Solarzelle 2.0: die neue Generation der Photo­voltaik

Moderne Solarzelle in der Schweiz: Farbige Grätzel-Zellen im neuen SwissTech Convention Center in LausanneFarbige Grätzel-Zellen im neuen SwissTech Convention Center in Lausanne.

Was ist eine Solarzelle?

Eine Solarzelle ist eine sehr dünne Scheibe, hergestellt aus dem Material Silizium. Ihre photoaktive Schicht besteht aus einem Halbleitermaterial. Eine der wichtigsten  Eigenschaften von Halbleitern besteht darin, dass deren Leitfähigkeit durch Zufuhr von Energie – bei Solarzellen in Form von Licht – erhöht wird.

Über 95 Prozent der hergestellten Solarzellen heutzutage nutzen als Halbleiter das chemische Element Silizium. Dieses wird aus Quarzsand gewonnen, ein Element, das auf der Erde im Überfluss vorkommt. Eine einzelne Solarzelle ist etwa 10 mal 10 Zentimeter groß. Auf deren Vorder- und Rückseite sind Kontaktbänder befestigt, die den vom Sonnenlicht in der Zelle erzeugten Strom abführen. Bei voller Sonneneinstrahlung erzeugt eine einzelne Solarzelle etwa 0,5 Volt Spannung und 2,4 Ampere Strom, was aber nur circa 1,2 Watt Leistung entspricht.

Solarmodule für mehr Leistung

Ein Nachteil bis dato ist die geringe Menge an Leistung, die eine Solarzelle erbringt. Deswegen schaltet man immer mehrere Solarzellen zusammen. Abgesehen davon  müssen die Zellen vor Umwelteinflüssen geschützt werden, weswegen sie zwischen Scheiben aus Glas oder Kunststoff verpackt werden. Vermehrt im Einsatz bei uns in Deutschland sind zum Beispiel Module mit 36 Zellen, aber auch Großmodule bis 2,5 Quadratmeter Fläche. Zum Vergleich: Ein Modul von einem Quadratmeter bringt unter sehr guten Bedingungen mit viel Sonneneinfall etwa 120 Watt Leistung. 1.000 Watt entspricht etwa der Leistung einer mittleren Kochplatte.

Um Leistung zu erzielen wird eine Solarzelle mit vielen anderen Solarzellen zu einem Modul zusammen gesetzt.

Für mehr Leistung werden einzelne Solarzellen zu einem Modul zusammengesetzt.

Eine innovative Solarzelle kann mehr

Die Größe und Dicke der Solarmodule sowie die Kosten für die Installation und Instandhaltung sind derzeit die größten Nachteile der Photovoltaik. Die Forschung fokussiert sich daher vor allem auf die Weiterentwicklung der Materialien für eine verbesserte Leistung und die Beschaffenheit der Solarzellen. Fast unsichtbar, flexibel und ausdruckbar – so lauten die Anforderungen an die zukünftigen Solarzellen. Der Trend geht dabei weg von Siliziumzellen hin zu Farbstoffsolarzellen oder Druckfarben mit elektrischen Eigenschaften. Mit diesen Technologien könnten bald Lacke, Folien und Papier sowie Beton-, Stahl- und Glasträger mit photovoltaischen Eigenschaften die Vorherrschaft der sperrigen Solarmodule ablösen.

Zukunft Photovoltaik: die drei spannendsten Entwicklungen

1. Durchsichtige Solarzellen

Wie wäre es, wenn Ihre Photovoltaikanlage in Zukunft ein kaum sichtbarer Lack an der Fassade Ihres Wohngebäudes ist? Daran arbeitet zum Beispiel das australische Unternehmen Dyesol. Grundlage sind sogenannte Farbstoffsolar- oder Grätzel-Zellen.

Sie wurden von dem Chemiker Michael Grätzel entwickelt, der sie bereits 1992 patentieren ließ. Diese Zellen funktionieren ähnlich wie das grüne Blatt einer Pflanze: Der enthaltene Farbstoff reagiert auf Licht und erzeugt dabei positive und negative Teilchen – elektrischer Strom entsteht. Grätzel-Zellen sind fast durchsichtig und können auf verschiedenen Trägermaterialien aufgebracht werden. Das macht sie flexibel und ihre Anwendungsmöglichkeiten damit fast unerschöpflich.

Der größte Vorteil dieser Zellen: Sie sind günstig, umweltfreundlich und nutzen auch diffuses Licht unter ungünstigen Einfallwinkeln. Allerdings beschäftigt die Langzeitstabilität die Forschung noch. Auch der Wirkungsgrad liegt derzeit unter den von Siliziumzellen. 15 Prozent wurden bereits erreicht, Grätzel selbst hält in Zukunft bis zu 31 Prozent für realistisch.

2. Photovoltaik in Stein gemeißelt

Ebenfalls mit dem Grätzel-Prinzip experimentiert ein Forschungsteam an der Universität Kassel. Dort wurde ein Baustoff entwickelt, in dem der Beton und die Solarzelle miteinander verschmelzen. Dieser neue Werkstoff heißt DysCrete.

Zur Erklärung: Der Beton übernimmt dabei die Funktion einer Elektrode, die künstliche Photosynthese übernimmt ein Farbstoff aus Fruchtextrakten. Zu Beginn des Projekts experimentierte die Arbeitsgruppe sogar mit Johannisbeersaft, doch das Team hat bereits effektivere Farbstoffe gefunden.

DysCrete nennt sich ein neuer Baustoff in dem Beton und Solarzelle miteinander verschmelzen. Entwickelt wurde DysCrete von der Universität Kassel.

Solar & Beton: Versuchsreihe mit roten Farbstoffen an der Uni Kassel

„Unser Ziel ist es, ein Material zu entwickeln, das in Zukunft in der Bauwirtschaft eingesetzt werden kann, beispielsweise für Fertigteile im Hochbau, Fassadenelemente und neuartige Wandsysteme.“

Prof. Heike Klussmann von der Universität Kassel

3. Solarzelle von der Rolle

Dünner, flexibler, günstiger: Auch Solarfolien und Solarpapier gibt es schon. Das deutsche Start-up Heliatek bietet eine Folie an, die weniger als einen Millimeter dünn ist und ihre elektrische Effizienz auch bei schlechten Sichtverhältnissen und hohen Temperaturen beibehalten soll. An Solarpapier forscht derzeit die Technische Universität Chemnitz. Mit normaler Drucktechnik lässt sich eine photoaktive Farbschicht auf das Papier aufbringen. Damit erreichen die Chemnitzer bis zu 4 Volt Spannung und einen Wirkungsgrad von 1,3 Prozent. 3PV (printed paper photo voltaics) nennen die Wissenschaftler ihre Entwicklung.

Forscher entwickeln Papier-Solarmodule. Foto: Technische Universität Chemnitz

Forscher entwickeln Papier-Solarmodule.

Wie Solarpapier Strom erzeugt:

eLIFE-Fazit: 

Wenn es um den Strom der Zukunft geht, spielt Solarenergie eine sehr wichtige Rolle. Die jetzigen Entwicklungen in den Labors dieser Welt zeigen schon jetzt, dass Solar neben der Windkraft die wichtigste Energiequelle sein wird. Vor allem, weil Strom aus Sonnenenergie mit der Zeit immer günstiger wird – und dabei mehr Leistung bringt. Photovoltaik ist aber auch deshalb einzigartig, weil sie ganz ohne große mechanische Hilfsmittel wie Kraftwerke oder Turbinen auskommt.