Immer wieder verkünden Forschungslabore und Entwicklungsabteilungen neue Effizienzrekorde für Solarzellen. Doch in der Regel handelt es sich dabei um kleine Labormuster. Selbst die neuesten Effizienzrekorde auf Modulebene, die das Fraunhofer ISE vor einigen Tagen aufgestellt hat, wurden nicht auf einem großen Paneel erreicht, sondern im kleineren Labormaßstab. In der Regel gehen Wirkungsgrade verloren, wenn die Zellen oder Module in die Massenfertigung überführt werden.
Hier trennt sich die Spreu vom Weizen. Denn nicht jede Technologie, die im Labor vielversprechende Ergebnisse liefert, schafft auch den Sprung auf den Markt. Es sind dabei nicht nur die Skalierbarkeit und die hohen Kosten für die Entwicklung und Einführung in die Produktion. Auch die Konkurrenz durch bestehende Produkte steht als Hürde auf dem Weg von der wissenschaftlichen Entdeckung zum wirtschaftlich erfolgreichen Produkt.
Laborentwicklungen besser in den Markt bringen
Wie Laborentwicklungen besser in den Massenmarkt gelangen, haben Forscher:innen in der Schweiz an der Eidgenössischen Material- und Prüfungsanstalt (Empa) untersucht. Im Mittelpunkt stand die Frage: Was können Forscher:innen und die Industrie tun, um die Erfolgsquote zu steigern? „Wir wollten verstehen, welche Voraussetzungen auf akademischer und auf Industrieseite erfüllt sein müssen, um eine Solarzelle zu entwickeln, die sich langfristig auf dem Markt behaupten kann“, erklärt Empa-Forscherin Mirjana Dimitrievska, Erstautorin der Studie.
Fraunhofer ISE schafft Modulwirkungsgrade von 31 und 34 Prozent
Dazu hat sie zusammen mit ihrem Team zwei neuartige Materialien für Dünnschicht-Solarzellen analysiert: Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, bekannt unter der Abkürzung CIGS, sowie Perovskite. Beide Halbleiter versprechen zumindest in der Theorie hervorragende Wirkungsgrade. Mit ihnen konnten bereits Rekordeffizienzwerte im Labor erreicht werden. Doch beide Technologien haben noch Schwächen. Die CIGS-Solarzelle konnte sich gegen das immer billiger werdende Silizium nicht durchsetzen, da auch der Herstellungsprozess sehr komplex war. „Perovskite wiederum sind noch nicht sehr stabil“, sagt Mirjana Dimitrievska. „Sie reagieren sehr empfindlich auf Umwelteinflüsse. Auch wurden Perowskit-Solarzellen, im Gegensatz zu denjenigen aus CIGS, noch kaum über längere Zeit unter reellen Umweltbedingungen getestet.“
1. Mehr auf Langlebigkeit als auf Effizienzrekorde konzentrieren
Damit die Schwächen der neuen Technologie nicht zum Verhängnis werden, haben Dimitrievska und ihr Team einige Empfehlungen formuliert. „Wir sollten aus unseren Fehlern lernen, insbesondere aus der Erfahrung mit der Kommerzialisierung von CIGS-Zellen“, sagt sie. So sollten sich die Entwickler auf Eigenschaften wie Widerstandsfähigkeit, Stabilität und Nachhaltigkeit des Materials konzentrieren und weniger auf weitere Effizienzrekorde.
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2. Langfristige Feldstudien durchführen
Sie sollten auch langfristige Feldstudien durchführen. „Es ist der Industrie viel wichtiger, dass das Produkt eine lange Lebensdauer hat, zuverlässig ist und sich kostengünstig herstellen lässt, als ein paar Prozentpunkte mehr Effizienz“, weiß die Schweizer Forscherin. „In der Forschung werden aber vor allem Effizienzrekorde belohnt. Sie führen zu hochkarätigen Publikationen und ziehen Forschungsgelder an.“
3. Industrie und Forschung früh zusammenbringen
Deshalb rät sie, dass Forschung und Industrie schon früh zusammenarbeiten. Von der Industrie wünschen sich die Forscher:innen etwas mehr Offenheit. „Manchmal kommen wir mit einer Idee auf einen Industriepartner zu, und sie sagen uns: ‚Das haben wir schon vor zehn Jahren probiert, das funktioniert nicht‘“, berichtet Mirjana Dimitrievska aus eigener Erfahrung. „Würden solche negativen Ergebnisse veröffentlicht, käme die Forschung viel schneller voran.“
Doch auch die Forscher:innen sollten ihrerseits die Bedürfnisse der Industrie möglichst früh einbeziehen, empfehlen die Autor:innen der Studie. Sie sollten dabei auch Institute, wie die Empa einbeziehen, die der Industrie in der Regel näher sind als Hochschulen, sagt Dimitrievska.
Investitionen in Forschung weiterhin notwendig
Denn Investitionen in die neuen Technologien sind weiterhin wichtig und notwendig. „Silizium ist nicht der beste Halbleiter für Solarzellen“, erklärt Dimitrievska. „Diese Technologie wird aber schon seit über 70 Jahren entwickelt und ist dank kontinuierlicher Forschung und Investitionen bereits sehr stark optimiert. Wenn Forschung und Industrie eng zusammenarbeiten, lässt sich das auch für Perowskite und CIGS erreichen“, ist sie sich sicher. Die gesamte Studie „Lessons from copper indium gallium sulfo-selenide solar cells for progressing perovskite photovoltaics“ erschien in der Fachzeitschrift Nature.
