Stand und Perspektiven der Photovoltaik

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1 Stand und Perspektiven der Photovoltaik Noch vor 15 Jahren galt die Photovoltaik, die Möglichkeit der Gewinnung elektrischer Energie auf der Grundlage des lichtelektrischen Effekts, als eine Nische für ökologisch orientierte Pioniere. Mittlerweile ist daraus nicht nur in Deutschland ein ganz normaler Industriezweig wie jeder andere auch entstanden. Allerdings mit einem Unterschied: seine jährlichen Wachstumsraten liegen im zweistelligen Bereich (Bild 1). Allein in Deutschland existieren bereits Fertigungskapazitäten für Soalrmodule im Bereich von mehr als 100 MWp pro Jahr. 800,0 744,08 700,0 600,0 Megawatt (peak) 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 57,9 60,1 69,4 77,7 88,6 125,8 151,7 201,5 277,9 381,3 512,22 0, Bild 1:Entwicklung des Weltmarktes für Solarmodule /1/ Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass rund die Hälfte der weltweiten Produktion an Solarmodulen auf Japan entfiel. Der Marktanteil lag dort im gleichen Jahr aber nur bei 38 %. In Europa betrug der Produktionsanteil 26 %, der Marktanteil aber 34 %. Daraus folgt, dass der europäische Markt in starkem Maße auch von Solarmodulen aus Japan bestimmt wird. Der Photovoltaikmarkt in Deutschland wird zu einem erheblichen Teil von ausländischen Solarmodulherstellern bestimmt (u.a. BP Solarex, Isofoton, Kyocera, Sharp). Hinzu kommt, dass auch die deutschen Hersteller (beispielsweise IBC Staffelstein oder die Solarfabrik Freiburg) die Zellen für ihre Modulfertigung in Ausland kaufen. Tabelle 1 : Produktions- und Marktanteile für ausgewählte Gebiete im Jahr 2003 (rund 750 MWp) /1/ Produktionsanteil (%) Marktanteil (%) Europa Japan USA ROW Hinsichtlich der eingesetzten Technologien dominieren derzeit und wohl auch noch mittelfristig die kristallinen Dickschichtzellen (bzw. Module) auf der Grundlage von poly- und multikristallinem Silicium. Sie haben einen Marktanteil von rund 90 %. Weiterhin stehen zur Verfügung: GaAs fast ausschließlich für extraterrestrische Anwendungen genutzt Amorphes Silicium derzeit fast ausschließlich in Geräten und Kleinsystemen eingesetzt. Bekannte Eigenschaft der Degradation in der ersten Nutzungszeit, geringer Wirkungsgrad in der stabilen Phase, relativ hohe Herstellungskosten CIGS/CIS Dünnschichtmodule, die auch für den Einsatz in netzgekoppelten Anlagen vorgesehen sind. Geringerer Wirkungsgrad, Probleme der Akzeptanz bei den potentieller Käufern wegen der eingesetzten Schwermetalle, relativ hohe Herstellungskosten

2 CdTe wie CIGS/CIS III-V-Material Verbindungshalbleiter, die sehr teuer in der Herstellung sind. Einsatz vor allem bei der so genannten konzentrierenden Photovoltaik sowie für extraterrestrische Anwendungen, hohe Wirkungsgrade durch Stapelzellen möglich GaSb/GaINAsSb Nutzung für die Thermophotovoltaik, ein Spezialzweig der eigentlichen Photovoltaik Vor allem die III-V-Verbindungshalbleiter sowie das amorphe Silicium bieten sich zur Schaffung von so genannten Tandem- oder Tripelzellen(modulen) an. Dabei kann zwischen mechanisch gestapelten und monolithischen Zellen unterschieden werden. Die einzelnen Subzellen sind jeweils für einen speziellen Abschnitt des Sonnenlichtspektrums zugeschnitten (Bild 2). front contact 300 nm ARC cap layer 30 nm n + -AlInP - window layer 60 nm n-gainp - emitter 400 nm GaInP - undoped layer 1500 nm p-gainp - base 30 nm p + -GaInP - barrier layer 30 nm p + -AlGaInP - barrier layer 15 nm p ++ -AlGaAs 15 nm n ++ -GaInAs 50 nm n + -AlGaInP/AlInAs - barrier layer 100 nm n-gainas - emitter 300 nm GaInAs - undoped layer 1700 nm p-gainas - base 75 nm 15 nm 15 nm p + -GaInAs - barrier layer p ++ -Al 0.3 Ga 0.7 As n ++ -GaInAs p-doped buffer and barrier layer active Ge substrate, n-doped Bild 2: Monolithische III-V-Zelle rear contact Ga 0.35 In 0.65 P top cell absorption between nm 1. tunnel diode Ga 0.83 In 0.17 As middle cell absorption between nm 2. tunnel diode Ge bottom cell absorption between nm Aus Bild 2 wird zugleich auch ein technisches Problem bei der Herstellung von Dünnschichtmodulen, die häufig auch als Dünnfilmmodule bezeichnet werden, sichtbar. Die einzelnen Schichten (im Falle von Bild 2 sind es 16) müssen im Nanometerbereich homogen übereinander abgeschieden werden. Im Gegensatz zu den kristallinen Dickschichtzellen auf der Basis von poly- und multikristallinem Silicium existieren für die Dünnschichtmodule auf der Basis von a-si, CIGS/CIS und CdTe noch keine Fertigungseinheiten mit jeweils mehr als 10 MWp. Nach /2/ ist dies aber die unterste Grenze für eine Fertigung zu konkurrenzfähigen Kosten (Tabelle 2). Tabelle 2: Herstellungskosten für PV-Module /2/ Zellmaterial Herstellungskosten ($/Wp)* Monokristallines Si 2,43 Multikristallines Si 2,12 a-si 2,68 CdTe 2,28 CIS 2,27 *Herstellungskosten im Jahre 2000 für eine Anlage mit einer Kapazität von 10 MWp Die Ursachen sind vor allem für CdTe und CIGS/CIS die bereits oben beschriebene mangelnde Akzeptanz für Solarmodule aus diesen Materialien bei den potentiellen Anwendern. Das hat dazu geführt, dass einige Unternehmen die entsprechenden FuE-Arbeiten auf Eis gelegt haben bzw. nur auf Sparflamme weiter betreiben. Aus technischer Sicht wird den Dünnschichtmodulen aber eine große Zukunft vorausgesagt.

3 Noch im Status teilweise grundlegender FuE-Arbeiten befinden sich zwei Solarzellenkonzepte, die nicht auf Halbleitermaterialien basieren: Farbstoff-Solarzelle es handelt sich hierbei um elektro-chemische Solarzellen. Bekannt geworden ist dieses Zellkonzept auch unter dem Namen Grätzel-Zelle. Als derzeit noch problematisch erweist sich die Langzeitstabilität der Versiegelung der Module Organische Solarzelle - nach dem Durchbruch bei den organischen LED sind die Erfolgsaussichten für Organische Solarzellen sprunghaft gestiegen. Polymere Elektronik gilt als eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Bild 3 zeigt den schematischen Aufbau einer organischen Solarzelle, an der derzeit am Fraunhofer ISE geforscht wird. Bild 4 den einer solchen des HMI. PCBM = C 60 -Derivat; MDMP-PPV = Polymer Bild 3: Schematischer Aufbau einer organischen Solarzelle /3/ Bild 4: Schichtstruktur einer organischen Solarzelle an der am HMI gearbeitet wird /4/ Im Falle von Bild 4 dient Zn-Phthalocyanin dient als Donator, C 60 als Akzeptor. Das transparente ITO (Indium-Zinnoxid) und Aluminium bilden die Elektroden. PEDOT:PSS und Bathocuproine sind Pufferschichten, die die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der aktiven Schicht und der Elektroden einander anpassen. Derzeitige FuE-Aktivitäten des Fraunhofer ISE auf dem Gebiet der organischen Solarzellen/3/ - Prüfung verschiedener Stoffkombinationen hinsichtlich der Eignung als Elektronen-Donatoren und Elektronen-Akzeptoren - Entwicklung von experimentellen organischen Solarzellen (Bild 5)

4 Organic solar cell Aluminium back contact ~ 200 nm polymer layer ~ 100 nm ITO (transparent) ~ 25 nm glass substrate ~ 1mm Bild 5: Experimentelle organische Solarzelle des Fraunhofer ISE /3/ - Grundlegende Untersuchungen zur Langzeitstabilität, zur mechanischen Flexibilität sowie zu den Möglichkeiten einer künftigen industriellen Fertigung. Siemens arbeitet gleichfalls auf dem Gebiet der organischen Solarzelle. Die mittels Druckverfahren auf Folie hergestellten Versuchszellen sollen Wirkungsgrade bis zu 5 % erreicht haben. In Tabelle 3 sind die Zell- bzw. Modulwirkungsgrade für unterschiedliche Solarzellenmaterialien aufgeführt. Dabei wird der deutliche Unterschied zwischen den einzelnen Materialien aber auch zwischen erreichtem Laborwirkungsgrad und Wirkungsgrad in der industriellen Fertigung erkennbar. Daraus ergibt sich u.a. ein Ansatz für künftige FuE-Arbeiten, auf den noch eingegangen wird. III-V- Materialien erreichen Wirkungsgrade bis zu 30 und mehr Prozent, in Abhängigkeit vom eingesetzten Material, Anzahl der aktiven Schichten und dem konkreten Einsatzzweck. Darauf wird, im Zusammenhang mit den so genannten Konzentratoranwendungen ebenfalls noch etwas gesagt. Tabelle 3: Wirkungsgrade von Solarzellen Solarzellenmaterial Zell-η (Labor) Zell-η (Pilotanlagen) Modul-η (Serienprod.) Monokristallines Si 24, Polykristallines Si 19, a-si (stabil) 13 10,5 7,5 CIGS/CIS 18, CdTe 16, Farbstoffzellen (Kleinserie) Organische Solarzellen 2,5 3 (5) - - Fazit: Für den kommerziellen Einsatz insbesondere im Bereich der netzgekoppelten Photovoltaik, aber auch für Insellösungen in größeren Stückzahlen, stehen derzeit fast ausschließlich Solarmodule auf der Basis des kristallinen Siliciums zur Verfügung. Was die Einsatzmöglichkeiten der Photovoltaik anbelangt, so ist grundsätzlich zwischen Anlagen im Netzverbund und Inselsystemen zu unterscheiden. Letztere können noch in so genannte Konsumeranwendungen die Palette reicht hier vom Taschenrechner bis zu PV-Autoschiebedächern) und in Kleinsysteme unterschieden werden. Die Funktionsweise der netzgekoppelten Photovoltaik wird als bekannt vorausgesetzt und soll hier nicht weiter erläutert werden. Hinsichtlich der Auswirkungen vieler kleiner dezentraler Stromerzeuger (u.a. PV-Anlagen) auf die Versorgungsnetze gibt es derzeit einige umfangreiche Untersuchungen (DISPOWER und EDISON). Interessenten finden unter /3/ entsprechende Informationen. Die Palette der Insellösungen reicht von so genannten Solar Home Systemen für Schwellen- und Entwicklungsländer über Anlagen zur Trinkwasserförderung und aufbereitung (Bild 7) bis zu größeren Anlagen zur Versorgung von Gebäuden bzw. Gebäudegruppen (Bild 6), um nur einige Beispiele zu nennen. Auch diese Einsatzmöglichkeit soll im Rahmen dieses Beitrages nicht weiter vertieft werden.

5 Bild 6: Beispiele für Inselsysteme in Europa PV-versorgte Notrufsäule Magdeburger Hütte in den Alpen Bild 7: Beispiele für Inselsysteme in Entwicklungsländern: Anlage zur Trinkwasserentkeimung (Solarfabrik Freiburg) Solar Home System in Bolivien

6 Gegenwärtig gibt es allein in Deutschland netzgekoppelte PV-Anlagen mit einer Gesamtleistung von rund 500 MWp. Die konkrete Anlagenleistung reicht dabei von wenigen kwp (meist Dachanlagen) bis zu Anlagen im MWp-Bereich. Letztere sind unter ökologischen Gesichtspunkten nicht unumstritten (Stichwort Landschaftsversiegelung). Ohnehin bieten, nach Berücksichtigung aller Restriktionen der Behörden, die Dachflächen in Deutschland das größte Potenzial für die Installation von netzgekoppelten PV-Anlagen (Tabelle 4). Tabelle 4: Potenzial zur Errichtung von PV-Anlagen in Deutschland /5/ Art der Fläche Potenzielle Installationsleistung (GWp) Freiflächen 37,5 Verkehrswege 5,9 Fassaden 30 Dachflächen 129,5 Fazit: Derzeit stehen ausgereifte technische Lösungen sowohl für die netzgekoppelte Photovoltaik als auch für Kleingeräte und Inselsysteme zur Verfügung. Das betrifft sowohl die kompletten Anlagen und Systeme als auch die dafür erforderlichen Komponenten. Die FuE-Aktivitäten auf dem Gebiet der Photovoltaik konzentrieren sich im Bereich der Solarzellen u.a. auf die : Reduzierung des Materialaufwandes für Solarzellen aus kristallinen Silicium. Dies kann beispielsweise durch die Entwicklung und den Einsatz kristalliner Dünnschichtzellen erfolgen. Bei ihnen werden die aktiven Schichten auf ein Substrat aus preiswerterem Material aufgebracht (Bild 8). Eine andere Möglichkeit ist die Schaffung von Waferäquivalenten aus dünnen kristallinen Si- Schichten. Antireflexion coat ing Emitt er contacts Emitt er 5 to 50 µm thick active silicon layer (Base) Intermediate layer as a diffusion barrier and back side reflector (optional) Substrate Base contact when conducting substrat es and intermediate layers are used Bild 8: Dünnschichtzelle aus kristallinem Silicium /1/ Schaffung von High Efficiency-Zellen mit einer vergrößerten aktiven Oberfläche (Bild 9). Inverted pyramids Metal grid SiO 2 Emit t er p-base SiO 2 Local back surface field Aluminium Bild 9: High Efficiency Solarzellen /1/

7 Ausheilung von Defekten an Kristallgrenzen bei multikristallinem Si. Verbesserung des Modul-Wirkungsgrades in der industriellen Fertigung und Qualitätssicherung Neue Zell-Konzepte (Farbstoff- und Organische Solarzellen) Im Bereich der Wechselrichter geht es insbesondere um die Entwicklung und Erprobung neuartiger Wechselrichter-Topologien mit hohen Wirkungsgraden. Als Beispiel sei hier das im Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme entwickelte Highly Efficient & Reliable Inverter Concept - HERIC erwähnt, das Wirkungsgrade bis zu 98 % ermöglicht (Bild 10). Bild 10: Wirkungsgradkurven von drei Wechselrichterkonzepten /3/. Aus den hier nur kurz skizzierten FuE-Arbeiten zu den beiden Hauptkomponenten der netzgekoppelten Photovoltaik Solarmodul und Wechselrichter folgt zwangsläufig eine höhere Effektivität der kompletten Anlagen. Ein Maß dafür ist die so genannte Performance Ratio. Sie kennzeichnet die Ausnutzung einer Anlage im Vergleich zu einer verlustfrei und unter nominellen Betriebsbedingungen arbeitenden Anlage. Das Ziel ist eine Performance Ratio von > 75 % als Standard. Werte bis etwas über 80% können bereits heute als realistisch angesehen werden.

8 Eine weitere Richtung der FuE-Arbeiten ist die so genannte Konzentratortechnologie. Der Kerngedanke dabei ist der Ersatz von teuren Halbleitermaterial durch vergleichsweise billige Optik (Bild 11). Dabei geht es zunächst vor allem um die Fragen, welche Optik wird eingesetzt und welche Konzentration ist die optimale? Generell gilt, dass sich der Einsatz der Konzentratortechnologie nur in Gebieten mit einem hohen Anteil der direkten Strahlung an der Globalstrahlungssumme lohnt. Sonne Konzentrator Solarzelle 30 % Elektrische Energie Bild 11: Schematische Darstellung der Konzentratortechnologie (Mittel und hoch) Die Konzentratortechnologie lässt sich unterscheiden nach der Höhe der Konzentration in: niedrig (2-10 Sonnen) Dabei kommen Standard Si-Zellen zum Einsatz, die Anlagen arbeiten statisch oder mit einachsiger Nachführung. Eine Versuchsanlage arbeitet derzeit bei Madrid mittel (10-50 Sonnen) Zum Einsatz kommen modifizierte Technologien, meist Si-Zellen. Die Anlagen arbeiten mit einer einachsigen Nachführung. Eine Versuchsanlage (EUCLIDES) arbeitet derzeit auf Teneriffa hoch ( Sonnen) Zum Einsatz kommen spezielle Si-Zellen oder III-V-Solarzellen. Die Anlagen arbeiten mit zweiachsige Nachführung. Eine entsprechende Versuchsanlage arbeitet derzeit in Australien (Bild 12). Bild 12: Solar Systems PTY, Australien Die hier aus Platzgründen nur sehr grob skizzierten FuE-Arbeiten auf dem Gebiet der Zell- bzw. Modultechnologien sowie auf dem Gebiet der Systemtechnik führen nach /6/ dazu, dass im Jahr 2030: alle hier aufgezeigten Zell- bzw. Modultechnologien (kristallines Si, Dünnschichtmodule, Konzentratortechnik) sowie die neuen Solarzellenkonzepte einen signifikanten Marktanteil haben werden. der Wirkungsgrad von Solarmodulen wird, je nach Technologie, im Bereich von.10 bis 25 % liegen der Wirkungsgrad der Konzentratortechnik erreicht 35 %

9 PV-Systeme werden eine Lebensdauer von mehr als 40 Jahren haben die Energierückflusszeit wird bei weniger als einem Jahr liegen die jährlichen Betriebs- und Wartungskosten auf 0,5 bis 1% der Investitionskosten veranschlagt werden In Tabelle 5 ist die Entwicklung der installierten PV-Leistung (nur netzgekoppelte Anlagen) nach /6/ aufgeführt. Daraus lässt sich u.a. ableiten, welchen Stellenwert die PV-Branche künftig auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten (u.a. Arbeitsplätze) erreichen wird. Tabelle 5: Entwicklung der installierten PV-Leistung (GWp) /6/ Welt 2, ) Europa 0,56 3, ) entspricht einer Stromerzeugung von TWh = 4 % der Welt-Elektroenergieproduktion Die in Tabelle 5 dargestellte Zunahme der installierten PV-Leistung, bzw. die damit zwangsläufig verbundene rasant ansteigende Produktion an benötigten Komponenten (Solarmodule, Wechselrichter, Montagematerial sowie Kabel und Leitung) führt zu der in Tabelle 6 gezeigten Entwicklung der Preise für Solarmodule und PV-Systeme Modulendie sowie zu den aufgezeigten Stromgestehungskosten. Tabelle 6: Entwicklung der Modul- und Systemkosten ( /kwp) sowie der Stromgestehungskosten ( /kwh) für Europa/6/ Preis-Modul 1) 3,0 2,0 1,0 0,5 Preis-System 1) 5,0 3,5 2,0 1,0 Stromgestehungskosten 2) 0,25 0,65 0,12-0,30 0,05 0,12 1) ohne Mehrwertsteuer 2) Die Bandbreite der Stromgestehungskosten gibt die Regionen mit geringer und die mit hoher Jahressumme der Einstrahlung wieder. Fazit: Die Stromerzeugung aus solarer Strahlungsenergie wird in Deutschland zunehmend an Bedeutung gewinnen. Sie wird aber, auch auf längere Sicht gesehen, zunächst noch eine eher untergeordnete Rolle spielen und daher nur im Kontext mit anderen Techniken die Elektroenergieversorgung sichern können. Einige interessante und aussichtsreiche Verfahren befinden sich derzeit noch in der Phase der Grundlagenforschung. Bei den bereits kommerziell genutzten Techniken stehen Fragen der Senkung der Herstellungskosten und des Materialaufwands sowie der Erhöhung des Wirkungsgrades bzw. der Umsetzung des im Labor erreichten Wirkungsgrades in die industrielle Fertigung im Mittelpunkt. Literatur /1/ Goetzberger A., Hoffmann V. : Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer im Druck /2/ Jones E. et all : Opportunities for Cost Reduction in Photovoltaic Modules, 16 th European PV Solar Energy Conference Glasgow, May 5, 2000 /3/ /4/ /5/ von Manteuffel B.: Size Matters, SONNENENERGIE, Ausgabe 6, November 2004 /6/ A Vision for Photovoltaic Technology for 2030 and Beyond. Preliminary Report by the Photovoltaic Research Advisory Council (PV-TRAC). European Communities Autor Volker U. Hoffmann Freier Mitarbeiter am Fraunhofer Institut Solare Energiesysteme ISE Freiburg