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Effiziente, günstige Solarzellen
Eine billige neue Art, Spiegel auf Silizium zu befestigen, führt zu sehr effizienten Solarzellen, deren Herstellung nicht viel kostet. Die Technik könnte zu Sonnenkollektoren führen, die Strom zum durchschnittlichen Strompreis in den Vereinigten Staaten produzieren.
Weitere Reflexion: Diese neue Solarzelle ist äußerst effizient, lässt sich aber dank einer neuen Technik zum Anbringen von Spiegeln auf Silizium kostengünstig herstellen.
Suniva , ein Startup mit Sitz in Atlanta, hat Solarzellen hergestellt, die etwa 20 Prozent der Energie des auf sie einfallenden Sonnenlichts in Strom umwandeln. Das sind 17 Prozent mehr als bei den bisherigen Solarzellen und nahe dem Wirkungsgrad der besten Solarzellen auf dem Markt. Aber im Gegensatz zu anderen hocheffizienten Siliziumsolarzellen sagt Ajeet Rohatgi , dem Gründer und Chief Technology Officer des Unternehmens, werden Sunivas mit kostengünstigen Methoden hergestellt. Ein solches Verfahren ist der Siebdruck, ein relativ billiges Verfahren, ähnlich dem Siebdruckverfahren, das zum Bedrucken von T-Shirts verwendet wird.
Bisher haben die hohen Kosten von Solarzellen diese auf eine marginale Rolle bei der Stromerzeugung beschränkt und machen weltweit weniger als 1 Prozent des Stroms aus. Rohatgi schätzt, dass die kostengünstigen Herstellungstechniken des Unternehmens Solarstrom wettbewerbsfähig gegenüber konventionellen Quellen machen und Strom für etwa 8 bis 10 Cent pro Kilowattstunde produzieren werden – die durchschnittlichen Stromkosten in den USA und weit unter den Preisen in vielen Märkten.
Die Zellen von Suniva sind vor allem deshalb effizient, weil sie Licht einfangen können und Photonen im aktiven Material der Solarzelle halten, bis ihre Energie verwendet werden kann, um Elektronen freizusetzen und elektrischen Strom zu erzeugen. Das Grundkonzept des Einfangens von Licht ist nicht neu. Es beruht auf der Texturierung der Vorderseite der Siliziumschicht, die das aktive Material der Solarzelle bildet. Die Texturierung erzeugt Facetten, die einfallendes Licht umlenken und es so brechen, dass es nicht direkt durch das Silizium geht, sondern entlang der Siliziumschicht wandert. Die Photonen bleiben somit länger im Material und haben eine bessere Chance, von Atomen im Material absorbiert zu werden. In diesem Fall kann die Energie der Photonen Elektronen freisetzen, die zur Stromerzeugung verwendet werden.
Das Einfangen von Licht kann verbessert werden, indem die strukturierte Oberfläche mit einer reflektierenden Schicht auf der Rückseite der Siliziumschicht kombiniert wird. Der Spiegel hält das Licht noch länger in der Solarzelle, wodurch die Zahl der freigesetzten Elektronen weiter erhöht wird. Infolgedessen kann das Silizium die Hälfte seiner normalen Dicke aufweisen, während es die gleiche Lichtmenge absorbiert. Der Einsatz von weniger teurem Material reduziert direkt die Kosten. Aber es ermöglicht Solarzellenherstellern auch, mit billigeren, weniger reinen Formen von Silizium auszukommen. In einer herkömmlichen Solarzelle, die eine 200 Mikrometer dicke Siliziumschicht aufweisen kann, können Verunreinigungen im Material leicht Elektronen einfangen, bevor sie die Oberfläche erreichen und entweichen, um einen Strom zu erzeugen. In einer nur 100 Mikrometer dicken Siliziumschicht müssen die Elektronen jedoch eine kürzere Strecke zurücklegen, sodass sie weniger wahrscheinlich auf eine Verunreinigung treffen, bevor sie entweichen. Silizium geringerer Qualität ist viel billiger und einfacher herzustellen als das hochraffinierte Silizium, das normalerweise in Solarzellen verwendet wird.
Einige Unternehmen haben bereits Produkte auf den Markt gebracht, die eine strukturierte Vorderseite mit einer verspiegelten Rückseite kombinieren, und die Technik hat sich in Labors seit Jahren bewährt. Das Hinzufügen der reflektierenden Schicht erfordert jedoch typischerweise eine teure Verarbeitung und Lithographie. Rohatgi hat proprietäre Materialien entwickelt, die mittels Siebdruck in die Solarzellen eingearbeitet werden können. Dies und andere Fortschritte, die den Herstellungsprozess vereinfachen, ermöglichten es dem Unternehmen, hocheffiziente Zellen zu niedrigen Kosten herzustellen.
Tonio Buonassisi , Professor für Maschinenbau am MIT, sagt, dass die neue Solarzelle von Suniva aufregend ist, weil sie zeigt, dass einige der hocheffizienten Technologien, an denen seit Jahren im Labor gearbeitet wird, auf dem Markt einsetzbar sind. Er sagt, dass die Entscheidung von Suniva, solche Technologien zu verwenden, ein Risiko darstellt, das die meisten anderen Solarzellenunternehmen vermieden haben. Da Suniva nun eine Möglichkeit entwickelt hat, diese Techniken kostengünstig anzuwenden, sagt er voraus, dass andere Solarzellenunternehmen gezwungen sein könnten, dies ebenfalls zu tun, um zu konkurrieren.
Bis das Ziel von 8 bis 10 Cent pro Kilowatt erreicht werden kann, bleibt allerdings noch viel Arbeit. Suniva hat den entscheidenden ersten Schritt demonstriert, nämlich zu zeigen, dass es im Siebdruck Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 20 Prozent herstellen kann. Die Ergebnisse wurden von der Nationales Labor für erneuerbare Energien , in Golden, CO. Aber für diese Tests verwendete Suniva Zellen mit 200 Mikrometer dicken Siliziumwafern, und um 8 Cent pro Kilowatt zu erreichen, werden 100 Mikrometer Wafer benötigt. Dass dies technisch möglich ist, wurde festgestellt. Die Herausforderung besteht darin, große Mengen an solchem Silizium zu beschaffen, da so dünne Wafer nicht kommerziell erhältlich sind, sagt Rohatgi. Darüber hinaus müssen Fabriken umgerüstet werden, um 100-Mikrometer-Zellen zu verarbeiten, die Maschinen, die für dickere Wafer ausgelegt sind, brechen könnten.
Die Priorität des Unternehmens liegt nun darin, die Produktion seiner hocheffizienten 200-Mikrometer-Zellen zu steigern, was die Kosten für Solarstrom noch senken könnte. Sobald die Massenfertigung etabliert ist, werden im nächsten Schritt dünnere Wafer eingeführt, was die Kosten weiter senkt.