Solartechnologien zur Stromerzeugung

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1 Das Informationsblatt der Abteilung für Wissenschaft und Technologie der französichen Botschaft in der Bundesrepublik Deutschland Okt Solartechnologien zur Stromerzeugung Photovoltaik und solarthermische Kraftwerke in Deutschland: Fortschritte in der deutschen Forschung, Fördermaßnahmen, Perspektiven für die Industrie

2 Direktor der Veröffentlichung: Direktor der Redaktion: Übersetzung: Deckblattfoto: Dr. Ing. Jean-François Dupuis Dipl.-Ing. Arnaud Bertrand Jana Ulbricht Helmholtz Zentrum Berlin (oben links), SolarMilennium AG (oben rechts), (unten links), Concentrix Solar GmbH (unten rechts) Kostenlose Veröffentlichung seitens der Französischen Botschaft in Deutschland. Eine vollständige oder teilweise Verbreitung dieser Ausgabe ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung der Wissenschaftsabteilung der Französischen Botschaft in Deutschland gestattet. Redaktion Französische Botschaft in Deutschland; Abteilung für Wissenschaft und Technologie; Anschrift: Pariser Platz 5, D BERLIN - Tel: ; Fax: ; internet: ; Mail: sciencetech@botschaft-frankreich.de

3 Inhalt Vorwort... 3 TEIL 1: Photovoltaik Erfolgsmotoren der Photovoltaik-Branche in Deutschland: Das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) und die Forschungspolitik... 5 Solar Valley Germany Perspektiven der deutschen Photovoltaikindustrie... 9 Forschung für Solarzellen der nächsten Generation Die Konzentrator-Photovoltaik an der Schwelle zum Markteintritt Lasertechnologie in der Photovoltaik Bewährte Partnerschaft und Befähigung neuer Konzepte Organische Photovoltaik Mit dünnen Folien zu günstigem Solarstrom Zukunftsfaktor Solarenergie: Wachsende Bedeutung für eine sichere Energieversorgung TEIL 2: Solarthermische Kraftwerke Solarthermische Kraftwerke: Die Forschungsförderung der Bundesregierung Anwendungsbezogene Forschungsschwerpunkte des DLR auf dem Gebiet der konzentrierenden Solarsysteme Die Parabolrinne kann konventionelle Kraftwerke bald ersetzen wenn die politischen Voraussetzungen geschaffen werden

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5 Vorwort Zu einem Zeitpunkt, zu dem Europa sich mit einer neuen Energie- und Klimapolitik ausrüstet, wird die Entwicklung erneuerbarer Energien zu einem absoluten Muss, um die Wirtschaft nachhaltig und kohlenstoffarm zu gestalten. Aus diesem Grund hat es sich die Europäische Union zum gemeinsamen Ziel gesetzt, 20 % des E- nergiebedarfs bis 2020 durch erneuerbare Energien zu decken. Zahlreiche Experten sind davon überzeugt, dass die Solartechnologien zur Stromerzeugung bis 2050 eine entscheidende Rolle beim künftigen Energiemix spielen werden. Im Bestreben die Produktionskosten für Solarenergie entscheidend zu senken, gilt Deutschland als Vorzeigebeispiel. Dies beruht sowohl auf seiner verstärkten Unterstützung der Forschung in den Bereichen der Photovoltaik und der solarthermischen Kraftwerke, als auch auf seiner Förderung privater Investitionen. Auch wenn die Photovoltaik heute nur einen winzigen Teil des weltweiten Strombedarfs deckt, so zeugt doch der gegenwärtig beobachtete Wachstumstrend (in der Größenordnung um 40 %) von einer deutlichen Kursänderung. Das Unternehmen Solarworld schätzt, dass mit dieser Technologie bis 2020 etwa 10 % des Brutto-Stromverbrauchs in Deutschland abgedeckt werden. Gleichzeitig lassen die steigenden Preise für fossile Brennstoffe die solarthermischen Kraftwerke und ihre Anwendungen immer attraktiver erscheinen und deuten auf eine vielversprechende Zukunft für deutsche, in diesem Bereich führende Unternehmen, wie SolarMillenium, hin. Vor diesem Hintergrund kommen in dieser Ausgabe der "Science-Allemagne" verschiedene deutsche Experten auf diesem Gebiet zu Wort, um eine kurze Zusammenfassung der Forschungspolitik in Deutschland zu geben, um die neuesten Entwicklungen in diesem Bereich vorzustellen und um dem Leser einen Überblick über die Perspektiven für die Industrie zu vermitteln. 3

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7 Erfolgsmotoren der Photovoltaik-Branche in Deutschland: Das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) und die Forschungspolitik Joachim Nick-Leptin und Mareike Welke, Referat für Forschung und Entwicklung im Bereich erneuerbarer Energien im Bundesumweltministerium (BMU), Berlin Joachim Nick-Leptin, Jahrgang 1962, studierte Volkswirtschaft in Saarbrücken, Ann Arbor (USA) und Paris. Er war seit 1991 in verschiedenen Bereichen des Bundesumweltministeriums, im Bundeskanzleramt sowie an der Ständigen Vertretung der Bundesrepublik Deutschland bei der Europäischen Union in Brüssel tätig. Seit Juni 2004 leitet er das Referat für Forschungsförderung zu erneuerbaren Energien im Bundesumweltministerium. Mareike Welke, Jahrgang 1970, studierte Volkswirtschaft, Politik und Geschichte in Köln und Tucumán, Argentinien. Sie war mehrere Jahre in einem Beratungsunternehmen im Bereich der erneuerbaren E- nergien sowie als Autorin für diverse Fachzeitschriften tätig. Seit 2005 ist sie Referentin im Bundesumweltministerium. Der Markt für Photovoltaik (PV) boomt weltweit. Er erreicht jährliche Wachstumsraten um die 40 Prozent wurden auf dem Globus PV-Module mit einer Gesamtleistung von etwa Megawatt produziert. Spitzenreiter bei der Herstellung von Modulen ist Japan. Deutschland belegt den 2. Platz. Bei der Installation von Photovoltaik-Anlagen liegt Deutschland ganz vorne. Dort wurde 2007 fast die Hälfte aller Module installiert. Damit ist Deutschland neben Luxemburg das Land mit der höchsten installierten PV-Leistung pro Kopf. Auf jeden Einwohner kamen Ende 2007 knapp 50 Watt. Antriebsmotor: Erneuerbare-Energien-Gesetz Die Voraussetzungen für diese positive Marktentwicklung wurden im April 2000 mit der Einführung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) geschaffen. Die Einspeisevergütung für Strom aus erneuerbaren Energien sieht für regenerative Energieerzeugungsarten wie Wind, Photovoltaik oder Biomasse festgelegte Vergütungssätze für einen Zeitraum von i.d.r. 20 Jahren vor. Diese werden über eine Umlage auf die Stromkunden finanziert. Das EEG wurde bereits von über 40 Ländern kopiert. In Deutschland hat es ausgezeichnete Rahmenbedingungen für erneuerbare Energien geschaffen und vor allem für die notwendige Investitionssicherheit gesorgt. Der PV-Branche hat es zu einem starken Wachstum verholfen. Vor allem in den östlichen Bundesländern haben sich viele Firmen niedergelassen und dort zahlreiche Arbeitsplätze geschaffen. Neben der Markteinführung fördert die Bundesregierung auch die technologische Weiterentwicklung der Photovoltaik. Sie will damit dazu beitragen, dass die Kosten von PV-Strom möglichst schnell sinken und deutsche Forschungsinstitute und Unternehmen ihre technologische Spitzenposition sichern und ausbauen können, um sich gegenüber der internationalen Konkurrenz zu behaupten. Antriebsmotor: Forschungsförderung Als Markteinführungsinstrument für erneuerbare E- nergien hat das EEG von Anfang an eine Degression der Vergütungssätze vorgesehen. Allmählich sinkende Vergütungen schaffen Anreize für Innovationen und die kontinuierliche Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit. Der im Dezember 2007 beschlossene Regierungsentwurf für eine EEG-Novelle sieht für die Photovoltaik eine deutliche Zunahme der Degression vor. Damit wird den sinkenden Produktionskosten Rechnung getragen. Die ungebrochene Investitionsbereitschaft der Unternehmen zeigt, dass die vorgesehene Maßnahme wirtschaftlich verkraftbar ist. Die wachsende Verfügbarkeit von Silizium wird ebenfalls zu einer beschleunigten Kostensenkung beitragen. Finanzielle Mittel für die Forschung und Entwicklung im Bereich der Photovoltaik werden sowohl vom Bundesumweltministerium (BMU) als auch vom Bundesforschungsministerium (BMBF) bereitgestellt. Die Gesamtausgaben des Bundes für Forschung und Entwicklung aller erneuerbaren Energien dürften 2007 nach Berechnungen des BMU bei etwa 131 Millionen Euro gelegen haben. 5

8 Forschungsausgaben der Bundesregierung für erneuerbare Energien im Jahr 2007 (insgesamt 131,1 Mio. Euro) - Quelle: BMU Institutionelle Förderung BMBF/BMWi (HGF/Fhg) 33,2 Mio. Euro Projektförderung BMWi (oberflächennahe Geothermie) 0,5 Mio. Euro Projektförderung BMU 80,3 Mio. Euro Projektförderung BMBF 5,0 Mio. Euro Projektförderung BMELV (Biomasse) 12,1 Mio. Euro Das BMBF fördert auf dem Wege der Grundfinanzierung große Forschungszentren, wie beispielsweise das Hahn-Meitner-Institut in Berlin, das Forschungszentrum Jülich oder das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg. Der Schwerpunkt liegt hier auf der Grundlagenforschung hat das BMBF für die Photovoltaik knapp 30 Millionen Euro im Rahmen der institutionellen Förderung ausgegeben. Im Rahmen des Ende März veröffentlichten Programms Grundlagenforschung Energie wird das BMBF über die institutionelle Förderung hinaus künftig auch verstärkt Projekte zur PV- Forschung fördern. Im Mittelpunkt stehen dabei Dünnschichttechnologien mit mittel- bis langfristigem Anwendungspotenzial. Das BMU hingegen ist für die anwendungsnahe Projektförderung im Bereich der Photovoltaik sowie anderer erneuerbarer Energien zuständig. Das BMU hat 2007 neue Forschungsprojekte zu erneuerbaren Energien mit einem Gesamtvolumen von 102 Millionen Euro bewilligt. Der größte Teil davon, nämlich 41,6 Millionen Euro (40,8 Prozent), floss in die Photovoltaik. Der Grund für die im Vergleich zu anderen Technologien hohen Ausgaben ist das nach wie vor hohe Innovationspotenzial der Photovoltaik. In den nächsten Jahren wird das Budget des BMU für die Forschungsförderung insgesamt weiter steigen. Im Rahmen der High-Tech-Strategie der Bundesregierung steigen die Mittel bis 2009 jährlich um fünf Millionen Euro. Sie werden durch weitere Mittel aus der Klimaschutzinitiative der Bundesregierung ergänzt. Damit stehen 2008 rund 103 Millionen Euro und 2009 rund 110 Millionen Euro für Forschungsprojekte zu erneuerbaren Energien zur Verfügung. Anteil am neu bewilligten Mittelvolumen Quelle: BMU Solartherm.-KW 5,7% Sonstiges 4,3% NT-Solarthermie 7,3% Geothermie 7,9% PV 40,8% Wind 34,0% 6

9 Vergleich der Neubewilligungen zwischen 2004 und 2007 Quelle: BMU Photovoltaik Wind Geothermie Niedertemp.-Solarthermie Solarthermische KW Sonstiges Mittel (in Euro) Schwerpunkte der Photovoltaik-Forschung Das Bundesumweltministerium legt die Ziele und Schwerpunkte der Forschungsförderung alle zwei Jahre in Strategiegesprächen mit Führungspersönlichkeiten aus Wirtschaft und Wissenschaft fest. Zentrale Zielsetzung ist die Senkung der Kosten, beispielsweise durch die Steigerung der Wirkungsgrade, effizienterem Materialeinsatz, neuen Materialen oder neuen Fertigungstechnologien. alternativen Aufbereitungsarten und dem sparsamen Einsatz des Rohstoffs etwa durch neue Verarbeitungsmethoden, die Vermeidung von Materialverlusten sowie Recycling-Konzepten. Den größten Anteil an den neu bewilligten Fördermitteln hatte 2007 die marktbeherrschende Silizium- Wafer-Technologie. Auf sie entfielen 57 Prozent des Gesamtvolumens. Außerdem werden Dünnschichttechnologien, alternative Konzepte wie Konzentratortechnologien sowie die Systemtechnik und übergreifende Fragestellungen gefördert. Entwicklung des Neubewilligungsvolumens für die PV-Forschung seit Quelle: BMU Mio. Euro 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0, In den letzten Jahren wurde die Photovoltaik-Branche stark beeinflusst von der weltweiten Knappheit an aufbereitetem Silizium. Die Forschung hat das Problem aufgegriffen. Mehrere Projekte befassen sich mit Das BMU legt großen Wert auf die rasche Überführung der Forschungsergebnisse in den Markt. Einen wichtigen Beitrag dazu leistet das Photovoltaik- Evaluationszentrum (PV-TEC) in Freiburg. In dem mit Unterstützung des BMU errichteten Zentrums können Hersteller von Silizium-Solarzellen sowie Anlagenhersteller ihre Entwicklungen im Industriemaßstab testen und weiterentwickeln. Damit wurde eine Lücke zwischen Labor und Fließband geschlossen. 7

10 Ein anderes Beispiel ist die Concentrix Solar GmbH, ein spin-off des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg. Concentrix hat im Januar 2008 den Innovationspreis der Deutschen Wirtschaft für die erfolgreiche Umsetzung der innovativen Konzentrator-Technologie gewonnen. Das Bundesumweltministerium hat die Entwicklung der Technologie über viele Jahre am Fraunhofer ISE gefördert. Die Entwicklung der Konzentratortechnologie wurde vom BMU jahrelang intensiv gefördert, Quelle: Concentrix Solar GmbH Es bleibt das Ziel der Forschungsförderung, die Kosten der Photovoltaik kontinuierlich zu senken und damit die Voraussetzungen für eine weltweite Ausschöpfung der großen Potenziale dieser Technologie weiter zu verbessern. Ausblick Außerdem geht es um die Einbettung der Photovoltaik in die bestehende Energieversorgung. Die Aufgaben der Photovoltaik wachsen. Neben der reinen Stromerzeugung können Photovoltaik-Anlagen Funktionen wie Netzstützung, Filterung oder Lastmanagement übernehmen. So können sie zur Optimierung der Energieversorgungssysteme insgesamt beitragen. Kontakte Joachim Nick-Leptin BMU, Berlin Mareike Welke BMU, Berlin Telefon +49 (0) Telefon +49 (0)

11 Solar Valley Germany Perspektiven der deutschen Photovoltaikindustrie Dipl.-Volksw. Markus A.W. Hoehner, EuPD Research Bonn EuPD Research ist ein international tätiger auf B2B- Marktforschung fokussierter Full-Service-Dienstleister mit spezialisiertem und multilingualem Interviewercenter. Die Geschäftseinheit Energy & Utilities wurde im Jahr 2002 ins Leben gerufen. Sie verfolgt aktuelle Entwicklungen im deutschen sowie in internationalen Energiemärkten. Besondere Kompetenz konnte im Bereich der Solarenergie aufgebaut werden. Das Tätigkeitsfeld in diesem Wachstumssektor reicht neben klassischem Research und Consulting für Industrie, Institutionen und Verbände von der Erstellung von Gutachten, der Evaluation des Marktpotenzials für neue und bestehende Produkte, über Situationsanalysen im Rahmen von Umstrukturierungsprozessen bis hin zu Kundenzufriedenheits- und Mitarbeiterzufriedenheitsstudien. Bis dato wurden über 180 Forschungsprojekte im Bereich International Solar durchgeführt. In Deutschland hat sich im Zuge des Erneuerbaren- Energie-Gesetzes (EEG), in Verbindung mit einer hohen gesellschaftspolitischen Akzeptanz, ein attraktiver Photovoltaikmarkt und weltweit führender Solarindustriestandort entwickelt. Rund 75 Unternehmen produzieren derzeit am Standort Deutschland, darunter auch zunehmend internationale Firmen. Die durch das EEG gewonnene Planungssicherheit haben die Unternehmen genutzt, um Investitionen zu tätigen. Dabei wurde sowohl in das Anlagevermögen als Zur Erschließung neuer Märkte, aber auch zur Entwicklung neuer Produkte und Produktionsverfahren sowie zur Erweiterung der Produktionsmöglichkeiten sind die Photovoltaik-Unternehmen zu hohen Erweiterungsinvestitionen verpflichtet. Derzeit wird das Investitionsgeschehen im weltweiten Photovoltaikmarkt insbesondere vom letztgenannten Punkt, den Investitionen der Photovoltaikbranche auch in die internationale Expansion sowie in Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten (FuE) investiert. Die wichtigsten im Rahmen des Standortgutachten Photovoltaik in Deutschland gewonnenen Erkenntnisse werden im Folgenden vorgestellt. Es handelt sich dabei um ein Gutachten, das EuPD Research in Kooperation mit dem ifo Institut für Wirtschaftsforschung erstellt hat und dem eine Befragung von 345 Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette zugrunde liegt. Erweiterungsinvestitionen, dominiert. Die Produktionskapazitäten werden global auf allen Wertschöpfungsstufen erhöht. Die angekündigten Kapazitätserweiterungen im Silizium- als auch im Dünnschichtbereich summieren sich mittlerweile auf über 22 GWp im Jahr Qu elle: EuPD Research Mio Mio Investitionen (ohne Ersatzinvestitionen) Mio Mio Mio Mio. 800 Mio Mio Mio e 2009e 2010e Zulie fe re r 8,7 9,7 10,7 14,6 26,5 45,0 54,0 67,0 67,8 68,6 69,5 Industrie 50,3 85,5 65,4 119,8 223,6 562,4 1176,0 1707,4 1989,0 2326,9 2732,2 Großhandel 15,0 15,5 20,0 25,0 44,0 61,0 82,0 88,9 96,3 104,4 113,2 gesamt 74,1 110,7 96,1 159,3 294,1 668,4 1312,0 1863,3 2153,2 2499,9 2914,8 9

12 Die Nettoinvestitionssumme der deutschen Photovoltaikhersteller im Jahr 2006 betrug 1,2 Mrd. Euro. Dies entspricht einer, gemessen als Anteil der Investitionen am Umsatz, sehr hohen Investitionsquote von 26 Prozent. Im Jahr 2003, und damit vor der EEG- Novelle 2004, betrugen die Investitionen lediglich ein Zehntel der Summe des Jahres Im Jahr 2007 betrug die Investitionssumme der Hersteller rund 1,7 Mrd. Euro, bis 2010 wird diese voraussichtlich auf circa 2,7 Mrd. Euro steigen. Diese Investitionen wurden bzw. werden zum Teil zum Erwerb von Unternehmen oder Unternehmensanteilen genutzt. Hierzu zählen vor allem Unternehmensbeteiligungen im Bereich der Dünnschichttechnologien. Insbesondere aber erfolgte bzw. erfolgt eine Ausweitung der Produktionskapazitäten auf allen Wertschöpfungsstufen. Bis zum Jahr 2010 will die Branche in Deutschland demnach ihre Produktionskapazitäten bei Solarzellen auf knapp drei GWp (plus 111 Prozent), bei kristallinen Solarmodulen auf 2,2 GWp (plus 145 Prozent), bei Dünnschichtmodulen auf 1,5 GWp (plus 458 Prozent), bei Solarwafern auf 2,9 GWp (plus 139 Prozent) sowie bei der Herstellung von Silizium auf Tonnen Jahreskapazität (plus 243 Prozent) ausbauen. Der dominierende Anteil Ostdeutschlands bei der Produktion von Wafern, Zellen, kristallinen Modulen und Dünnschichtmodulen wird sich dabei voraussichtlich noch verstärken. Eine wichtige Rolle bei der Verwirklichung der ambitionierten Expansionspläne deutscher Photovoltaikunternehmen nimmt die Zulieferindustrie ein. Die Aufnahme des Geschäftsfeldes Photovoltaik in die Unternehmensstrategie renommierter Zulieferbetriebe aus dem Maschinen- und Anlagenbau hat bereits in der Vergangenheit entscheidend zum Wachstum der Photovoltaikbranche beitragen können und wird dies vor dem Hintergrund der hohen Standorttreue dieses Wirtschaftszweiges auch zukünftig tun. Beschäftigte in der Photovoltaikbranche Die für die nächsten Jahre prognostizierte Ausweitung der Investitionen hat entsprechende Auswirkungen auf die mittelfristige Beschäftigung im Bereich der Photovoltaik bis zum Jahr Zum Ende des Jahres 2007 waren rund Erwerbstätige in der deutschen Photovoltaikbranche beschäftigt, knapp 50 Prozent davon im Handwerk. Dies sind Arbeitsplätze mehr als ein Jahr zuvor. Seit der Novellierung des EEG im Jahr 2004 sind damit insgesamt über neue Beschäftigungsverhältnisse entstanden. Bis zum Jahr 2010 wird abermals mit einer Zunahme auf knapp Beschäftigte gerechnet. Quelle: EuPD Research e 2009e 2010e Zulieferer Silizium Wafer/Ingot s Zellen Module Module (Dünnschicht) BOS Großhandel Handwerk gesamt Von den insgesamt Beschäftigten in der deutschen Photovoltaikbranche entfallen rund zwei Drittel auf Westdeutschland und ein Drittel auf Ostdeutschland (Neue Länder und Berlin). Ein etwas anderes Bild ergibt sich bei der Differenzierung nach den einzelnen Wertschöpfungsstufen. Insbesondere die Analyse der regionalen Verteilung der Arbeitsplätze der Photovoltaikindustrie zeigt eine klare Ost- 10

13 Orientierung auf. Rund 60 Prozent der Arbeitsplätze in der Industrie sind im Osten Deutschlands entstanden. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen absoluten Größen der Arbeitsmärkte in Ost und West entspricht dieses Verhältnis sogar einer um den Faktor 8,37 größeren regionalen Bedeutung der Photovoltaikindustrie für den Osten Deutschlands. Die Photovoltaikindustrie zeigt somit die Hinwendung zu strukturschwachen Gebieten mit hoher Arbeitslosigkeit in denen bevorzugt bisher ungenutztes Humankapital mobilisiert wird. Insbesondere die Regionen um Berlin, Thalheim, Erfurt/Jena sowie Dresden/Leipzig und Chemnitz könnten zukünftig von einem weiteren Aufschwung der Photovoltaikbranche profitieren. Derzeit liegt die Arbeitslosenquote in diesen Gebieten durchschnittlich bei 14,2 Prozent [BA07]. Im Hinblick auf den Markt für Ausbildungsstellen ist man in diesen Bezirken von einem rechnerischen Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage weit entfernt. Die Stadt Frankfurt (Oder) weist sogar mit einer Angebot-Nachfrage-Relation in Höhe von 79,4 für das Jahr 2006 den zweitschlechtesten Wert bundesweit auf. Abzuwarten bleibt, inwieweit sich zukünftig auch vermehrt Zulieferunternehmen im Osten ansiedeln. Derzeit entstammen die meisten Zulieferer dem klassischen Maschinenbau, der Metallerzeugung oder der Glasindustrie und haben ihren Stammsitz im Süden Deutschlands. Ebenfalls im Süden liegt der Schwerpunkt der solaren Großhandelsunternehmen und Handwerksbetriebe, was über die Absatzmarktnähe zu erklären ist. Als wachstumshemmender gesamtwirtschaftlicher Faktor wird gerne das Schlagwort des Fachkräftemangels im Ingenieurbereich in den Vordergrund gerückt. Den Angaben der Photovoltaikunternehmen zufolge bremst ein Fachkräfteengpass bislang jedoch noch nicht das Wachstum, da beispielsweise Humankapital aus technologisch verwandten Branchen rekrutiert werden konnte. Mittel- bis langfristig wird dies allerdings zweifelsohne ein Thema für die Photovoltaikbranche werden. Der Bedarf an Akademikern in der Photovoltaikbranche ist weitaus höher als in anderen Branchen der erneuerbaren Energien. 21 Prozent der Angestellten in der Photovoltaikindustrie haben einen Hochschulabschluss und drei Prozent verfügen über einen Doktortitel. Lösungen zur Deckung des Akademikerbedarfs können für die Unternehmen z.b. darin bestehen, das Segment der Ingenieure selbst anzusteuern, um eine längerfristige Verknappung qualifizierten Personals im eigenen Unternehmen abzuwenden. Der Schulterschluss zwischen Politik, Wirtschaft und Wissenschaft ist jedoch noch längst nicht abgeschlossen. Studienangebote mit einem Schwerpunkt oder zumindest einem signifikanten Photovoltaikanteil in der Lehre sind rar gesät. Aufwendungen für Forschung und Entwicklung in der Photovoltaikbranche Ein weiterer wichtiger Aspekt der aufstrebenden Photovoltaikbranche sind die Aufwendungen für Forschung und Entwicklung. Die Investitionen in FuE, die Zulieferer und Industrie 2004 investiert haben, stiegen von knapp 30 Mio. Euro auf geschätzte 176 Mio. Euro innerhalb des Jahres Getrieben wurden diese Investitionen hauptsächlich von den Branchenführern. Gerade von diesen Unternehmen wird in Zukunft eine Intensivierung ihrer Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten erwartet. Eine Zunahme des internationalen Wettbewerbs ist für die führenden Unternehmen der Branche gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Innovationsanstrengungen. Ursächlich ist dafür die Nähe deutscher Unternehmen zur technological frontier. Demzufolge wird auch in den kommenden Jahren eine Ausweitung der Forschungsaktivitäten erwartet könnten rund 215 Mio. Euro von Herstellern und Zulieferern investiert werden. 11

14 250 Mio. 224,1 200 Mio. 150 Mio. 175,8 26,3 190,5 28,0 206,6 29,9 31,9 100 Mio. 65,1 103,6 24,6 149,5 162,4 176,6 192,1 50 Mio. 20,5 29,8 79,0 16,1 12,1 44,6 6,0 9,8 9,2 6,6 6,8 5,2 9,5 17,7 0 Mio e 2009e 2010e Zulieferer 2,0 3,0 4,0 6,6 12,1 20,5 24,6 26,3 28,0 29,9 31,9 Industrie 4,0 6,8 5,2 9,5 17,7 44,6 79,0 149,5 162,4 176,6 192,1 gesamt 6,0 9,8 9,2 16,1 29,8 65,1 103,6 175,8 190,5 206,6 224,1 Die wichtigsten Forschungsziele der Photovoltaikindustrie bestehen dabei in der Verbesserung des Preis-Leistungs-Verhältnisses sowie der Verbesserung der Materialeffizienz. Die sukzessive Erhöhung der Forschungs- und Entwicklungsaufwendungen und der weitere Ausbau der deutschen Photovoltaikforschungslandschaft sollen dazu beitragen, die technologische Spitzenstellung der deutschen Solarwirtschaft zu sichern und zunehmend in Markterfolge umzusetzen. Die Liste der Innovations- und Optimierungsmöglichkeiten ist bereits zum jetzigen Zeitpunkt lang, könnte aber in Zukunft bedeutend länger werden. Denn: Im Hinblick auf die zukünftigen Forschungsfelder der Solarbranche werden die Themen zunehmend komplexer. Neben den Techniken der organischen Photovoltaik und der Konzentrator-Technologie stehen drei weitere Techniken mittelfristig vor dem Eintritt in die Industrialisierungsphase. Dabei handelt es sich um die fluoreszierende Photovoltaik, Farbstoffzellen und nanokristalline Solarzellen. Neben den hier benannten Technologien sei nicht ausgeschlossen, dass mittelfristig weitere Herstellungsprozesse für die solare Stromerzeugung in den Markt drängen, die sich aber derzeit noch in der institutionellen Grundlagenforschung befinden. In Deutschland forschen derzeit rund 60 Lehrstühle, Forschungseinrichtungen und außeruniversitäre Institutionen an der Weiterentwicklung der Solartechnik. Deutschland gilt als weltweit attraktivster Photovoltaikmarkt. Eine hohe gesellschaftspolitische Akzeptanz und stabile politische Rahmenbedingungen haben die in Deutschland installierte Photovoltaikleistung in den letzten Jahren stetig steigen lassen. Die Unternehmen haben die Planungssicherheit genutzt, um entsprechende Investitionen vor allem in die Erweiterung der Produktionskapazitäten zu tätigen. Unter den 75 Unternehmen, die derzeit am Standort Deutschland produzieren, befinden sich zunehmend internationale Hersteller. Deutschland und insbesondere der Osten des Landes (Neue Länder inklusive Berlin) gilt somit auch als weltweit führender Solarindustriestandort. Schlussbetrachtung Aus Industrie- und Großhandelssicht sind vor allem eine Fortsetzung des von der Bundesregierung eingeschlagenen Weges einer Förderung erneuerbarer Energien sowie die globale Markt- und Branchenentwicklung die ausschlaggebenden Makrofaktoren für ein weiteres Unternehmenswachstum und einen weiteren Ausbau des Standortes. Im Hinblick auf mikroökonomische Wachstumsgaranten bewerten Industrie und Großhandel die Qualität der Mitarbeiter als wichtigste Grundlage. Der Stellenwert gut ausgebildeter Fachkräfte wird als sehr hoch eingeschätzt, um in einem globalen Wettbewerb mit billigeren, aber tendenziell qualitativ schlechter ausgebildeten Arbeitskräften konkurrenzfähig zu bleiben. Aber auch die finanzielle Leistungsfähigkeit 12

15 und die damit einhergehende Kapitalkraft sind von großer Bedeutung zur Erreichung dieser Ziele. Das größte Risiko geht nach Einschätzung von Zulieferern, Industrie und Großhandel von Gesetzesänderungen aus. Ein weiterer Risikofaktor liegt in der zunehmenden Wettbewerbsintensität, was insbesondere für die weniger forschungsstarken Marktteilnehmer ein Problem darstellen könnte. Die potentiellen Risiken, die sich aus einer Abhängigkeit von wenigen Kunden ergeben, sehen vor allem Industrie und Zulieferer als geringfügig an. Offenbar verfügen die meisten Hersteller schon über ein regional und segmentspezifisch diversifiziertes Kundenportfolio. Beim Vergleich der Zulieferer, der Industrie und des Großhandels fällt auf, dass die unternehmensexternen, nicht beeinflussbaren Größen generell als potentielle Wachstumshemmnisse überwiegen. Zusammenfassend zählen zu den exogenen Schlüsselgrößen insbesondere die politischen Rahmenbedingungen, die nationale und internationale Wettbewerbssituation und potentielle Engpasssituationen, hier vor allem im Bereich der Rohstoffversorgung. EuPD Research Adenauerallee 134, Bonn Telefon +49 (0) Fax +49 (0) Kontakte Dipl.-Volksw. Markus A.W. Hoehner (CEO) Telefon +49 (0) Dipl.-Volksw. Christian Schmidt Telefon +49 (0)

16 Forschung für Solarzellen der nächsten Generation Dr. Rainer Eichberger, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH Das Helmholtz-Zentrum Berlin ist kürzlich durch den Zusammenschluss von HMI und BESSY entstanden. Das neue Institut ist eine Forschungseinrichtung der Helmholtz Gemeinschaft. Der Bereich Dünnschicht Solarforschung ist Teil des Erneuerbare Energien Programms der Helmholtz Gemeinschaft. Rainer Eichberger ist Leiter der Femtosekunden Spektroskopie. Die Forschung für die nächste Generation von Solarzellen verfolgt im Wesentlichen zwei Zielrichtungen: Kostenreduktion und Steigerung der Effizienz. Derzeit wird der Solarmarkt von der teuren Siliziumtechnologie mit Zellstrukturen auf Scheiben mit ~250 µm Dicke dominiert. Dünnschicht-Technologien sparen Material und versprechen eine kosteneffiziente Alternative. Das Helmholtz-Zentrum Berlin beschäftigt sich sowohl mit den wissenschaftlichen als auch technologischen Fragen verschiedener Dünnschicht- Solarzelltypen. Erfolgreiche Firmengründungen durch ehemalige Mitarbeiter (Q-Cells) und Ausgründungen (Sulfurcell) unterstreichen die Relevanz der Photovoltaik am Helmholtz-Zentrum. Gemeinsam mit der TU Berlin und acht Industriepartnern wurde in Berlin kürzlich das neue Kompetenzzentrum für Dünnschicht- und Nanotechnologie für die Photovoltaik aus der Taufe gehoben. Kristalline Silizium-Dünnschichtsolarzellen Die Entwicklung von polykristallinen (poly-si) Dünnschichtsolarzellen auf kostengünstigen Substraten (z.b. Glas), sowie amorph-kristalline Silizium- Zellstrukturen (a-si/c-si), sind die Programmschwerpunkte am Helmholtz-Zentrum Berlin. Dünnschicht poly-si Solarzellen versprechen zukünftig erhebliche Kostenreduzierungen im Vergleich zur Silizium-Zelltechnologie aufgrund der Materialeinsparung sowie extrem viel niedriger Prozesstemperaturen. Das Ziel ist die Entwicklung von schnellen, industriell portierbaren Technologien zur Herstellung von hochwertigem poly-si. Am Helmholtz-Zentrum werden Silizium-Licht-Absorberschichten (~2 µm), z.b. mittels Mikrowellen-Plasmadeposition oder E- lektronenstrahlverdampfung auf einer grobkörnigen polykristallinen Saatschicht aufgewachsen. Für die Qualität der Solarzelle ist die strukturelle Beschaffenheit dieser poly-si Saatschicht entscheidend. Sie wird durch Kristallisation einer Vorgängerschicht aus a- morphem Silizium auf dem Glassubstrat gewonnen. Dazu wird ein spezielles Verfahren ( Metallinduzierte Kristallisation ) mit einer temporären Aluminium Hilfsschicht angewendet. Im Gesamtprozess findet ein Schichtaustausch statt, wobei sich ein zusammenhängender poly-si Saat-Film auf dem Substrat bildet, worauf der eigentliche Photoabsorber abgeschieden wird. Abschließend wird die Zelle mit einer sogenannten dünnen a-si Emitterschicht sowie einer elektrisch leitenden Kontaktschicht komplettiert. Die Laboreffizienzen dieser neuen Technologie bewegen sich noch im Bereich um 6 %, Berechnungen versprechen jedoch Wirkungsgrade bis zu 15 %. Heterostruktur-Solarzellen auf der Basis von a-si/c-si bestehen aus einer dünnen amorphen Siliziumschicht, die auf kristallines Silizium aufgebracht wird. Die a-si Schicht fungiert auch hier als Emitter und passiviert Defekte in der kristallinen Oberfläche (Verlustminimierung photoerzeugter Ladungsträger). Prozesstemperaturen unter 300 C schonen die empfindliche Oberfläche des Siliziumwafers bei der chemischen Gasphasenabscheidung des a-si Films. Die Erforschung und Optimierung der physikalischen Eigenschaften der a-si/c-si Grenzfläche ist ein zentrales Thema am Helmholtz-Zentrum Berlin. Die Effizienzen der Musterzellen liegen bei 18 %. Computersimulationen dieser Heterostruktur-Solarzellen ergeben weiteres Entwicklungspotenzial in Richtung 24%. Begleitende Forschungsthemen befassen sich mit der Implementierung von Lichteinfangstrukturen, zur Vermeidung von Reflektionsverlusten, sowie mit der Optimierung der elektrischen Kontaktierung der o.g. Zelltypen mit leitfähigen transparenten Fenstermaterialien. Kooperationen mit Frankreich: CNRS (Strasbourg) und Saint Gobain Recherche (Paris) im Rahmen des EU-Projektes ATHLET 14

17 Solarzellen auf der Basis von Verbindungshalbleitern In dieser Materialklasse konzentrieren sich die Arbeiten am Helmholtz-Zentrum Berlin auf die I-III-VI 2 Chalkopyrit-Verbindungen und die III-V Halbleiter. Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von hoch absorbierenden CIS (Kupfer, Indium, Sulfid/Selenid) Verbindungen verknüpfen die Vorteile der Material sparenden Dünnschicht-Technologie mit den hohen Effizienzen von konventionellen kristallinen Silizium- Solarzellen. Während der Wirkungsgrad von CIS Solarzellen im Labormaßstab bereits knapp 20% erreicht, liefern kommerzielle Photovoltaikmodule (z.b. CuInSe 2 ) Werte um 10%. Das Helmholtz- Zentrum Berlin untersucht verschiedene Materialkombinationen der CIS Familie mit dem Ziel, die Effizienzen weiter zu steigern und großflächige Prototypen für die industrielle Anwendung zu entwickeln. Die wissenschaftlichen Fragestellungen befassen sich mit fundamentalen Themen (Defekte, Korngrenzen, Grenzflächen, Zellenmodellierung), während parallel dazu die einzelnen Prozessschritte der technologischen Zellenpräparation optimiert werden. In einer Basislinie zur Herstellung von CIS Dünnschicht- Solarzellen werden Kleinmodule bis zu einer Fläche von 30x30 cm 2 hergestellt. Unter Beimischung von Gallium werden die höchsten Wirkungsgrade mit Selenidverbindungen erreicht (s. Tabelle), die auch auf leichtgewichtige, flexible Folien aufgebracht werden können und auch für Weltraumanwendungen untersucht werden Absorber Material Modul Effizienz CuInS 2 5x5 cm 2 10 % Cu(In,Ga)S cm % Cu(In,Ga)Se cm 2 18 % Cu(In,Ga)Se 2 4x8 cm 2 (flexibel) 15.0 % Als eines der weltweit wenigen Forschungsinstitute befasst sich das Helmholtz-Zentrum Berlin auch mit Cu(In,Ga)S 2 Verbindungen, die theoretisch die höchsten Wirkungsgrade für CIS besitzen. Es wurde gezeigt, dass diese über extrem schnelle und stabile Prozesse hergestellt werden können. Diese Materialien werden bereits von SULFURCELL Solartechnik (Berliner Helmholtz-Zentrum spin-off) für die Produktion von Solarmodulen eingesetzt. Ein längerfristiges Ziel ist die Entwicklung einer Tandem-Solarzelle, die durch die Stapelung von zwei unterschiedlichen Chalkopyrit-Zellen einen größeren Bereich des Sonnenspektrums absorbieren kann. Kooperationen mit Frankreich: Saint-Gobain Recherche, Centre National de la Recherche Scientifique / École nationale supérieure de chimie de Paris (im EU-Projekte ATHLET, Koordinierung durch das Helmholtz-Zentrum Berlin), ein zweites EU Projekt (LARCIS) beinhaltet Kooperationen mit Saint- Gobain Recherche, Electricité de France sowie Centre National de la Recherche Scientifique. Mehrfach-Solarzellen aus III-V Verbindungshalbleitern halten den absoluten Weltrekord mit über 40% solarer Konversionseffizienz. Diese erstaunlichen Wirkungsgrade werden durch Serienverschaltung von mehreren unterschiedlichen Einzelsolarzellen (auf einem Wafer epitaktisch gewachsen) erreicht. Die Zusammensetzung der Elemente (III- und V) kann so eingestellt werden, dass eine große Auswahl von Halbleitermaterialien mit verschiedenen Bandlücken für die einzelnen Teilzellen möglich ist. Somit können niedrig-, mittel-, und hochenergetische Photonen des Sonnenspektrums in elektrischen Strom umgewandelt werden (Abbildung unten). Diese Solarzellen sind durch extrem gute Materialqualitäten (minimale Defektdichte) bestimmt, die derzeit nur durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder durch Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) erreichbar sind. Intensität [kw / m² ev] E g4 E g3 E g2 E g Wellenlänge [µm] E g1 E g2 E g E g4 Photonenenergie [ev] Das Helmholtz-Zentrum Berlin entwickelt eine Tandemzelle für den langwelligen Bereich des Sonnenspektrums, welcher in der derzeitigen Weltrekord- Solarzelle (drei übereinander gestapelte Einzelzellen) nicht optimal genutzt wird. Mit dem Ziel, über internationale Kooperationen die Tandemzelle in die Rekordzelle zu integrieren, sollten Effizienzen von 50% erreichbar sein. Ein weiteres Ziel ist die Material sparende Herstellung von III-V Verbindungen auf kostengünstigeren Fremdsubstraten, wie Silizium. 15

18 Neue Materialien und Zellstrukturen Die Herausforderungen eines stetig wachsenden Photovoltaik-Marktes, Wirtschaftlichkeit und Klimakompatibilität, erfordern langfristig die Entwicklung neuer Konzepte und innovativer Herstellungsverfahren für Solarzellen der nächsten Generation. Dementsprechend befasst sich das Helmholtz-Zentrum Berlin mit der multidisziplinären Erforschung von alternativen Materialkombinationen und Technologien für einen Zeithorizont von bis zu Jahrzehnten. Nanometer-strukturierte (nm) Substrate (s. Abbildung) aus kostengünstigen Halbleitermaterialien (z.b. TiO 2, ZnO) bilden die Grundlage für eine Reihe von Dünnschichtzellen mit extrem dünnen anorganischen und organischen Absorberschichten (ETA-Zelle, Extreme Thin Absorber ). Die mikroskopische Strukturierung resultiert in einer Vergrößerung der inneren Grenzflächen dieser Solarzellen und ermöglicht eine hohe Lichtabsorption. Unkonventionelle Ansätze bei der Präparation, wie z.b. Selbstorganisation in Anlehnung an biologische Vorbilder, eröffnen ein breites Feld an Realisierungsmöglichkeiten für die Entwicklung dieser Systeme. Solche Schichten können sehr preiswert mittels nasschemischer Verfahren bei niedrigen Temperaturen abgeschieden Analytik und Grenzflächenengineering werden und stellen in Zukunft die Möglichkeit der roll-to-roll Produktion in Aussicht. Organische Solarzellen sind eine innovative Alternative zu konventionellen kristallinen Silizium-Solarzellen hinsichtlich Kostenamortisierung und kürzerer Lebenszyklen. Die verwendeten photoaktiven Schichten werden aus organischen Molekülen präpariert, die preisgünstig von der chemischen Industrie angeboten werden. Bewährte Beschichtungstechniken der optoelektronischen Industrie können für den Solarbereich adaptiert werden. Der Stand der Technik bezieht sich gegenwärtig auf die Entwicklung und Untersuchung kleinflächiger Solarzellen im Labormasstab. Wirkungsgrade zwischen 3 und 4 % werden zur Zeit erreicht, 15 % sollten jedoch langfristig mit einigen der neuen Solarzellenkonzepte erreichbar sein. Die limitierenden Faktoren werden am Helmholtz- Zentrum Berlin mit hochspezialisierten komplementären, strukturanalytischen, elektrischen und optischen Messmethoden untersucht. Zu den Dünnschicht- Technologien zählen auch photo-elektrochemische und photo-elektrokatalytische Systeme für den Einsatz in Brennstoffzellen. Im Mittelpunkt der Forschung steht die Entwicklung neuartiger Materialienverbindungen für die Elektroden, z.b. auf der Basis von Ruthenium, Selen und Kohlenstoff, die das extrem teure Platin in gegenwärtigen Katalysatoren ersetzen sollen. Kooperation mit Frankreich: das Helmholtz-Zentrum Berlin ist eines von zwei deutschen Stellvertreterinstituten europaweit im EU-Netzwerk OrgaPVnet, hier kooperieren 22 Hauptpartner, darunter das CEA und CNRS. Die Funktion von Dünnschichtsolarzellen wird wesentlich durch die morphologische und elektronische Struktur der beteiligten Materialien und deren Grenzflächen bestimmt. Zur Charakterisierung der mikroskopischen und elektronischen Struktur sowie des Ladungstransports wird am Helmholtz-Zentrum Berlin ein breites und spezialisiertes experimentelles Instrumentarium eingesetzt. Die Experimente stehen in enger Rückkopplung mit der Präparation von kompletten als auch Teilzellen (Grenzflächenengineering). Die fundamentale Kenntnis der physikalischen Vorgänge ermöglicht somit eine bessere Kontrolle der einzelnen Präparationschritte. Neben einer Vielzahl elektrischer und spektroskopischer Methoden (Zeitauflösung bis zu Femtosekunden), stehen die hausinternen Neutronen- und Photonenquellen (BENSC und BESSY) zur strukturellen und energetischen Charakterisierung der photovoltaischen Materialien zur Verfügung. Kontakt Dr. Reiner Eichberger HZB, Berlin Telefon +49 (0) eichberger@helmholtz-berlin.de 16

19 Die Konzentrator-Photovoltaik an der Schwelle zum Markteintritt Herr Dr. Andreas Bett, Leiter der Abteilung Materialien Solarzellen und Technologie am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg Andreas Bett, Jahrgang 1962, studierte an der Universität Freiburg Physik, Mathematik und Sport. Im Jahre 1991 promovierte er an der Universität Konstanz im Fach Physik. Seit 1986 arbeitet er am Fraunhofer ISE, über viele Jahre im Bereich der III-V Solarzellenentwicklung. Er war wesentlich an der Entwicklung eines PV-Konzentratorsystems beteiligt, das nun von der Firma Concentrix Solar in Freiburg produziert wird. Seit 2007 ist er Abteilungsleiter. Die Zukunft der Energieversorgung gehört den erneuerbaren Energien. Nach Aussage eines Gutachtens des Wissenschaftlichen Beirates der Bundesregierung Globale Umweltveränderung (WGBU) aus dem Jahre 2003 könnten sie 2050 über die Hälfte des globalen Energiebedarfs decken. Während Windenergie, Wasserkraft und Biomassenutzung heute schon energiewirtschaftlich relevante Beiträge liefern, ist die globale Stromerzeugung mit Solarzellen noch relativ gering. Doch in Jahren werden die Potenziale der anderen regenerativen Techniken weitgehend ausgeschöpft sein. Die Photovoltaik, die heute noch einen Anteil von Bruchteilen eines Prozents an der Stromerzeugung hat, wird dann eine Massentechnologie sein, die sich anschickt 20 oder mehr Prozent unseres Stroms bereitzustellen. Ihre großen Vorteile sind dabei, dass sie keinerlei Emissionen verursacht und sich von der Größe eines Fingernagels bis zum Tausendfachen eines Fußballfeldes modular aufbauen lässt. Neben gebäudeintegrierten Anlagen wird es eigene Photovoltaik- Kraftwerke geben. Für diese Entwicklung müssen heute die Weichen gestellt werden. Schlüsselfrage sind dabei die Kosten. Solarzellen bestehen aus hochwertigem Halbleitermaterial. Im Prinzip gibt es zwei Möglichkeiten zur Realisierung von Photovoltaiksystemen: Man kann Solarzellen flächendeckend auslegen (Flat Plate) oder mit optischen Konzentratoren die Solarstrahlung bündeln und auf kleine Solarzellen lenken. Die Flat Plate Technik arbeitet vor allem mit Silizium und erlebt in Deutschland seit dem Erneuerbaren Energien Gesetz, und nunmehr auch in anderen Ländern, einen vitalen Wachstumsmarkt. Bei der Konzentrator-Technologie braucht man nur Bruchteile des relativ teuren Halbleitermaterials. Zum Beispiel kann mit kostengünstigeren Fresnellinsen die Solarstrahlung um das Tausendfache konzentriert werden, was entsprechend die Halbleiterfläche reduziert, siehe Abbildung 1. Um einen Quadratmeter Solarstrahlung zu verstromen, braucht man dann nur die Größe einer Sonderbriefmarke an Solarzelle. Bei diesen kleinen Flächen kann man besonders hochwertige Solarzellen einsetzen. Hinzu kommt, dass mit wachsender Konzentration der Wirkungsgrad der Solarzellen steigt. Neben der Reduzierung von Halbleiterfläche bringt die Konzentrator-Technik also auch eine Steigerung in der Ausbeute. Während kommerzielle Solarzellen typische Wirkungsgrade von 16% einzelne bis 20% haben, erreichen Konzentratorzellen weit über 35% bis 40%. Spiegel Abb 1: Funktionsprinzip der Konzentrator-Technologie. Links ist gezeigt, wie das Sonnenlicht mittels einer Linse auf eine kleine Zelle fokussiert wird. Rechts wird zur Lichtkonzentration ein Parabolspiegel verwendet. Die hocheffizienten Mehrfachsolarzellen Diese Hochleistungszellen bestehen dann nicht mehr aus einem einzigen Halbleiter, sondern meist aus einer Kombination von Materialien der 3. und 5. Gruppe des chemischen Periodensystems. Sie heißen deshalb III-V Halbleiter, typische Vertreter sind Galliumarsenid GaAs, AlGaAs oder GaInP. Diese III- V Verbindungshalbleiter werden heute mittels der Metallorganischen Gasphaseneptiaxie (MOVPE) auf Germaniumsubstraten abgeschieden. Das gleiche technologische Verfahren wird auch zur Herstellung der allseits bekannten Leuchtdioden genutzt, die ebenso aus III-V Halbleitern bestehen. 17

20 Der Charme der heute bereits im Weltraum verwendeten III-V-Materialklasse liegt in der Möglichkeit mehrere Materialien übereinander zu stapeln und damit Mehrfachzellen herzustellen, siehe Abbildung 2. Sie können das breite Sonnenspektrum optimal in elektrische Energie konvertieren. Zwei oder mehr Solarzellen mit unterschiedlichen Bandlücken werden aufeinandergestapelt und wandeln so den roten und blauen Teil des Sonnenlichts getrennt und damit effizienter um. Solche Mehrfachzellen bestehen z.b. aus GaInP/GaInAs-Dünnschichtstrukturen. Sie werden auf stabilen, kostengünstigen Germanium-Substraten abgeschieden, welches gleich noch als aktive dritte Solarzelle genutzt werden kann. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg arbeitet intensiv an dieser Thematik. Der am Institut bislang (Juli 2008) erzielte Spitzenwert einer III-V-Tripelzelle ist 37,6 % bei einer 1700-fachen Sonnenkonzentration. Der Weltrekord für diese Zellen liegt bei 40.7 % und wurde von Spectrolab in den USA erzielt. ARC n + -AlInP - window layer n-gainp - emitter GaInP - undoped layer p-gainp - base p + -GaInP - barrier layer p + -AlGaInP - barrier layer p ++ -AlGaAs n ++ -GaAs or GaInP n + -AlGaInP/AlInAs - barrier layer n-gainas - emitter GaInAs - undoped layer p-gainas - base p + -GaInAs - barrier layer p + -AlGaInAs - barrier layer p ++ -AlGaAs n ++ -GaInAs n-graded Ga 1-x In x As buffer layer p-ge substrate (100) front contact cap layer n- doped window- and nucleation layer n-ge diffused emitter rear contact Ga 0.35 In 0.65 P top cell tunnel diode 1 Ga 0.83 In 0.17 As middle cell tunnel diode 2 buffer Ge bott om cell Abb. 2: Aufbau einer III-V basierenden Mehrfachsolarzelle. Das blaue Licht wird in der Oberzelle aus GaInP absorbiert. Diese Zelle ist elektrisch über eine Tunneldiode in Serie zu der Mittelzelle aus GaInAs geschaltet, welche das rote Licht absorbiert. Diese Zelle ist wiederum durch eine Tunneldiode mit der Ge-Zelle in Serie verschaltet, wo das Infrarote Licht des Sonnespektrums in Strom umgewandelt wird. Hochkonzentrierende Photovoltaiksysteme Eine Solarzelle macht noch kein Kraftwerk. Für die technische Nutzung werden die Solarzellen mit der Konzentrator-Optik in Modulen zusammengefasst. Schon Mitte der 90er Jahre wurden am Fraunhofer ISE, in Zusammenarbeit mit dem Ioffe-Institut in St. Petersburg, Russland, erste Konzentrator-Module hergestellt. Diese Arbeiten wurden im Institut konsequent weitergeführt. Durch kontinuierliche Verbesserungen im Bereich der Zellwirkungsgrade, der Einführung verbesserter Linsen und einer zweiten optischen Konzentrationsstufe wurden die Wirkungsgrade erhöht. Kürzlich haben wir ein Modulwirkungsgrad von 28.5% gemessen ein weltweiter Spitzenwert. Abbildung 3 zeigt ein Photo des FLATCON -Moduls und die gemessene Kennlinie. Abb. 3: Foto eines FLATCON -Konzentrator-Moduls, welches Dreifach-Solarzellen und eine 2. optische Konzentratorstufe direkt über der Zelle nutzt. Mit diesem Modul wurde ein Wirkungsgrad von 28.5% gemessen. Optische Konzentratoren, wie Linsen oder Parabolspiegel, können nur direktes Sonnenlicht bündeln. Konzentrator-Module werden deshalb der Sonne nachgeführt. Die entsprechenden Gestelle aus Aluminium oder Stahl heißen Tracker und werden von Elektromotoren präzise bewegt. Die Konzentrator-Technik eignet sich besonders für Kraftwerke: Zum einen ist bei großen Anlagen das Kostensenkungspotenzial besonders hoch, zum anderen erfordert die Systemtechnik regelmäßige Ü- berwachung und Wartung. Selbst in unseren Breiten kommt genug direkte Sonne für derartige Anwendungen. Im Mittelmeerraum sind sie wegen der rund 50% 18

21 höheren Einstrahlung und den größeren Flächen noch günstiger. Was sind die Vorteile der III-V Konzentrator- Kraftwerke? Da ist zunächst der geringe Bedarf an relativ teurem Halbleitermaterial. Für 20 MW Konzentrator-Module bräuchte man davon lediglich rund 300 kg. Daneben würden die Konzentrator-Systeme circa 3500 t Stahl und 2500 t Glas benötigen. Aus dem geringen Anteil des Halbleitermaterials folgt ein großes Kostenoptimierungspotenzial, denn das Teuerste bei der Photovoltaik ist meist die Solarzelle. Schließlich ist die energetische Rücklaufzeit der Konzentrator-Technik gering. Darunter versteht man die Zeit, die ein System Energie produzieren muss, um seine Herstellungsenergie einzuspielen. Bei FLAT- CON Modulen in Südeuropa sind das lediglich 12 Monate. Die meisten anderen Photovoltaik-Varianten liegen höher. Aufgrund der genannten Vorteile wird die Konzentrator-Technologie derzeit von mehreren Firmen kommerziell realisiert. Concentrix Solar, eine Ausgründung aus dem Fraunhofer ISE, nutzt die von uns entwickelte Basistechnologie und hat sie in die Produktion überführt. Kürzlich wurde in Spanien das erste 100 kw Kraftwerk errichtet, siehe Abbildung 4. Concentrix hat angekündigtn noch 2008 eine 25 MW Fertigung in Betrieb zu nehmen. Damit überschreitet die Konzentrator-Technologie die Schwelle zum Markteintritt. Hochkonzentrierende Photovoltaiksysteme sind aus meiner Sicht eine wichtige Option für eine klimafreundliche und wirtschaftlich tragfähige Energieversorgung der Zukunft. Sie sind eine Synthese aus winzigen, hoch-technologischen Halbleiter-Chips mit einer kostengünstigen, präzisen Optik und Mechanik. Dies lässt weitere Kostenreduktionen für diese Technologie erwarten. Abb. 4: Foto der ersten 100 kw FLATCON -Konzentrator Installation von Concentrix Solar in Puertollano, Spanien, Februar Kontakt Dr. Andreas Bett Fraunhofer ISE, Freiburg Telefon +49 (0) andreas.bett@ise.fraunhofer.de 19

22 Lasertechnologie in der Photovoltaik Bewährte Partnerschaft und Befähigung neuer Konzepte Dr. rer. nat. Nils-Peter Harder, Leiter Siliziumwafer-Solarzellenentwicklung am ISFH GmbH Dr. rer. nat. Nils-Peter Harder, Jahrgang 1971, studierte Physik an der Universität Köln, an der University of Britisch Columbia in Vancouver, Kanada und der Universität Leipzig, von der er für eine am Forschungszentrum Jülich durchgeführte Arbeit 1997 sein Diplom in Physik erhielt. Für seine Arbeiten in den Jahren an der University of New South Wales in Sydney, Australien, zu kristallinen Siliziumdünnschichtsolarzellen und der Modellierungvon Third-Generation Hocheffizienz- Solarenergienutzungskonzepten wurde Dr. Harder von der Universität Leipzig promoviert. In den Jahren 2003 bis 2005 arbeitete Dr. Harder als Entwicklungsingenieur und Projektleiter für Photovoltaik- Spezialgläser für die Firma Saint-Gobain-Glass Deutschland. Von dort aus wechselte er 2005 zum Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH), wo er seit 2007 die Entwicklung von Siliziumwafer- Solarzellen leitet. Höhere Solarzellenwirkungsgrade und geringere Herstellungskosten sind die beiden großen Maxime auf dem Weg zu geringeren Kosten des Solarstroms. Neben zukunftsweisenden Zellkonzepten sind dafür vor allem auch innovative Bearbeitungsverfahren gefragt. Die rasante Entwicklung der Lasertechnologie lässt hierbei in den unterschiedlichsten Branchen neue Möglichkeiten entstehen und liefert nicht selten entscheidende Impulse für weitergehende Innovationen. Auch in der Photovoltaik-Industrie gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, Lasertechnologie sowohl für neue Fertigungsweisen als auch für die Umsetzung neuer Solarzellenkonzepte einzusetzen, die ohne Lasertechnologie nur schwer vorstellbar wären. Eine bewährte Partnerschaft Laserbearbeitung von Solarzellen- und Modulen spielt schon jetzt in der Photovoltaikproduktion eine wichtige Rolle. So hat sich in der industriellen Photovoltaik zum Beispiel bereits das Schneiden von Silizium, das Beschriften und Markieren sowie die Kantenisolation mittels Laserablation längst bewährt (Abb. 1a), ebenso wie die Strukturierung von Dünnschichtmodulen. Für die Verschaltung bzw. Strukturierung der Schichten des Dünnschichtmoduls kann der Laserstrahl Öffnungslinien sowohl direkt von der Rückseite als auch durch das Substrat hindurch abtragen (Abb. 1b). Über diese wichtigen Teilprozessschritte hinaus, hat die Lasertechnologie auch in der Vergangenheit schon die Rolle einer befähigenden Technologie gespielt: Das erste großindustriell umgesetzte Hocheffizienzsolarzellenkonzept, die Buried-Contact - Solarzelle der UNSW, Sydney, die durch BP Solar mit der Saturn-Zelle kommerzialisiert wurde, basiert auf der Erzeugung grabenartiger Strukturen auf der Vorderseite der Solarzelle, die mittels Laserablation und nachfolgender Siliziumätze hergestellt werden und in denen anschließend die vorderseitige Metallisierung der Solarzelle mittels Galvanik eingebracht ( vergraben ) wird (Abb. 2): Die mit Metall gefüllten Gräben sind dabei einerseits so schmal und andererseits so tief, dass einerseits der Sammelbereich für das Licht vergrößert und andererseits der elektrische Widerstand der Leiterbahnen gering gehalten wird. 20

23 a) Laserstrahl n + p p + Plasma Metall b) Silizium Schmelztröpfchen TCO Substrat (transparent conducting oxide) Abbildung 1: a) Kantenisolierung b) Strukturierung bei Dünnschichtmodulen Abbildung 2: Siliziumstrukturierung für Buried-Contact -Solarzellen Laser gefeuerte Kontakte Befähigung neuer Konzepte für Zelle und Modul Eine spannende Frage, die bei der Erstellung eines Zellkonzeptes zu lösen ist, ist jene nach der Kontaktierung des Halbleitermaterials. Abzuwägen sind hierbei gegeneinander die Kontaktierung mit einem geringen elektrischen Widerstand auf der einen Seite und auf der anderen Seite die Minimierung der Halbleiter/Metall-Grenzfläche, an der hohe Verluste der lichtgenerierten Ladungsträger entstehen. Die herkömmliche (Abb. 3, rechts oben), vollflächige Siebdruck-Metallisierung auf der Rückseite schöpft wegen der großen metallisierten Fläche nicht das volle Wirkungsgradpotential aus. Ein geringerer Flächenanteil der Kontaktierung würde aus der Sicht des elektrischen Widerstandes schon ausreichen. Die Minimierung dieser Metall/Halbleiter-Grenzfläche kann in eleganter Weise mit dem am FhG-ISE entwickelten Konzept der Laser gefeuerten Kontakte (LFC) (Abb. 3, rechts unten) realisiert werden. Durch lokale Lasereinwirkung wird Metall durch eine Isolierschicht hindurch getrieben ( gefeuert ). Die zwischen den Laser-gefeuerten Kontakten stehende dielektrische Schicht kann dabei in diesen Zwischengebieten eine gute Oberflächenpassivierung darstellen und gleichzeitig eine effektive Verspiegelung der Solarzellenrückseite. Die Rückspiegelwirkung wirft das Licht, das im ersten Durchgang durch die Solarzelle noch nicht absorbiert wurde, wieder zurück in die Solarzelle hinein und vergrößert somit den Anteil der nutzbaren Lichtabsorption in der Solarzelle. Abbildung 3: Laser-gefeuerte Kontakte Laser-Bohren und Flächenstrukturierung Sowohl aus ästhetischen Gründen als auch aus Gründen der verbesserten Absorption des einfallenden Lichtes im Silizium wäre es vorteilhaft, keine Metallkontakte auf der Vorderseite der Solarzelle anzuordnen. Für eine Optimierung der Stromsammlung in der Solarzelle ist es jedoch sinnvoll, den stromsammelnden, pn-übergang bildenden Emitter auf der Vorderseite anzuordnen. Um den vorderseitigen Emitter nun durch rückseitige Metallfinger zu kontaktieren sind emitterartige Verbindungskanäle zwischen Vorder- und Rückseite sinnvoll, die mittels feinen Löchern durch die Solarzelle realisiert werden können. Für diese Anwendung ist das Laser-Bohren von Löchern durch Siliziumwafer geeignet. Disc- Laser können innerhalb einer Sekunde bis zu 3000 Löcher durch Siliziumwafer bohren und bieten somit die Möglichkeit, mit hohem Durchsatz die vorteilhaften Verbindungskanäle vorzubereiten. Neben der hohen Einzelpulsenergie ist es auch die lange Pulsdauer (ca. 1 µs) der infraroten Disk-Laser-Strahlung, die es ermöglicht, einen effizienten Bohrprozess zu gewährleisten. Nimmt man über den Prozess des Löcherbohrens hinaus außerdem noch eine flächige 21

24 Strukturierung der Solarzellenrückseite vor, so kann zusätzlich zu Löchern und Vorderseite auch ein großer Flächenanteil der Solarzellenrückseite mit dem stromsammelnden pn-übergang belegt werden. Genaue Untersuchungen hinsichtlich der Kristallschädigung durch den Laser haben ergeben, dass für die flächige Strukturierung Laser, die grünes Licht emittieren, besonders vorteilhaft sind. Bei der flächigen Strukturierung kann ausgenutzt werden, dass der Materialabtrag durch den Laser auch auf dem Silizium befindliche Oxidschichten entfernt, die in Folgeprozessen auf den Bereichen, die nicht durch Laser bearbeitet wurden, bei der Herstellung des pn- Überganges als Diffusionsbarriere dienen können. Die in dieser Weise hergestellte so genannte Emitter-Wrap-Through (EWT) -Struktur ist beispielhaft anhand der am ISFH entwickelten RISE-EWT Solarzelle [, ] in Abbildung 4 gezeigt und ermöglicht eine sehr effiziente Stromsammlung auch im Falle von relativ geringer Siliziumqualität. Eine solche Solarzelle weist durch ihre homogene Vorderseitenansicht nicht nur ein hohes Maß an Ästhetik auf, wie in Abbildung 5 zu sehen ist, sondern erreicht bei Verwendung von hoher Siliziumqualität darüber hinaus außerdem sehr hohe Wirkungsgrade oberhalb von 21%, trotz relativ einfachen Prozessflusses. Abbildung 4: Verbindungskanäle und Flächenstrukturierung bei der Herstellung von EWT-Solarzellen Laserdotierung Eine Alternative zur Erzeugung lokaler Dotierung oder selektiver Emitter mit Hilfe von Diffusionsbarrieren kann das Laserdotieren darstellen. Eine Schicht, zum Beispiel ein phosphorhaltiger Flüssigkeitsfilm, wird auf dem Siliziumwafer aufgebracht und der Dotierstoff mittels des Laserenergieeintrages in das Silizium eingetrieben. Für einen besonders tiefen Eintrag der Dotieratome kann hierbei das Silizium mittels der Laserenergie oberflächlich aufgeschmolzen werden, wobei das flüssige Silizium beim anschließenden Erstarren die Kristallstruktur des Substrates wieder übernimmt und in der Tiefe bei der laserinduzierten Aufschmelzung den Dotierstoff in den Siliziumkristall einbaut [, ]. Durch das schreibende Verfahren der Laserbearbeitung können in dieser Weise beliebig strukturierte dotierte Bereiche in die Oberfläche des Wafers eingebracht werden, ohne dass aufwendige Maskierungen oder Ätzschritte vorgenommen werden müssen. Abtrag von Isolatorschichten auf Silizium Die Oberfläche des Siliziumwafers ist bei Hocheffizienzsolarzellen verantwortlich für den größten Teil der Rekombinationsverluste lichtgenerierter Ladungsträger. Um diese Verluste zu minimieren, sind verschiedene Oberflächenpassivierungs-Techniken entwickelt worden, die diese Verluste minimieren. Besonders gute Passivierungseigenschaften haben oxidierte Siliziumoberflächen oder Siliziumnitrid beschichtete Oberflächen. In beiden Fällen ist jedoch das Silizium unter einer isolierenden Schicht verborgen, die für die Kontaktierung der Solarzelle lokal entfernt werden muss. Während hierfür in einer Laboranwendung die Photolithographie sehr leistungsfähig ist, verbietet sich ihr Einsatz jedoch aus Kostengründen in einer industriellen Produktion von einem billigen Massenprodukt wie Solarzellen. In dieser Situation hat sich in jüngster Zeit die Anwendung von sogenannten Kurzpuls-Lasern als fruchtbar erwiesen, deren Pulse nur billionstel Sekunden andauern. Wenn die Laserleistung auf so kurze Zeiten konzentriert wird, können nichtlineare Effekte auftreten, durch die üblicherweise transparente Isolatoren zu absorbieren beginnen. Wesentlich für den gewinnbringenden, d.h. schonenden Einsatz von Kurzpulslasern bei der Entfernung von Silizium-Oxid und - Nitridschichten ist vor allem, dass während der kurzen Pulsdauer dem Substrat darunter kaum Zeit bleibt, sich zu erhitzen bzw. die Hitze in die Tiefe zu leiten. Die Wirkung des Energieeintrages des Lasers, der zur oberflächlichen Materialabsprengung führt, bleibt somit auf oberflächennahe Schichten beschränkt und ruft keine Tiefenschädigung des Siliziums hervor. Dadurch ist eine besonders schonende Bearbeitung möglich, die sich für die Herstellung von lokalen Kontaktöffnungen (Abbildung 6) für Hocheffizienzsolarzellen eignet. Solarzellen, deren lokale 22

25 Kontaktierung mittels einer solchen Kurzpulslaser- Prozessierung hergestellt wurden, habe durch ihre hohe Effizienz von bis zu oberhalb 21% besonders deutlich illustriert, dass passivierende Isolatorschichten wie Siliziumnitrid und oxid mittels Laserablation abgetragen werden können, ohne darunter liegende Emitterschichten signifikant zu schädigen. sich herleitet von der lautmalerischen Verschmelzung des Anfangsbuchstabens der Q-Cells AG und dem Laut back wie back-contacted, wurde eine Hocheffizienzsolarzelle mit Wirkungsgraden oberhalb von 20% für die industrielle Massenfertigung entwickelt. Projekterfolg und Umsetzungswillen der Q-Cells AG sind dokumentiert durch den Bau einer Testlinie, in der die industrielle Fertigung der Quebec-Zellen ihren Anfang nehmen wird. Abbildung 6: Abtrag von Siliziumnitrid und Siliziumoxid zur lokalen Kontaktöffnung mit Pikosekunden-Laserpulsen Abbildung 7: Konstellation des Quebec-Projektes, schematische Darstellung der entwickelten Solarzelle, sowie Foto des Baus der Testlinie für die industrielle Umsetzung der Quebec- Zelle bei der Q-Cells AG. Laserlöten auf Lamierfolien: Berührungslose Zellverbindungstechnik Nicht nur in der Weiterentwicklung der einzelnen Zellen befähigt die Lasertechnik neue Konzepte, sondern auch bei der Verschaltung zum Modul. Abb. 8 zeigt den Prozessablauf beim Auf-Lamitat-Laser- Löten, das am Institut für Solarenergieforschung in Hameln/Emmerthal (ISFH) entwickelt wurde. Einige aufwendige Handhabungsschritte der Solarzellenstrings des konventionellen Verfahrens können entfallen, da beim Auf-Laminat-Lötprozess die einzelnen Zellen direkt am Einbauort im Modul, d.h. auf der Laminierfolie des Moduls, verlötet werden. Entscheidend für diese Zellverbindungsmethode ist eine präzise Prozesskontrolle, die den Hitzeeintrag des Lasers auf ein Minimum reduziert, so dass die hitzeempfindliche Laminierfolie nicht beschädigt wird. Laserprozessbasierte Zellentwicklung Die Q-Cells AG startete früh gemeinsam mit den beiden auf dem Gebiet der Siliziumwafersolarzellen führenden deutschen Forschungsinstitute, dem Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) und dem Fraunhofer Institut für Solar Energiesysteme (FhG-ISE), ein ambitioniertes Zellentwicklungsprojekt, dessen tragende Säule die Laserprozessierung darstellte. In diesem Projekt Quebec, dessen Name Abbildung 8: Laserlöten auf Laminierfolie: aufwendige und risikoreiche Handlungsschritte der Solarzellenstrings können bei dieser Technik vermieden werden. 23