patentierte Technologie, mit der auf verschiedenen Oberflächen nanostrukturierte Filme aus Kupferindiumdiselenid aufgebracht werden können, macht die Anwendung dieses Verfahrens auch kommerziell praktikabel (siehe dazu auch nachstehend unter CIGS-Zellen).


Kupfer-Indium-Gallium-Selen (CIGS-Solarzellen)


Die englische Kurzbezeichnung CIGS kommt von der Materialzusammensetzung ‚copper-indium(gallium)-diselenide’ und wird manchmal auch Cu(In,Ga)(S,Se)2 geschrieben. Die im Folgenden genannten Firmen habe ich chronologisch entsprechend ihrer Gründungsjahre geordnet, daran anschließend wird eine Chronologie der aktuellen Forschungsergebnisse in Bezug auf CIGS-Solarzellen präsentiert.


Die International Solar Electric Technology Inc. (ISET) mit Hauptsitz in Los Angeles, Kalifornien, wird 1985 gegründet und arbeitet anfänglich im Auftrag des Solar Energy Research Institute (SERI), dem Vorgänger des heutigen National Renewable Energy Laboratory (NREL). Diesem folgen im Laufe der Jahre diverse weitere Verträge mit staatlichen Stellen. Neben der Forschung arbeitet ISET auch aktiv an der Entwicklung von Produktionsmethoden und PV-Installationen. Schon 1987 werden gemeinsam mit einem Dachspezialisten aus Los Angeles PV-integrierte Dachbahnen konzipiert. Das Unternehmen besitzt ein patentiertes Herstellungsverfahren für Dünnschicht-CIGS-Solarzellen und -module, das Sprühtechnologien verwendet, um die Halbleiter-Materialien in Form flüssiger Lösungen aufzubringen (Sprayable Solution-Based Process, SSB).

ISET ist das erste Unternehmen, das im Jahr 1991 im Auftrag der NASA CIGS-Solarzellen auf leichten und flexiblen Polymersubstraten herstellt. Weitere Kunden werden das Jet Propulsion Laboratory (JPL), die Missile Defense Agency, das Air Force Research Laboratory, Lockheed Martin und die Aerospace Corp. Im Rahmen eines fortschrittlichen Forschungs- und Entwicklungsprogramms werden auch qualitativ hochwertige Zellen auf Titan und anderen metallischen Folien produziert. In den 1990er Jahren entwickelt, liefert und montiert ISET schlüsselfertige Laminierungs- und Modulmontagesysteme an Kunden aus Übersee. Daneben werden der Stadt Los Angeles mehrere PV-Anlagen installiert.

Wichtigster Mann bei ISET ist CEO Vijay Kapur, der 1984 an der Firma Ohio Glasstech beteiligt war, aus der später First Solar wird. Seinen Aussagen zufolge kommt ein Großteil der technischen Linien an CIGS-Sputtern und -Selenisierung der Solarfirmen SoloPower, NanoSolar, Honda, Showa Shell und Avancis aus dem Labor, das er geleitet hat. Er behauptet auch, daß NanoSolar seine patentierte Technologie kopiert habe. Im Gegensatz zu vielen anderen Firmen nimmt Kapur nicht einen einzigen Dollar Risikokapital an, sondern finanziert sein Unternehmen mit Privatkapital und der Hilfe von ‚Engeln’ - etwas mehr als 17,5 Mio. $.

2001 berät ISET die Firma Honda Soltec (s.u.) während der Entwicklung ihrer Vakuum-basierten CIGS-Produktion. ISETs externe Finanzierung erfolgt im Jahr 2006, mit einer zweiten Runde von David Gelbaums Quercus Trust (über die erste Runde und über die investierten Beträge konnte ich nichts finden). Im selben Jahr beginnt ISET mit der Entwicklung einer Pilot-Produktionsanlage für die Herstellung von bedruckten CIGS-Photovoltaik-Modulen am Standort seines Forschungslaboratoriums im kalifornischen Chatsworth.

Das Unternehmen stellt mit einer Wasser-basierten Nanopartikel-Tinte monolithisch auf Glas gedruckte Solarpaneele her und erreicht mit seinen Zellen einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 11 %, der mittelfristig auf 16 % gesteigert werden soll. Im Labor werden bereits 14 % erreicht, und man hofft die Endproduktkosten auf 0,50 $/W senken zu können. Die monolithische Verschaltung der Einzelzellen zum Modul, bei welcher schon während des Herstellungsprozesses die Vorderseite einer Zelle in einer Serienschaltung direkt mit der Rückseite der nächsten Zelle verbunden wird, ist ein besonderer Vorteil der CIGS-Dünnschichttechnik. Er erspart zusätzliche metallische Verbindungen und erlaubt, die Technologie kosteneffizienter zu automatisieren und auch wesentlich variabler in der Produktgestaltung zu sein.

Nachdem die ersten schlüsselfertigen Anlagen von ISET für Jahreskapazitäten von 25 MW bis 30 MW ausgelegt waren, entwickelt die Firma ab 2010 Anlagen mit einer Kapazität von 80 MW. Im August dieses Jahres wird auch der Beginn der eigenen Pilotfertigung auf Grundlage der Low-Cost-Drucktechnologie bekanntgegeben. Mitte 2011 erreicht der Wirkungsgrad der CIGS-Module bereits 11,3 %, und im November werden die ersten Produkte ausgeliefert.

Im Jahr 2012 stellt ISET sein zum Patent angemeldetes Sprayable Solution-Based (SSB) Verfahren der zweiten Generation zur Herstellung von CIGS-Zellen vor, das auf einer Sprühabscheidung von flüssigen chemischen Lösungen basiert. Das NREL zertifiziert den neuen voll integrierten CIGS-Modulen einen Wirkungsgrad von 12 %. Für die koreanische K & K Solar liefert ISET ein CIGS-Array zum Betrieb einer Indoor-LED-Anpflanzung. (Mehr über Solarzellen-Farbe und Solarzellen-Spray unter den jeweiligen Stichworten).


Die 1996 gegründete Firma Global Solar Energy Inc. (GSE) aus Tucson, Arizona, gibt im Januar 2008 bekannt, daß ihre CIGS-Dünnschicht-Zellen einen Wirkungsgrad von 10 % erreichen. Das Material wird im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf Edelstahlfolie aufgebracht.

Ab 2004 besitzt das Unternehmen eine jährliche Produktionskapazität von 4,2 MW, und größter Kunde ist die Berliner Solon AG, mit der seit April 2006 eines strategische Allianz besteht. Später in diesem Jahr verkauft der Besitzer, die Firma Tucson Electric Power (TEP), für 16 Mio. $ einen Anteil von 19 % der Global Solar an die Solon, sowie an einen weiteren, anonym gebliebenen privaten europäischen Investor. Ab 2007 macht das Unternehmen auch keine Verluste mehr, nachdem es in den Jahren zuvor viel Geld in Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für die TEP gesteckt hatte. Global Solar betrachtet sich als der weltweit führende Hersteller von leistungsfähigen, flexiblen PowerFLEX T Solarzellen auf Basis von CIGS und gibt bekannt, daß es seine Paneele, die auch von der US-Army in tragbaren Solar-Ladegeräten verwendet werden, für 30 % bis 50 % der sonst üblichen Marktpreise produzieren könne.


PowerFLEX T

Im März 2008 geht die erste große 40 MW Produktionslinie in Betrieb, sowie im November des Jahres eine weitere 30 MW Anlage in Berlin-Adlershof, in welche 32 Mio. € investiert worden sind. Man hofft, zukünftig insgesamt mindestens 65 MW pro Jahr produzieren zu können. Von der für 2008 geplanten Produktionsmenge von 40 MW sind zu diesem Zeitpunkt bereits 80 % verkauft. Zeitgleich mit der Eröffnung der neuen Fabrik in Tucson wird auch ein 750 kW Solarfeld neben der Fabrik in Betrieb genommen, das zu diesem Zeitpunkt das größte CIGS-PV-Feld der Welt ist und etwa 25 % des Strombedarfs der Fabrik decken kann. Eigentümer und Betreiber des Feldes ist die MMA Renewable Ventures, welche die Anlage rückfinanziert, indem sie den erzeugten Solarstrom über einen 25-Jahres-Vertrag an Global Solar verkauft. Im April 2008 wird eine Kooperation mit Dow Building Solutions, Teil des US-Konzerns Dow Chemical, vereinbart, um im Rahmen eines Projektes des amerikanischen Energieministerium DOE Solar-Dachschindeln zu entwickeln. Über solche Anwendungen berichte ich ausführlich im Kapitel über Solarhäuser und solare Bauelemente (2007 - 2008).

Das zum DOE gehörende National Renewable Energy Laboratory (NREL) bestätigt im September 2009, daß die CIGS-Solarzellen von Global Solar inzwischen eine Zelleffizienz von 15,45 % erreichen. Die Strings – so bezeichnet das Unternehmen seine glaslosen Paneele – kommen dabei auf einen Wirkungsgrad von 11,7 %. Das größte Modul leistet 300 W und erreicht sogar eine Effizienz von 12,6 %.

Bis Mitte 2010 hat Global Solar seine Gesamtproduktionskapazität auf 75 MW erhöht – und das Unternehmen bringt seine flexiblen PowerFlex BIPV Module für dachintegrierte Solaranlagen auf den Markt, mit denen neben Dow ab dem Folgejahr auch drei weitere US-Dachspezialisten (Soprema, Beachside Solar und Pfister Energie) sowie die italienischen Firmen Iscom SpA, Energyka Srl und B.A. Energie S.r.l. beliefert werden. Außerdem wird im Laufe des Jahres gemeinsam mit CDM Italy und Yohkon Energía im italienischen Orgiano eine 820 kW CIGS-Anlage errichtet. Über das Gesamtjahr hinweg werden insgesamt 43 MW Solarpaneele produziert.

Im September 2011 fährt Global Solar die Produktion in Berlin hoch und kommt auf eine Gesamt-Jahresproduktion von 58 MW – doch bereits Mitte 2012 muß die Firma ihre Geschäftsfelder konsolidieren und fokussiert sich auf das 40 MW Werk in Tucson – während für die 100%ige Tochtergesellschaft Global Solar Energy Deutschland GmbH (GSED) das Insolvenzverfahren eröffnet wird. Die Produktion am Standort in Berlin, wo man sich bislang ausschließlich auf die PowerFLEX-Produktlinie konzentriert hatte, wird aufgrund hoher Lagerbestände, kollabierender Preise und signifikanter Reduzierungen der Einspeisetarife eingestellt. Inwieweit die Insolvenz der GSED mit der Insolvenz der ebenfalls in Adlershof beheimateten Solon SE zusammenhängt, ist unklar: Solon hatte jedenfalls 2006 einen Anteil von 19 % der Global Solar erworben, während der Rest an eine europäische Beteiligungsgesellschaft verkauft wurde.

Bemühungen um eine Beteiligung neuer Investoren, um eine übertragende Sanierung zu erreichen und neue Märkte erschließen zu können, werden seitens Global Solar fortgeführt. Besonderes Interesse an der Global Solar Energy Deutschland hat die chinesische Hanergy.


Das 1997 gegründete Unternehmen DayStar Technologies Inc. in Santa Clara, Kalifornien, beschäftigt sich schon seit längerem mit CIGS-Zellen. Mitte 2006 plant das Unternehmen die Produktionskapazitäten für seine TerraFoil-Zellen auf 20 MW pro Jahr zu steigern und dann schrittweise bis zu 1 GW vorzustoßen, um die Herstellungskosten soweit wie möglich senken zu können. Hier wird als Trägermaterial eine flexible, 1 – 5 mm dicke Folie aus rostfreiem Stahl benutzt. Alternativ kann auch Glas oder Kunststoff beschichtet werden. 2007 akquiriert DayStar 5 Mio. $ Investitionskapital und bietet Oktober 2007 insgesamt 17.250.000 Aktien an, mit denen sie 68 Mio. $ in die Kassen bekommt. Damit soll u.a. eine 25 MW Linie gestartet werden, die CIGS-Zellen auf Glas produziert.

DayStar-Beschichtung Grafik

DayStar-Beschichtung (Grafik)

Die Produktion an TerraFoil-Solarzellen sichert sich langfristig die deutsche Blitzstrom GmbH (ab 2011: BELECTRIC), ein führender System-Integrator und Großhändler von Dünnfilm-Photovoltaiksystemen. In einem Rahmenliefervertrag bis 2008 werden steigende monatliche Lieferungen mit einem Volumen bis zu 30 MW vereinbart. Die DayStar-Zellen sollen in der Solarmodulproduktion der Blitzstrom verarbeitet und in eigenen Projekten vermarktet werden. Eine vollständige Umsetzung der Kaufvereinbarung entspräche einem Umsatz von bis zu 60 Mio. $, basierend auf den Marktpreisen für Siliziumzellen zu diesem Zeitpunkt. 

Einige Beispiele verdeutlichen die wirtschaftliche Lage: DayStar macht starke Verluste und erzielt im ersten Halbjahr 2009 auch keine Einnahmen. Während der Nettoverlust im gleichen Zeitraum 2008 noch 11,8 Mio. $ betragen hat, wächst er nun auf 14,3 Mio. $ an. Dazu kommt das Ausscheiden von mehreren Geschäftsführern und Vorständen, sodaß die Firma in einem Jahr auf vier (!) verschiedene ‚Chief Executives’ kommt. Die Bankguthaben und Vermögenswerte schrumpfen derweil von 17,1 Mio. $ Ende 2008 auf gerade noch 1,3 Mio. $ Mitte 2009 - DayStar kämpft bereits ums Überleben. Mitte 2011 wird der Nettoverlust alleine für das zweite Quartal 2011 mit 1,1 Mio. $ beziffert - verglichen mit einem Nettoverlust von 12,2 Mio. $ im zweiten Quartal des Jahres 2010. Gleichzeitig werden Gespräche mit potentiellen strategischen Investoren geführt, um die Firma doch noch zu retten. Weitere Neuigkeiten habe ich bislang nicht eruieren können.


Die XsunX Inc. ist 1997 in Colorado gegründet worden und scheint sich ursprünglich mit der Entwicklung und Kommerzialisierung einer neuen Dünnschicht-Solarzellentechnologie aus amorphem Silizium beschäftigt zu haben. Im Juni 2004 wird der Geschäftssitz nach Aliso Viejo, Kalifornien, verlegt. Die ersten auffindbaren Informationen stammen allerdings von Ende 2007, und zu diesem Zeitpunkt arbeitet das Unternehmen bereits an einer neuen, zum Patent angemeldeten hybriden Fertigungslösung für hohe Leistungen, bei der vorhandene Technologien und bewährte Prozesse adaptiert werden, um Dünnschicht-CIGS-Solarzellen zu niedrigen Kosten zu produzieren. Dabei wird die Fertigungstechnik robuster magnetischer Medien (Festplatten) mit einem sogenannten Dünnschicht-Co-Verdampfungs-Fertigungsverfahren kombiniert.

Im Oktober 2008 gibt XsunX bekannt, daß es mit der Spire Corp. und der Shuttleworth Inc. eine Vereinbarung über den Bezug der Komponenten geschlossen habe, mit denen das Unternehmen die Endmontage der ASI-120 Solarmodule mit einer Rate von einem Modul pro 90 Sekunden durchführen kann. Dabei wird von einer Jahreskapazität von 25 MW ausgegangen. Mitte 2009 wird jedoch von einem ‚erweiterten strategischen Plan’ gesprochen, demzufolge XsunX von der Abhängigkeit von teuren Fertigungsstrukturen weg will, und statt dessen auf Fertigungs- und Lieferleistungen mit Unternehmen setzt, die auf die Teilefertigung, Montage und Ausrüstung in der Solarmodulproduktion spezialisiert sind. Im September wird beispielsweise mit der Intevac Inc., dem weltweit führenden Anbieter von Depositionsanlagen für magnetische Medien in der Festplattenindustrie, eine Zusammenarbeit bei der Entwicklung von kommerziell vermarktbaren Prozessen und Anlagen für die Herstellung von CIGS-Dünnschicht-Solarzellen auf rostfreiem Stahl vereinbart – wodurch man erfährt, daß XsunX den Prozeß selbst noch nicht in ausreichendem Maße beherrscht.

Im Januar 2010 informiert das Unternehmen darüber, daß es die Entwicklung seiner CIGS-Beschichtungslinie, und im März die der Co-Verdampfungs-Behandlungskammer abgeschlossen hat. Die Kammer verarbeitet 125 x 125 mm große Substrate. Im Oktober gelingt es erstmals, Zellen mit einem Wirkungsgrad von über 14 % herzustellen, der nur einen Monat später auf 15,1 % gesteigert werden kann.

Mit der Telecomps Technology Corp. Ltd. wird im März 2011 eine Kooperation zur Entwicklung von Montagekapazitäten für Solarmodule vereinbart, im April ein Servicevertrag für die entwickelte Fertigungslinie mit MAG Industrial Automation Systems, und im Juli zertifiziert das NREL eine zwischenzeitlich erreichte Zellen-Spitzeneffizienz von 16,36 %, während der Durchschnitt bei den produzierten Zellen bei 15,91 % liegt. Ebenfalls im Juli erweitert XsunX seine Technologieentwicklungs- und Marketing-Aktivitäten an einem neuen Standort in Irvine, Kalifornien, und gewinnt mit der Ironridge Global IV Ltd. einen weiteren Investor, der 0,5 Mio. $ in das Unternehmen einbringt.

Die jüngste XsunX-Meldung stammt vom Oktober 2012 und besagt, daß man nun kurz davor stehe, die Montage des selbst entwickelten Bedampfungssystems abzuschließen.


1999 wird in der Nähe von Stuttgart die Würth Solar GmbH & Co. KG gegründet, die eine CIS-Dünnschichtzellen Solarfabrik mit einer Kapazität von 10 MW errichten will, wobei die Investitionskosten der ersten Pilotphase auf 15 Mio. DM beziffert werden. In einer Pilot-Anlage im ehemaligen Kohlekraftwerk der EnBW in Marbach bei Stuttgart können im Jahr 2000 erstmals kommerzielle CIS-Solarmodule hergestellt werden (s.u.), und bis 2003 wird die jährliche Produktionskapazität auf 1,2 MW erhöht. Mit einer Investitionssumme von 55 Mio. € erfolgt im Jahr 2006 der Bau der CISfab in Schwäbisch Hall mit einer geplanten Jahresproduktion von 14,8 MW, was einem Fertigungsvolumen von 200.000 CIS-Modulen entspricht.

2008 gründet Würth Solar den Geschäftsbereich Solarkraftwerke und installiert bereits 2009 das erste Solarkraftwerk mit einer Nennleistung von mehr als 10 MW. 2010 geht Würth Solar eine Kooperationsvereinbarung mit der Manz AG ein. Bislang nicht herausfinden konnte ich, ab wann sich Würth Solar auch mit CIGS-Solarzellen beschäftigt. Fest steht, daß die Manz AG im Jahr 2012 die CIGS-Innovationslinie der Würth Solar übernimmt, die sich aus der Produktion komplett zurückzieht und auf den Vertrieb von PV-Systemen und die Errichtung von Solarkraftwerken konzentriert. Die CISfab heißt derweil jedenfalls schon CIGSfab.

Die Manz AG (ab 2011) in Reutlingen ist ein weltweit führender Hightech-Maschinenbauer, der 1987 unter dem Namen Manz Automatisierungstechnik GmbH gegründet wurde. Bereits 1990 beginnt man hier mit der Entwicklung eines Automationssystems zur Verarbeitung kristalliner Solarzellen in Pilot-Produktionslinien. Mit Gründung der Manz Coating GmbH im Jahr 2010 entsteht ein Entwicklungszentrum für Vakuumbeschichtungs-Technologie - und Manz schließt einen exklusiven Knowhow-Lizenzierungs- und Kooperationsvertrag mit der Würth Solar über die Nutzungsrechte deren CIGS-Produktionstechnologie ab. Im Anschluß daran arbeitet Manz gemeinsam mit dem Stuttgarter Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) und Würth Solar intensiv an der Weiterentwicklung der CIGS-Technologie. Das ZSW hatte 2009 eine CIGS-Weltrekordzelle mit einem Wirkungsgrad von 20,3 Prozent vorgestellt (s.u.).

Im August 2011 kann Manz auf der Branchenmesse EU PVSEC in Hamburg ein 100 W Dünnschicht-Solarmodul im Original-Produktionsformat von 60 x 120 cm mit einem Wirkungsgrad von 15,1 % zeigen, was dem Unternehmen zufolge einem Modulwirkungsgrad von 14 % entspricht.

Das Unternehmen stärkt im Mai 2012 seine Präsenz in Asien mit einer Werkseröffnung für Solar- und Display-Fertigungsanlagen in Suzhou, China. Eines der ersten Produkte des neuen Fertigungsstandorts ist eine Anlage für naßchemische Prozesse in der Herstellung von kristallinen Solarzellen. Passenderweise hatte Manz schon 2008 die taiwanesische Firma Intech, den asiatischen Marktführer in diesem Segment, inklusive seiner Fertigung im chinesischen Suzhou, übernommen.

Ebenfalls 2012 wird die Manz CIGS Technology GmbH gegründet. Im Juli wird eine Kooperation mit der Firma Black Lite Energy aus Südafrika gestartet, und im September erreicht ein CIGS-Modul aus der integrierten CIGSfab Produktionsanlage von Manz erstmals den Wirkungsgrad multikristalliner Module: 14,6 % (bei einer Zelleneffizienz von 15,9 %). Die mit der CIGSfab möglichen Produktionskosten liegen auf einer Anlage mit 200 MW Jahreskapazität bei rund 0,55 $/W.


Im Jahr 2000 erfolgt die Gründung der Firma Solarion GmbH als Spin-Off des Leibniz Instituts für Oberflächenmodifizierung (IOM e.V.) in Leipzig, an dem die Idee zur Herstellung von flexiblen CIGS Solarzellen 1996 geboren und anschließend in mehrjähriger intensiver Entwicklungsarbeit vorangebracht wurde. Nachdem das Unternehmen 2001 mit seinem Businessplan eine Ausschreibung des BMBF gewinnt, Startet es 2002 mit der regulären Geschäftstätigkeit und der Pilotproduktionsphase. Außerdem ergibt eine erste Finanzierungsrunde die Beteiligung von zwei starken regionalen Investoren. Die Technologie von Solarion basiert auf einer patentierten ionenstrahlgestützten Abscheidung des CIGS-Absorbers in einem kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Prozeß auf einem flexiblen Polymersubstrat als Trägermaterial.

Zwischen 2002 und 2007 erfolgen der Aufbau einer Rolle-zu-Rolle Pilotanlage zur Herstellung hochflexibler und ultraleichter CIGS-Dünnschichtsolarzellen mit einer Kapazität von 200 kW, die Prozeßoptimierung, die Überführung der Laborprozesse auf die industrielle Anlage mit anschließender Kleinserienproduktion sowie umfangreiche weitere F&E-Aktivitäten. Für die Europäische Raumfahrtagentur ESA werden innovative Dünnschichtsolarkonzepte entwickelt, und 2006 wird die Rechtsform in eine AG umgewandelt. Eine 2. Finanzierungsrunde führt zur Beteiligung eines europäischen Investorenkonsortiums.

Solarion-Paneel

Solarion-Paneel

2008 bringt den Abschluß der Pilotphase und den Übergang in die Massenproduktion, worauf 2009 der Aufbau der Modullinie und die Herstellung erster Module namens SOL100GG folgen, die schon einen Wirkungsgrad von ca. 10 % aufweisen, während das ISE bei den Zellen sogar 13,4 % mißt. 2010 werden auf der Intersolar in München auch erstmals teiltransparente Module von Solarion präsentiert und erzielen der Firma zufolge eine überwältigende Publikumsresonanz. Die neuen Zellen sollen erstmals in einem rund ein Quadratmeter großen Glas-Glas-Modul zum Einsatz kommen, die eine Effizienz zwischen 8 % und 10 % erreichen und 2011 auf den Markt kommen sollen.

Im September 2010 präsentiert die Fahrzeugwerk Bernard Krone GmbH auf der IAA Nutzfahrzeuge in Hannover einen mit einer 3 kW PV-Anlage ausgerüsteten Kühlsattelauflieger. Für diese Studie wird die komplette Dachfläche des Aufliegers mit flexiblen Solarion-Solarmodulen bestückt, wobei der Solarstrom zum unterstützenden Betrieb des Carrier-Kühlaggregats eingesetzt werden kann. Dadurch können jährlich etwa 1.000 Liter Dieselkraftstoff eingespart werden.

Im Oktober übernimmt die taiwanesische Walsin Lihwa Corp. durch ihre Tochtergesellschaft Ally Energy 49 % der Solarion-Anteile – für 40 Mio. €, und schon im Mai 2011 erfolgt die Grundsteinlegung für eine integrierte Zell- und Modulfabrik zur Massenfertigung von Dünnschichtsolarzellen und -modulen in Zwenkau bei Leipzig. Das 60 Mio. € Projekt (die Investitionsförderungen decken gut 20 Mio. € davon) wird im Juli 2012 in Betrieb genommen und soll eine Jahresproduktionskapazität von 20 MW erreichen. Später ist der Aufbau einer weiteren Fertigungsstätte mit 180 MW Kapazität geplant. Die CIGS-Solarzellen von Solarion erreichen zu diesem Zeitpunkt im Labor bereits einen Wirkungsgradrekord von über 14 %.


MiaSolé in Santa Clara, Kalifornien, wird 2001 gegründet und entwickelt ein hoch automatisiertes, kontinuierliches und sehr schnelles Sputter-Verfahren (sputtern, auch Kathodenzerstäubung genannt) zur Herstellung von CIGS-Dünnschicht-Solarzellen, und installiert zwei Rolle-zu-Rolle-Produktionslinien mit einer Nennkapazität von jeweils 20MW. Die Finanzierung kommt von Venture Capital-Firmen wie Kleiner Perkins, Vantage Point Venture Partners, Bessemer, Passport Capital, FireLake Capital, Voyageur Mutual Funds III und anderen Investoren.

Im Juli 2008 bescheinigt das NREL den MiaSolé-Modulen eine Effizienz von 10 %. Dabei handelt es sich allerdings um eingekapselte flexible Zellen in einer Glas/Glas-Konstruktion. Das Unternehmen produziert seine Module aus dünnem Flachstahl, der mit 60 cm pro Minute durch die 5 Mio. $ teuren Sputter-Maschinen läuft, die nacheinander die vier verschiedenen CIGS-Materialien aufbringen. Anschließend wird das Material in kleine Solarzellen zerschnitten, verdrahtet und zu einem Modul mit jeweils 88 Zellen verarbeitet.

Ende 2009 beginnt das Unternehmen mit der Auslieferung. Und als Chevron im März 2010 im kalifornischen Bakersfield ein Testfeld für sieben vorkommerzielle PV-Technologien eröffnet, sind auch 200 kW CIGS-Dünnschichtmodule von MiaSolé mit dabei.

Im April 2010 wird ein langfristiger Liefervertrag mit der Phoenix Solar AG geschlossen, in dessen Rahmen die ersten 4,5 MW Dünnschicht-Module schon im zweiten Quartal ausgeliefert werden sollen. Im Mai folgt eine Kooperationsvereinbarung mit dem Elektronik-Riesen Intel, um die Prozeß- und Kontrolltechnik zu optimieren. Im Juni 2010 zertifiziert das NREL den 1 m2 großen Modulen einen Wirkungsgrad von 13,8 %, der bis zum September auf 14,3 % gesteigert wird. Mit juwi Solar wird ein Liefervertrag über 7,5 MW geschlossen, eine neue Produktionsanlage im Südosten der USA wird geplant, und im Dezember erreichen die Einzelmodule bereits eine Effizienz von 15,7 %. Als aktuelle Produktionskosten werden 0,85 $/W angegeben (Fachleute gehen aber von 1,80 $/W aus), und im Verlaufe des Gesamtjahres liefert das Unternehmen 22 MW Paneele aus.

Im Februar 2011 bringt eine Finanzierungsrunde F MiaSolé 106 Mio. $ ein (geplant waren 125 Mio. $), im Oktober gibt man bekannt, daß mit der Großproduktion von Modulen mit einer Effizienz von 13 % begonnen worden ist, und im November kann die bereits 50 Millionste Zelle hergestellt werden. Die gegenwärtige (bislang allerdings noch nicht ausgeschöpfte) Produktionskapazität beträgt 150 MW pro Jahr. Bis zu diesem Zeitpunkt hat das Unternehmen Investitionsmittel von insgesamt rund 350 Mio. $ umgesetzt und bei Projekten in Nordamerika, Europa und Asien Solarmodule mit einer Leistung von mehr als 55 MW installiert.

Im Januar 2012 entläßt MiaSolé 10 % seiner Mitarbeiter – und die Produktionsmenge von 15.000 Modulen pro Woche wird signifikant gesenkt. Im Februar folgt die Meldung, daß nun schon Module mit 14 % hergestellt werden, während im Labor bereits 17,3 % erreicht worden sind. Die Firma braucht aber dringend weiteres Kapital, und im März schießen die Investoren weitere 55 Mio. $ hinzu. Dafür dürfen sich alle Beteiligten im Mai auch schon über einen neuen Rekord freuen: Die großflächigen Produkte (1,68 m2) von MiaSolé erreichen eine Effizienz von 15,5 %.

Laut einer Meldung vom August 2012 muß sich MiaSolé trotz der rund 500 Mio. $, die es bislang erhalten hat, komplett reorganisieren und entläßt erst einmal 200 Mitarbeiter. Die stark gefallenen Siliziumpreise setzen alle CIGS-Anbieter unter Druck, und aufgrund der Subventionspolitik Chinas wird der Markt mit billigen Solarpaneelen überschwemmt. Im September wird bekannt, daß MiaSolé für den äußerst günstigen Preis von 30 Mio. $ von der Firma Hanergy gekauft wurde, Chinas größtem privaten Anbieter von Erneuerbaren Energien, der nur eine Woche zuvor von der deutschen Firma Q-Cells auch schon den CIGS-Dünnschicht-Hersteller Solibro gekauft hatte (s.u.). MiaSolé soll als vollständige Tochter der Hanergy Holding Group aus Peking aber weiter bestehen bleiben.


Das ebenfalls 2001 gegründete texanische Start-Up-Unternehmen HelioVolt Corp. aus Austin beginnt 2005 seine Geschäftstätigkeit, nachdem eine Finanzierungsrunde A Investitionsmittel in Höhe von 8 Mio. $ einbringen – von New Enterprise Associates (NEA). Kerntechnologie des Unternehmens ist die von Firmengründer Dr. Billy J. Stanbery erfundene kostengünstige und auch weltweit patentierte FASST-Dünnfilm-Beschichtungstechnologie (field-assisted simultaneous synthesis and transfer), bei welcher CIGS-Filme auf unterschiedlichen, auch konventionellen Materialien aufgebracht wird. Diese Technologie soll 10 bis 100 mal schneller funktionieren als vergleichbare Methoden, außerdem sind die damit hergestellten Filme 100 mal dünner als bei konventionelle Solarzellen.

Ab 2006 wird die Errichtung weitgehend energieautonomer Solarhäuser der nächsten Generation (power buildings) geplant, bei denen die CIGS-Technologie bereits integrierter Bestandteil der einzelnen Bauelemente ist, wie zum Beispiel Metalldächer, Dachfenster, Glasscheiben und sogar Wände. Im gleichen Jahr wird mit dem NREL eine F & E-Kooperationsvereinbarung geschlossen, um das vakuumlose und auf Nanomaterialien basierende FASST-Abscheideverfahren weiter zu optimieren. Außerdem gewinnt HelioVolt in diesem Jahr sowohl den Frost & Sullivan Innovationspreis für Dünnfilm-PV, als auch den silbernen Preis für technologische Innovation des Wall Street Journal.

HelioVolt-Beschichtung

HelioVolt-Beschichtung

Anfang 2007 gibt HelioVolt den Abschluß einer Vereinbarung mit der Firma Exeltech bekannt, in deren Rahmen schlüsselfertige Anlagen für die kostengünstige und zuverlässige solare Energiegewinnung kommerzialisiert werden sollen. Im Oktober gelingt es dem Unternehmen, im Zuge einer Finanzierungsrunde B Investitionsmittel im Umfang von 101 Mio. $ zu akquirieren. Die Investoren sind New Enterprise Associates, Paladin Capital Group, Masdar Clean Tech Fund, Morgan Stanley Principal Investments, Abengoa Solar, Sequel Venture Partners, Noventi Ventures, Solúcar Energia, Sunton United Energy, Yellowstone Capital und Passport Capital. Die daraufhin Ende des Jahres in Angriff genommene Produktionsanlage im Expo Business Park in Austin, Texas, soll 2008 mit einer Kapazität von 20 MW starten, wobei die in nur 6 Minuten hergestellten Vorproduktions-Zellen einen Wirkungsgrad von 12,2 % zeigen. Austin hatte darum gekämpft, das Unternehmen im Bundesstaat zu halten, und HelioVolt deshalb Steuererleichterungen in Höhe von 60 % für 10 Jahre zugesagt.

Im Mai 2008 tut sich HelioVolt mit der Architectural Glass & Aluminum Co. (AGA) zusammen, um aus den Dünnschicht-PV-Modulen gebäudeintegrierte Photovoltaik-Produkte zu entwickeln und anzubieten. Die Fabrik in Texas wird im Oktober eröffnet, doch schon Anfang 2009 werden der Produktionsstart auf „frühestens“ 2010 verschoben – sowie 15 Mitarbeiter entlassen ... und dies, obwohl die Firma bis zu diesem Zeitpunkt schon mehr als 130 Mio. $ Investitionsmittel zur Verfügung gestellt bekommen hat. Außerdem tritt der CEO und Gründer B.J. Stanbery von seinem Amt zurück – um Jim Flanary, dem ehemaligen CEO von First Solar, Platz zu machen.

2010 verifiziert das NREL den CIGS-Modulen von HelioVolt eine Effizienz von 11,8 %, und im Februar liefert das Unternehmen Proben an ausgewählte Kunden. Im Juni nimmt HelioVolt weitere 31,5 Mio. $ ein, diesmal in Form von Schulden und Optionen. Das gemeinsame Forschungsprogramm mit dem NREL wird weitergeführt, aber die geplante Serienproduktion startet auch in diesem Jahr noch nicht.

Im Januar 2011 pumpt sich das Unternehmen zusätzliche 8,5 Mio. $, um seine Technologie weiter zu verbessern. Der durchschnittliche Wirkungsgrad der 75 W Pilotlinien-Paneele (50 x 120 cm) beträgt zu diesem Zeitpunkt 10,3 %, und HelioVolt behauptet, daß die Gesamtproduktion der nächsten 3 Jahre bereits einer Handvoll ausgewählter Partner in den USA, Europa und Asien zugesagt worden sei. Im April bietet sich die Firma zum Verkauf an, was sich dann aber vermeiden läßt, da es HelioVolt im September gelingt, eine Finanzierungsrunde C mit 85 Mio. $ abzuschließen, von denen 50 Mio. $ durch die Firma SK Innovation investiert werden, Südkoreas größtem Raffineriebetreiber und ein Unternehmen, das für 10 % des südkoreanischen Bruttoinlandsprodukts verantwortlich ist. Mit dem Geld will HelioVolt seine Fertigungstechnologie verbessern und die kleinräumige 20 MW Fabrik an seinem Hauptsitz in Austin erweitern. Die Module erreichen inzwischen einen Wirkungsgrad von 12,6%, bestehen die Zertifizierungstests der Intertek/ETL, und die ersten kommerziellen Produkte werden an die Kunden ausgeliefert. An der Texas A&M University wird beispielsweise eine 23 kW Anlage errichtet, bei der die HelioVolt-Paneele zum Einsatz kommen. Über weitere Kunden schweigt sich das Unternehmen jedoch aus.

Nach längerem Schweigen gibt HelioVolt im Juni 2012 bekannt, daß seine Solarpaneele derweil eine Effizienz von 13,5 % erreichen, und daß man nun mit der Herstellung von High Performance Modulen beginnen will, d.h. rahmenlose Glas/Glas-Konstruktionen mit monolithischer Integration. Die jüngste Meldung bei diesem Update stammt vom August 2012 und besagt, daß das Unternehmen gemeinsam mit der Firma Austin Energy auf dem Dach des Non-Profit-Projekts Yellow Bike die erste kommerzielle Installation der lokal gefertigten Solarmodule errichten wird – eine 12,4 kW Anlage. Was äußerst bescheiden ist – dafür, daß das Unternehmen seit seiner Gründung nun schon über 200 Mio. $ akquiriert hat.


2001 wird noch eine dritte CIGS-Firma gegründet, die Sulfurcell Solartechnik GmbH der Solarzellen-Forscherin Martha Christina Lux-Steiner und Nikolaus Meyer mit Hauptsitz in Berlin-Adlershof (die Firma präsentiert sich anfänglich als CIS-Entwickler, später zeigt sich jedoch, daß sie auch CIGS- und CIGSe-Zellen produziert, ohne daß zu Beginn eine klare Trennung vorgenommen wird). Nachdem das Grundkapital von 16 Mio. € beisammen ist, u.a. von Vattenfall Europe und GdF Suez, wird im Dezember 2003 mit der Installation der ersten Produktionsmaschinen begonnen und 2004 eine Pilotproduktion gestartet.

2005 wird der erste CIGS-Prototyp vorgestellt, und ab Anfang 2006 produziert Sulfurcell bereits mehrere Hundert Module im Monat, eine Quantität, die bis Ende des Jahres auf einige Tausend Module pro Monat gesteigert werden soll. Zu diesem Zeitpunkt erreichen die CIS-Solarmodule im Labor einen Wirkungsgrad von gut 10 %, während die industriell gefertigten Module erst auf einen Wirkungsgrad von 7 % bis 8 % kommen. Mit CIGS der 1. Generation (schwefelbasiert) beschäftigt man sich ab 2005 – mit CIGSe der 2. Generation (selenbasiert) ab 2009 (s.u.).

Sulfurcell-Modul

Sulfurcell-Modul

Ende 2006 stellt Sulfurcell die wohl ästhetischsten Solarzellen weltweit her – beinahe schwarze Flächen mit hellen Leitungsbahnen. Dabei wird eine nur wenige tausendstel Millimeter dünne Halbleiterschicht schwefelbasiert auf Glasscheiben aufgebracht, was dem Unternehmen zufolge im Gegensatz zu Wafer-Zellen 99 % des Materials einspart, die Hälfte der Energie und ein Drittel der Produktionsschritte. Die Jahreskapazität des Unternehmens beträgt 3 MW. Außerdem gewinnt es in diesem Jahr den Innovationspreis Berlin-Brandenburg.

Ab 2007 wird im Dreischichtenbetrieb und 7 Tage die Woche produziert, und 2008 werden 3.000 Stück Module hergestellt, deren Qualität den Elektronik-Konzern Intel so beeindruckt, daß er sich über Intel Capital im Juli mit 24 Mio. € an Sulfurcell beteiligt. Insgesamt erhält das Unternehmen im Rahmen einer Investorenrunde 85 Mio. € neues Kapital, mit dem die Produktion in Berlin ausgebaut werden soll, um im Folgejahr mit der Fertigung in großen Stückzahlen beginnen zu können. Neben dem Intel-Anteil stammen 38 Mio. € des genannten Betrags von verschiedenen Europäischen Investoren wie Climate Change Capital Private Equity, AIG, Demeter Partners, Zouk Ventures und BankInvest, während der Rest von den urspünglichen Geldgebern der Firma beigesteuert wird. Meldungen vom Mai 2009 zufolge habe SulfurCell bis zu diesem Zeitpunkt schon mehr als umgerechnet 165 Mio. $ Investitionskapital erhalten. 

Zwischen 2005 und 2009 produziert und verkauft Sulfurcell 75.000 Solarmodule und erreicht eine Jahreskapazität von 2,4 MW, während die Ausschußrate (über die andere Firmen kein Sterbenswörtchen sagen) gleichzeitig auf unter 18 % gesenkt werden kann. Zum Jahresende 2009 nimmt das Unternehmen in Berlin-Adlershof eine neue, 17.000 m2 große Fertigungshalle und einen 3.000 m2 großen, energieautarken Bürokomplex in Betrieb, und intensiviert weiter in sein Forschungs- und Entwicklungsprogramm, wodurch die Paneele im Labor bald einen Wirkungsgrad von 12,6 % erreichen. Der Bürokomplex besitzt übrigens eine der modernsten Solarfassaden Europas – natürlich aus schwarzen Sulfurcell-Modulen: Derzeit hat das Unternehmen drei Module im Sortiment, von denen dieses Kassettenmodul besonders interessant ist, da es – genau wie konventionelle Fassadenkassetten – rahmenlos in Fassadenkonstruktionen eingehängt werden kann.

Mit Beginn des Jahres 2010 wird die Produktionskapazität sukzessive auf jährlich 35 MW hochgefahren, und im Juni nimmt Sulfurcell seine Geschäfte auch in den USA auf. Im Juli folgen Verträge mit asiatischen Kunden: 10 MW werden nach China verkauft und weitere 6 MW sind für Geschäftsdächer in New Delhi vorgesehen. Die CIS-Paneele erreichen inzwischen Wirkungsgrade von 8 % bis 9%, während die neuen CIGS-Paneele, mit deren Auslieferung Anfang 2011 begonnen wird, 12,9 % erreichen. Man hofft, diese Paneele im Jahr 2013 mit einer Effizienz von 14 % ausliefern zu können. Ein neu vorgestelltes CIGSe-Modul erreicht einen Wirkungsgrad von 11,6 %.

Nun ist auch erstmals zu erfahren, wie das Verhältnis der unterschiedlichen Zellentypen aussieht: Die Sulfurcell-Fabrik kann 35 MW CIS-Module produzieren – und ist mit Geräten ausgestattet, um bei 5 MW davon Selen hinzuzufügen und CIGS-Solarzellen zu machen. Bis Ende dieses Jahres soll die CIGS-Herstellung auf 20 MW erweitert werden, während die Gesamtkapazität auf 75 MW pro Jahr angehoben werden soll.

Soltecture-Beschichtung

Soltecture-Beschichtung

Im Mai 2011 wird der Firmenname in Soltecture GmbH geändert – wobei der neue Name die Kernkompetenzen des Unternehmens auf den Punkt bringen soll: Höchstleistungen in Solar, Technologie und Architektur. Im Laufe des Jahres sichern Soltectures Investoren dem Unternehmen weitere 18,8 Mio. € als Finanzierung für den weiteren Produktionsausbau und zusätzliche F&E-Arbeiten. Die CIGSe-Module erreichen derweil einen Spitzenwirkungsgrad von 13 %.

Die neue Ära dauert jedoch nur ein Jahr – und im Mai 2012 stellt die Soltecture GmbH Antrag auf Eröffnung des Insolvenzverfahrens. Dieser Schritt sei notwendig geworden, weil die Geschäftsführung nach intensiver Prüfung neuer Finanzierungsmöglichkeiten keine Chance mehr sieht, kurzfristig eine drohende Zahlungsunfähigkeit abzuwenden. Die hohen Überkapazitäten am Markt hätten zu einem dramatischen Preisverfall bei Solarmodulen geführt, der auch durch Kostensenkungen nicht kompensiert werden konnte. Auf Grund der hervorragenden Technologie und Gesprächen mit Interessenten sei man aber zuversichtlich, daß der Standort in Adlershof mit einem industriellen Investor fortgeführt werden kann. Mehr war seitdem nicht zu hören.


Die 2002 von Brian Sager und dem deutschstämmigen Martin Roscheisen gegründete Firma NanoSolar Inc. in Palo Alto wird 2003 von den Google-Gründern Larry Page und Sergey Brin finanziert – und bekommt bis Mitte 2006 weitere 100 Mio. $ Investitionsmittel. Das Unternehmen nutzt eine Technologie, bei der solarsensitives Material – eine Art Tinte aus Nanopartikeln – bei normalem Atmosphärendruck im Rotationsverfahren auf Folien aufgedruckt wird, womit auf die teuren, auf Vakuum basierenden Beschichtungsmethoden verzichtet werden kann. Mit der Nano-CIGS-Technik von NanoSolar können pro Minute 30 m Solarzellen gedruckt werden, und während Anlagen für normale CIGS-Dünnschichtzellen ca. 55 Mio. € kosten und von den Ausgangsmaterialien nur 30 % bis maximal 80 % nutzten, kostet der Solarzellendrucker nur 12 Mio. € und nutzt 100 % des Materials. Das Ergebnis ist eine Dünnfilm-CIGS-Zelle auf einer Aluminumfolie, die zu einem Preis von 1 $ pro Watt auf den Markt kommen soll, da die Produktionskosten um 90 % gesenkt werden konnten, während sich die Dicke der Beschichtung im Vergleich zu ähnlichen Techniken sogar um 99 % reduzieren ließ. Als erreichter Wirkungsgrad werden 14 % angegeben.

Technisch gesehen besteht die NanoSolar-Zelle aus einer Schicht Aluminiumfolie, auf der als Elektrode einer Molybdän-Schicht aufgebracht ist, der die strahlenabsorbierende CIGS-Beschichtung folgt. Über diese wird dann eine Schicht aus nicht lichtsensitivem Halbleitermaterial gelegt, das als P/N-Anschluß dient. Abschließend kommt eine transparente Schicht aus Zinkoxid darüber. Die Fläche des einzelnen Paneels beträgt 2 m2.

Man plant nun, in der Bay Area die weltgrößte Anlage zur Herstellung von Solarpanelen zu errichten. Das Ziel ist es, jährlich 300.000 Häuser mit PV-Strom versorgen zu können. Bislang hat das Unternehmen kleinere Fabrikationsstrecken in Luckenwalde bei Berlin sowie in San Jose im kalifornischen Silicon Valley, wo NanoSolar seit August 2006 mit der Conergy AG zusammenarbeitet, einem der weltgrößten PV Systemintegratoren.

Im Dezember 2007 beginnt NanoSolar mit der Produktion und dem Verkauf seiner CIGS-Solarmodule und bietet diese tatsächlich zu dem weltweit konkurrenzlosen Preis von nur 0,99 $/W an. Die Herstellungskosten sollen bei etwa 0,30 $/ liegen. Die erste Marge von rund 7.000 Paneelen geht an einen kommunalen 1 MW Solarpark auf ehemaligen Rieselfeldern in Luckenwalde, der von der Beck Energy GmbH errichtet und voraussichtlich 2,9 Mio. € kosten wird.

Pilotanlage bei NanoSolar

Pilotanlage
von NanoSolar

Zu diesem Zeitpunkt ist die Produktion bis Mitte 2009 schon komplett ausverkauft, und das Unternehmen arbeitet fieberhaft daran, die Herstellungskapazitäten für sein NanoSolar Utility Panel weiter auszubauen. Das Unternehmen heimst nebenbei diverse Preise ein, und einige Experten sehen in dieser Entwicklung schon das „Ende aller anderen Solarzellen-Technologien!

2008 erhöht die EDF Energies Nouvelles das Eigenkapital von NanoSolar um 50 Mio. $ als Teil einer strategischen Vereinbarung, wonach die Firma ab dem Folgejahr beginnen wird, EDF mit Paneelen zu versorgen. Vom US Department of Energy gibt es einen 20 Mio. $ Zuschuß – und weitere rund 100 Mio. $ kommen von den Investoren Mohr Davidow Ventures, Benchmark Capital, Mitsui, OnPoint Technologies, SAC Capital, GLG Partners, Swiss Re und Grazia Equity. Die Solarzellen von NanoSolar erreichen zu diesem Zeitpunkt einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 11 %, wobei einzelne Spitzenzellen auf bis zu 16,4 % kommen, wie das NREL feststellt.

Ebenfalls in Luckenwalde, südlich von Berlin, wird auch das neue, vollautomatisierte 620 MW Dünnschicht-Paneele-Montagewerk von NanoSolar gebaut, wo im Dreischichtbetrieb alle 10 Sekunden ein fertiges Paneel vom Band laufen wird. Im Juni ist erste Ausbaustufe mit einer Kapazität von 100 MW fertiggestellt. Damit sollen die Solarzellen der dritten Generation endlich marktreif gemacht und die Konkurrenz bei den Herstellungskosten unterboten werden. Das Unternehmen habe hierfür eine nur 1,65 Mio. $ kostende Maschine entwickelt, die jährlich bis zu 1 GW Solarzellen mit Wirkungsgraden von bis zu 14,5 % herstellen kann.

Im August meldet NanoSolar, daß es in einer überzeichneten Finanzierungsrunde, die bereits im März geschlossen wurde, 300 Mio. $ eingenommen hat, womit das Unternehmen schon knapp 0,5 Mrd. $ zusammen hat. Die neuen Finanzierungsmittel kommen von der Energiefirma AES, der Carlyle Group, dem französischen Stromversorger EDF, Energy Capital Partners (durch Riverstone Holdings) sowie EDF Renewables. Ein kleinerer Teil kommt von Lone Pine Capital, der Skoll Foundation (Fonds von Pierre Omidyar), GLG Partners, Beck Energy GmbH und Grazia Equity.

Im September wird bekannt, daß NanoSolar seine Präsenz in Deutschland ausbauen will. Am selben Standort des o.e. Solarkraftwerks mit 1 MW Leistung soll eines mit einer Kapazität von 10 MW entstehen, das 30 Mio. € kosten wird. Neben diesem Projekt soll mit den neuen Geldern auch der Ausbau der Solarzellenfabrik in Palo Alto auf 430 MW erfolgen. In den Büchern hat NanoSolar bereits Aufträge im Wert von 4,1 Mrd. $ stehen. Im Oktober beginnt der Bau des 1 MW Solarkraftwerks in Luckenwalde, außerdem hat das Unternehmen bereits mehrere weitere Kraftwerksprojekte in Frankreich, Italien und Deutschland in der Entwicklungsphase.

Herstellung bei NanoSolar

Herstellung bei NanoSolar

Einer Meldung vom Februar 2009 zufolge will NanoSolar das Montagewerk im März offiziell einweihen. Es sei bereits aktiv, bislang allerdings nur im Ein-Schicht-Betrieb. Tatsächlich dauert es dann jedoch noch bis zum September des Jahres, bis die Solarmodul-Serienproduktion in Luckenwalde eingeweiht wird, die zu diesem Zeitpunkt eine monatliche Produktionsleistung von 1 MW hat. Ebenfalls begonnen hat nun die Solarzellen-Serienproduktion der Fabrik in San Jose, laut NanoSolar mit einem Ausstoß von 1 Mio. Zellen pro Monat. Von hier aus werden die Zellen nach Deutschland verschickt, wo sie zu Paneelen montiert werden. Ansonsten hält sich das Unternehmen in dieser Zeit ungewöhnlich bedeckt.

Im März 2010 besucht Gouverneur Arnold Schwarzenegger die NanoSolar in San Jose – die ihren CEO Martin Roscheisen aus nicht genannten Gründen durch den Chip-Experten Geoff Tate ersetzt hat. Im Juni schließt Beck Energy das erste Solarkraftwerk in Luckenwalde ans Netz an, das eine Leistung von 1,1 MW hat. Im Oktober nähert sich die erste Zellen-Produktionslinie einer Jahresproduktivität von 50 MW. Und NanoSolars nächstes Projekt ist eine 3 MW Freiflächenanlage, die gemeinsam mit der EDF Energies Nouvelles auf deren Solarfeld in Gabardan, Frankreich, installiert werden soll.

Ankündigungen macht NanoSolar allerdings immer noch gerne: bis Ende 2012 wird ein Verkaufspreis zwischen 0,70 $/W und 0,80 $/W versprochen, der im Jahr 2013 auf 0,60 $/W, und 2014 noch tiefer fallen soll. Die aktuellen Pläne lauten: bis 2011 Ausbau einer 50 MW Linie auf 115 MW - mit anschließender Erweiterung innerhalb von 4 bis 5 Jahren auf 1 GW. Tatsächlich produziert NanoSolar im ganzen Jahr 2010 allerdings nur Paneele mit einer Gesamtleistung von 2,5 MW. Diese Paneele haben das Maß von 1 x 2 m, aber der Herstellungsprozeß des Unternehmen erlaubt es, Paneele auch leicht in verschiedenen anderen Größen und in Leistungsklassen zwischen 160 W und 220 W zu fabrizieren.

Im April 2011 schließt NanoSolar einen sechsjährigen Liefervertrag über 1 GW mit den deutschen Firmen BELECTRIC und Plain Energy sowie der französischen EDF Energies Nouvelles ab. Gleichzeitig werden wieder einige Planziele bekannt gegeben, so soll die Jahresproduktion in San Jose bis 2013 auf 250 MW angehoben, und anschließend in der Nähe ein neues Werk mit einer Jahreskapazität von 500 MW aufgebaut werden, das nach 2014 auf 750 MW erweitert wird. Die realen Zahlen sehen etwas nüchterner aus: Die Solarzellen-Fabrik in den USA hat derzeit Anlagen, die bis zu 30 MW pro Jahr produzieren können, während die deutsche Fabrik eine Montageleistung von 100 MW erreichen könnte ... wenn sie denn genügend Zellen bekäme. Im Oktober geht ein 538 kW Solarkraftwerk in der Camp Perry Ohio National Guard Base in Port Clinton, Ohio, in Betrieb, das mit 2.750 NanoSolar-Paneelen bestückt ist. Im November folgt im Rahmen der Partnerschaft mit EDF Energies Nouvelles und deren US-Tochter enXco eine Vereinbarung zur Belieferung von zwei Projekten mit insgesamt 6 MW Paneelen.

Gedruckte NanoSolar-Zellen

Gedruckte NanoSolar-Zellen

Und während andere Firmen Konkurs anmelden, wechselt NanoSolar im Januar 2012 ein weiteres Mal den CEO aus. Nun übernimmt Eugenia Corrales, die seit 2010 Leiterin der Abteilung Technik und Betrieb war, und der es zu verdanken sei, daß es überhaupt eine Produktion (von bislang insgesamt 10 MW) gegeben habe. Im Februar gelingt es dem Unternehmen, weitere 20 Mio. $ von seinen Investoren Mohr Davidow und OnPoint zu erhalten, zu deren Riege nun auch Aeris Capital stößt, ein Schweizer Familienfonds, der die Finanzen von SAP-Gründer Klaus Tschira verwaltet. Im Mai gibt NanoSolar bekannt, daß es San Miguel, Kalifornien, die Installation einer 1 MW Freiflächen-Solaranlage im Camp Roberts beendet hat, der größten kalifornischen Schulungseinrichtung der Nationalgarde.

Im Juni kommen noch einmal 50 Mio. $ in die Kasse von NanoSolar, u.a. von Ohana Holdings. Damit hat das Unternehmen seit seinem Start mindestens 450 Mio. $ erhalten – während es bislang erst Paneele mit einer Gesamtleistung von 10 MW ausgeliefert hat, die einen Wirkungsgrad von 10 % aufweisen, während die durchschnittliche Zelleneffizienz inzwischen bei 11,5 % liegt. Im Laufe des Jahres soll der Modulwirkungsgrad auf 12 %, und in den beiden Folgejahren um jeweils ein weiteres Prozent erhöht werden (bei Labortests haben die NanoSolar-Zellen zwischenzeitlich einen Wirkungsgrad von 17,1 % erreicht).

Die bislang jüngste Meldung aus dem Unternehmen lautet im September 2012, daß sich Eugenia Corrales zurückgezogen und man schon wieder nach einem neuen CEO sucht...


Im Jahr 2005 wird die Schweizer Firma Flisom AG mit Hauptsitz in Dübendorf gegründet, als Spin-off-Unternehmen des Laboratoriums für Festkörperphysik der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zurich). Zum Gründerteam gehören Prof. Ayodhya Nath Tiwari, Anil Sethi, David Brémaud und Marc Kaelin.

Das Ziel von Flisom ist es, bis spätestens Ende 2009 flexible Solarmodule mittels CIGS-Dünnschicht-Technologie zu produzieren und zu vermarkten. Dabei soll in fünf Jahren ein Preis von 0,80 $/W, in 10 Jahren sogar von nur 0,50 $/W erreicht werden. Diese Pläne bekommen aber erst im September 2009 einen Vorschub, als der indische Großkonzern Tata Group in Flisom investiert, ohne öffentlich einen exakten Betrag zu nennen. Nun will Flisom in Dübendorf eine 5 MW Pilotanlage errichten, um einen ersten Schritt in Richtung der Kommerzialisierung seiner Technologie zu tun. Die geschätzten Kosten betragen etwa 25 Mio. €. Im Laufe der Folgejahre soll diese Anlage dann auf über 100 MW Jahreskapazität ausgebaut werden.

Im Juni 2010 erreichen die flexiblen Flisom-Zellen einen Rekord-Wirkungsgrad von 17,6 %, der von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), dem wissenschaftlichen Partner der Flisom AG, bestätigt wird (s.u.). Knapp ein Jahr später, im Mai 2011, wird ein neuer Weltrekord für Solarzellen auf Plastikfolie registriert: 18,7 %.


Ein ganzes Buch schreiben könnte man über die Geschichte der 2005 von Christian Gronet gegründeten Firma Solyndra LLC (zuerst: Gronet Technologies) mit Hauptsitz im kalifornischen Fremont, die mit einem genialen Konzept beginnt und in einer katastrophalen Pleite endet.

Solyndra-Zylinderzellen

Solyndra-Zylinderzellen

Im Oktober 2008 erscheinen die ersten Pressemeldungen über das Start-up, das ein CIGS-Dünnfilm-Modul entwickelt hat, das aus Tubular Solar Panels genannten zylindrischen Glasrohren besteht, die das Licht von allen Seiten sammeln. Solyndra rollt seine gut einen Mikrometer dicken CIGS-Dünnfilme in eine zylindrische Form – wodurch sie wie umgekehrte Leuchtstofflampen aussehen, die Strom erzeugen, anstatt ihn zu verbrauchen, oder wie solarthermische Vakuumkollektoren. In jeder dieser Röhren befinden sich über 140 miteinander verbundene, zylindrische CIGS-Zellen, die direktes Sonnenlicht, indirektes Sonnenlicht und - bei einem hellfarbigen Dach - auch das vom Dach reflektierte Licht nutzen, was eine hohe Lichtausbeute und somit eine höhere Wirtschaftlichkeit ergibt.

Bei der Serie 100 werden jeweils 40 Solarrohre in einem 182 x 108 cm großen Modulrahmen montiert, um 180 W zu liefern. Das Einzelmodul wiegt nur 31 kg und wird auf 30 cm hohen Halterungen flach auf dem Dach montiert, während es die Abstände zwischen den einzelnen Röhren ermöglichen, daß der Wind leicht durch das Modul strömt. Die Dachlast beträgt daher nur 16 kg/m2. Die Paneel-Abmessungen der Serie 200 sind etwas größer: 228 x 109 cm, ansonsten ähneln sich die Spezifikationen weitestgehend. Solyndras zylindrische Bauform ist aus mehreren Blickwinkeln gesehen vorteilhaft, aber auch schwierig zu fertigen. Als Wirkungsgrad werden 12 % bis 14 % angegeben.

Das Unternehmen hat zu diesem Zeitpunkt bereits schon 600 Mio. $ an Investitionsmitteln eingenommen, hauptsächlich von der Stiftung der Familie George Kaiser Argonaut Ventures (35,74 %), U.S. Venture Partners (10,19), RockPort Capital Partners (7,5 %), CMEA Ventures (6,81 %) und Redpoint Ventures (5,94 %) – dazu einige besonders gut betuchte Geldgeber wie der Madrone Capital Fonds der Wal-Mart-begründenden Walton-Familie (11 %), Abu Dhabis Masdar und Richard Bransons Virgin Green Fund. Gronet selbst besitzt 8,06 % der Firmenanteile (Stand Ende 2009).

Parallel dazu liegen bereits Aufträge im Gesamtwert von 1,2 Mrd. $ vor, womit im Grunde der offiziell 110 MW betragende Jahresausstoß der hochautomatisierten Fabrik in Fremont (Fab 1) bis 2012 schon verkauft ist. Das Ziel, die Jahreskapazität um 420 MW (später: 500 MW) zu erhöhen, hat daher eine besondere Priorität, weshalb man sich auch umgehend mit Plänen zur Errichtung einer entsprechenden weiteren Fabrik beschäftigt (Fab 2).

Solyndra hatte die Auslieferung der Paneele schon im Juli 2008 gestartet, wobei es den Schwerpunkt auf Installationen auf gewerblichen Gebäuden setzt. Das erste Solyndra-Array wird so auch auf dem Dach des Solyndra-Bürogebäudes selbst installiert. Das o.g. Auftragsvolumen setzt sich aus einem Rahmenvertrag mit dem deutschen Solar-Integrator GeckoLogic GmbH in Wetzlar (~ 250 Mio. $) sowie zwei weiteren Verträgen mit der Phoenix Solar AG (~ 450 Mio. €) und der Solar Power Inc., einen US-amerikanischen Solar-Hersteller und -Integrator, zusammen. Eine erste Auslandsniederlassung wird in Deutschland eröffnet.

Solyndra-Paneele

Solyndra-Paneele

Das Jahr 2009 beginnt gut: Schon im Januar kann Solyndra das Eigenkapital um 219,2 Mio. $ steigern, wobei das Geld von 23 Investoren, darunter CMEA Ventures und Redpoint Ventures, kommt. Im März bietet das DOE Solyndra eine Bürgschaft in Höhe von 535 Mio. $ zur Finanzierung einer neuen Produktionsstätte für zylindrische Solarmodule in Kalifornien an. Das Unternehmen hatte diese Hilfe bereits 2006 beantragt und geht davon aus, damit etwa 73 % der Baukosten decken zu können. Im gleichen Monat beendet die in Novato, Kalifornien, ansässige SPG Solar eine 132 kW Installation auf einem Kino in Livermore. Es ist die erste kommerzielle Anlage von Solyndra.

Es folgen diverse Meldungen über neue Abschlüsse und Vereinbarungen: Im April wird eine Kooperation mit der Inverter-Firma Satcon beschlossen, im Mai ein bis 2013 laufender Liefervertrag über 189 Mio. $ mit dem in Amsterdam beheimateten Solarintegrator SunConnex, und im Juli ein gleichlang befristeter Liefervertrag im Umfang von 238 Mio. $ mit dem Solarintegrator Umwelt-Sonne-Energie GmbH (USE) in Holzgerlingen. Zuvor war bereits ein 115 Mio. $ Vertrag mit der ebenfalls deutschen Ebitsch Energietechnik abgeschlossen worden.

Nachdem es Solyndra gelingt, weitere 198 Mio. $ an Investitionsmitteln einzunehmen, wird im September in der Nähe des Firmenhauptsitzes der Grundstein für die neue Fabrik gelegt (Fab 2), wozu sich Vizepräsident Joe Biden, Energieminister Steven Chu und Governor Arnold Schwarzenegger die Ehre geben, die sich in ihrer Lobhudelei für Solyndra – und die neugeschaffenen Arbeitsplätze! – regelrecht überschlagen. Das 733 Mio. $ Bauprojekt wird an die Konstruktionsfirma Tutor Perini vergeben (die Gesamtkosten der Fab 2 werden auf 1,38 Mrd. $ geschätzt).

Ebenfalls im September ist zu erfahren, daß das Team der Penn State University, das sich mit seinem Natural Fusion home an dem diesjährigen SolarDecathlon-Wettbewerb beteiligt, Solarmodule von Solyndra integriert hat (mehr zu diesem Solarhaus-Wettbewerb findet sich im Kapitel Solarhäuser und solare Bauelemente 2009). Es ist der erste Einsatz der Zylinder-Paneele im Wohnhausbereich.

Im November folgt ein mehrjähriger Liefervertrag mit dem italienischen Solarintegrator Sun System in Höhe von 105 Mio. $, und im Oktober wird bekannt, daß das Unternehmen bislang einen Betrag von etwa 970 Mio. $ an Eigenkapital-Finanzierungen aufweist. Im Dezember erscheinen die ersten Meldungen über einen geplanten Börsengang, der Solyndra weitere 300 Mio. $ beschaffen soll. In dem diesbezüglichen Antrag erscheinen endlich auch ein paar wirtschaftlich relevante Zahlen.

Diesen zufolge hat die Fab 1 im Jahr 2009 genau 30,5 MW Paneele fabriziert, von denen bis Oktober 2009 eine Menge von 17,2 MW verkauft worden ist (2008 hatte man ganze 1,8 MW produziert und davon 1,6 MW verkauft). Für Forschung und Entwicklung sind bislang mindestens 290 Mio. $ ausgegeben worden, und neben den fünf bestehenden US-Patente sind weltweit mehr als 150 Patentanmeldungen eingereicht worden. Die ausgewiesenen Verluste lauten 27,2 Mio. $ in 2006, 114,1 Mio. $ in 2007, 232,07 Mio. $ in 2008 und 172,5 Mio. $ in 2009. Dem stehen Einnahmen in Höhe von 100,47 Mio. $ in 2009 gegenüber (2008: 6,01 Mio. $). Rechnerisch ergibt sich daraus ein aktueller Verkaufspreis von 3,42 $/W – bei Kosten von 6,29 $/W. Solyndra selbst nennt einen Betrag von 3,24 $/W (inkl. Halterungen). Siliziumzellen kosten zu diesem Zeitpunkt rund 2 $/W.

Die Anzahl der bislang installierten gewerblichen Anlagen liegt Ende 2009 bei über 100 Stück, deren größte eine in Amerika installierte 529 kW Anlage ist. Als weitere Kunden können die Alwitra GmbH, Carlisle Syntec Incorporated und Sunconnex B.V. gewonnen werden.

Ähnlich beginnt es auch 2010. Im Januar wird eine Vertriebsvereinbarung mit Advanced Green Technologies aus Florida unterzeichnet, einem führenden Anbieter von Gebäude-integrierten Solarenergie-Produkten, und die Firma Solis Partner installiert auf sechs Foodtown-Supermärkten in New Jersey Solyndra-Systeme mit insgesamt 2.700 Paneelen, die über 600.000 kWh Strom pro Jahr produzieren sollen. Im Februar folgt eine weitere Vertriebsvereinbarung, diesmal mit der DC Power Systems in Rohnert Park, Kalifornien, und die Umwelt-Sonne-Energie GmbH beendet die Installation von zehn Dachanlagen bei einem großen internationalen Lebensmittel-Einzelhändler in Belgien, die zusammen auf 1,9 MW kommen. Es ist das bislang größte Solyndra-Projekt.

Solyndra-Aufdachanlage der LPS Industries

Solyndra-Aufdachanlage
der LPS Industries

Im Mai besucht Präsident Barack Obama Solyndra. Im selben Monat wird bei Anheuser-Busch eine Anlage aus 3.000 Solyndra-Paneelen installiert, im Juni geht die mit 704 kW bislang größte US-Anlage aus 3.800 Paneelen auf einem geweißten Dach der Verpackungsmaterialfirma LPS Industries in New Jersey in Betrieb, und auch Frito Lay sowie Coca-Cola sollen bereits die zylindrischen CIGS-Zellen installiert haben. Als dann aber die Meldung kommt, daß Solyndra den geplanten Börsengang abgesagt hat und sich statt dessen von den bestehenden Investoren weitere 175 Mio. $ geholt hat, ist dies für Kenner ein Alarmsignal, daß die Blase bald platzt.

Tatsächlich wird im Juli bekanntgegeben, daß Gründer Gronet als Geschäftsführer von Brian Harrison abgelöst wird. Gleichzeitig wird ein Vertrag mit dem Energieversorger Southern California Edison (SCE) geschlossen, dem zufolge die hundertprozentige Solyndra-Tochtergesellschaft Photon Solar im Folgejahr 2011 bis zu 18 Aufdach-Solaranlagen auf gewerblichen oder industriellen Gebäuden in Südkalifornien installieren wird. Die größte Einzelanlage des Projektes mit einer Gesamtleistung von 16,2 MW wird ein 3 MW Array auf einem Gebäude in Buena Park sein.

Im September 2010 verlautet seitens Solyndra noch, daß die Module ab dem dritten oder vierten Quartal 2011 für einen Preis zwischen 1,25 $/W und 1,35 $/W verkauft werden sollen, was einem ‚alles inklusive’ Preis von 3,50 $/W entspricht, während die Effizienz von aktuell 13,5 % (andere Quellen: 12,7 %) weiter gesteigert werden soll. Doch schon im November meldet die Presse, daß das Unternehmen seine erste Fabrik schließen wird, um mindestens 60 Mio. $ Ausgaben einzusparen. In der Fab 1 wurden bislang ca. 370.000 Module pro Woche produziert. Nun werden etwa 40 Mitarbeiter entlassen und die Verträge für 135 Leiharbeiter nicht erneuert. Die ursprünglichen Pläne, bis zum Jahr 2013 eine Produktionskapazität von 610 MW zu erreichen, werden auf 300 MW heruntergeschraubt. Dafür ist inzwischen der Bau der zweiten, hochautomatisierte Fab 2 abgeschlossen, wo noch vor Ende des Jahres die Produktion von 1 Mio. CIGS-Paneele pro Woche beginnen soll.

Die Übersichtszahlen von 2010 lauten: Solyndra hat 16 Mio. Module hergestellt, die Zahl von weltweit 1.000 Installationen überschritten und etwa 140 Mio. $ Umsatz gemacht.

Das Jahr 2011 beginnt mit Meldungen über ein neues Geschäftsfeld, auf welches sich das Unternehmen zukünftig besonders konzentrieren will: Gewächshäuser. Der zunehmende Einsatz landwirtschaftlicher Schutzbauten auch in warmen Klimazonen ist eine gute Gelegenheit, Dächer von Gewächshäusern und schattenspendenden Konstruktionen zu nutzen, um Energie aus Sonnenlicht zu generieren und zugleich das Pflanzenwachstum zu optimieren. Mit Solyndra-Paneelen ausgestattete Gewächshäuser profitieren vom geringen Gewicht der Paneele und erhalten auch mehr Licht als mit traditionellen Flachpaneelen. Solyndra installiert weltweit eine Reihe von Evaluierungssystemen, um die Energieerzeugung und das Pflanzenwachstum zu maximieren.

Solyndra-Gewächshaus

Solyndra-Gewächshaus

Im Juni meldet Solyndra den Eingang einer Garantie in Höhe von 10,3 Mio. $ seitens der U.S. Export-Import Bank, um ein 3 MW Solarkraftwerk in Belgien realisieren zu können. Außerdem gibt es weitere 10,66 Mio. $ Investitionsmittel von einem der bestehenden Investoren. Gleichzeitig beginnt ein Ermittlungsausschuß des Energie- und Handelskomitees des US-Kongresses mit der Untersuchung der DOE-Kreditbürgschaften – und hier insbesondere der 535 Mio. $ an Solyndra. Die US-Regierung hat nach eigenen Angaben bereits 70.000 Seiten Dokumente zu Solyndra an den Kongreß weitergeleitet und weigert sich, noch weitere Dokumente öffentlich zu machen. Statt dessen will die Regierung selbst ebenfalls eine unabhängige Untersuchung der Darlehensvergabe beim Energieministerium vornehmen.

Ende August 2011 fällt dann der Hammer – und Solyndra stellt Anfang September einen Insolvenzantrag gemäß dem Kapitel 11 des US-Insolvenzrechtes, unter dem weitergehende Möglichkeiten evaluiert werden, wie ein Verkauf des Geschäfts oder die Lizenzierung der fortschrittlichen CIGS-Technologie und Herstellung. Mit der Einstellung der Geschäftstätigkeit müssen nun auch die für Marketing, Verkauf und Vertrieb der Solaranlagen in Europa zuständige Solyndra-Tochter Solyndra International AG in Baar, Schweiz, sowie deren Tochtergesellschaft Solyndra GmbH in Holzkirchen, Deutschland, Insolvenzanträge einreichen. Insgesamt fallen damit über 1.100 Arbeitsplätze weg. Als Grund für die Pleite wird gesagt, daß es Solyndra vor allem nicht gelungen sei, die Produktionskosten auf Weltmarktniveau zu senken. Das Unternehmen selbst äußert sich wie folgt:

“Despite strong growth in the first half of 2011 and traction in North America with a number of orders for very large commercial rooftops, Solyndra could not achieve full-scale operations rapidly enough to compete in the near term with the resources of larger foreign manufacturers. This competitive challenge was exacerbated by a global oversupply of solar panels and a severe compression of prices that in part resulted from uncertainty in governmental incentive programs in Europe and the decline in credit markets that finance solar systems.”

Nach den Firmen Evergreen Solar Inc. und Spectrawatt (s.u.) ist Solyndra das dritte US-Photovoltaik-Unternehmen, das in jüngster Zeit Konkurs beantragt hat.

Die Probleme für Solyndra nehmen aber noch zu: FBI-Agenten durchsuchen im Zuge der o.e. Nachforschungen des Energie- und Handelskomitees umgehend den Firmenhauptsitz nach belastendem Material. Im Zuge der Kongreß-Hearings kommen Unregelmäßigkeiten bei der Garantievergabe durch das DOE zutage, die in den Fachblogs heftig diskutiert werden (hier aber den Umfang der Präsentation sprengen würden). Das Unternehmen selbst gibt derweil bekannt, daß es nach einen Käufer sucht, der in der Lage ist, die Produktion erneut zu starten, anstatt die Vermögenswerte des Unternehmens an unterschiedliche Käufer zu verscherbeln. Es sind bereits zwei potentielle Bieter ins Auge gefaßt worden.

Im Oktober gibt der Chef der Kredit-Abteilung der DOE Jonathan Silver bekannt, daß er seinen Rücktritt plant. Und im November führt Solyndra eine zweitägige Auktion für einen Teil seines Vermögens durch, um zu versuchen, damit einen Teil seiner Verluste wieder hereinzuholen. Verkauft werden beispielsweise Banner, gerahmte Fotos, T-Shirts und Arbeitshelme mit dem Firmenlogo, Bürogeräte, ein Solar-Simulator, Module für 1 Mio. $ sowie ein Rasterelektronenmikroskop für 270.000 $. Und ein Haufen Metallschrott.

Im März 2012 legt Solyndras ‚Chief Restructuring Officer’ Todd Neilson, ein externer Insolvenz-Experte und ehemaliger FBI-Agent, einen 204-seitigen Bericht darüber vor, was mit Solyndra passiert ist. Demzufolge hatte das DOE genügend Informationen, um die Risiken im Zusammenhang mit der Bürgschaft für Solyndra zu erkennen. Auch Solyndra versteckte die Risiken nicht vor dem DOE. Im Gegensatz zu den 2006 im Antrag genannten Zahlen seien zwischen 2008 und 2009 aber nur die Hälfte der ursprünglich projizierten Verkäufe getätigt worden, während die Herstellungs- und Betriebskosten fast doppelt so hoch waren, als ursprünglich geplant (der komplette Bericht nebst diversen Analysen sind im Netz abgelegt).

Im August überlegt sich Festplatten-Hersteller Seagate Technology, das über 300 Mio. $ teure Gebäude der Fab 2 zu übernehmen. Die High-Tech Produktionsstätte kann immerhin Erdbeben widerstehen, wird mit 22 MW Leistung beliefert und hat zwei Diesel-Notstromaggregate mit je 2 MW Leistung. Dazu kommen Solyndra-Solarmodule auf dem Dach, die 1,2 MW Strom erzeugen.

Das Ende der Geschichte verkörpert sich in zwei Bildern: Solyndra als US-Wahlkampfthema ... und als Kunstaktion von Ronald Rael und Virginia San Fratello vom Büro Rael San Fratello Architects, die aus 1.368 Glasstäben aus dem Firmeninventar von Solyndra im Botanischen Garten der UC Berkeley einen kontemplativen Raum namens SOL Grotto installieren. Die Stäbe führen Licht, Klang und kühle Luft in der Grotte, was sie zu einem beliebten Platz für menschliche Besucher und Insekten gleichermaßen macht. Wobei sie gleichzeitig dermaßen heftige Kontroversen auslöst, daß ein Moderator der Fox News davon spricht, der Grotte einen Besuch abstatten zu wollen – mitsamt Vorschlaghammer.

Außerdem gibt es noch ein gerichtliches Nachspiel, denn die bankrotte Solyndra reicht im Oktober 2012 eine Anti-Trust-Klage gegen die chinesische Solarindustrie ein und fordert für ihre Verluste eine Entschädigung in Höhe von 1,5 Mrd. $. Den großen chinesischen Solar-Paneele-Herstellern Suntech Power, Trina Solar und Yingli Green Energy, sowie deren Lieferanten und Banken wird eine Konspiration vorgeworfen, durch das Fluten der US-Markts mit Produkten zu nicht kostendeckenden Preisen die Mitbewerber verdrängt zu haben.

Einen Tag vor Einreichung der Klage hatte das amerikanische Handelsministerium eine endgültige Entscheidung über die Höhe von Antidumping- und Antisubventionszöllen gegen chinesische Solarstrommodule getroffen, nachdem man festgestellt hatte, daß die Unternehmen von der chinesischen Regierung „unfaire Subventionen“ erhalten hatten, um ihrer Produkte unter Marktwert verkaufen zu können. Kombiniert ergeben die Zölle für den Großteil der chinesischen Hersteller 41,2 %, für den Hersteller Suntech 46,51 % und Trina Solar 34,29 %. Auch die Europäische Kommission eröffnet im September 2012 ein Antidumpingverfahren gegen China in der Hoffnung, Chinas Monopolstreben im Solarbereich zu stoppen - aus meiner Sicht ein äußerst fragwürdiges Verhalten.


Ebenfalls im Jahr 2005 wird im Bundesstaat Colorado die Firma Ascent Solar Technologies Inc. (ASTI) gegründet, eine Ausgründung des Technologie-Inkubators ITN Energy Systems. Die Gründer blicken auf eine 20-jährige Forschungs- und Entwicklungszeit im Bereich der CIGS-Photovoltaik zurück. In der Öffentlichkeit bekannt wird das Unternehmen allerdings erst im März 2009, als es in Thornton, nördlich von Denver, sein neues Hauptquartier bezieht und in Littleton, dem Standort des F&E-Labors, eine Pilot-Produktionslinie mit einer Jahresleistung von 1,5 MW in Betrieb nimmt. Hergestellt werden leichte Dünnschicht-CIGS-Module auf flexiblem Kunststoff-Substrat, wobei es der monolithische Integrationsprozeß der Firma ermöglicht, Effizienz, Haltbarkeit und Gewichtsersparnis miteinander zu verbinden. Bei Kunststoff können außerdem Lasereinrichtungen verwendet werden, um die Solarzellen zu verbinden, was es Ascent Solar wiederum ermöglicht, Spannung und Stromstärke nach Wunsch anzupassen. Die Paneele der Pilotanlage erreichen dem Unternehmen zufolge eine Effizienz von mehr als 9,5 %, während ihnen das NREL einen Wirkungsgrad von sogar 9,64 % bescheinigt. Wichtigster Aktionär von Ascent Solar ist die norwegische Aluminium-Firma Norsk Hydro Produksjon AS, die 2008 ihren Anteil an dem CIGS-Hersteller von 26,5 % auf 35 % erhöht.

Solar-Strip von Ascent

Solar-Strip von Ascent

Im Laufe des Jahres 2009 richtet Ascent Solar in Thornton eine 30 MW Fabrik ein, die im ersten Quartal 2010 mit der Produktion beginnen soll. Für die Entwicklung und Verbreitung neuer gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV) Dachprodukte hatte sich das Unternehmen im Laufe des letzten Jahres mit verschiedenen europäischen Unternehmen zusammengeschlossen darunter den spanischen Firmen Texsa SA und Giscosa Sociedad Limitada sowie der französischen Firma Icopal SAS. Eine ähnliche Vereinbarung wird auch mit TurtleEnergy in Linden, New Jersey, geschlossen, die Solaranlagen entwirft und installiert und im Rahmen einer 5-jährigen Vertragslaufzeit bis zu 67 MW der flexiblen CIGS-Module von Ascent Solar beziehen wird.

Durch Forschungs- und Entwicklungsverträge mit staatlichen Stellen wie der US Air Force und der NASA gelingt es Ascent Solar schon früh, Einnahmen zu erzielen. Im Mai unterzeichnet Ascent Solar beispielsweise eine Vereinbarung, um die Dünnschicht-PV-Technologie in ein unbemanntes, hybrides Flugzeug (hybrid unmanned aerial vehicle, H-UAV) zu übernehmen, das unter dem Namen Silent Sentinel bei der Bye Aerospace Inc. in Entwicklung ist (mehr zu Elektro- und Solarflugzeugen findet sich in dem entsprechenden Kapitel).

Weitere Schritte sind im Juni 2009 die Vorstellung eines monolithisch miteinander verbundenen 5 m langen, flexiblen leichten Moduls auf einem Polyimid-Substrat, das 2 kg wiegt, eine Effizienz von 9,1% aufweist und 123 W erzeugt. Im Juli erreichen die 429 cm2 großen Standardmodule von Ascent Solar eine Effizienz von 10 % (das NREL bestätigt 10,4 %). Im September folgen Vereinbarungen mit der Firma SkySentry aus Colorado Springs, welche die Module bei Tests mit militärischen Stratosphären-Blimps einsetzen wird, mit der Goal Zero LLC aus Utah über die Lieferung von 30,700 ‚Premier’-Modulen, die in tragbare Energie-Anwendungen eingebaut werden sollen, sowie mit der Energy Technologies Inc. aus Ohio, wobei es hier um die Entwicklung neuer Photovoltaik-Produkte für das US-Militär geht.

Ascent Solar veräußert im Oktober 4,6 Mio. Stück seiner Stammaktien zu einem Preis von 6,50 $ pro Aktie (Norsk Hydro erwirbt einen Anteil von etwa 5 Mio. $) und erzielt einen Nettoerlös von 32,9 Mio. $. Im selben Monat erreichen die flexiblen CIGS-Zellen des Unternehmens bereits einen Wirkungsgrad von 14 % – und die Module von 11,7 %.

2010 folgen strategische Allianzen, Liefer- und Vertriebsabkommen mit FTL Solar, Kirloskar Integrated Technologies Ltd. (Indien), Cambrios Technologies Corp., Samsonite, Radiant Holding Ltd. (China), DisaSolar (Frankreich) und Votum (Tschechische Republik). Mit der GlobalWatt Inc. wird ein gemeinsames Entwicklungsabkommen geschlossen, und mit der DARPA ein Vertrag zum Testen der flexiblen CIGD-Peneele unter Feldbedingungen. Weitere Tests werden gemeinsam mit der Immobilienfirma ProLogis in Denver, und mit der Norsk Hydro in Barcelona durchgeführt. Der Hauptaktionär von Ascent Solar baut die Module in seine Sun Catcher genannten Fassadenmodule ein (Sonnschutzsystem, Brise Soleil).

Im Mai beginnt die Produktion in der Fab 2, und im Juli wird Ascent Solar mit dem renommierten R & D 100 Award ausgezeichnet, mit dem das R & D Magazine jährlich die 100 technologisch bedeutendsten neuen Produkte und Prozesse prämiert. Im September wird unter dem Namen WaveSol ein 5 m langes Modul für den Bausektor auf den Markt gebracht, und im Oktober (als OEM-Produkt) Module mit integriertem USB-Ladegerät. Im November werden weitere 5,25 Mio. Aktien (à 4,15 $) verkauft, was einen Nettoerlös von rund 20,25 Mio. $ bringt.

Das Jahr 2011 beginnt ebenfalls mit diversen Vertriebsvereinbarungen, darunter mit Green Earth Energy and Technology (Belgien), Polymeur Sun (Singapur), SW Solarwatt Ltd. (Griechenland und Zypern) und für Europa mit der Sunload Mobile Solutions GmbH aus Berlin. Im Februar wird bekannt, daß Ascent für den Bau seines geplanten Fab 3-Projekts (150 MW) mit einen ungefähren Wert von 375 Mio. $ eine Bürgschaft des DOE in Höhe von 275 Mio. $ in Aussicht gestellt wurde.

Doch ähnlich wie andere PV-Firmen gerät auch Ascent Solar in finanzielle Schwierigkeiten. Der Umsatz im ersten Halbjahr 2011 beträgt ganze 2,21 Mio. $ (gesamt 2010: 811.000 $), während die Firma im gleichen Zeitraum Verluste in Höhe von 94,8 Mio. $ verbucht. Die Gesamtverluste seit Oktober 2005 haben sich damit auf beachtliche 174 Mio. $ summiert. Ascent Solar kann sich im August 2011 jedoch retten, indem es knapp 20 % der Firmenanteile an die TFG Radiant-Gruppe verkauft und dem chinesischen Großkonzern seine Technologie lizenziert. Dafür wird TFG Radiant rund 165 Mio. $ investieren, um in China ab 2012 eine 100 MW Fabrik zu bauen, welche die Ascent-Zellen herstellt. Ohne die Lizenzgebühren handelt es sich um dabei ein 450 Mio. $ Geschäft.

Im April 2012 erhöht TFG Radiant seine Besitzanteile an Ascent Solar von 19,4 % auf 39,0 %, im Mai wird eine Vereinbarung mit der Shenzhen Radiant Enterprise Co. Ltd. und der Third Railway Survey und Design Institute Group Corp. geschlossen, um Ascent Solar-Module auf bestehende und zukünftige Bahnhöfe in China zu installieren. Um die Leistung der CIGS-Solarzellen weiter zu zu verbessern, arbeitet Ascent Solar im Rahmen eines Auftrags der US-Army mit der Firma Cambrios Technologies zusammen. Diese hat ein ClearOhm genanntes Material ersonnen, das ungefähr 3 % mehr Licht durch das aktive Solarzellenmaterial hindurch läßt und dadurch die Leistung und den Wirkungsgrad einer Solarzelle verbessert. [Cambrios entstand auf Grundlage der biologischen Forschungen von Prof. Angela Belcher (MIT) und Prof. Evelyn Hu (University of California), siehe unter Viren-Batterien)].

Im Juni präsentiert das Unternehmen das erste Consumer-Produkt aus seiner neuen EnerPlex Linie: ein Solarladegerät, das speziell für das iPhone 4/4S von Apple entwickelt worden ist. Das Ladegerät verfügt neben den Solarzellen über eine schlanke, schützende Hülle zusammen mit einer dünnen Batterie. Im August folgt ein entsprechendes Teil für das Samsung Galaxy S III.

Silent Falcon

Silent Falcon

Im September wird im Rahmen der Partnerschaft mit Bye Aerospace die Mitarbeit am Projekt Silent Falcon begonnen, bei der die federführende Firma Silent Falcon UAS Technologies eine kleine solarbetriebene, unbemannte taktische Flugdrohne entwickelt, auf deren Flügeln bis zu 30 flexible CIGS-Module auflaminiert werden. Der 1,77 m lange Elektroflieger verfügt über drei Sätze von austauschbaren Flügeln unterschiedlicher Spannweite zwischen 2,1 m und 5,2 m für verschiedene Einsatzhöhen, erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 112 km/h, kann bis auf über 6.000 m steigen und hat eine Reichweite von 25 km. Das UAV kann bis zu 14 Stunden in der Luft bleiben, im alleinigen Akkubetrieb während der Nacht bis zu 6 Stunden. Es ist so leise, daß man es in einer Entfernung von 30 m nicht mehr hören kann.

Die jüngste Meldung von Ascent Solar stammt vom September 2012, derzufolge in Kürze weitere gut 9 Mio. Aktien (à 1,20 $) angeboten werden sollen.


Die 2006 gegründete japanische Firma Honda Soltec Co. Ltd., eine Tochter des Honda Konzerns, beginnt im Oktober 2007 mit der Auslieferung von CIGS-Dünnschicht-Solarzellen, die von der Schwesterfirma Honda Engineering Co. Ltd. hergestellt werden. Es handelt sich um eine Eigenentwicklung, die sowohl in ihrer Herstellung als auch im Einsatz als ‚ökologisch verantwortungsbewußt’ bezeichnet wird. In einer neuen Produktionsanlage in der Präfektur Kumamoto, die eine Jahreskapazität von 27,5 MW hat, werden 125 W Module in den Maßen 141,7 × 79,1 × 3,7 cm hergestellt, die 14,3 kg wiegen und in Japan für umgerechnet knapp 500 $ auf den Markt kommen. Die Moduleffizienz wird mit 11,6 % angegeben.

Im Januar 2011 stellt Honda einen neuen Modul-Prototyp vor, der einen Wirkungsgrad von 13 % erreicht. Es handelt sich um ein 89 W Modul in den Maßen 92,6 × 73,8 × 3,7 cm, das nur noch 8,7 kg wiegt. Anfang 2012 arbeitet das Unternehmen noch immer in bescheidenem Umfang. Immerhin beginnt man mit der Installation eines 9 kW Solarsystem am Standort des Honda Cars Tokyo Chuo Händlernetzes in Adachi Odai – als Startschuß eines Projektes, bei dem bis März 2014 Stromerzeugungssysteme mit einer Gesamtleistung von 1 MW bei Honda Autohaus Standorten in ganz Japan installiert werden sollen.

Bislang hat Honda schon solare Systeme mit einer kombinierten Leistung von 3,3 MW errichtet, darüber hinaus wird für ein neues Werk in Yorii eine 2,6 MW Anlage geplant, die voraussichtlich im Jahr 2013 betriebsbereit sein wird.


2006 gründet sich in San Jose, Kalifornien, die Stion (a.k.a. NStructures) mit einer Finanzierungsrunde A in Höhe von 6 Mio. $, gefolgt von einer zweiten Runde B im Jahr 2007 mit 15 Mio. $, an denen sich Khosla Ventures, Braemar Energy Ventures, Moser Baer PV, General Catalyst Partners und Lightspeed Venture Partners beteiligen. Technische Basis des Dünnschicht-Startups ist ein Vakuumabscheidungsverfahren, das auf den Arbeiten von Dr. Howard Lee beruht. Aussagen von 2008 zufolge will das Unternehmen ab 2011 für einen Modulpreis von 3 $/W produzieren – was sich aber bald darauf als viel zu hoch herausstellt.

Öffentlich bekannt wird Stion erst im Jahr 2010, bekommt dann aber auch gleich viel Presse. Dieser zufolge behauptet das Unternehmen, daß seine Solarzellen einen theoretischen Wirkungsgrad von fast 20 % erreichen, aus einem anorganischen Material bestehen und zu Multi-Junction-Zellen verarbeitet werden können. Hierbei soll es sich aber weder um CIGS-, noch CdT-Zellen handeln, auch Quantenpunkte werden von Insidern ausgeschlossen. Die im Mai erstmals vorgestellten 20 x 20 cm großen Prototypen sind jedoch definitiv CIGS-Zellen auf einem Glassubstrat und sollen dem Unternehmen zufolge eine Effizienz von 10 % erreichen.

Gleichzeitig meldet Stion, daß man für 2011 eine Art Hybrid-Paneel plant, das aus zwei separaten Modulen besteht, die mechanisch zusammengeklemmt werden: ein konventionelles CIGS-Modul sowie eines, das aus Chalkopyrit-Solarzellen gemacht ist. Die Idee hinter dem Tandem-Modul ist, daß die CIGS-Schicht und die andere Schicht Energie aus verschiedenen Bereichen des Spektrums ernten und im Idealfall dadurch auch mehr Strom produzieren können. Um was für ein Material es sich tatsächlich handelt, hält Stion bislang geheim, in der Branche geht man aber davon aus, daß dem CIGS-Mix vermutlich Schwefel zugefügt wird. Prototypen der Tandem-Zelle sollen bereits einen Wirkungsgrad von rund 15 % erreichen, während die CIGS-Zellen alleine eine Effizienz von 13,4 % haben, aus der sich Paneelwirkungsgrade von 10 % bis 11,8 % ergeben. Die Paneele sind 60 x 150 cm groß und liefern 110 W, 120 W bzw. 130 W. Die künftige Massenherstellung soll weitgehend mit industriell branchenüblichen Maschinen und zu einem Preis unterhalb von 1 $/W erfolgen.

Stion-Modul

Stion-Modul

2010 hat Stion hat eine kleine Produktionsstätte, die 5 MW Zellen pro Jahr herstellt, die auch schon an gewerbliche Kunden verkauft werden. Dem Unternehmen zufolge wurde dies mit einer Gesamtsumme von nur 44 Mio. $ erreicht, von denen 34 Mio. $ von Investoren gekommen sind, während die restlichen 10 Mio. $ Schulden sind. Geplant ist nun eine Verdoppelung der Kapazität und eine Erhöhung des Zellenwirkungsgrades auf 15 %. Im Juni rückt dies in Reichweite, als die Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) durch ihr Tochterunternehmen VentureTech Alliance für 50 Mio. $ einen Anteil von 21 % der Stion erwirbt und zusätzlich eine gemeinsame Entwicklungsvereinbarung sowie ein Lizenzabkommen unterzeichnet werden, demzufolge TSMC für Stion Zellen herstellt. Die Finanzierungsrunde D bringt insgesamt 70 Mio. $ in die Kasse (inkl. der TSMC-Beteiligung), womit die Finanzierung des Erweiterungsplans auf 100 MW Jahreskapazität so gut wie gesichert ist. Dazu kommt im September noch ein Finanzierungsdarlehen des Bundesstaates Kalifornien in Höhe von 5 Mio. $.

Im Januar 2011 informiert das Unternehmen über seinen Plan, die Fabrikation bis 2016 auf 500 MW anheben zu wollen, wofür etwa 500 Mio. $ benötigt werden und man deshalb 2012 an die Börse gehen und zwischen 100 Mio. $ und 150 Mio. $ einnehmen möchte. Da der Bundesstaat Mississippi Stion ein 75 Mio. $ Darlehen sowie Steuerermäßigungen und Ausbildungsförderungen anbietet, wird der ursprüngliche Plan, das Werk in San Jose auf 100 MW zu erweitern, fallengelassen. Statt dessen wird nun eine 100 MW Fabrik geplant, die in Hattiesburg, Mississippi, errichtet und produktionsbereit etwa 125 Mio. $ kosten soll. Stion, das die Namen seiner Kunden nicht offengelegt, soll zu diesem Zeitpunkt bereits Aufträge über rund 500 MW in den Büchern stehen haben, die auf 700 Mio. $ geschätzt werden und in einem Zeitraum von fünf Jahren auszuliefern sind. Darüber hinaus hat das Unternehmen Absichtserklärungen und Vereinbarungen für weitere 500 MW im Wert von mehr als 600 Mio. $ unterzeichnet. Die meisten der Paneele werden an US-amerikanische Kunden gehen.

Stion kann seine neue Fabrik in Hattiesburg schon Mitte September 2011 eröffnen. Sozusagen zur Feier des Tages bestätigt das NREL den 65 x 165 cm großen Vorproduktions-Modulen einen Wirkungsgrad von 14,1 %. Im Dezember bringt eine weitere Finanzierungsrunde 130 Mio. $ ein, wobei die wichtigsten Investoren - neben allen bisherigen Anlegern - der Lieferant von Dünnschicht-Verarbeitungsanlagen AVACO sowie koreanische Private-Equity-Fonds sind. Mit dieser Finanzierung und mit AVACO als strategischem Partner wird Stion eine koreanische Fabrik eröffnen und eine koreanische Tochtergesellschaft namens Stion Korea gründen.

Im März 2012 werden die ersten Auslieferungen der Hattiesburg-Fabrik getätigt, und im Mai bietet Stion seine neuen 145 W Module zu einem Preis von 0,75 $/W an. Deren Effizienz liegt zwischen 11,5 % und 12 %, was bis Jahresende auf 13 % gesteigert werden soll. Tatsächlich kann das NREL schon im Juni eine Zelleneffizienz von 14,8 % sowie eine Moduleffizienz von 13,4 % bestätigen.

Inzwischen betritt auch die Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. als TSMC Solar mit den in Lizenz gefertigten CIGS-Zellen von Stion den Markt. Nachdem man dort im Vorjahr mit einer Kleinproduktion begonnen hatte, erreichen die Module aus dem hoch automatisierten Werk in Taichung schnell einen Wirkungsgrad um die 13 %, der nach dem Start der Pilot-Produktion im März 2012 innerhalb weniger Monate 14,2 % erreicht. Die Firma rechnet damit, daß ihre TS CIGS-Serie mit 130 W und 140 W Modulen Anfang 2013 in den Vertrieb gehen kann.


Die Firma SoloPower in San Jose, Kalifornien, wird vermutlich 2006 gegründet, als Investoren der Finanzierungsrunde A treten Crosslink Capital und Firsthand Capital Management auf. Über die Anfänge der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten gibt es kaum Informationen, jedenfalls beginnt SoloPower im Dezember mit der Errichtung einer 10 MW Pilotlinie, die mit einem eigenen, patentierten Galvanik-basierten Prozeß rund 35 cm breite CIGS-Dünnschicht-Zellen auf flexiblen Metallfolien produziert. Die Technologie ermöglicht es, nahezu 100 % der eingesetzten Chemikalien zu nutzen, was höher ist als bei anderen CIGS-Prozessen wie Abscheidung, Sputtern oder Drucken. Dem NREL zufolge beträgt die Effizienz der innovativen, leichten und flexiblen Flach-Module 10,07 %, während die Einzelzellen einen Wirkungsgrad von 12,1 %, und 0,5 cm2 große Zellen im Testlabor einen von 13,76 % erreichen.

Eine Finanzierungsrunde B im Juli 2007 bringt dem Unternehmen 30 Mio. $ ein, zu den Investoren gehören die norwegische Convexa Capital und Alf Bjørseth, Mitgründer der REC Group. Im Januar 2008 erfolgt der Umzug in eine größere Fertigungsstätte, um die Produktionsmenge zu erhöhen. Die Finanzierungsrunde C im September wird von dem Investor Hudson Clean Energy Partners angeführt (ein Betrag wird nicht genannt).

Im Juni 2009 ist SoloPower der erste US-Hersteller von CIGS-Dünnschicht-Modulen, die dem ANSI/UL 1703 Standard entsprechend zertifiziert sind. Mit der Großserienproduktion und Vermarktung soll im Jahr 2010 begonnen werden, weswegen die Firma mittelfristig den Bau einer 250 MW Fabrik plant. Hierfür wird eine staatliche Bürgschaft in Höhe von 190 Mio. $ beantragt. Im Oktober zeigt SoloPower den Prototyp eines flexiblen CIGS-Moduls, das gemeinsam mit der Chemiefirma M3 entwickelt wurde und mit dem Ultra-Barrier-System von M3 ausgestattet ist, einer speziellen Schutzversiegelung gegen die Einwirkung der Elemente. (Mehr über solche Technologien sowie neue Produktionsverfahren findet sich in dem Kapitel Periphere PV-Technik – in Arbeit).

Im September reicht Homayoun Talieh, Gründer und ehemaliger CEO von SoloPower, eine Klage gegen CrossLink Capital und andere Investoren ein, da er seiner Meinung nach im Juli zu Unrecht abgesetzt worden war – und weil die Investoren versuchten würden, den Preis des Unternehmens zu drücken. Im Februar 2010 erfolgt allerdings eine gütliche Einigung – mit einer Zahlung von knapp 20 Mio. $ an Talieh. Bis zu diesem Zeitpunkt hat SoloPower eigenen Angaben zufolge bereits rund 100 Mio. $ (andere Quellen: 200 Mio. $) an Investitionsmitteln eingenommen, bislang allerdings nur Musterstückzahlen ausgeliefert.

Im ersten Quartal 2010 erreichen auch die größeren Zellen bessere Wirkungsgrade, die 11,8 cm2 großen Laborzellen 13,4 %, während die 178 cm2 großen Zellen aus der Rolle-zu-Rolle-Fertigungslinie auf 11,7 % kommen und die flexiblen Module 10,74 % erreichen. SoloPower versucht nun die Mittel zu beschaffen, um die Produktionskapazitäten seines Werks im Edendale Technology Park im Süden von San Jose um zusätzliche 60 MW erweitern zu können, später wird von 75 MW bis 100 MW geredet. In dieser Anlage sollen 1 m breite Folienbahnen beschichtet werden.

Im April verifiziert das NREL den flexiblen Modulen eine Effizienz von 11 %, und im Mai wird bekannt, daß SoloPower das erste Unternehmen ist, das einen von der Spire Corp. neu entwickelten 6,0 x 1,3 m großen Sonnensimulator erhält (SPI-Sun Simulator 6013SLP). [Spire-Simulatoren sind in der Branche führend, es sind weltweit über 400 Stück im Einsatz.] Im Juli erfolgt die Markteinführung des flexiblen CIGS-PV-Moduls SFX1-i (80 W / 0,3 x 2,9 m / 2,3 kg), das erste einer Produktlinie, welche auch die Module SFX1-i3 (260 W / 0,9 x 2,9 m / 6 kg) und SFX2 (170 W / 0,3 x 5,8 m / 3,6 kg) umfassen wird. Im Oktober werden die Module durch das TÜV SÜD America Inc. nach IEC 61646 und IEC 61730 zertifiziert, wodurch sie nun auch in Europa verkauft werden können. Im Dezember folgt das Modul SFX3, das mit bis zu 260 W das zu diesem Zeitpunkt das größte flexible Dünnschicht-CIGS-Modul auf dem Markt ist. Der Wirkungsgrad der Produktionsmodule beträgt derweil 12,1 %, und SoloPower startet mit der Verschiffung der ersten SFX1- und SFX3-Module an Kunden in den USA, Australien, Belgien, Frankreich, Deutschland, Japan und Korea.

Im Januar 2011 gibt SoloPower bekannt, daß die neue Fertigungsstätte in der ersten Phase mit einer Kapazität von 75 MW errichtet werden und nach Fertigstellung 300 MW erreichen soll. Für das Projekt werden Kosten in Höhe von 340 Mio. $ erwartet. Bei einer neuen Finanzierungsrunde gibt es im Januar jedenfalls weitere 51,58 Mio. $ durch den Verkauf von Aktien und Bezugsrechten, im März kommen noch einmal rund 13,5 Mio. $ hinzu. Im August folgt die Meldung, daß das DOE der 197 Mio. $ Bürgschaft für den Bau und Betrieb von drei Einrichtungen zugestimmt hat. Durch die Erweiterung der Anlage in San Jose und den Bau von zwei neuen Anlagen in Portland, der bereits im September beginnen soll, wird das Unternehmen voraussichtlich ab 2014 jährlich rund 400 MW Dünnschicht-Module produzieren können. Als erwartete Gesamtkosten werden 350 Mio. $ (andere Quellen: 364 Mio. $) genannt. Vom Bundesstaat Oregon und der Stadt Portland werden Steuervergünstigungen, Darlehen und sonstige Anreize in Höhe von 56,5 Mio. $ zusammengesammelt. Im Dezember folgen noch einmal Einnahmen in Höhe von 20 Mio. $ über Schulden und Optionen.

Herstellung bei SoloPower

Herstellung bei SoloPower

Das NREL bestätigt im März 2012 den CIGS-Modulen der nächsten Generation aus der SoloPower-Produktion eine Effizienz von 13,4 %. Im Mai gewinnt das Unternehmen für seine leichten und flexiblen Dünnschicht-Solarzellen und -module den TiE50 Award, Silicon Valleys führender, jährlicher Preis für Technologie-Startups. Außerdem schießen die Investoren weitere 7,1 Mio. $ in die Kasse. Im September erhält SoloPower, das bis zu diesem Zeitpunkt mehr als 200 Mio. $ bekommen hat, seine 50. Patentzulassung. Im selben Monat wird die erste 100 MW Anlage in Portland offiziell eröffnet. Man rechnet damit, die Produktion schrittweise anzuheben und bis Ende des Jahres auf 20 MW oder sogar 30 MW kommen zu können. Weitere 12 Mio. $ Einnahmen kommen über Schulden und Optionen hinzu ... und so langsam sollte SoloPower mit dem Vertrieb beginnen.


Nach mehreren Jahren der Forschung, Entwicklung und Tests nehmen 2007 die japanische Firma Showa Shell Sekiyu Kabushiki Kaisha (KK = Co. Ltd.) und ihre 100 %-ige Tochtergesellschaft Showa Shell Solar KK in Tokio die kommerzielle Produktion von CIGS-Solarzellen auf (obwohl auf der Website und in den Publikationen meist von CIS-Zellen gesprochen wird). Die Anlage in Miyazaki hat eine jährliche Produktionskapazität von 20 MW – und die hier fabrizierten „weltweit ökologisch besten“ Paneele gewinnen auf Anhieb mehrere Preise für gutes Design und Verarbeitung. Im Gegensatz zu anderen CIGS-Unternehmen, die als Pufferschicht Cadmiumsulfid einsetzen, verwendet Showa einen zweistufigen Selenisierungsprozeß mit einem Zinkverbund, wodurch auf das wenig umweltfreundliche Element Cadmium verzichtet werden kann.

Showa Shell war 1985 durch eine Fusion zwischen der Showa Oil Co. Ltd. und der Shell Sekiyu KK entstanden und betreibt drei Ölraffinerien mit einer Gesamtkapazität von rund 400.000 Barrel pro Tag (Stand 2011). Mit der Solarenergie beginnt man 1978 zu beschäftigen, und ab 1983 werden Module aus kristallinem Silizium hergestellt. Möglicherweise wird diese Technologie dann fallengelassen, denn die Firma beschäftigt sich zeitweilig mit Zellen aus amorphem Silizium, bevor sich die Laborarbeiten ab 1993 dann endgültig auf CIGS-Zellen konzentrieren. Über seine Tochtergesellschaft involviert sich das Unternehmen dann zunehmend mehr im Bereich der Photovoltaik, führt ab 2003 größere Feldtests durch und beschließt Mitte 2008 gemeinsam mit der Maschinenbau-Firma Ulvac Inc. aus Kanagawa ein Forschungszentrum zur Weiterentwicklung der Massenproduktions-Technologien für CIGS-Solarzellen zu eröffnen (Atsugi Research Center, ARC). Der Plan lautet, die eigene Technik mit Ulvac Fertigungstechnologie für Vakuum-Komponenten zu verbinden, um Dünnschicht-Solarzellen der nächsten Generation herstellen zu können.

Eine zweite Anlage in Miyazaki mit einer Jahreskapazität von 60 MW beginnt im Juni 2009 mit der Produktion, und im November werden Vereinbarungen mit den Präfekturen Niigata und Miyazaki geschlossen, um dort jeweils ein 1 MW Solarkraftwerk aus 12.528 Modulen zu errichten, bei denen die CIGS-Dünnschichtmodule zu Einsatz kommen. Im Labor erreichen die 30 x 30 cm großen Module eine Effizienz von 17,2 %, während die Module der Fabrik auf einen Wirkungsgrad von 12,2 % kommen. Für 2011 werden hier 14,2 % erwartet, und bis 2014 hofft man auf 15 % zu kommen (diese Ziele werden später allerdings auf 13,0 % für die Massenfertigung reduziert).

Im März 2010 gibt Showa bekannt, daß man zwei Büros in Übersee, d.h. in Nordkalifornien und in München eröffnen wird, um die weltweite Vermarktung zu erleichtern. Als globales ‚Branding’ wird der ursprüngliche Name der internationalen Vertriebstochter gewählt: Solar Frontier. Gleichzeitig wird auf der PV EXPO in Tokio ein CIGS-Photovoltaik-Paneel der zweiten Generation vorgestellt. Das 97,7 x 125,5 cm große Mudul ist mit einer Technologie hergestellt worden, die in einem dritten Werk zum Einsatz kommt, das im April 2011 mit einer Jahreskapazität von 900 GW in Betrieb geht. In die Kunitomi plant 3 werden mehr als 1 Mrd. $ investiert, sie ist in der Lage, 7 Tage die Woche pro Tag 16.000 Panels mit 140 W bis 145 W herzustellen. Das neue Werk ist auch mit einer 2 MW PV-Anlage ausgestattet, die allerdings nur 2 % des Eigenverbrauchs decken kann. Die gemeinsame Produktionsleistung der drei Werke erreicht damit einen Betrag von sage und schreibe 1 GW. Ab diesem Zeitpunkt werden die Produkte weltweit unter dem Namen Solar Frontier angeboten.

Im Oktober 2010 gibt Solar Frontier bekannt, daß man ab sofort Paneele an den US-Konzern GE liefern wird, die unter der Marke GE verkauft werden sollen. Im Gegenzug bringt GE seine Kraftwerksexpertise ein, um die Entwicklung der CIGS-Technologie von Solar Frontier für den Einsatz in Solar-Großanlagen zu verbessern. Seit 2007 hat das Unternehmen 100 MW an Modulen verkauft.

Außerdem wird über eine Vereinbarung zur Installation einer 10 MW Dünnschicht-Solaranlage für die Saudi Aramco berichtet, die Ende 2011 ans Netz gehen soll. Bei dem Projekt handelt es sich um einen der größten PV-überdachten Parkplätze der Welt, dessen Strom den North Park Bürokomplex in Dhahran versorgen wird. Die Paneele werden 4.450 Parkplätze abdecken, was einer Fläche von 16 - 18 ha entspricht. Daneben wird an einem 1 MW Projekt in Spanien gearbeitet, das mittelfristig auf 3 MW erweitert werden soll. Die Saudi Aramco besitzt übrigens 15 % von Showa Shell, während die Royal Dutch Shell 35 % der Firmenanteile hält. Die restlichen 50 % verteilen sich auf mehrere Investoren.

North Park Grafik

North Park (Grafik)

Ebenfalls im Oktober 2010 ist zu erfahren, daß sich Solar Frontier mit IBM zusammengetan hat, um gemeinsam CZTS-Solarzellen zu entwickeln (copper, zinc, tin, sulfur, selenium, CZTS; auch: copper, tin, zinc, selenium, sulfur, CTZSS – siehe dort).

Anfang 2011 ist die Europa-Zentrale schon zu klein geworden – und Solar Frontier zieht um in seinen neuen und viel größeren Sitz am Bavariafilmplatz in Grünwald bei München. Gleichzeitig wird mit dem PV-Systemhaus MHH Solartechnik GmbH eine Vertriebsvereinbarung für die neuen CIS-Module geschlossen, gefolgt von weiteren, ähnlichen Vereinbarungen mit der Balticsolar GmbH im Februar und mit der BELECTRIC Trading GmbH (ehem. Blitzstrom GmbH) und der U|S|E GmbH im März. Im selben Monat erreichen die 30 x 30 cm großen CIGS-Module von Solar Frontier einen Laborwirkungsgrad von 17,2 %. Im April werden Vertriebsverträge mit den italienischen Firmen DW Europe und Albatech unterzeichnet, ebenso wie eine Vereinbarung zur Errichtung eines 1,2 MW Solarkraftwerks für eine Fabrik der Firma Granite Construction Inc. in Coalinga, Kalifornien, das 50 % des gesamten Energiebedarfs des Betriebes liefern wird.

Im Juni wird in al-Khobar, Saudi-Arabien, ein neues Büro eröffnet, parallel zur Installation einer 500 kW Solaranlage auf der saudischen Insel Farasan, bei der es sich um die erste Anlage im Königreich handelt, die ans Netz angebunden ist. Dieses Projekt wird vom japanischen Ministerium für Wirtschaft, Technologie und Industrie (METI) unterstützt. In Kooperation mit der Schweizer HopSol konzentriert sich Solar Frontier ferner auf den wachsenden Markt Südafrikas, während die juwi solar Inc. Solar Frontier auswählt, um 3,8 MW Solarmodule für ein Projekt im Nordosten der USA zu liefern. Nachdem Solar Frontier 2009 rund 46 MW und 2010 etwa 70 MW CIGS-Module ausgeliefert hat, erwartet die Firma in diesem Jahr eine beträchtliche Steigerung seiner jährlichen Vertriebsmenge.

Im Juli 2011 wird gemeinsam mit BELECTRIC eine 340 kW Anlage von Solar Frontier in Betrieb genommen und ans Netz angeschlossen, die auf dem Dach des EDEKA Krawczyk Supermarkt-Parkplatzes in Schwabach, Deutschland, installiert ist und aus über 2.500 Dünnschicht-Modulen besteht. Ende September wird ein wesentlich größeres Projekt mit Indien vereinbart, wo im Bundesstaat Gujarat bis Ende des Jahres mehr als 30 MW installiert werden sollen. Im Oktober folgt die Inbetriebnahme des ersten, gemeinsam mit BELECTRIC projektierten 4,2 MW Solarkraftwerks in Bessan, Frankreich, das aus 29.931 Dünnschicht-CIGS-Modulen besteht. Besonders zu bemerken ist die außerordentlich kurze Umsetzungszeit: Der gesamte Prozeß von der Planung über den Bau bis zum Netzanschluß dauerte nur sechs Wochen! Im November folgt die Unterzeichnung einer Vertriebsvereinbarung mit Mainstream Energy (USA). Über das Jahr 2011 hinweg hat Solar Frontier 577 MW Solarmodule ausgeliefert.

2012 gilt Solar Frontier als das einzige Unternehmen, das CIGS-Solaranlagen in jeder Größe installieren kann. Möglicherweise wird es deshalb im Januar von enXco, einer Tochterfirma der EDF Energies Nouvelles, für einen umfangreichen Liefervertrag ausgewählt. 26 MW waren bereits im letzten Quartal 2011 für die Errichtung des 143,2 MW Catalina Solarprojekts in Kern County, Kalifornien, geliefert worden, das in zwei Phasen gebaut wird: die erste Phase von ca. 60 MW soll bis Ende des Jahres 2012 ans Netz gehen, der Rest dann im Juni 2013.

Ebenfalls im Januar 2012 wird das 10 MW Mt. Komekura Solarkraftwerk in der Präfektur Yamanashi eröffnet, das gemeinsam von der Präfektur und der Tokyo Electric Power Company (TEPCO) betrieben wird und zu den größten Solarkraftwerken  in Japan zählt. Im Februar liefert Solar Frontier 13,2 MW Module an die NRG Solar LLC für Projekte in den USA – während die Labormodule, die am Atsugi Research Center gemeinsam mit der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) entwickelt werden, mit einer Effizienz von 17,8 % einen neuen Rekord für Dünnschicht-CIGS-Technologien erreichen. Im März spenden Solar Frontier und World Vision Japan 50 kW Module an Grundschulen und Gymnasien der Stadt Kesennuma, die bei dem großen Erdbeben im Osten des Landes stark beschädigt wurden. Im selben Monat wird gemeinsam mit der BELECTRIC ein Joint-Venture-Unternehmen mit dem Namen PV CIStems GmbH & Co. KG gebildet, das von Grünwald aus Freiflächen- und Aufdach-Anlagen entwickeln, bauen und verkaufen soll. Außerdem werden an die Public Service Electric and Gas Company (PSE&G) rund 29.400 Module für die 3,8 MW Mill Creek Solarfarm in Burlington County, New Jersey, geliefert.

Im Mai wird das mit 28,8 MW aktuell weltweit größte CIGS-Dünnschicht-Solarkraftwerk in Bochow, Brandenburg, fertiggestellt und ans Netz angebunden. Es besteht aus rund 205.000 Modulen. Wesentlich kleiner ist ein Pilotprojekt, das zur gleichen Zeit in Abu Dhabi eröffnet wird und das Öl-Raffinerie-Unternehmen des Emirats, die Firma Takreer (Abu Dhabi Oil Refining Company), von den Segnungen der Photovoltaik überzeugen soll. Die insgesamt 36,4 kW sind auf vier Standorte verteilt, darunter auch das Dach eines Gebäudes der Takreer-Ölraffinerie selbst. In Arizona wiederum wird für die Wilson Electric ein 1,5 MW Solarkraftwerk fertiggestellt, das kommunale Anlagen der Stadt Prescott Valley, wie Tanklager und die Kläranlage, betreiben wird.

Danach ist erst einmal Ruhe, bis im September gemeldet wird, daß man mit der Yano Industry Co. Ltd. zwei Solarkraftwerke in Kunitomi errichten wird. Das 2,2 MW Kraftwerk (Kunitomi No.1 Megasolar, etwa 14.000 Module) soll von Solar Frontier, das 1,1 MW Kraftwerk (Kunitomi Nr. 2 Megasolar, rund 7.000 Module) von Yano betrieben werden. Geplante Inbetriebnahme beider Anlagen ist im März 2013. Die jüngste Information stammt vom Oktober, als Solar Frontier bekannt gibt, daß man nun auch die restlichen 80 MW für das Catalina Solarprojekt geliefert habe (s.o.). Solar Frontier hat bislang noch nie die Kosten seiner Moduleherstellung enthüllt.


Eine weitere Neugründung 2007 ist die Firma AQT Solar (Applied Quantum Technologies) im kalifornischen Sunnyvale, die schon zur sogenannten Generation CIGS 2.0 gehört. Die Mission von AQT ist es, das beste Kosten/Leistungs-Verhältnis aller Dünnschicht-Solarzellenhersteller zu erreichen. Der Ansatz des Unternehmens der Brüder Michael und Brian Bartholomeusz ist es, mit minimalem Zeitaufwand und Investitionen bestehende und bewährte High-Tech-Fertigungsprozesse der Datenspeicherindustrie zur Entwicklung einer aufskalierbaren und kostengünstigen Herstellungslinie für CIGS-Dünnschicht-Solarzellen anzupassen. Dabei konzentriert man sich ausschließlich auf die Herstellung von 6“ Zellen auf Glas, die von anderen Unternehmen als Ersatz für kristalline Silizium-Solarzellen zu Paneelen verbaut werden können. Durch die Nutzung der bestehenden globalen Fertigungsressourcen und -infrastruktur erreicht das Unternehmen die kommerzielle Produktion schneller und für weit weniger Investitionen als jedes andere Unternehmen in diesem Segment.

An die Öffentlichkeit geht AQT Solar erst im Herbst 2009, als es mit der Zellen-Fertigung beginnt. Bis zu diesem Zeitpunkt hat das Unternehmen nur 4,75 Mio. $ investiert, und den Zellen wird vom NREL ein Wirkungsgrad von über 10 % bestätigt. AQT geht davon aus, mit etwa 50 Mio. $ Drittmitteln in der Lage zu sein, die eigene Expansion zu finanzieren und bis 2014 eine Produktionsleistung von 1 GW zu erreichen, die Endprodukt-Module zu Kosten von rund 0,60 $/W ermöglicht.

AQT-Solarzelle

AQT-Solarzelle

Im April 2010 bekommt AQT zusätzliche 10 Mio. $ Kapital von der ursprünglichen Investorengruppe, der STPV Holdings und weiteren ungenannten Investoren, und gibt eine strategische Partnerschaft mit der Festplatten-Beschichtungsfirma Intevac Inc. bekannt. Im Mai folgen ähnliche Partnerschaften mit Solar Enertech zur Modulefertigung und mit HelioPower zur Installation dieser. Im August startet AQT in Sunnyvale eine neue 15 MW Fertigungslinie, die auf vollautomatisierten, trockenen Sputterausrüstungen von Intevac basiert und umgehend mit Vorproduktionstests beginnt. Und während Solyndra, Nanosolar, MiaSolé und die anderen CIGS-Pioniere das Geld „wie betrunkene Matrosen“ verbraucht haben, erreicht AQT die kommerzielle Produktion in nur zwei Jahren und mit weniger als 15 Mio. $ Gesamtinvestitionen. Vorbereitung, Aufbau, Umsetzung und Produktionsstart der neuen Linie, die rund 10 Mio. $ gekostet hat, dauern weniger als acht Wochen. Die Maschinen produzieren rund 300 Zellen pro Stunde, was auf bis zu 1.000 Stück pro Stunde hochgekurbelt werden soll. In Schritten von jeweils 15 MW oder 20 MW kann die Produktionskapazität dann innerhalb eines Jahres auf bis zu 60 MW erhöht werden.

Nach Angaben des Unternehmens erreichen die Zellen eine Effizient von 14 %, was Module mit einem Wirkungsgrad von rund 12 % ergibt. Dabei kosten die Zellen der Prototypen-Produktionsanlage ca. 1 $/W, und AQT informiert darüber, die Produktion der nächsten anderthalb Jahr bereits verkauft sei. Der erste Kunde, Sol Pacifico, wird im Folgejahr in Baja Mexiko eine 2 MW Solaranlage für eine sogenannte ‚Gated Community’ installieren, die potentiell auf 9 MW erweitert werden kann. Im Dezember 2010 liefert das Unternehmen seine ersten CIGS-Zellen aus.

Im Januar 2011 gibt AQT bekannt, daß noch in diesem Jahr in Richland County, South Carolina, ein Werk mit zwei Produktionslinien aufgebaut werden soll, das 2012 mit einer jährlichen Produktionskapazität von 30 MW bis 40 MW beginnen wird – die im Endausbau rund 1.000 MW erreichen soll. Ansonsten veröffentlicht das Unternehmen 2011 keine einzige weitere Pressemeldung!

Anfang 2012 erhält AQT in einer Finanzierungsrunde B weitere 18,7 Mio. $. Außerdem erfährt man, daß sich die Firma im letzten Jahr mit der Adaption seiner CIGS-Technologie für die Herstellung noch kostengünstigerer und produktionsfreundlicher CZTS-Dünnschicht-Solarzellen beschäftigt hat (s.u. CTZSS), für die der Terminus CIGS 3.0 geprägt wird. Die weit verbreiteten Rohstoffe für diese Zellenart sind wesentlich billiger als die der CIGS-Zellen. AQT erreicht mit seinen gesputterten CZTS-Zellen schnell eine Effizienz von nahezu 10 %, und im Juni wird bereits der Prototyp eines 60 W Moduls vorgestellt, das gemeinsam mit einem Partner hergestellt worden ist. Man darf gespannt sein, wie es mit AQT Solar weitergeht.


Nach zweijähriger Vorbereitungszeit wird im November 2007 die AxunTek Solar Energy Co. Ltd. auf Taiwan gegründet, die sich als das einzige Unternehmen im chinesischen Sprachraum bezeichnet, das eine eigene CIGS-Technologie entwickelt. Zu den Finanziers gehört u.a. die China Development Industrial Bank. 2008 erfolgt der Umzug in den Hsinchu Science and Industrial park der gleichnamigen Stadt im Nordwesten der Republik China – wo die ersten Zellen von AxunTek schon bald einen Wirkungsgrad von 8 % erreichen. Mitte 2009 sind daraus schon 10 % geworden – und das Unternehmen wählt die Pingtung Export Processing Zone, um mit der Errichtung von Produktionslinien zu beginnen. Im November wird eine Zelleneffizienz von 11 % erreicht.

Die erste Produktionslinie in Pingtung geht im März 2010 in Betrieb, und ab Mai werden hier großflächige 65 W CIGS-Module hergestellt, gefolgt von 70 W Modulen im September. Zu diesem Zeitpunkt hat die Firma umgerechnet bereits 50 Mio. $ als Investitionsmittel eingenommen. Im Oktober werden die AxunTek-Module vom TÜV NORD zertifiziert, und Ende des Jahres erreicht das Unternehmen eine Produktionskapazität von 25 MW, die bis 2012 auf 100 MW ausgebaut werden soll.

AxunTek-Modul

AxunTek-Modul

Anfang 2011 wird in Shanghai die erste Niederlassung in der VR China gegründet, und im Februar beginnt die Produktion der 65 W CIGS-Module, während auf einer Pilotlinie bereits an 70 W und 80 W Modulen gearbeitet wird, die eine Effizienz von 10 % aufweisen. Der Zellenwirkungsgrad erreicht zu diesem Zeitpunkt 12 % und soll bis Jahresende auf 13,6 % angehoben werden, während die Produktionskapazität 2013 schon 200 MW und 2014 sogar 500 MW erreichen soll – für 2015 sind 1 GW geplant. Im Januar 2012 erhält AxunTek für seine CIGS-Module auch eine Zertifizierung vom TÜV SÜD.


Ebenfalls im Hsinchu Industrial Park in Taiwan angesiedelt ist die bereits 1988 gegründete Ritek Co. Ltd., die neben CDs, DVDs, Blu-ray Discs, USB-Sticks, Flash Cards, LED-Lampen, OLED-Display u.ä.m. auch kristalline (C-Si) sowie CIGS-Module herstellt. Das Unternehmen geht 1996 an die Börse. Im April 2012 stellt Ritek ein flexibles, rollbares PV-Modul vor.


Die Sunshine PV Corp. wird 2007 gegründet, um auf der Grundlage eines eigenen F & E-Teams und einem externen Ausrüster großformatige CIGS-Dünnschicht-Solarmodule (110 x 140 cm) herzustellen. Die mit einer schlüsselfertigen Produktionslinie von Centrotherm ausgestattete Fabrik von Sunshine PV befindet sich gleichfalls im Hsinchu Industrial Park, Taiwan.

Im Jahr 2012 besitzt die Produktionslinie des Unternehmens eine Jahreskapazität von 30 MW – wobei durch die Erhöhung der Ausbeute mittels eines besseren Wirkungsgrades voraussichtlich eine Steigerung der Jahreskapazität bis 45 MW möglich ist, ohne daß hierfür neue Einrichtungen benötigt werden. Angeboten werden vom TÜV SÜD zertifizierte Module der Baureihen SS1114K und SS1114R mit Leistungen zwischen 110 W und 150 W.


Im Januar 2008 wird im kalifornischen Palo Alto die NuvoSun Inc. gegründet, die mit ausgesprochen hohen Ansprüchen antritt. Durch die Kombination von CIGS-Dünnfilmen der zweiten Generation (auf dünnen Metallfolien) mit einem extrem kostengünstigen Fertigungsprozeß will man bis zum Jahr 2012 der günstigste Produzent dieser Produkte werden. NuvoSun arbeitet mit einem Nachselenisierungs-Prozeß, der mit einer chemischen Beschichtung kombiniert ist. Hierbei werden Kupfer, Indium und Gallium in einer relativ kalten Atmosphäre abgeschieden, während das Selen im Zuge eines späteren Hochtemperaturprozesses zugegeben wird. Gründer des Unternehmens ist Dave Pearce, der zuvor schon die Firma MiaSolé gegründet hatte (s.o.), und der nun einen Teil der Geräte für seine neue Prototypen-Fabrik über eBay einkauft.

Im Mai 2009 erreicht eine kleine Prototyp-Zelle des Unternehmens einen Wirkungsgrad von 11,8 %, und in der ersten Hälfte 2010 will man in der Lage sein, eine komplettes CIGS-Modul mit einer Effizienz zwischen 10 % und zehn 11 % zu präsentieren.

Der US-Chemieriese Dow Chemical Co. beteiligt sich im Januar 2010 mit einem ungenannten Betrag an der NuvoSun. Im Oktober kündigt Dow Chemical an, daß es seine Powerhouse CIGS-Solar-Schindeln, die in Dächer mit Standard-Bitumenschindeln integriert werden können, voraussichtlich ab 2011 auf den Markt kommen werden. Im September 2010 bezieht NuvoSun seinen neuen Hauptsitz im kalifornischen Milpitas – mehr ist über das Unternehmen bislang nicht zu erfahren.


Ende 2008 wird auch die französische Firma Nexcis gegründet, die CIGS-Solarzellen und-module mit einer Elektrodepositionstechnologie herstellt. Nexcis baut dabei auf langjährige Erfahrungen mit galvanischen Prozessen am Institute of Research and Development on Photovoltaic Energy (IRDEP), dem Energieunternehmen EDF, dem französischen National Center for Scientific Research (CNRS) und dem National Chemical Engineering Institute in Paris (ENSCP). Das IRDEP hat beispielsweise galvanisch hergestellte CuInSe2-Vorstufen mit einer Effizienz von 11,4 % vorgestellt.

Im April 2010 weiht das Unternehmen eine Produktionsanlage in der ehemaligen Fabrik von STMicroelectronics in Rousset ein, mit der 30 x 60 cm große und preisgünstige, galvanisch basierte CIGS-Dünnschichtmodule hergestellt werden können. Hierfür hätte ein Investitionsbetrag von 1,5 Mio. € ausgereicht. Um das Ziel einer Massenproduktion zu erreichen, erhält Nexcis von der französischen Agentur für Innovation (OSEO), dem französischen Staat, lokalen Behörden und der Europäischen Union rund 20 Mio. €.

Gemeinsam mit der EDF als großindustriellem Partner arbeitet Nexcis an der Massenproduktion von Low-Cost-Dünnschicht-Modulen, wobei die Ergebnisse industriellen und wissenschaftlichen Partnern zur Verfügung gestellt werden. Nexcis ist auch der wissenschaftliche Koordinator des EU-finanzierten Projekts ALPINE (Advanced Lasers for Photovoltaic Industrial processing Enhancement), bei dem die Forschung und Entwicklung von faseroptischen Lasersystemen für das Ritzen von PV-Modulen vorangetrieben werden soll. Dabei konzentriert sich das Projektkonsortium auf neue Laser mit hoher Brillanz und hoher Strahlqualität, die auf Fasern aus photonischen Kristallen beruhen.


Eine Firma, die nur kurz in der Presse erscheint, dann aber auch schnell wieder verschwindet, ist die 2007 von Gapseong Noh, einem Chip-Experten, und Chriss Hwang, einem Fachmann für OLED-Fertigung gegründete Telio Solar Technologies in Los Altos - so etwas wie ein südkoreanisch-amerikanisches Venture. Das Unternehmen hat eine Co-Verdampfungs-Herstellungsprozeß (Verdunstung sowie chemische Abscheidung) entwickelt, mit dem kostengünstige Dünnschicht-CIGS-Zellen mit einem Wirkungsgrad von 13 % hergestellt werden können. Die Chemie hat Telio von der Universität von Delaware lizenziert bekommen, die eigene Urheberschaft betrifft mehr die Technologie, die Zellen in großen Mengen zu produzieren.

Telio kann 3 Mio. $ einwerben und errichtet damit in Südkorea eine Pilot-Anlage zur Herstellung von 30 x 30 cm großen CIGS-Zellen, die einen Wirkungsgrad von 10 % erreichen. Die Firma hofft nun, die kommerzielle Fertigung Mitte 2009 starten und 60 x 120 cm große Module produzieren zu können. Bis 2010 will man dann eine Produktionskapazität von 30 MW erreichen. Leider ist davon später nichts mehr zu hören.


Etwas ähnliches scheint auch mit der 2009 gegründeten Illies Renewables GmbH aus Hamburg (Neustadt) passiert zu sein, deren Einstieg in die Dünnschicht-Technologie durch die Bestellung einer 50 MW Produktionslinie für CIGS-Dünnschichtmodule bei der centrotherm photovoltaics AG erfolgen sollte. Das Auftragsvolumen liegt bei über 60 Mio. €, und die Auslieferung der Linien an den Produktionsstandort in Magdeburg-Rothensee sollte im ersten Halbjahr 2010 erfolgen. Auch hierüber ist später nichts mehr zu erfahren.


Die schon im Jahr 1936 als Labor gegründete Tokyo Ohka Kogyo Co. Ltd. (TOK) gilt ab 1940 als einer der weltweiten Marktführer für Halbleiter-Photowiderstände. 2008 beginnt TOK gemeinsam mit IBM die Entwicklung von Technologien, Materialien und Ausrüstungen für die Massenproduktion von CIGS-Solarzellen. IBM hat zu diesem Zeitpunkt bereits Laborzellen mit einem Wirkungsgrad von 15 % vorzuweisen. Gemeinsam mit der effizienten Beschichtungstechnologie und den hochreichen Chemikalien von TOK besteht ein großes Potential, die Dünnschicht-Technologie zu moderaten Preisen auf den Markt zu bringen. Man hofft, bereits 2010 soweit zu sein. 2009 erreichen die gemeinsam entwickelten Zellen schon eine Effizienz von 12,8 %.


Wann die Jenn Feng New Energy Co. Ltd. (JF) in Ping Chang City, Taoyuan, Taiwan, gegründet wurde, konnte ich bislang nicht herausfinden. Die Firma gilt bald als ein führender Hersteller von Motorsägen und Trimmern, Rasenmähern, Hochdruckreinigern und Generatoren. Im Jahr 2007 verkauft Jenn Feng seinen Outdoor-Produktbereich für rund 120 Mio. $ an Husqvarna und konzentriert sich weiterhin auf die Konstruktion und Herstellung von kabellosen Power Tools, Hochdruck-Entladungslampen, LED-Leuchten, solarbetriebene Gartenlampen und Kfz-Scheinwerfer. Außerdem wird ein eigener naßchemischer Prozeß für die Abscheidung lichtabsorbierender CIGS-Schichten entwickelt, der bei geringen Ausrüstungsinvestitionen eine hohe Produktivität erreicht und Herstellungskosten unterhalb von 1 $/W erlaubt.

Im Dezember 2009 startet JF mit seiner ersten 30 MW Fertigungslinie die Massenproduktion von CIGS-Modulen, und Mitte 2010 soll eine zweite Linie in Betrieb gehen. Nähere Details darüber sind nicht zu finden – doch auf der Homepage des Unternehmens wird 2012 ein 145 W CIGS Modul (PPF505) angeboten, das den Referenzen zufolge schon in diversen PV-Dachanlagen im Einsatz ist.


Kommen wir nun zu den Forschungsergebnissen von Universitäten u.a. Einrichtungen, die im Bereich der CIGS-Solarzellen bekannt geworden sind.


Ende 2007 wird im Bereich Solarenergieforschung der Berliner Hahn-Meitner-Instituts (HMI) eine neue Nachwuchsgruppe aufgebaut, in welcher 13 junge Forscher um Marcus Bär an der Verbesserung von CIGS-Dünnschichtsolarzellen forschen werden, da ein Großteil der bisherigen Entwicklung auf einer sehr empirischen Herangehensweise, getreu dem Motto Versuch und Irrtum, basiert. Für die weitere Verbesserung solcher Solarzellen ist daher ein wissensbasierter Ansatz erforderlich, um das komplexe Zusammenspiel der verschiedenen eingesetzten Materialien besser zu verstehen. Das HMI und die Helmholtz-Gemeinschaft finanzieren das Vorhaben für die nächsten fünf Jahre mit jährlich rund 300.000 €.

Im März 2008 melden Wissenschaftler des National Renewable Energy Laboratory (NREL) um Miguel Contreras, daß sie mit ihren CIGS-Dünnfilmzellen einen Wirkungsgrad von 19,9 % erreichen – allerdings ohne weitere Details zu nennen.

Nicht ganz so effektiv sind die flexiblen CIGS-Zellen des japanischen National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), die im Juli 2008 eine Effizienz von 17,7 % aufweisen. Anstatt die Menge der relativ instabilen Alkalimetalle wie Natrium-Selenid oder Natriumfluorid zu variieren, um die Ladungsträgerdichte eines p-Typ-Halbleiters zu steuern, entwickeln die AIST-Forscher eine dünne Alkali-Silikat-Glas Schicht (alkali-silicate glass thin layer, ASTL). Dabei wird auf das Substrat eine Silikatglas-Schicht aufgebracht, während das genaue Einstellen der Bedingungen der Silikatglas-Schicht, zu denen der Film gebildet wird, hilft, die Menge an Alkalimetall zu variieren, welche die rückseitige Elektrodenschicht passiert und in die lichtabsorbierenden Schicht gelangt. Das AIST testet drei Arten von Substraten: ein keramisches Substrat, eine Kunststoff-Folie der Teijin Ltd. und eine Titan-Folie mit einer rauhen Oberfläche. Der Wirkungsgrad von 17,7% wird mit dem Keramiksubstrat erzielt, während mit der Kunststoff-Folie 14,7 % und mit der Ti-Folie 17,4 % erreicht werden.

Vom Juli 2009 stammt eine Meldung aus der Universität Luxemburg, deren Photovoltaiklabor unter der Leitung von Prof. Susanne Siebentritt erste CIGS-Dünnschichtsolarzellen aus Verbindungshalbleitern produziert hat, die einen Wirkungsgrad von 12 % erreichen. Eine Solarzellenvariante, die ohne das teure Indium auskommt und in einem preisgünstigen Galvanisierungsverfahren hergestellt wird, erreicht einen Wirkungsgrad von 3,2 %. Während die Luxemburger die Absorber- und die sogenannte Pufferschicht produzieren, kooperieren sie bei der Fertigstellung der kompletten Solarzelle mit Forscherkollegen des Helmholtz-Zentrums in Berlin (s.u.).

Auch am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) werden flexible Dünnschicht-Solarmodule entwickelt, wobei hier als Substrat eine 0,5 mm dünne Baustahlfolie genutzt wird. Im Oktober 2009 wird ein knapp 50 cm2 großes CIGS-Minimodul vorgestell, das am ZSW in einem industrienahen Prozeß hergestellt wurde und einen Wirkungsgrad von 8,6 % erreicht. Baustahl ist um den Faktor zwei bis drei kostengünstiger als Edelstahl oder Polyimidfolien, weshalb der neue Ansatz für Dachbahnen von der Rolle oder für den Einsatz auf Autos oder Schiffen ideal sein soll. Um das Eindringen von Fremdelementen aus dem Baustahl in die CIGS-Schicht zu verhindern, da schon kleinste Mengen fremden Materials in der Halbleiter-Schicht den Wirkungsgrad deutlich senken, entwickelt das ZSW in Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Neue Materialen (INM) in Saarbrücken eine neuartige, nur wenige Mikrometer dünne Isolations- und Diffusionsbarriere.

Bei der Entwicklung von CIGS-Dünnschichtmodulen gilt das ZSW als international führend. Das Institut brachte diese PV-Technologie zusammen mit der Firma Würth Solar zur Industriereife. Die aktuellen Arbeiten erfolgten im Rahmen des vom BMBF geförderten FlexNet Projektes, bei dem seit August 2006 verschiedene Technologien zur Abscheidung von Funktionsschichten für flexible CIGS-Dünnschichtsolarzellen untersucht werden.

Im Juli 2010 stellen die ZSW-Wissenschaftler mit einem Dünnschichtsolarzellen-Wirkungsgrad von 20,3 % einen neuen Weltrekord auf, mit dem sie sogar das NREL überholen, den bisherigen Rekordhalter mit 19,9 %. Die in einer Laborbeschichtungsanlage mit einem Simultanverdampfungsprozeß hergestellten Rekordzellen sind 0,5 cm2 groß und bestehen aus extrem dünnen, und daher material- und kostensparenden CIGS-Schichten, die insgesamt nur vier tausendstel Millimeter dick sind.

Im Mai 2011 stellt das ZSW einen Weg zur effizienten Bandbeschichtung von CIGS-Dünnschichtsolarmodulen vor, bei dem die wichtigsten Herstellungsschritte in einer Anlage mit kontinuierlichem Durchlauf durchgeführt werden können, was eine wirtschaftlichere Fertigung erlaubt. Die Herstellung flexibler Dünnschicht-Module ist bisher aufwendig und zeitintensiv, da jede einzelne Schicht in einer separaten Anlage nacheinander abgeschieden wird. Die neue 12 m lange Bandbeschichtungsanlage, die seit 2010 im Rahmen des vom Bundesumweltministeriums finanzierten Investitionsprojekts CISROLL entwickelt wird, nutzt als Trägermaterial eine 0,025 mm dünne und 30 cm breite temperaturbeständige Polyimid-Folie, wobei die Besonderheit der Bandbeschichtungsanlage darin liegt, daß alle Beschichtungsschritte simultan im gleichen Vakuum stattfinden. In der aktuellen Ausbaustufe können der Molybdän-Rückkontakt, die drei Elemente für den CIGS-Absorber sowie die Zinkoxid-Fensterschichten abgeschieden werden. An der Entwicklung und Integration einer neuen Pufferschicht wird noch gearbeitet und zu einem späteren Zeitpunkt soll auch noch die monolithische Zellverschaltung integriert werden. Die produzierten Solarzellen erreichen zu diesem Zeitpunkt bereits einen Wirkungsgrad von 10,2 %.

Im Juli 2010 melden Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) um Prof. Claudia Felser, daß ihnen ein wichtiger Durchbruch bei der Suche nach effizienteren Dünnfilm-Solarzellen gelungen sei. Die Wissenschaftler beschäftigte speziell das bislang ungeklärte sogenannte Indium-Gallium-Rätsel: Obwohl Berechnungen ein optimales Indium-Gallium-Verhältnis von 30:70 vorhersagen, findet man in der Praxis die höchste Effizienz bei dem genau umgekehrten Verhältnis von 70:30. Mit Hilfe von Computersimulation auf einem Großrechner wird nun herausgefunden, daß sich die Indium- und Gallium-Atome nicht gleichmäßig im CIGS-Material verteilen: Knapp unterhalb der normalen Raumtemperatur existiert eine Phase, in der Indium und Gallium komplett getrennt vorliegen, während sich oberhalb der Entmischungstemperatur verschieden große Cluster aus Indium- oder Gallium-Atomen bilden. Je höher die Temperatur, desto homogener wird das Material. Außerdem stellt sich heraus, daß galliumreiches CIGS stets inhomogener als indiumreiches CIGS ist, wobei die geringere Homogenität die optoelektronischen Eigenschaften des galliumreichen Materials verschlechtert, was zu der bis dato unverstandenen schlechten Effizienz der galliumreichen CIGS-Zellen beiträgt.

Aus den neuen Berechnungen ergibt sich: Findet der Herstellungsprozeß bei höherer Temperatur statt, so wird das Material deutlich homogener. Und wenn es danach schnell genug abgekühlt wird, bleibt die gewünschte Homogenität auch erhalten. In der Praxis wird die Prozeßtemperatur allerdings durch die begrenzte Hitzebeständigkeit des als Substrat genutzten Glases limitiert. Die Schott AG entwickelt aus diesem Grund ein spezielles Glas, mit dem die Prozeßtemperatur auf deutlich über 600°C erhöht werden kann, was die Herstellung wesentlich homogenere Zellen erlaubt.

Die Arbeiten sind Teil des vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten comCIGS-Projektes, in dem die Firmen IBM Mainz und die Schott AG gemeinsam mit der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und der Universität Jena an der Optimierung von CIGS-Solarzellen forschen.

Mitte 2010 meldet die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa), daß es einer Arbeitsgruppe unter der Leitung von Dr. Ayodhya N. Tiwari und in enger Zusammenarbeit mit der Firma Flisom (s.o.) gelungen sei, ein Vakuumverdampfungsverfahren zu entwickeln, welches das Wachstum hochqualitativer CIGS-Absorberschichten bei einer Temperatur von etwa 450°C erlaubt und damit für Polyimidfilm als flexibles Substrat einer Rolle-zu-Rolle-Fertigung geeignet ist. Zum Vergleich: Flexible CIGS-Hochleistungszellen auf Metallfolien werden in der Regel bei Temperaturen oberhalb von 550°C hergestellt. Den als Substrat verwendeten Polymerfolien fehlt allerdings die thermische Stabilität, welche für das Wachstum hochqualitativer CIGS-Schichten bei hohen Temperaturen erforderlich ist. Der hohe thermische Ausdehnungskoeffizient von Polymer führt in den bei einer hohen Substrattemperatur abgeschieden Schichten zu großen Spannungen, die wiederum zu Rissen und Abplatzungen des Solarzellenmaterials von dem Substrat führen.

Die flexiblen CIGS-Dünnschicht-Solarzellen auf Kunststoff-Folie, die mit dem neuen Verfahren hergestellt werden, erreichen eine Rekordeffizienz von 17,6 %, welche durch die Verringerung der optischen und elektronischen Verluste in der Solarzellenstruktur erzielt wird. Die wichtigsten Faktoren sind dabei die Optimierung der Galliumverteilung über die Dicke der CIGS-Schicht sowie die entsprechende Dotierung mit Natrium während der Endstufe des Wachstumsprozesses.

Polymergewebe-Elektrode

Polymergewebe-Elektrode

An der Empa beschäftigt man sich aber auch mit transparenten, flexiblen und leitfähigen Elektroden für Dünnschicht-Solarzellen als Alternative zur bislang üblichen Beschichtung mit Indium-Zinnoxid. Im März 2011 erzielt eine Polymergewebe-Elektrode vielversprechende Resultate, die zusammen mit der Sefar AG in einem Projekt entwickelt wurde, welches von der Kommission für Technologie und Innovation KTI finanziell unterstützt wird.

Die auf Präzisionsgewebe spezialisierte Schweizer Firma kann das Gewebe günstig und in großen Mengen über ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren produzieren. Für die nötige elektrische Leitfähigkeit sorgen eingewobene Metallfäden. In einem zweiten Prozeßschritt wird dann das Gewebe in eine inerte Plastikschicht eingebettet, ohne daß dabei die Metallfäden ganz abgedeckt und elektrisch isoliert werden. Die so erhaltene Elektrode ist transparent, stabil und flexibel und wird von den Empa-Forschern mit einem Schichtsystem aus organischen Solarzellen belegt (s.d.).

Im Mai 2011 melden die Empa-Forscher, daß es ihnen inzwischen gelungen sei, die Flußrate der Elemente Gallium und Indium während der verschiedenen Phasen des Aufdampfprozesses der CIGS-Halbleiterschicht so zu kontrollieren, daß sie eine genau definierte Bandlücke erzeugen können. Damit erreichen die flexiblen Solarzellen eine Energieeffizienz von 18,7 %.

Auch an der Oregon State University (OSU) wird an der Weiterentwicklung von CIGS-Zellen gearbeitet. Im Juni 2011 berichtet die Presse, daß Ingenieure der OSU um Prof. Chih-hung Chang ein Verfahren vorgestellt haben, mit einer Inkjet-Technologie präzis strukturierte CIGS-Solarzellen herzustellen, was den Rohstoffverbrauch um 90 % reduziert und die Kosten der Herstellung deutlich senkt. Zwar erreichen die Zellen mit ihrer 1 – 2 Mikron dünnen Druckbeschichtung bislang erst einem Wirkungsgrad von etwa 5 %, doch die Forscher erwarten, durch kontinuierliche Forschung auf bis zu 12 % kommen zu können. (Mehr über solche Technologien findet sich unter Solarzellen-Farbe.)

Im September 2011 meldet die University of Arkansas, daß Prof. Omar Manasreh gemeinsam mit Kollegen der Arkansas State University über 1 Mio. $ von der NASA und aus universitätseigenen Mitteln bekommen habe, um bessere Solarzellen für die Raumfahrt zu entwickeln. Als Ziel ist ein Wirkungsgrad von 40 % anvisiert – wobei zwei Ansätze verfolgt werden. Der erste Ansatz beinhaltet eine Kombination aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CuInSe2 und CuInGaSe2) als Halbleitermaterial, aus dem Nanokristalle gezüchtet werden, die dann entweder in Form dünner Filme oder mit Titandioxid- oder Zinkoxid-Nanoröhren kombiniert die gewünschten Solarzellen erzeugen. Der zweite Ansatz verwendet ein Verfahren zum Abscheiden von Nanokristallen, um Quantenpunkte entstehen zu lassen (s.u. Quanten-Dot-Solarzellen).

Forscher am Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) um Peter William de Oliveira entwickeln einer Meldung im Oktober 2011 zufolge, eine glasartige Barriereschicht, die den Wirkungsgrad von metallbasierten CIGS-Solarzellen erhöht, indem sie den Metallträger von der Absorberschicht trennt. Dadurch wirkt sie als Eisendiffusionssperre und verhindert die Korrosion und Oxidation des Trägers, funktioniert als Isolationsschicht, welche ungewollte elektrische Ströme vom Absorber zum Träger reduziert und stellt außerdem auch noch eine Quelle für das Dotierungselement Natrium dar. Die neue Barriereschicht ist transparent, biegsam, nur wenige Mikrometer dick und ermöglicht es, mehrere Zellen auf ein und demselben Substrat monolithisch zu Modulen zu verschalten. Am INM wird neben der Schicht selbst aber auch das Upscaling entwickelt, um über ein Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren kontinuierlich beschichtete Folien bis 50 m Länge und knapp einem halben Meter Breite herstellen zu können.

Im April 2012 berichten Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) zusammen mit britischen Kollegen vom SuperSTEM (EPSRC National Facility for Aberration Corrected STEM), daß sie erstmals experimentell belegen konnten, wie die Korngrenzen innerhalb einer CIGS-Dünnschicht-Solarzelle atomar tatsächlich aussehen. Die Wissenschaftler um Daniel Abou-Ras identifizieren mit hochauflösender Mikroskopie Regionen an den Korngrenzen, die zum Teil weniger als einen Nanometer breit sind und im Vergleich zum Korninneren eine andere chemische Zusammensetzung haben. Es ist zu erkennen, daß sich in den Atomlagen direkt an den Korngrenzen Atome umlagern. Kupfer-Atome diffundieren weg, deren Plätze im Kristallgitter dafür Indium-Atome einnehmen, und umgekehrt, oder Selen-Atome verschwinden und werden durch Sauerstoffatome ersetzt, die als Verunreinigung aus dem Glassubstrat in die CIGS-Schicht diffundieren. Die neuen Erkenntnisse sollen genutzt werden, um aussagekräftige Bauelementsimulationen an Solarzellen durchzuführen.


Kupfer-Indium-Gallium-Schwefel-Selen (CIGSSe-Solarzellen)


Diese Solarzellenart (copper indium gallium sulfur selenide) wird häufig nicht von CIGS-Zellen unterschieden.

Im Februar 2006 wird über den Durchbruch eines südafrikanischen Wissenschaftlerteams um Prof. Vivian Alberts an der Universität von Johannesburg (UJ) berichtet, das nach gut 10 Jahren Forschungsarbeit eine neue, hocheffiziente und sehr preisgünstige Solarzellen-Dünnschichttechnologie entwickelt und ab 2003 weltweit patentiert hat. Ein besonderer Vorteil der flexiblen und recycelbaren Zelle, die eine Lebensdauer von 20 Jahren haben und sich energetisch schon nach 1 – 2 Jahren amortisieren soll, ist, daß sie besonders gut diffuses Licht in elektrische Energie umwandeln kann. Das Licht wird dabei durch eine nur 3 – 5 µm dicke CIGSSe-Schicht (etwa halb so dünn wie ein menschliches Haar) in Strom umgewandelt. Weil sie so dünn ist, läßt sich diese Schicht auch auf flexible Oberflächen auftragen, was eine ganze Anzahl neuer Anwendungsbereiche eröffnet.

Solarmodul der Firma Johanna Solar

Modul von
Johanna Solar

Bereits im August 2005 hatte die damals neu gegründete Firma Johanna Solar Technology GmbH (JST) eine Lizenz für die CIGSSe-Zellen erworben. An der JST ist die deutsche Firma IFE Solar Systems beteiligt, die ca. 50 Mio. € in die südafrikanische Erfindung investiert. Zu den insgesamt sieben Shareholdern gehören u.a. der südafrikanische staatseigene Central Energy Fund sowie die privaten Investoren Richemont, VenFin und Anglo Coal. Die superflachen Module basieren auf der Technologie des Johannesburger Forschungsteams, welches von der lokalen Energie- und Chemiefirma Sasol und der University of Johannesburg finanziert wurde. Im März 2006 wird der Auftrag für eine Pilot-Produktionsanlage in Südafrika im Wert von 12 Mio. Rand erteilt.

JST baut derweil im Jahr 2007 mit einer Bundesbürgschaft von rund 70 Mio. € in Brandenburg an der Havel die weltweit größte Fertigungsstätte für CIGSSe-Dünnschicht-Solarmodule mit einer jährlichen Fertigungskapazität von 30 MW. Hier sollen ab Anfang 2008 im Dreischichtbetrieb jährlich mindestens 500.000 Stück der neuen Paneele hergestellt werden, die dann Ende März auf den Markt kommen sollen, und zwar zu einem Preis, der mindestens um 50 % unter dem aktuellen Standard liegt. Erster und wichtigster Vertriebspartner ist die aleo solar AG, die bis zu 80 % der Module abnimmt und unter eigenem Namen vermarktet. Die Produktion nimmt JST allerdings erst Ende 2008 auf.

Eine weitere Modulfabrik ist in Südafrika geplant, wofür die Produkte zuvor auf eine Umgebungstemperatur von 25°C angepaßt werden. Einer Meldung vom Dezember 2008 zufolge stellt die Europäische Investitionsbank (EIB) dem Modulehersteller Thin Film Solar Technologies (TFST) in Johannesburg ein Darlehen in Höhe von 40 Mio. € für den Bau einer Produktionsanlage am Western Cape in Südafrika zur Verfügung. Die Anlage in der Stadt Paarl wird über eine Kapazität von 40 MW CIGS-Dünnschicht-Module pro Jahr verfügen. Um die Module anschließend in Südafrika zu kommerzialisieren, wird im Oktober 2009 eine öffentlich-private Partnerschaft mit dem staatlichen Central Energy Fund, dem National Empowerment Fund, der University of Johannesburg und der Firma Sasol geschlossen.

Im November 2009 übernimmt die Bosch Solar Energy AG mit 68,7 % die Aktienmehrheit an der aleo solar AG (die 2011 auf knapp 82 % angehoben wird) – und im Dezember wird auch die Johanna Solar Technology GmbH, die bereits Module an 30 Standorte in Deutschland, Italien, Spanien, Frankreich, Portugal und in den USA ausliefert, zu einer Tochtergesellschaft der Bosch-Gruppe.

Im Mai 2010 geht das erste gemeinsame Projekt von Bosch Solar und Johanna Solar ans Netz, eine 21 kW Solar-Fassadenanlage am Kaufhaus Schwager im Zentrum von Holzminden (Niedersachsen). Später scheint sich Bosch allerdings stärker auf kristalline sowie Dünnschicht-Solarmodule zu konzentrieren, die auf einer mikromorphen Siliziumtechnologie basieren.

In Südafrika bleibt man dagegen bei der Technologie von Vivian Alberts. Zwei Jahre später, im Mai 2012, investiert die Industrial Development Corporation (IDC) 100 Mio. Rand in ein Joint Venture zwischen der Firma Photovoltaic Technology Intellectual Property (PITP), eine Technologieagentur der Universität Johannesburg, und dem deutschen Unternehmen Singulus Technologies, um die im Entstehen begriffene Branche der Erneuerbaren Energien in Südafrika zu stärken. Als erstes wird im Technopark Stellenbosch eine semi-kommerzielle Pilotanlage errichtet.


Kupfer-Indium-Selenid (CIS-Solarzellen)


Der Begriff CIS-Zelle wird häufig als genereller Oberbegriff für kupferbasierte Zellen genutzt. Im Folgenden habe ich versucht, ausschließlich Forschungen und Unternehmen zu behandeln, die sich mit Zellen beschäftigen, die primär aus Kupfer-Indium-Selenid bestehen... obwohl schon die erste Meldung diese Grenze überschreitet.

Bereits 1980 wird bei Boeing eine Kombination von Kupfer-Indium-Selenid und Cadmiumsulfid erfolgreich getestet. Die beiden aufgedampften Schichten sind zusammen nur fünf Tausendstel Millimeter dick und erreichen einen Wirkungsgrad von 9,4 %.

ARCO Solar beginnt 1981 mit der CIS-Forschung und startet 1998 in Camarillo, Kalifornien, die weltweit erste kommerzielle CIS-Serienproduktion. (Diese wird später von AVANCIS  weitergeführt, s.u.).

Ab 1983 forscht Prof. Klaus Bachmann am Berliner Hahn-Meitner-Institut an CIS-Zellen, die einen Wirkungsgrad von 9,5 % erreichen und ein sehr gutes Langzeitverhalten zeigen. Sie kommen ohne die giftige Cadmiumsulfid-Schicht aus, statt dessen wird das unbedenkliche Zinkselenid genutzt. 1993 wird mit den CIS-Zellen ein Wirkungsgrad von 10,2 % erreicht, und 1998 ist man schon bei 13,7 % angekommen.

Ähnliche Versuche gibt es auch an der Universität Stuttgart, wo man das Material ebenfalls wegen seiner Ungiftigkeit bevorzugt und Wirkungsgrade bis zu 20 % erreicht (mit Kupfer-Gallium-Selenid-Zellen werden dort Anfang der 1990er Jahre Wirkungsgrade bis zu 7 % erzielt).

Auch Siemens Solar forscht ab 1991 an CIS-Zellen, und nach drei Jahren erreicht man dort im Labormaßstab einen Wirkungsgrad von 16,2 %, der bis 1998 auf 18 % erhöht werden kann. Für die geplanten Power-Module von mindestens 30 x 30 cm Fläche sollen vor einer Vermarktung stabile Wirkungsgrade zwischen 12 % und 14 % erzielt werden. [Im Jahr 2002 wird Siemens Solar von Shell Solar übernommen und die Technologieentwicklungsprogramme beider Firmen werden vereint.]

1996 werden im Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Stuttgart Dünnschicht-Zellen von 30 x 30 cm Größe hergestellt – mit einem Wirkungsgrad von 10 %. Im Jahr 1998 erreichen die Zellen des ZWS bereits einen Wirkungsgrad von fast 12 %, damals ein Weltrekord für diese Art von Zellen.

Zu dieser Zeit arbeitet Werner Knaupp am ZSW – angeregt durch die Renaissance der Luftschiffe – an der Entwicklung von ultraleichten CIS-Folien, die man zukünftig in die Hüllen der heliumgefüllten Flugkörper integrieren könnte. Ein Antrag auf Förderung dieser Technologie wird allerdings abgelehnt (!). [Im Sommer 2004 spreche ich mit Herrn Knaupp darüber und erfahre, daß es inzwischen schon einige kleinflächige Folien (ebenfalls 30 x 30 cm) aus Kunststoff wie auch aus Metall gibt, wobei letzteres Material aber zu Isolationsproblemen führt. Außerdem gibt es bei den 20 µ bis 50 µ dünnen Folien Schwierigkeiten mit der Verschaltung. Folien vom laufenden Meter wird es daher frühestens in 3 – 5 Jahren geben.]


Die 1996 von UniSource Energy gegründete Firma Global Solar Energy (GSE) in Tucson, Arizona, eine Tochter des örtlichen Stromversorgers Tucson Electric Power, entwickelt 1998 eine Dünnschicht-CIS-Folie, deren Lebensdauer auf 30 Jahre geschätzt wird. Die automatische Produktion in Form von 100 m langen Plastikrollen soll noch in diesem Jahr beginnen, die Gesamtkapazität von 2 MW und soll dann im Laufe der kommenden Jahre schrittweise verzehnfacht werden. Einen Teil der Entwicklungskosten trägt das US-Verteidigungsministerium. (Die UniSource Energy Corp. ist wiederum Mutterfirma der Tucson Electric Power Company).


1999
wird in der Nähe von Stuttgart das Unternehmen Würth Solar gegründet, an dem das ZSW (s.o.), das schwäbische Handelsunternehmen Adolf Würth GmbH & Co. KG sowie das Energieversorgungsunternehmen Energie Baden-Württemberg AG (EnBW) beteiligt sind.

Die Würth Solar errichtet noch 1999 im Energie- und Technologiepark Marbach eine Solarfabrik mit einer Kapazität von 10 MW, die Investitionskosten der ersten Pilotphase liegen bei 15 Mio. DM. Hergestellt werden CIS-Dünnschichtzellen mit einer Dicke von 2 µm, wobei als neuer und kostensparender Produktionsschritt die genutzten Materialien Kupfer, Indium, Gallium und Selen unter hochreinen Vakuumbedingungen bei 500°C gleichzeitig verdampfen, und nicht - wie zuvor üblich - in mehreren Schichten des Aufbringens und Legierens zusammengesetzt werden. Die Elemente haften dabei auf einer Glasplatte, die zuvor mit dem Metall Molybdän beschichtet wurde. Nach dem Auftragen einer durchsichtigen Kontaktschicht aus Zinkoxid werden die elektrischen Kontakte aufgebracht und das CIS-Modul zwischen zwei Glasplatten gepackt.

Im April 2004 trennt sich die EnBW von ihrem 20 %-igen Anteil an der Würth Solar GmbH & Co. KG, der daraufhin von der Würth Gruppe übernommen wird, die seit Gründung die unternehmerische Führung bei Würth Solar innehat und bereits 79,5 % der Anteile hält. (Mehr über das Unternehmen findet sich unter den CIGS-Zellen, s.d.)

Im Rahmen eines vom Bundesumweltministerium (BMU) geförderten Forschungsprojektes wird am ZSW eine ganz neue Herstellungsmethode namens CISROLL entwickelt. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem eine Polymer- oder Metallfolie von einer Rolle abgewickelt, verschiedene Beschichtungs-, Fertigungs- und Kontrollschritte durchläuft, und dann am Ende der Anlage als fertige Solarzelle wieder auf eine Rolle aufgewickelt wird. Für diese Zellen reichen vier Schichten von insgesamt 4 tausendstel Millimetern Dicke aus, die auf Trägerplatten aufgedampft werden. Sie erreichen derzeit Wirkungsgrade zwischen 11 % und 12 %.

Im Oktober 2006 nimmt Würth Solar in Schwäbisch Hall die weltweit erste Serienproduktion von CIS-Solarmodulen auf, und ab 2007 soll die Produktion eine Jahreskapazität von ca. 15 MW erreichen, was 200.000 Modulen entspricht.


Das Berliner Hahn-Meitner-Institut (das seit 1983 an dieser Technologie arbeitet, s.o.), erklärt 1998, daß man sich noch immer in einem „frühen Forschungsstadium“ befindet und auch noch gar nicht weiß, ob die Zellen überhaupt mehrere Jahre lang halten. Auf den Markt würden sie wahrscheinlich irgendwann zwischen 2005 und 2010 kommen. Zuständig für die Forschungen ist seit 1995 die (erste) Physikprofessorin der FU, die gebürtige Schweizerin Martha Lux-Steiner, die 1996 die Arbeitsgemeinschaft Solare Materialien gründet, in welcher Forscher, Politiker und Vertreter der Industrie zusammenarbeiten. Im Oktober 1999 erhält sie für ihre wissenschaftlichen Leistungen auf dem Gebiet der solaren Energiegewinnung das Bundesverdienstkreuz.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert das Projekt Innocis (Innovation aus Kupfer, Indium, Selen), bei dem papierdünne, zusammenrollbare CIS-Solarzellen auf Polymerfolien entwickelt werden sollen. An dem Projekt beteiligt sind u.a. die im April 2000 gegründete Leipziger Solarion GmbH sowie das Institut für Mineralogie, Kristallographie und Materialwissenschaft (MNKM) der Universität Leipzig. Der Wirkungsgrad der flexiblen Solarzellen liegt in der Pilotproduktionsphase bei gut 8 % (Stand 2005).


Im Jahr 2006 gründen die Firma Shell Erneuerbare Energien GmbH und der französischstämmige Glas- und Baustoffexperte Saint-Gobain Glass Deutschland GmbH das Gemeinschaftsunternehmen AVANCIS zur Entwicklung, Produktion und Vermarktung von Solarmodulen der nächsten CIS-Generation, das 2008 im sächsischen Torgau mit der Serienproduktion von Premium-Solarmodulen mit einer Kapazität von 20 MW pro Jahr beginnt. 2009 übernimmt Saint-Gobain alle Anteile des bisherigen Joint-Venture AVANCIS, das im Mai auf der Intersolar erstmals sein PowerMax-Modul präsentiert. Die Glas/Glas-Module mit gehärteter Frontscheibe verfügen über schwarz eloxierte Rahmen, sind in drei Leistungsklassen erhältlich (100 W / 110 W / 120W) und erreicht mit 1,09 m2 Gesamtfläche Modulwirkungsgrade zwischen 9 % und 11 %.

Mitte 2010 beginnt das Unternehmen mit dem Bau einer zweiten Solarfabrik in Torgau (Fab 2), deren geplante Gesamtproduktionskapazität 100 MW pro Jahr beträgt, was 850.000 Solarmodulen entspricht. Im Oktober gründen Saint-Gobain und die Hyundai Heavy Industries (HHI) das Produktions-Joint-Venture Hyundai-AVANCIS, in dessen Rahmen in Südkorea bis 2012 eine dritte Fabrik (Fab 3) mit einer Jahresleistung von ebenfalls 100 MW errichtet werden soll.

Die monolithischen, 30 x 30 cm2 großen und vollflächig verkapselten  CIS-Solarmodule von AVANCIS erzielen Anfang 2010 einen vom NREL bestätigten Wirkungsgrad-Rekord von 15,1 %, der bis Anfang 2011 auf 15,5 % gesteigert werden kann, wie auch das NREL bestätigt. Erreicht wird dieser Zuwachs durch den Einsatz einer Zinkoxid-Frontelektrode sowie durch einen verbesserten Strukturierungsprozeß, der die aktive Fläche des Moduls vergrößert. Im September erreicht die Effizienz der Module einen neuen Weltrekord von 15,8 %.

Im Juli 2011 startet im Rahmen eines Förderprojekts innerhalb der ‚Innovationsallianz Photovoltaik’ das Projekt CIS-Clustertool, bei dem neue Herstellungsverfahren für CIS-Dünnschichthalbleiter entwickelt und Wirkungsgradsteigerungen bei CIS-Modulen erreicht werden sollen. Beteiligt sind neben AVANCIS der Anlagenbauer Singulus Technologies AG, der Spezialist für Infrarot-Wärmetechnologie HERAEUS Noblelight GmbH und die IfG Institute for Scientific Instruments GmbH, die ihre innovativen Meßverfahren beisteuert. Durch die Zusammenarbeit werden Synergieeffekte zur Erreichung der anspruchsvollen Projektziele erwartet. Das Projekt ist für drei Jahre angelegt und wird von den beteiligten Unternehmen sowie aus Mitteln der Förderinitiative ‚Innovationsallianz Photovoltaik’ in Höhe von 2,9 Mio. € getragen.

Ende des Jahres nimmt die Fab 2 in Torgau ihren Betrieb auf, die bei voller Produktion jährlich über 800.000 CIS-Solarmodule fertigen kann. Die neue Produktlinie, die hier gefertigt wird, soll zum Frühjahr 2012 unter dem Namen PowerMax SMART im Markt eingeführt werden. Im Oktober 2012 unterzeichnet Saint-Gobain mit Prinz Faisal Bin Salman eine Absichtserklärung, um gemeinsam ein High-Tech-Unternehmen im Solarbereich in Saudi-Arabien zu errichten. Dabei soll AVANCIS technische Unterstützung und Ingenieursexpertise zum Bau und Betrieb einer CIS-Dünnschicht-Photovoltaik-Modulfertigung zur Verfügung stellen.

Laser-Strukturierung am LHM

Laser-Strukturierung am LHM

Im Jahr 2008 ist es das Bundesumweltministerium, das die Entwicklung eines präzisen und kostengünstigen Produktionsverfahrens für Solarzellen am Laserzentrum Hochschule München (LHM) mit knapp 870.000 € fördert. In Zusammenarbeit mit dem Unternehmen AVANCIS GmbH & Co. KG. wird an CIS-Dünnschicht-Solarzellen gearbeitet, die einen sehr geringen Materialverbrauch aufweisen und in einem Durchlaufprozeß effektiv produziert werden können. Als Substrat wird normales Fensterglas genutzt. Bislang führt die industrielle Strukturierung der Dünnschichten mit Nanosekunden-Lasern oder mit mechanischen Ritzwerkzeugen zur Schädigung der einzelnen Schichten.

Bei Pikosekunden-Lasern hingegen, die bei dem Projekt am LHM verwendet werden, ist die Dauer der Lichtimpulse so kurz, daß die obere Schicht strukturiert werden kann, ohne dabei die darunter liegenden Schichten durch Wärmeausbreitung zu zerstören. Im Vergleich zu anderen Dünnschicht-Solartechnologien zeigt sich eine hohe Effizienz dieser Solarzellen, die einen Zellenwirkungsgrad von fast 20 % für kleine Laborzellen und einen Modulwirkungsgrad von über 13 % erreichen. Nun soll im Rahmen des Projekts die Prozeßgeschwindigkeit für eine industrielle Anwendung verbessert und am Ende der Projektlaufzeit ein industrietauglicher Pikosekunden-Laserprozeß in die Produktion implementiert werden. Auf dem Falschfarbenfoto sieht man die saubere Strukturierung einer CIS-Dünnschichtsolarzelle mit einem Pikosekundenlaser ohne zerstörende Wärmeeffekte.

Im Juli 2009 arbeitet das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) daran, CIS-Solarzellen naßchemisch herzustellen, um auf die teueren und energieintensiven Hochtemperatur- und Vakuumprozesse verzichten zu können. Es gelingt den Forschern um Martin Metzner einen Prozeß zu entwickeln, bei dem metallisches Selen durch einen naßchemischen Prozeß hergestellt werden kann. Außerdem lösen sie das Problem der Haftfestigkeit von Indium auf Kupfer und können somit auch diese Schicht elektrochemisch abscheiden. Um die Verfahren produktionsnah weiterentwickeln zu können, wird eine Höchstpräzisionsbandanlage projektiert und realisiert.

Zudem beschäftigt man sich am IPA auch mit der Entwicklung einer galvanischen Abscheidung für Molybdän, das in CIS-Solarzellen als Rückkontakt benötigt wird und bisher nur in Vakuumverfahren erzeugt werden kann.

Ein US-Koreanisches Forscherteam der Oregon State University und der Yeungnam University um Chih-hung Chang meldet im Mai 2010, daß es ein neues Low-Cost-Verfahren zur Herstellung von CIS-Dünnschichtzellen entwickelt und patentiert habe, das auch ohne den Einsatz von giftigen Chemikalien auskommt. Details darüber habe ich bisher nicht finden können.


Kupfer-Zink-Zinn-Selen-Schwefel (CTZSS-Solarzellen)


An dieser Zellenart (Cu2ZnSn(S,Se)4 - copper, tin, zinc, selenium, sulfur: CTZSS, oder der Materialienfolge copper, zinc, tin, sulfur, selenium entsprechend manchmal auch CZTS genannt) arbeiten Wissenschaftler schon seit Jahren, doch die Industrie hat sich weitgehend auf CIGS-Zellen konzentriert, als Folge der besseren und gleichmäßigeren Fortschritte im Labor. Die erste Erwähnung stammt von 1966, während der photovoltaische Effekt des Materials 1988 in Japan entdeckt wird. Die meisten experimentellen CTZSS-Solarzellen erreichen nur Wirkungsgrade zwischen 1 % und 2 %. Im Jahr 1997 wird auf der 14. Europäischen Photovoltaik Solarenergie-Konferenz von einer Zelle mit 2,3 % berichtet.

Durch die Optimierung der Abscheidung kann der Wirkungsgrad im Jahr 2005 durch ein japanisches Team auf 5,7 % erhöht werden, und etwa 2009 gelingt es ebenfalls japanischen Forschern, einen Zellenprototyp mit einer Effizienz von 6,7 % zu produzieren.

Inzwischen beschäftigen sich in erster Linie zwei Firmen mit der Entwicklung CTZSS-Solarzellen: IBM und crystalsol. Das Motiv liegt nahe: Da die Rohstoffe dieses Zellentyps auf der Erde in großen Mengen vorhanden sind, werden besonders günstige Zellenpreise erwartet. Aufgrund der Kristallstruktur des Materials können auch wesentlich dünnere Solarzellen hergestellt werden, verglichen mit Silizium-Zellen.

IBM-Beschichtung

IBM-Beschichtung

Im Februar 2010 meldet die Presse, daß eine neue Solarzelle von IBM rund 40 % mehr Strom erzeugen soll, als die bisherigen Solarzellen aus diesem Material. Aktuell erreicht die aus Hydrazin-Lösungen aufgebrachten CTZSS-Solarzellen eine Effizienz von 9,6 % für reines Sulfid (CZTS) und von 9,3 % für reines Selenid (CZTSe), was im Zuge weiterer Forschungen auf 12 % angehoben werden soll. Damit soll es möglich werden, Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von 10 % herzustellen.

Für die Herstellung der Zellen setzen David Mitzi und sein Team ein Nanopartikel-Verfahren ein, mit welchem die Materialien aufgedruckt und nicht mehr in einem aufwendigen Vakuum-Verfahren aufgedampft werden müssen. Damit ließe sich eine Massenproduktion der Zellen mit Druck- oder Tauch- und Spritzbeschichtung umsetzen. Die Technik umfaßt das Einbetten von Selenid und Schwefel in einem Film, wobei zuerst Strukturen aus Kupfer und Zinn sowie aus Zink und Zinn in einer Lösung gelöst werden. Diese Lösung wird dann auf den Selenid-Schwefel Film gesprüht, in einem Verfahren, das dem Tintenstrahldrucksystem ähnelt. Die nachfolgende Wärmezufuhr bewirkt, daß sich die Metalle an den Schwefel und das Selen binden. IBM plant allerdings, die Solarzellen nicht selbst zu produzieren, sondern dabei mit anderen Herstellern zusammenzuarbeiten.

Im Oktober 2010 unterzeichnet IBM eine Vereinbarung mit dem CIGSS-Zellenproduzenten Solar Frontier, um an den Indium-freien CTZSS-Solarzellen zu arbeiten. Unter Einbezug der umfassenden Expertise von Solar Frontier bei der Dünnschicht-basierten Solartechnik wird gemeinsam mit dem Halbleiter-Ausrüster Tokyo Ohka Kogyo (TOK) sowie dem Siliziumzellen-Hersteller DelSolar begonnen, die entsprechende Chemie und Gerätetechnik weiterzuentwickeln. Im Idealfall ist Solar Frontier in der Lage, seine bestehenden Fertigungsprozesse an die Herstellung von CTZSS-Zellen anzupassen. Die Forschungen geschehen hauptsächlich an IBM’s Thomas Watson Research Center in Yorktown Heights, New York.

Im Jahr 2011 erreichen die IBM-Zellen einen Wirkungsgrad von 10,1 % - und Mitte 2012 sogar schon 11,1 %. Inzwischen ist auch die Zielvorgabe hochgesetzt worden: auf eine Zelleneffizienz von mindestens 15 %, die innerhalb von zwei Jahren erreicht werden soll.


Die zweite Firma, die den Versuch unternimmt, CTZSS-Solarzellen zu kommerzialisieren, ist die crystalsol OÜ, ein Startup mit Standorten in Tallinn, Estland – wo die Forschung und Entwicklung angesiedelt ist –, und in Wien, Österreich (crystalsol OG), wo die Entwicklung der Geräte und Produktionsprozesse erfolgt.

Die Technologie des Unternehmens basiert auf jahrzehntelanger Forschung für das Militär der UdSSR - sowie auf Halbleiter-Know-how der Firma Philips aus den 1960er Jahren. Damals ließen sich die Philips Research Laboratories in Eindhoven frühe Versionen der Technologie patentieren und verwendeten Monokorn-Membranen (Monograin Membranes; Ein- oder Monokristalle) für die Herstellung von lichtempfindlichen Schaltern. Ab 1979 arbeitet dann Prof. Dieter Meissner, heute Cheftechniker bei crystalsol, an der Erforschung der photovoltaischen Anwendung dieser Monokornmembranen. Dabei handelt es sich um eine Licht absorbierende, aktive Schicht aus kristallinen Halbleiterteilchen mit einem typischen Durchmesser von 30 μm bis 60 μm, welche als eine einzelne Schicht angeordnet und durch einen Polymerfilm fixiert sind.

Monokristalle

Monokristalle

Auf der anderen Seite des ‚Eisernen Vorhangs’ arbeitete unabhängig davon eine estnische Forschergruppe um Prof. Enn Mellikov an der Technischen Universität Tallinn (TUT) etwa 20 Jahre lang im Auftrag des russischen Militärs an Monokornmembranen, und entwickelte in dieser Zeit u.a. auch Pulver-basierte Monokorn-Membran-Solarzellen, die zusätzliches Selen enthalten. Dieses auch als CZTSSe bezeichnete Material läßt sich in seiner Bandlücke stufenlos zwischen der des reinen Sulfids (CZTS, 1,3 eV) und der des reinen Selenids (CZTSe, 0,95 eV) verschieben.

Die in den 1990er Jahren durchgeführte gemeinsame Forschung der Gruppen um Mellikov und Meissner konzentrieren sich anfänglich auf CIGS-Material, doch die steigenden Kosten von Indium führen zur Suche nach Alternativen. Ein Durchbruch an der Technischen Universität Tallinn (TUT) erlaubt dann den Ersatz von Indium durch Zink und Zinn.

Die TUT-Ausgründung crystalsol startet im Juni 2008 und entwickelt auf Basis dieser Vorarbeiten eine Modulfertigung in Estland und Österreich, wobei die Zellen 2009 einen zertifizierten Wirkungsgrad von 5,9 % erreichen. Die zentralen Neuerungen des Unternehmens sind das kristalline Halbleiter-Pulver aus einem patentierten neuen Material, sowie ein Rolle-zu-Rolle Low-Cost-Herstellungsverfahren auf flexiblen Substraten, was gemeinsam zu einer Verringerung der Herstellungskosten um 50 - 60 % führt, im Vergleich zum aktuellen Branchendurchschnitt. Angestrebt wird mittelfristig ein Kostenniveau unterhalb von 0,5 €/W.

Die Wiener crystalsol OG wird im Februar 2009 gegründet, und erhält im April vom austria wirtschaftsservice (aws) einen ersten Zuschuß in Höhe von 100.000 € für fortgeschrittene Tests und Messungen an Halbleitermaterialien und Photovoltaik-Modulen. Im Juni gibt es 400.000 € von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG), um die Kern-Prozeßschritte der Modulproduktion zu entwickeln – sowie einen Zuschuß von Enterprise Estonia (EAS) in Höhe von 1,5 Mio. € für die angewandte Forschung zur Verbesserung des Halbleiter-Materials. Im August gelingt es der crystalsol OÜ zu einer sogenannten ‚Seedfinanzierung’ durch Conor Venture Partners aus Finnland und Energy Future Invest aus Norwegen zu kommen, die 2,5 Mio. € in das Startup investieren.

Im Februar 2010 wird crystalsol mit dem österreichischen Staatspreis Umwelt- und Energietechnologie ausgezeichnet, außerdem gibt es 1 Mio. € vom Wirtschaftsservice aws, um die Zellentechnologie voranzubringen und eine Pilot-Produktion für Photovoltaikmodule im kleinen Maßstab zu starten. Im Juni ist die Firma Gewinner des estnischen Energy Globe Country Award und Anfang 2011 gewinnt crystalsol den Saint-Gobain Innovationspreis für Startup-Unternehmen, wobei der alteingesessene Glashersteller den Neuling zukünftig auch bei der Kommerzialisierung seiner patentierten CZTS-Technologie unterstützen wird. Im Oktober folgt der Wiener Zukunftspreis.

Die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft unterstützt crystalsol im Januar 2012 durch einen weiteren Zuschuß von 170.000 € für die Entwicklung einer kostengünstigen Bitumen-Dach-Membran mit integrierten Photovoltaik-Modulen, die gemeinsam mit dem französischen Unternehmen Soprema durchgeführt wird – und vom Klima- und Energiefonds gibt es zusätzlich 440.000 € für die Entwicklung von kostengünstigen Printkontakten bei dem Rolle-zu-Rolle Fertigungsprozeß. crystalsols Projektpartner dabei ist die Forster Verkehrs- und Werbetechnik GmbH, ein Unternehmen mit umfangreichem Know-how in Druckverfahren.

Purdue-Beschichtung

Purdue-Beschichtung

Die jüngste Meldung bei diesem Update stammt vom Mai 2012: Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) bescheinigt den CZTS-Zellen von crystalsol einen Zellwirkungsgrad von 6,74 %.


Die Vorteile dieser Solarzellenart scheinen sich trotz der recht bescheidenen Wirkungsgrade inzwischen herumzusprechen – denn auch die erst 2007 gegründete Firma Firma AQT Solar (Applied Quantum Technologies), die sich bislang mit CIGS-Dünnschicht-Solarzellen beschäftigt hat, beginnt Anfang 2012 an der Adaption seiner CIGS-Technologie für die Herstellung noch kostengünstigerer und produktionsfreundlicher CZTS-Dünnschicht-Solarzellen zu arbeiten, um diese unter dem Terminus CIGS 3.0 ab dem Folgejahr auf den Markt bringen zu können. AQT erreicht mit seinen gesputterten CZTS-Zellen schnell eine Effizienz von nahezu 10 %, und im Juni 2012 wird bereits der Prototyp eines 60 W Moduls vorgestellt, das gemeinsam mit einem Partner hergestellt worden ist.

Im Forschungsbereich berichtet die Purdue University, daß man 2010 eine CZTS-Zelle mit einem Wirkungsgrad von 7,2 % hergestellt habe – während die Universität Harvard im Jahr 2011 die Entwicklung einer bifacialen photoelektrochemischen Vorrichtung bekannt gibt, die aus CZTS-Absorbermaterial besteht und transparente leitende Rückkontakte besitzt.

Die Oregon State University (OSU) wiederum meldet im August 2012, daß ihre Forscher ein neues Herstellungsverfahren für CZTS-Zellen entwickelt haben, das auf dem Einsatz einer Mikrowelle beruht, um die Materialen schnell miteinander reagieren zu lassen.

Die resultierende Zelleneffizienz beträgt trotz einer Heizzeit von 30 min. zwar nur 0,25 %, doch der Mikrowellenerwärmungsvorgang ist dem OSU-Team zufolge billiger als andere Methoden und könnte möglicherweise auf wenige Sekunden reduziert werden. Außerdem bietet er eine genauere Kontrolle von Wärme und Energie, um die gewünschten Reaktionen zu erzielen.


Kupfer-Nanodrähte


Mitte 2010 stellt ein Team um Prof. Benjamin Wiley an der Duke University eine Alternative für die bislang üblichen transparenten und leitenden Indiumzinnoxid-Schichten (ITO), wie sie bei den neuesten Flachbildfernsehern und Computerbildschirmen für die Erzeugung der Pixel – und bei Dünnschicht-Solarzellen als transparente Elektrode genutzt werden. Die Nachteile des Materials: Es ist spröde, sein Herstellungsverfahren ist ineffizient und es wird aufgrund der steigenden Nachfrage immer teurer.

Kupfer-Nanodrähte

Kupfer-Nanodrähte

Eine günstige Alternative bildet die Verwendung von winzigen Kupfer-Nanodrähten, für deren Herstellung in großen Mengen die Duke-Forscher eine Methode finden, perfektionieren und zum Patent anmelden, bei der sie die Kupfer-Nanodrähte in einer Wasser-basierten Lösung heranzüchten. Auch andere Forscher haben schon Kupfer-Nanodrähte gezüchtet, aber in einem viel kleineren Maßstab. Wileys Labor ist auch das erste, das zeigen kann, daß sich diese Drähte gut als transparente Leiter nutzen lassen.

Durch die Zugabe von verschiedenen Chemikalien zu der Lösung kann die Anordnung der Atome in verschiedenen Nanostrukturen kontrolliert werden. Der hierbei zutage tretende Mechanismus des Kristallwachstums ist so noch nie zuvor beobachtet worden: Wenn das Kupfer kristallisiert, bildet es zuerst winzige ‚Samen’, aus denen dann jeweils ein einzelner Nanodraht sprießt.

Da der Prozeß auf Wasserbasis läuft und weil die Kupfer-Nanodrähte flexibel sind, könnten sie direkt aus der Lösung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren aufgebracht werden, was auch sehr viel effizienter wäre als der ITO Produktionsprozeß. Nanodrähte aus Kupfer sind auch ein besserer Ersatz für ITO als Kohlenstoff-Nanoröhren, und sind viel billiger als Silber-Nanodrähte. Nun muß der Prozeß für eine kommerzielle Nutzung skaliert werden, wobei es noch ein paar andere Probleme zu lösen gibt. Insbesondere muß verhindert werden, daß die Nanodrähte verklumpen, da dies die Transparenz reduziert, ebenso wie vermieden werden muß, daß das Kupfer oxidiert, weil dieses die Leitfähigkeit verringern würde. Im Erfolgsfall sollte die Leitfähigkeit der Kupfer-Nanodrähte einen Grad erreichen, der dem von ITO oder Silber-Nanodrähten entspricht.


Laser-Solarzellen


Am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) wird 2008 an der Entwicklung photovoltaischer Zellen aus III-V Halbleitern gearbeitet, die sich perfekt für die kontaktlose Leistungs- und Signalübertragung mit einem Laser eignen. Anwendungsmöglichkeiten sind rotierende Systeme oder schwer zugängliche Orte, insbesondere dann, wenn Funkenbildung oder Stromfluß vermieden werden muß, wobei die Leistungs- und Signalübertragung durch Luft oder durch Lichtleiter erfolgen kann. Der Schlüssel für das Erreichen hoher Wirkungsgrade bei der Bestrahlung mit monochromatischem Licht ist dabei eine exakte Abstimmung der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts mit der Bandlücke der photovoltaischen Zelle. Die Forscher entwickeln Zellen auf GaAs-Basis (1,4 eV), doch ebenso sollen Zellen auf GaInP- (1,7 eV) und auf GaInAs-Basis (bis 1,1 eV) realisierbar sein.

Mit den GaAs-basierten Laserleistungszellen werden Wirkungsrade von bis zu 54,9 % erreicht (gemessen mit einer Laserwellenlänge von 810 nm). Zudem werden verschaltete Laserleistungszellen entwickelt, die Ausgangsspannungen von 2 V, 4 V und 6 V liefern. Als höchster Wirkungsgrad wird hierbei ein Wert von 50,1 % nachgewiesen.

Eine Voraussetzung für die Gestaltung und Konstruktion drahtloser biologischer Nanoroboter ist eine elektrische Quelle, die in der biologischen Umgebung kontinuierlich verfügbar ist. Im November 2009 berichtet ein chinesisches Wissenschaftlerteam um Zhigang Chen von der Donghua University in Shanghai – der gleichzeitig auch am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam arbeitet –, daß man gemeinsam mit Kollegen der Chinese University of Hong Kong Shatin eine neue Lösung dafür gefunden habe. Das Team konstruiert eine PV-Zelle, die von einem 980 nm-Laser betrieben wird (980-nm laser-driven photovoltaic cell, 980LD-PVC), indem eine herkömmliche Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle durch eine Schicht aus Seltenerd-Nanophosphor (NaYF4:Yb,Er) ergänzt wird. Damit kann niedrigenergetisches Licht in Licht mit hoher Energie umgewandelt werden (Up-Conversion).

Bei Bestrahlung mit einem 980 nm Laser mit einer Leistung von 1 W erreicht die sichtbare up-converting Lumineszenz der Zelle eine maximale Ausgangsleistung von 0,47 mW. Als Modell für biologisches Gewebe wird die 980LD-PV Zelle mit 1 bis 6 Schichten aus ca. 1 mm dicken Schweinedarm bedeckt, trotzdem werden noch Ausgangsleistungen bis zu 0,28 mW erreicht, was effizient genug ist, um viele Arten entsprechender Geräte, die unter der Haut implantiert sind, mit Energie zu versorgen.

Das weitergeführte Projekt meldet im Oktober 2012, daß die Umwandlungseffizienz der Zellen soweit verbessert werden konnte, daß bei Tests mit einer Schicht aus Hühnerhaut und einer Laserintensität, die für die Exposition des Menschen sicher ist (720 mW/cm2), eine maximale Leistung von 22,2 μW erreicht wird.

Im Oktober 2010 berichtet die Fachpresse von einer weiteren Variante, die von Carmen Rotschild am MIT in Cambridge gemeinsam mit Kollegen der University of Michigan entwickelt wird und Sonnenlicht in kohärentes Licht umwandelt.

Das Team hatte zuvor bereits einen speziellen Solarkonzentrator entwickelt (luminescent solar concentrator, LSC). In so einem herkömmlichen inkohärenten LSC wird eine Platte aus durchsichtigem Kunststoff mit einem Farbstoff dotiert, der Sonnenlicht aufnimmt und es in einem längeren Wellenlängenband wieder abstrahlt. Über die innere Totalreflexion nimmt das zurückgestrahlte Licht (oder mindestens ein Teil davon) seinen Weg zu dem Rand der Platte, wo es von langen, dünnen PV-Zellen aufgenommen wird. Zu den Vorteilen eines solchen Systems gehört, daß es relativ hohe Konzentrationen erreicht, ohne der Sonne nachgeführt werden zu müssen. Und sogar an einem völlig bewölkten Tag kann es das Licht konzentrieren. Da der Farbstoff in der Platte das Licht jedoch in alle Richtungen abstrahlt und ein Teil des Lichts aus der Platte austritt, senkt dies die Effizienz.

Kann ein solches System aber anstatt einfachem inkohärenten Licht Laserlicht zurückstrahlen, dann würde diese Strahlung innerhalb eines sehr engen Winkels emittiert und damit komplett auf die PV-Zellen geleitet werden können. Rotschild und ihre Kollegen entwickeln daher Mikroring-Laser aus drei Materialien, wobei das Ausgangs-Wellenlängenband der einen Schicht jeweils zum Absorptions-Wellenlängenband der nächsten paßt. Zuerst wird das Licht von einer sehr dünnen, äußeren Schicht hocheffizient absorbiert und reemittiert, wenngleich nicht besonders gut übertragen - was aber kein Problem ist, da diese erste Beschichtung so dünn ist. Das nächste Material absorbiert den Output der ersten Schicht und reemittiert diesen (bei einer längeren Wellenlänge), wobei die längere Übertragungsstrecke dem Licht erlaubt, in eine sogenannte Laserkavität (Lasercavity) einzutreten, die einen hohen Q-Faktor besitzt. [Das Q für Quality Factor (Gütefaktor) einer Lasercavity und beschreibt die Möglichkeit der Cavity, Licht in Form von stehenden Wellen zu speichern.] Schließlich nimmt die Laserkavität selbst, die zwar eine sehr geringe Absorption hat, dies durch ihren hohen Q-Faktor aber kompensiert, das Licht aus dem zweiten Material auf und erzeugt Laserlicht.

Die ersten experimentellen Ergebnisse sind ermutigend, es ist aber noch viel Forschung an den genutzten Materialien und der Geometrie notwendig, bevor ein praktisch umsetzbarer Solarenergie-Sammel-Laser hergestellt werden kann. Das Potential billiger, hocheffizienter Solar-Konzentratoren, die eine nur geringe PV-Fläche erfordern und das Licht auch an bewölkten Tagen konzentrieren können, läßt dieses Projekt jedoch zu einem der interessantesten Anwendungsfälle der LSC-Technologie werden.

Laserbetriebener Quadrokopter

Laserbetriebener
Quadrokopter

Wie eine solche Umsetzung aussehen kann, zeigt im Oktober 2010 die bayerische Firma Ascending Technologies GmbH, der es gelingt, einen (standardmäßig) 630 g schweren Quadrokopter vom Typ AscTec Pelican 12 Stunden und 26 Minuten lang in 10 m Höhe in der Luft zu halten und damit einen neuen Dauerflug-Weltrekord bei kleinen unbemannten Fluggeräten aufzustellen. Die Energie dafür kommt aus einem Laserstrahl, der auf spezielle Solarzellen des Quadrocopters gerichtet ist, mit denen dieser nachgerüstet wurde, und welche den kohärenten Lichtstrahl in Strom zum Betrieb der Propeller zurückverwandeln. Partner bei diesem Projekt ist die US-Firma LaserMotive, die 2009 bereits den Space Elevator Power-Beaming Wettbewerb der NASA und 900.000 $ Preisgeld gewonnen hat und die Technik des Laser Power Beamings in Zukunft für die Energieversorgung von weit entfernten Objekten wie Satelliten, Raumstationen oder Raumschiffen nutzen will. Unter dem Namen Laser Aircraft war in Japan bereits 2006 ein ähnlicher Versuch durchgeführt worden (s.u. Elektro- und Solarflugzeuge). Weitere Projekte finden sich im Unterkapitel Satellitenkraftwerke.

Im September 2011 meldet ein Team von Forschern der Scientific and Production Association (Akadempribor) in Usbekistan, daß ihm die Umwandlung von Sonnenlicht in Laserlicht mit einem Wirkungsgrad von 35 % gelungen sei – was außerordentlich ist, denn bislang waren von anderen maximal 2 % erzielt wurden. Eingesetzt wurde ein kleiner Parabolspiegel mit 1 m Durchmesser, der das Licht auf einen 2 cm bis 3 cm großen Brennfleck konzentriert. Das Licht trifft dort auf eine zweischichtige keramische Scheibe aus Neodym und mit Chrom Co-dotiertem YAG (Yttrium-Aluminium-Granat), deren eine Seite hochreflektierend, während die andere Seite das Gegenteil davon ist.

Die Elektronen in diesem Material werden durch Sonnenlicht angeregt und emittieren daraufhin ein im Infrarotbereich liegendes Laserlicht (1,06 μW). Ob, und falls ja, wie das Licht dann in Strom umgewandelt wird, konnte ich bislang nicht herausfinden. Es wird nur gesagt, daß die überschüssige Wärme durch einen mit Wasser gefüllten Kühlkörper abgeführt wird. Schon Ende 2007 war in Usbekistan der Prototyp des bislang weltweit stärksten Solar-Lasers in Betrieb gegangen (s.u. Sonnenofen).

Ende September 2012 taucht eine Meldung auf, die ich bislang leider noch nicht verifizieren konnte. Ihr zufolge hätte der 24-jährige Student Mohammed Gooda an der Bani-Suef University in Ägypten ein theoretisches Verfahren zur Verbesserung der Effizienz von Photovoltaik-Solarzellen gefunden, bei der die Sonnenstrahlung mit Hilfe von Lasern in Strom umgewandelt wird. Im Gegensatz zum photoelektrischen Effekt, auf dem die Funktion der Standard-PV-Zellen beruht, soll bei dem neuen Konzept das Prinzip der stimulierten Emission von Elektronen genutzt werden. Dieser Begriff wird mit einer Art von Feststoffen in Verbindung gebracht, die in der Lage sind, die sekundären Elektronen in einem Bereich zwischen Null und 50 V zu stimulieren.

Goodas bislang nur theoretische Solarzelle nutzt einen ähnlichen Mechanismus, wie er Laser durch die stimulierte Emission von Elektronen anregt, basiert jedoch auf Elektronen und nicht auf Photonen, wie beim Laser. Dies soll durch eine spezielle Organisation der Eigenschaften der genutzten Cäsium-Solarzelle erzielt werden. Nach Goodas Berechnungen könnten diese Zellen jedoch eine Effizienz von bis zu 70 % erreichen.


Lumeloid-Solarzellen


Lumeloid ist ein Polymer-Kunststoff-Film aus einem organischen Halbleiter, mit dem die Phototherm Inc. in Amherst, New Hampshire, seit Mitte der 1980er Experimente durchführt.

Das damit beschäftigte Wissenschaftler-Brüderpaar Alvin und Mortimer Marks beziffert den theoretischen Wirkungsgrad von Lumeloid mit 80 %, allerdings beträgt die Lebensdauer bislang maximal ein Jahr. Nachdem zwei Patente gesichert sind (US-Nr. 4.574.161 von 1984 und 4.720.642 von 1986) erfolgt der erste Bericht darüber 1988 auf der New Energy Technology conference der Planetary Association for Clean Energy in Ottawa, Ontario.

Bei der Lumeloid-Zelle wird die eintreffende Photonenenergie durch ein Polarisationsprinzip organisiert und dann in elektrischen Strom umgewandelt. Dies bedeutet nichts anderes, als daß das ansonsten ungerichtete Sonnenlicht polarisiert wird, sodaß sich alle Photonen in dieselbe Richtung bewegen. Dabei werden mikroskopisch kleine Strukturen eingesetzt, die ähnlich wie Antennen wirken. Die ungiftige Herstellung des Dünnfilms von 8 μW Dicke mitsamt seinen integrierten molekularen Dioden ist sehr günstig, und das Produkt soll einen Wirkungsgrad oberhalb von 72 % erreichen.

Möglicherweise handelt es sich bei der Lumeloid-Zelle um eine Parallel-Erfindung, denn es tauchen in ihrem Zusammenhang noch weitere Namen auf, die in den Informationen der Marks-Brüder dagegen nirgendwo erwähnt werden: Bohren, Paul und Fischer.

Alvin M. Marks jedenfalls gehörte zum Energieberater-Stab von Präsident Kennedy, hält 121 Patente und wird für Forschungen an langlebigen Solarpanelen für Spionagesatelliten teilweise auch vom CIA bezahlt. 1990 gründet er die Phototherm Bahamas Ltd., um gemeinsam mit der China Petroleum Engineering Construction Corp. einen Lumeloid-Prototyp herzustellen. Der Energiekonzern Exxon soll 9 Mio. $ für die Marks-Patente und die Phototherm angeboten haben, doch man entscheidet sich dort, nicht zu verkaufen, sondern schließt statt dessen eine Kooperationsvereinbarung mit der Westinghouse Electric Corp. ab, die großes Interesse daran zeigt, die Technologie im Rahmen der strategische Verteidigungsinitiative (‚Star Wars’) einzusetzen.

Um 1994 herum spricht Marks in einem Artikel über seine Preisvorstellungen. Der Quadratmeter soll demnach rund 5 $ kosten und bei vollem Sonnenlicht eine Leistung von 500 W erbringen. Beim System-Endpreis für den Verbraucher geht er von 30 – 50 US-Cent pro installiertes Watt aus.

1997 finanziert das Electric Power Research Institute (EPRI) mit 1,8 Mio. $ die Planung, Herstellung und den Test einer kleinen Produktionsanlage für Lumeloid-Zellen ‚on a roll’, was durch die bereits 1982 von Marks gegründete Advanced Research Development Inc. (ARDI) in Athol, Massachusetts, in Koorporation mit dem Argonne National Laboratory in Chicago auch umgesetzt wird. Die ARDI wird viele Jahre lang von der US Regierung und privaten Stiftungen finanziert. Bis zu diesem Zeitpunkt sollen rund 16 Mio. $ in die Entwicklung der Technologie geflossen sein, an der sich auch die texanischen Universitäten A&M und Cornell beteiligen.

Der Autor Whitley Strieber behauptet in einem seiner Bücher, daß das Material dann jedoch klassifiziert wurde, da es – wohl ausschließlich – für militärische Satelliten eingesetzt werden sollte. Es sei klar gewesen, daß man während des kalten Krieges auch alle diesbezüglichen Informationen so weit wie möglich zurückhielt.

In einer Meldung vom September 2000 wird davon gesprochen, daß die Zelle bereits im nächsten Jahr auf den Markt kommen soll, doch dann hört man erst wieder 2003 von dieser Technologie, mit der sich nun die Firma Polarized Solar Electric Co. aus Midlothian, Virginia, beschäftigen soll, die allerdings keine Internetpräsenz zu besitzen scheint.

Es mutet seltsam an, daß eine dermaßen effektive Technologie – und sogar die Information darüber – so gut wie vollständig aus der Öffentlichkeit verschwunden ist, während sie im militärischen Bereich inzwischen möglicherweise schon längst genutzt wird. Mehrere Artikel, auf die in einem der wenigen Berichte hingewiesen wird, sind jedenfalls nicht zu finden, auch der angegebene Link auf die Website von Dr. Marks führt ins Leere (s.a. nachfolgend unter Lepcon-Zelle).

Der ansonsten eher als 3D-Pionier bekannte Mortimer Marks stirbt 2006.


Lepcon-Solarzellen


Neben der Lumeloid-Zelle läßt sich Marks 1988 auch eine Lepcon-Zelle patentieren. Hierbei handelt es sich um ein vorläufiges Design – bei dem ein Geflecht aus Millionen von Kupfer- oder Aluminiumstreifen, die nur ein Tausendstel Millimeter breit sind, auf Glas als Trägermaterial aufgetragen wird (während die Lumeloid-Zelle aus Plastik besteht).

In beiden Fällen wird der Effekt der Photosynthese nachgeahmt, wobei eine serielle/parallele Schaltung umgesetzt wird, bei der das Licht nach zwei Vektoren ausgerichtet wird: Der erste elektrische Vektor verläuft parallel zur Netzwerk-Achse und absorbiert seinen Lichtanteil vollständig, während die zweite Achse senkrecht dazu steht und das Licht polarisiert weiterleitet, ebenfalls ohne Abstriche. Daher wird auch hier von einer theoretischen Effizienz von 80 % gesprochen – 40 % durch die direkte Umwandlung und 40 % durch die Weiterleitung.

Im Fall der Lepcon-Zelle kommt noch ein weiterer interessanter Aspekt dazu: Schaltet man umgekehrt Strom auf die Zelle, dann emittiert diese Licht. Marks nennt dies den ELCON-Effekt (Electricity to Light Converter). Doch auch über diesen Zellentyp ist später nichts mehr zu erfahren.


Mehrschicht-Solarzellen


Mehrschicht-Solarzellen aus III-V Halbleitern (auch als Mehrfach-Solarzellen, Heterojunction-, Triple- oder Multi-Junction-Cells bekannt) erreichen heute weltweit mit Abstand die höchsten Umwandlungseffizienzen, werden aber aufgrund der hohen Material- und Herstellungskosten zumeist nur im Weltraum und in konzentrierenden PV-Systemen eingesetzt, weshalb ich sie in dem entsprechenden Kapitelteil präsentiere (s.d.). Der wichtige Unterschied gegenüber konventionellen Solarzellen ist die mehrschichtige Struktur aus Halbleitermaterial, die den verschiedenen Frequenzen des Sonnenlichts entspricht.

Hier – d.h. bei den Solarzellen-Arten – werde ich eine Übersicht der aktuellen Entwicklungen und des Marktgeschehens geben, bei der es allerdings zu einigen ‚Dopplern’ kommen kann.

Das High Technology Center des US-Unternehmens Boeing soll schon 1989 eine Mehrschicht-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 37 % entwickelt haben. Später werden diese Arbeiten von der Boeing-Tochter Spectrolab fortgeführt, die 2007 die Massenherstellung der hocheffizienten Solarzellen startet, die einen Wirkungsgrad von 38,5 % aufweisen (die schon 1956 gegründete Spectrolab war im Jahr 2000 von der Boeing Co. gekauft worden). Mitte 2009 geht die C3MJ Serie in Produktion, von der innerhalb anderthalb Jahre mehr als 2 Millionen Zellen an Kunden auf der ganzen Welt verkauft werden. Testzellen im Labor erreichen zu diesem Zeitpunkt sogar schon 41,6 %.

Viel Presse bekommt das Unternehmen im November 2010 aufgrund der Meldung, daß es mit der Massenproduktion seiner weiterentwickelten konzentrierenden Solarzelle vom Typ C3MJ + beginnt, die eine Effizienz von 39,2 % aufweist, und die damit zu diesem Zeitpunkt die effizienteste Zelle auf dem Markt darstellt. Die Auslieferung soll im Januar 2011 beginnen.

Das NREL veröffentlicht 2007 (?) eine Tabelle mit den Steigerungen der Wirkungsgrade von Forschungs-Solarzellen seit 1976 – die von den Spectrolab-Mehrschicht-Konzentratorzellen angeführt wird. Um auch die Namen der anderen Unternehmen und Zellentypen lesen zu können, gebe ich diese Tabelle etwas vergrößert wieder.

Im April 2006 als Spin-off der University of Toledo gegründet, entwickelt die in Toledo, Ohio, beheimatete Firma Xunlight Corp. Silizium-Dünnschicht-PV auf flexiblen Substraten. Während das Silizium mittels einer plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (plasma-enhanced chemical vapour deposition, PECVD) abgeschieden wird, verwendet das Unternehmen ein Magnetron-Sputter-Deposition-System um die nicht-Halbleiterschichten (Al, Ag, ITO und ZnO) abzuscheiden. Im Mai 2007 erhält Xunlight in einer Finanzierungsrunde A Investitionsmittel in Höhe von 7 Mio. $, gefolgt von einer Runde B im April 2008, die weitere 22 Mio. $ einbringt. Die Investoren sind Rabo Ventures, Emerald Technolog Ventures, NGP Energy Technology Partners und Trident Capital. Dazu gibt es erhebliche FuE-Fördermittel des DOE, des Air Force Research Laboratory (AFRL), des National Institute of Standards and Technology (NIST) und anderen staatlichen Quellen.

Zeitgleich wird das Tochterunternehmen Xunlight 26 Solar LLC (X26) gegründet, um Solarzellen auf Basis von Cadmium-Tellurid und anderen II-VI-Verbindungshalbleitern zu entwickeln und zu vermarkten. Zum Start gibt es einen Zuschuß des Bundesstaates Ohio in Höhe von knapp 1 Mio. $. Dieses Projekt wird in Zusammenarbeit mit der Universität von Toledo und der Firma Akron Polymer Systems durchgeführt.

Großpaneel von Xunlight

Großpaneel von Xunlight

Im Juni 2008 zeigt Xunlight seinen Solarzellen-Abscheidungsprozeß auf einer 2 MW Rolle-zu-Rolle Pilot-Produktionslinie, im Juli gibt es 4,97 Mio. $ aus dem Staat Ohio Research Commercialization Programm, und im August gelingt es dem Unternehmen in einer dritten Finanzierungsrunde weitere 11 Mio. $ von Rabo, Trident und Emerald einzuwerben. Im Dezember folgt ein Darlehen über 7 Mio. $ vom Bundesstaat Ohio für den Bau einer 25 MW Fertigungsanlage.

Diese wird im Mai 2009 erfolgreich demonstriert und ermöglicht es Xunlight, durch eine Reihe von Vakuumkammern für die Abscheidung von insgesamt neun Halbleiterschichten 3 m breite und bis zu 1.600 m lange Solarzellen auf dünnem Edelstahlblech zu produzieren. Im August beginnt Xunlight mit der Auslieferung und Installation seiner ersten Produkte. Dabei handelt es sich um leichte und mechanisch flexible Solarmodule, die in vier verschiedenen Breiten speziell für Aufdachanlagen entwickelt worden sind. Die größten Paneele sind 5,5 m lang und 1 m breit.

Das interessante ist, daß alle diese Produkte die Bandlücken-abgestimmten Triple-Junction-Dünnschicht-Silizium-Solarzellen verwenden, die auf der amorphen Silizium-Germanium-Technologie (ASiGe) basiert, welche ursprünglich an der Universität Toledo entstand. Die Zellen bestehen aus einem Verbund von drei Materialien: amorphes Silizium, amorphes Silizium-Germanium und nanokristallines Silizium. Damit erreichen die Xunlight-Paneele eine Effizienz von rund 8 %.

Im Januar 2010 gibt es für Xunlight eine Steuergutschrift in Höhe von 34,5 Mio. $, im April erhalten die Solarmodule die ANSI / UL 1703 Zertifizierung für den nordamerikanischen Markt, und im Juni gibt das Unternehmen bekannt, daß 24 Stück seiner flexiblen Triple-Junction-XR36-Module (sowie 62 andere Solarpaneele) nun zur Versorgung der ersten zu 100 % solar betriebenen Ricoh-Werbetafel am New York City Times Square eingesetzt werden. An diesem Projekt sind außerdem die Ricoh Americas Corp., Takara Media, die Cooley Group und Lamar Advertising beteiligt (zuvor wurde die runde Anzeigetafel seit April 2009 mit 16 Windturbinen und 64 anderen Solarpaneelen versorgt und beleuchtet, siehe unter Neue Designs und Rotorformen).

Die jüngste Meldung stammt vom Mai 2012 und besagt, daß Xunlight ein US-Patent für die 2. Generation der Rolle-zu-Rolle-Dünnschicht-Silizium-Solarzellen-Maschinen erhalten hat.

Seit mehr als zehn Jahren beschäftigt sich auch das Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) intensiv mit der Entwicklung von Mehrfachsolarzellen aus III-V Halbleitern für die Anwendung in Konzentratorsystemen. Ab 2006 wird an einem neuen Programm zur theoretischen Berechnung der optimalen Kontaktstruktur gearbeitet.

Im Juli 2008 erzielen die Forscher um Frank Dimroth mit 37,6 % Wirkungsgrad einen neuen Europarekord. Bei den metamorphen Dreifachsolarzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) und Germanium (Ge) wird das Sonnenspektrum in drei Wellenlängenbereiche aufgeteilt, um es besonders effizient in elektrische Energie umwandeln zu können. Den Wirkungsgradrekord erzielen die Forscher mit sehr hohen Einstrahlungsintensitäten von 1700-facher Sonnenkonzentration, wobei das Sonnenlicht auf eine nur wenige Quadratmillimeter große Mehrfachsolarzelle gebündelt wird. Wichtigstes Ziel der Entwicklung war, daß die Solarzellen auch bei höchsten Intensitäten zuverlässig arbeiten, wobei insbesondere die Qualität der nur 30 nm dünnen Tunneldioden, mit denen die drei Teilzellen verbunden werden, von entscheidender Bedeutung sind.

Die Mehrfachsolarzellen des ISE bestehen aus komplexen Strukturen mit mehr als 30 Einzelschichten aus III‑V Verbindungshalbleitern, die alle eine sehr hohe Kristallqualität besitzen müssen. Zur ihrer Herstellung wird eine große Produktionsanlage zur Metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) auf einem Germanium-Substrat der Firma Aixtron eingesetzt. Unterstützt werden die Arbeiten durch das EU-Forschungsprojekt FULLSPECTRUM, ein integriertes Projekt mit 19 europäischen öffentlichen und industriellen Forschungseinrichtungen aus sieben EU-Mitgliedstaaten, sowie Rußland und der Schweiz. Das im November 2003 gestartete Projekt wird von der Universidad Politécnica de Madrid koordiniert und ist mit einem Gesamtbudget von € 14,7 Mio. € ausgestattet, von dem die Europäische Kommission 8,4 Mio. € trägt.

Mehrschichtzelle des ISE

Mehrschichtzelle des ISE

Durch weitere Optimierung der Kontaktstrukturen gelingt es, die maximale Effizienz auch bei nur noch knapp 300 Sonnen zu erreichen. Der wesentliche Unterschied liegt in der Metallisierung der Vorderseiten, wo ein Netzwerk aus dünnen Metalladern den Strom von der Mitte der Solarzelle bis hin zum Rand leitet, wo er dann von einem 50 µm dicken Golddraht abgegriffen wird. Im September 2008 wird mit einer Effizienz von 39,7 % ein weiterer Rekord erzielt ... der im Januar 2009 schon wieder übertroffen wird, als am ISE mit 454-fachem Sonnenlicht auf einer 5 mm2 kleinen Mehrfachsolarzelle ein Wirkungsgrad von 41,1 % erreicht wird.

Das Fraunhofer ISE arbeitet zusammen mit den Firmen Azur Space Solar Power in Heilbronn sowie Concentrix Solar GmbH in Freiburg, um die neue Technik so schnell wie möglich konkurrenzfähig zu machen (s.u. Optimierungs- und Verstärkungstechniken). Für die Entwicklung der metamorphen Dreifachsolarzelle erhält ä Frank Dimroth im Juni 2010 im Institut de France in Paris den höchst dotierten französischen Wissenschaftspreis der ‚Fondation Louis D’. Im Dezember 2011 folgt deutsch-französische Wirtschaftspreis, den die Fraunhofer Forscher gemeinsam mit ihren französischen Kollegen des Carnot-Instituts Laboratoire d’électronique des technologies de l’information CEA-LETI für die Entwicklung wiederverwendbarer Substrate für III-V Mehrfachsolarzellen erhalten. Während bislang die Solarzellen auf den Germanium- oder Galliumarsenidkristallen verbleiben müssen, lassen sie sich von dem neuen Substrat ablösen. Bereiten die Forscher das Substrat auf, können sie weitere Solarzellen darauf herstellen, wodurch sich deren Kosten um bis zu 20 % reduzieren lassen. Bei diesem Projekt arbeiten die Forscher eng mit der französischen Firma SOITEC zusammen, in deren Konzentrator-Modulen die neuen Solarzellen künftig verwendet werden sollen.

Eine Aktualisierung der NREL-Tabelle zeigt klar, wo die Reise zwischenzeitlich hingegangen ist.

Ein US-Unternehmen, das sich im Bereich der Mehrfachsolarzellen engagiert, ist das 2005 gegründete Start-up GreenVolts Inc. in Fremont, Kalifornien, das außerdem integrierte Solaranlagen, Module, Solartracker, Wechselrichter usw. anbietet. Im März 2009 bekommt GreenVolts 0,5 Mio. $ vom National Renewable Energy Laboratory (NREL), um innerhalb der beiden Folgejahre gemeinsam eine erweiterte Inverted Metamorphic (IMM) Multi-Junction-Solarzelle weiterzuentwickeln und zu vermarkten, die auf Patenten des NREL basiert und einen Wirkungsgrad von 40,8 % hat. Auch über GreenVolts berichte ich ausführlich unter Optimierungs- und Verstärkungstechniken (s.d.).

Im August 2009 meldet die Fachpresse, daß es Forschern der australischen University of New South Wales (UNSW) um Prof. Martin Green gelungen sei, Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 43 % zu entwickeln, die das Licht im roten und infraroten Bereich des Spektrums besonders effektiv einfängt. Das Team nutzt dabei die Tatsache aus, daß die verschiedenen Farben des Sonnenlichts stark variierende Energiedichten aufweisen und eine Kombination von Solarzellen unterschiedlicher Materialien das Sonnenlicht effektiver umwandeln kann als eine einzelne Solarzelle. Die Zelle der UNSW besteht aus insgesamt fünf, für verschiedene Wellenlängenbereiche sensibilisierte Zellschichten.

Das japanische Elektronikunternehmen Sharp berichtet im Oktober 2009, daß seine Mehrschicht-Solarzellen inzwischen eine Effizienz von 35,8 % aufweisen, was als wichtiger Meilenstein für Nicht-Konzentrator-Solarzellen gilt. An der Entwicklung einer Mehrschicht-Solarzelle in Triple-Junction-Technologie mit drei Licht absorbierenden Halbleiterschichten aus Gallium, Indium und Indium-Gallium-Arsenid, arbeitet das Unternehmen seit dem Jahr 2000. Den aktuellen Durchbruch erzielt Sharp im Rahmen einer Initiative für Forschung und Entwicklung, die von der japanischen NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) unter dem Motto ‚R&D on Innovative Solar Cells’ ab 2001 gefördert wird.

Im Jahr 2002 wird die Triple-Junction-Solarzelle von der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) zertifiziert, 2003 wird auf Forschungsebene ein Umwandlungswirkungsgrad von 31,5 % erreicht, und 2004 startet ein kleiner Forschungssatellit namens Reimei, der mit den Mehrschicht-Solarzellen von Sharp ausgerüstet ist. Im Jahr 2007 erreicht eine Labor-Mehrschicht-Solarzelle einen Wirkungsgrad von 40,0 %, wobei eine Konzentrator-Technik mit der Einstrahlung von 1.100 Sonnen eingesetzt wird. 2009 folgt der Start des Greenhouse gases Observing SATellite (GOSAT) Ibuki, der ebenfalls von Solarzellen in Triple-Junction-Technologie versorgt wird. Nach dem Erreichen des neuen Rekords will Sharp seine Triple-Junction-Solarzellen nun innerhalb von 3 Jahren kommerzialisieren. In der Zwischenzeit konzentriert man sich auf die weitere Optimierung und Steigerung der Produktionsmenge von Dünnschicht-Solarzellen.

Im Januar 2010 zeigt Sharp auf der CES Triple-Junction-Solarzellen mit einer Effizienz von 35,8 %, mit denen u.a. auch der Tokai Solar Car ausgestattet ist, mit dem sich das Unternehmen an Solarrennen beteiligt und im Folgejahr die World Solar Challenge 2011 in Australien gewinnt. Im Juli 2011 meldet Sharp, daß man inzwischen bei 36,9 % angekommen sei – was erst im Dezember 2012 mit 37,7 % wieder übertroffen wird... während bei den Laborzellen im Juni 2012 ein neuer Rekord mit 43,5 % aufgestellt wird. Dieser gelingt, indem der Abstand zwischen den Elektroden auf der Oberfläche der Konzentrator-Zelle optimiert und der elektrische Widerstand der Zelle minimiert wird.

Schichtung und Wellenlängen-Empfindlichkeit der Sharp-Solarzelle

Wellenlängen-Empfindlichkeit und Schichtung
der Sharp-Solarzelle

Die Emcore Corp. in Albuquerque, New Mexico, liefert neben anderen Halbleiterprodukten auch Triple-Junction-Zellen aus Galliumarsenid mit einem Wirkungsgrad von 39 % für die Raumfahrt sowie für terrestrische CPV-Anwendungen. Mittels Linsen und Spiegeln erreichen die 1090X Module von Emcore eine 500-fache Sonneneinstrahlung und einen Systemwirkungsgrad von > 26 %. Wann die Firma gegründet wurde konnte ich bislang nicht herausfinden, doch das Unternehmen ist 2007 jedenfalls schon gut im Geschäft (s.u. Optimierungs- und Verstärkungstechniken). Die letzte Meldung vor dem aktuellen Update stammt vom März 2011 und besagt, daß Emcore Anteile der CPV-Firma Soliant Energy Inc. erworben hat.

Die Firma Solar Junction wird im Jahr 2007 als Spinoff der Stanford University gegründet und beschäftigt sich ebenfalls mit Multi-Junction-Zellen für CPV-Anwendungen. Das NREL bescheinigt dem in San Jose, Kalifornien, beheimateten Unternehmen im Januar 2011, daß seine Galliumarsenid-Zellen bei 1.000-facher Sonneneinstrahlung einen Wirkungsgrad von 40,9 % erreichen. Nur einen Monat später sind es schon 41,4 %. Durch weitere Optimierungen gelingt es Solar Junction bereits im April 2011 mit seinen Mehrschichtzellen eine Effizienz von 43,5 % zu erzielen. Dieser Prozentsatz wird bei 400 Sonnen erreicht und dauert konstant bis 1.000 Sonnen. Die Menge des Eintrags von Sonnenlicht in die 5,5 x 5,5 mm großen PV-Zellen wird durch Verwendung von Spiegeln erweitert, welche das Licht konzentrieren und den Lichtverlust minimieren. Solar-Junction plant nun, die Produktion auf 250 MW zu erweitern und innerhalb eines Jahres mit dem Vertrieb kommerzieller Zellen zu starten. Die jüngste Meldung stammt vom Oktober 2012 und besagt, daß das NREL einen neuen Rekord der Solar-Junction-Zellen gemessen hat: 44 % (bei 947 Sonnen).

Im Juni 2011 startet die Firma Smart Solar International Inc., eine Ausgründung der Universität von Tokio vom August 2009 mit Hauptsitz in Sendai-city, in ihrem Sanbongi Werk in der Stadt Osaki, Präfektur Miyagi, mit der Produktion hocheffizienter Triple-Junction-Solarzellen (InGaAs/InGaP/Ge). Bei dem in Serie gehenden Produkt A mit einem Output von 120 W, das für den Einsatz in kommerziellen Einrichtungen gedacht ist, sind die PV-Zellen in einem lichtbündelnden Parabolspiegelsystem mit einachsiger Sonnennachführung eingebettet. Ein System zum Verhindern von Überhitzung besitzt Kanäle, welche die Wärme zum Erhitzen von Brauchwasser nutzen.

Das Unternehmen präsentiert einen Prototyp mit Multi-Junction-PV-Zellen, die bei einer 100-fachen Lichtkonzentration einen Zellenwirkungsgrad von 36 % aufweisen. Ohne ‚Lichtkondensierung’ erreichen die Zellen immerhin 32 %. Von dem ursprünglichen Plan, Siliziumzellen zu nutzen, scheint man schnell wieder abgerückt zu sein.

Mehrschicht-Solarzellen von Smart Solar

Mehrschicht-Solarzellen
von Smart Solar

Im September 2011 installiert Smart Solar auf dem Dach seines Forschungs- und Entwicklungszentrums (Sendai-Finland Wellbeing Center) im Rahmen eines dreijährigen Versuchs 24 Einheiten seiner SSI VS200 Solarzellenmodule mit einer maximalen Gesamtleistung von 2,88 kW, was rund 7 % des hauseigenen Stromverbrauchs decken soll. In einigen Berichten werden inzwischen Fotos veröffentlicht, auf denen statt des Parabolspiegelsystems ein Fresnel-Reflektor aus Aluminiumstreifen zu sehen ist.

Im März 2012 wird gemeldet, daß Smart Solar eine erweiterte Version entwickelt hat: das Produkt B mit einem Output von 560 W, das umgehend in Produktion gehen soll. In Planung befindet sich ferner ein Produkt C mit einem Output von 840 W.

Im November 2011 berichtet das unabhängige Forschungszentrum Interuniversity Microelectronics Center (IMEC) auf der 21. International Photovoltaic Science and Engineering Conference in Fukuoka, Japan, über die Ergebnisse der Zusammenarbeit mit der Firma Kaneka Corp. bei der Entwicklung Silber-freier Mehrschichtzellen aus Silizium. Basierend auf IMECs bestehender Kupferleitungs-Galvanotechnik und Kanekas Dünnschicht-Zellen wird mit 6-Zoll-Silizium-Substraten und einem, über der transparenten und leitfähigen Oxidschicht galvanisch aufgebrachten, Kupfer-Kontaktgitter ein Wirkungsgrad von mehr als 21 % erreicht. Diese Lösung beseitigt nicht nur die Nachteile des Silber-Siebdrucks, sondern bietet darüber hinaus den Vorteil höherer Wirkungsgrade und niedriger Herstellungskosten.

Im Juni 2012 melden das IMEC und die Kaneka Corp. einen Durchbruch bei den Silizium-Mehrschichtzellen mit galvanisch aufgebrachten Kupferkontakten. Im Labor von Kaneka in Osaka wird ein Wirkungsgrad von 22,68 % erreicht.

Ein neues Projekt von Prof. Harry Atwater am California Institute of Technology (CALTECH), Mitgründer der Firma Alta Devices (s.u. Gallium-Arsenid), das im Januar 2013 startet und mit 2,4 Mio. $ von der Agency for Energy finanziert wird, zielt auf Mehrschicht-Solarzellen mit Wirkungsgraden von über 50 %. Dabei sollen genau strukturierte Materialien entwickelt werden, um Sonnenlicht in acht bis zehn verschiedene Farben zu spalten und so zu lenken, daß sie jeweils auf Solarzellen mit Halbleitern treffen, die optimal auf jede Farbe abgestimmt sind. Dies war bislang mit technischen Schwierigkeiten verbunden.

Atwater verweist in seinem Ansatz darauf hin, daß in den letzten Jahren große Schritte gemacht worden sind, um Licht in einem sehr kleinen Maßstab zu manipulieren, nach Farbe zu sortieren, einzufangen und mittels dünner Schichten von Material von einem Ort zum anderen zu führen. Auch die Werkzeuge, die benötigt werden, um die nanostrukturierten Materialien herzustellen, beginnen auf den Markt kommen.

Mit diesen Fortschritten sollte es gelingen, Licht präzise und in einem kompakten, flachen Paket zu manipulieren, das einer herkömmlichen Solarzelle ähnelt. Eine Schicht würde das Licht aufteilen, farblich sortieren und dann an eine zweite Schicht weiterleiten, die ein Array von Solarzellen enthält, welche auf jede Farbe abgestimmt sind. Der Wissenschaftler vergleicht das Gerät mit einem Flachbildschirm, der ein hochentwickeltes Gerät zur Manipulation von Licht darstellt, mit unglaublich komplexen optoelektronischen Schaltungen und Millionen von Transistoren für das Ein- und Ausschalten der verschiedenfarbigen Pixel. Während die ersten Screens noch viele Tausende von Dollar kosteten und Mängel hatten, gibt es sie heutzutage für weniger als hundert Dollar und mit weitestgehend perfekter Funktion. Ähnlich könnte es bei einer entsprechenden Massenproduktion von Hochleistungs-Multi-Junction-PV-Zellen aussehen, die im Vergleich zu einem Flat-Display fast primitiv wirken.

Einen mindestens ebenso interessanten Ansatz verfolgt Prof. Nikita Hirsch mit seiner im September 2012 gegründeten Firma Picosolar GmbH (i.G.) in Saarbrücken. Während seiner Tätigkeit am Wissenschaftlichen Produktionszentrum für Kristallophysik in Moskau wurde dort – eher zufällig – eine ‚Nano-quantum-mechanische bzw. Quantum-chemische Dünnschichttechnologie-Folie’ entdeckt, die, wie sich später herausstellte, als photovoltaisch nutzbare Folie verwendbar ist, welche das gesamte Farbspektrum des Lichtes absorbiert. Im Labor soll bereits ein Wirkungsgrad von über 40 % nachgewiesen worden sein.

Falls diese Folie die Produktreife erlangt, wird sie biegsam, ultraleicht, reiß- und kratzfest sein. Bei einer gesicherten Lebensdauer von mehr als 25 Jahren wird mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von bis zu 80 % gerechnet. Die Folie könnte außerdem farbneutral, beliebig eingefärbt oder bedruckt ausgeliefert werden. Ein Patent ist bereits angemeldet.

Zum Abschluß präsentiere ich noch die aktualisierte Tabelle des NREL mit der Entwicklung der verschiedenen Solarzellenarten, deren Wirkungsgrade noch immer von den Multi-Junction-Zellen angeführt werden.


Melanin-Solarzellen


Im Mai 2011 erfahre ich erstmals über den mexikanischen Forscher Dr. Arturo Solís Herrera - ein Chirurg, Augenarzt und Pharmakologe -, der seit 1990 an seinem Human Photosynthese Study Center in Aguascalientes, Mexiko, Erkrankungen des menschlichen Auges untersucht. Im Laufe der Jahre entdecken er und sein Team die Bedeutung des Pigments Melanin (Polihydroxyindol) in Bezug auf Augenerkrankungen, denn aus irgendeinem Grund scheint Melanin das Gewebe des Auges zu schützen.

Die Wissenschaftler finden heraus, daß Melanin Energie aus elektromagnetischer Strahlung sammelt und benutzt, um Wasser in Wasserstoff, Sauerstoff und vier zusätzliche Elektronen aufzuspalten. Davon ausgehend entwickeln sie eine Art Solarzelle aus einer Melanin-Lösung in Wasser und einem Elektroden-Paar, und können mit dem Spannungspotential LEDs zum Leuchten bringen. Mit einer Zelle, die 200 mA bei 600 mV produziert, läßt sich sogar ein Musik-Player betreiben, wobei Herrera glaubt, daß die Ausgangsleistung noch signifikant erhöht werden kann. Als Grund nennt er die Annahme, daß das Melanin die Energie aus einem sehr breiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums produziert: „...alles, von Gammastrahlen bis zu Infrarot und sichtbarem Licht.“

Eine Reihe von Patentanmeldungen dieser Technologie sollen bereits eingereicht worden sein. Sonst ist nichts mehr darüber zu erfahren. Eine interessante Frage: Welche Frequenzen der elektromagnetischen Wellen werden durch menschliches Melanin optimal absorbiert?


Multi-Junction-Solarzellen


Siehe unter Mehrschicht-Solarzellen



Weiter mit den verschiedenen Solarzellenarten...