Photovoltaik

Als Game Changer des globalen Energiesystems sieht die Global Alliance of Solar Energy Research Institutes (GA-SERI), der das Fraunhofer ISE neben NREL (USA) und AIST (Japan) als Mitglied angehört, die Photovoltaik. Ein Artikel dazu wurde im Mai 2019 im Journal »Science« veröffentlicht. Zu dieser Wahrnehmung geführt haben dramatische Kostensenkungen und der rasante Ausbau der Produktionskapazitäten. Nicht nur der Stromsektor, sondern auch Verkehr, Wärme, Industrie und Chemieprozesse werden in Zukunft maßgeblich durch Solarstrom versorgt. Darin liegen Chancen, aber auch Herausforderungen – auf der Ebene des Energiesystems ebenso wie für Forschung und Industrie. Ende 2018 waren weltweit ca. 488 GW PV-Leistung installiert. Der dominierende Kostenanteil von PV-Kraftwerken, die Investitionskosten, fielen seit 2006 dank technologischen Fortschritts, Skalen- und Lerneffekten im Mittel um ca. 13 % pro Jahr, insgesamt um 75 %. In Deutschland können heute konkurrenzfähige Stromgestehungskosten von 4–5 Eurocent/kWh erreicht werden. Um die Energiewende erfolgreich umsetzen zu können und uns dem Ziel einer CO₂-freien Energieversorgung zu nähern, benötigen wir einen PV-Ausbau, der nicht mehr nur auf Dächern und Freiflächen realisiert werden wird. Wir haben daher am Fraunhofer ISE das Thema »Integrierte Photovoltaik« gestartet. Forschung und Entwicklung haben an der Erfolgsgeschichte der Photovoltaik einen ganz wesentlichen Anteil. Das Fraunhofer ISE trägt mit seinen hervorragenden FuE-Ergebnissen zur kontinuierlichen Verbesserung der Wirkungsgrade sowie beim Materialeinsatz bei. Zentrale Stichworte sind die am Institut entwickelte Technologie zur Passivierung der Kontakte (Tunnel Oxide Passivated Contact – TOPCon) sowie die Entwicklung eines speziellen High Performance Siliciums, das die Grundlage für neue Rekordwirkungsgrade bildet. Die Wafer-Bearbeitung überführen wir vom bisherigen Standort Freiberg an das Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) in Halle. Ein weiterer Themenschwerpunkt dort ist das an Bedeutung gewinnende Recycling. Die Vorlaufforschung des Fraunhofer ISE wird in unserem PV-TEC – Photovoltaic Technology Evaluation Center industriell umgesetzt.

Ein zukunftsweisender Ansatz sind Tandemsolarzellen, die es uns ermöglichen, das begrenzende Auger-Limit von 29,4 % bei Einfachsolarzellen aus Silicium zu überwinden. Bei der Entwicklung von Tandemkonzepten kommen uns die über vier Jahrzehnte erworbenen Kompetenzen im Bereich Siliciumsolarzellen sowie bei der Herstellung von Mehrfachsolarzellen zugute. 2019 konnten wir den Weltrekord für eine monolithisch hergestellte Mehrfachsolarzelle aus III-V-Halbleitern und Silicium auf 34,1% verbessern. Für eine Tandemzelle Perowskit auf Silicium erzielten wir einen Wirkungsgrad von 24,5%.

In der Konzentratortechnologie zeigen wir bei Mehrfachzellen Spitzenwirkungsgrade von bis zu 46,1 % und einen Rekordwirkungsgrad für ein Modul von 41,4 %. Auch unsere Arbeiten an organischen und Perowskitsolarzellen eröffnen interessante Perspektiven und Anwendungsmöglichkeiten.

Wir entwickeln zudem Verfahren zur präzisen Charakterisierung und Ertragsanalyse von Zellen und Modulen erfolgreich weiter. Unser akkreditiertes CalLab PV Modules verfügt über einen weltweit führenden Wert hinsichtlich der Messunsicherheit von nur 1,1 %.

Mit unserem Portfolio sind wir für die Zukunft gut aufgestellt und tragen dazu bei, Photovoltaik noch effizienter zu machen – in Bezug auf Energieertrag, auf Produktionsverfahren, Materialeinsatz sowie auf eine nachhaltige Prozesskette.

Über 90 % aller Solarzellen weltweit werden aus kristallinem Silicium hergestellt. Schlüssel für diese dominierende Marktstellung sind zum einen ein robuster und kostengünstiger Herstellungsprozess und zum anderen der hohe Wirkungsgrad und die große Zuverlässigkeit von Silicium-basierten PV-Modulen. Gerade der Wirkungsgrad spielt für die weitere Kostensenkung der Stromgestehungskosten eine entscheidende Rolle und steht deshalb im Mittelpunkt unserer Forschungsaktivitäten.

Das Fraunhofer ISE unterstützt die Forschung und Entwicklung von Material-, Modul- und Anlagenherstellern durch eine weltweit einzigartige FuE-Infrastruktur mit über 3000 m² Labor und Technikumsfläche. Die wissenschaftliche und technologische Kompetenz unserer über 300 Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen, Ingenieure und Ingenieurinnen sowie Techniker und Technikerinnen reicht dabei vom Siliciummaterial über Solarzelle und Modul bis zum System. So können unsere Kooperationspartner nicht nur auf einzelne Technologien zugreifen, sondern über die gesamte Wertschöpfungskette mit uns zusammenarbeiten.

Der Technologiereifegrad unserer Projekte umfasst die gesamte Bandbreite von der Laborforschung bis zur industrienahen Entwicklung. Mit neuen Technologien und Weltrekordwirkungsgraden aus unseren Forschungslabors setzen wir immer wieder wissenschaftliche Trends in der Photovoltaik und geben so wichtige Impulse für Neuentwicklungen. In unseren Technologiezentren PV-TEC und SiM-TEC mit ihrer industrienahen Infrastruktur können wir reifere Konzepte unter realistischen Bedingungen evaluieren sowie innovative und industrienahe Fertigungsprozesse entwickeln. Neben der topaktuellen Technologie sind tiefgehende Charakterisierungen der zugrunde liegenden Materialien, Prozesse und Produkte und eine sorgfältige Qualitätssicherung über die gesamte Wertschöpfungskette für unsere Kunden und Kooperationspartner von großer Bedeutung. Als neuen Leuchtturm unserer Solarzellenforschung eröffnen wir 2020 das neue Gebäude für unser Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen.