Sharc25: Auf der Jagd nach der Super­zelle

Im Mai fiel der Startschuss für das EU-Forschungsprojekt „Sharc25“, das Dünnschichtsolarzellen mit extrem hohem Wirkungsgrad für eine neue Generation von Solarmodulen entwickeln soll – und das erst noch günstiger. Dazu haben sich elf Forschungspartner aus acht Ländern zusammengeschlossen. Das dreieinhalb Jahre laufende Projekt wird von der EU im Rahmen von „Horizon 2020“ mit 4,6 Millionen Euro gefördert. Die Forschungsergebnisse sollen die europäische Solarbranche deutlich wettbewerbsfähiger machen.

Ehrgeizige Ziele verfolgt das Projekt „Sharc25“, will man doch den Wirkungsgrad von Dünnschichtsolarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (kurz CIGS genannt) auf bis zu 25% steigern und damit die bisherige Bestmarke um mehr als drei Prozentpunkte übertreffen. Alle Projektpartner bringen Expertise in der CIGS-Entwicklung mit in das Projekt. So arbeitet z. B. die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) schon länger an CIGS-Dünnschichtzellen auf flexiblen Kunststofffolien und hat in Sachen Wirkungsgrad bereits mehrere Weltrekorde aufgestellt. Ayodhya N. Tiwari, der Leiter des Empa-Labors „Dünnschicht und Photovoltaik“, soll nun als wissenschaftlicher Koordinator von „Sharc25“ die verschiedenen Forschungs- und Entwicklungsthemen in der Solarzellen- und -modultechnik aufeinander abstimmen. Schwerpunkt des Empa-Beitrags wird dabei die Entwicklung innovativer Prozesse und Bauformen für Solarzellen sein, um so deren Wirkungsgrad weiter zu erhöhen. Neben der Empa und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) – dem Projektkoordinator – sind als weitere Partner die Universitäten von Luxemburg, Rouen, Parma und Aalto, das belgische IMEC (Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum VZW), das Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin (HZB), das internationale iberische Nanotechnologie-Labor (INL) sowie die Schweizer Firma Flisom AG und die Manz CIGS Technology GmbH am Projekt beteiligt. Grundsätzlich zielt das Projekt auf eine Bündelung der multidisziplinären Kompetenzen der Partner, um so günstigere und effizientere Solarzellen zu entwickeln.

In den letzten Jahren hat sich die Leistung von Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Halbleiterverbindungen erheblich verbessert. Mit einem Wirkungsgrad von 20.4% bei flexiblen CIGS-Solarzellen auf Kunststofffolien erreichte Tiwaris Team bereits 2013 fast das Niveau von multikristallinen Solarzellen aus Silizium. Das ZSW steigerte ein Jahr später mit CIGS-Solarzellen auf Glas diese Marke sogar bis auf 21.7%. Mit „Sharc25“ soll die Messlatte noch einmal höher gelegt werden, der Name – ein Akronym für „super-high efficiency CIGS thin-film solar cells approaching 25%“ – ist Programm. Um dies zu erreichen, verfolgen die fünf Forschungsinstitute, vier Universitäten und zwei Industriepartner verschiedene Strategien: eine Verbesserung des Absorbermaterials, Entwicklung und Nutzung neuer Konzepte für effizientere Ober- und Grenzflächen sowie eine Optimierung des Lichtmanagements.

Mit der Erhöhung des Wirkungsgrads um drei Prozentpunkte auf 25% könnte die Leistungsfähigkeit europäischer Solarzellen einen echten Quantensprung vollziehen und so der Vormachtstellung asiatischer Produkte auf dem Weltmarkt Parole bieten. Aufgabe des Projekts ist dabei auch, Strategien zu entwickeln, um die Forschungsergebnisse für industrielle Anwendungen nutzbar zu machen. Durch einen erfolgreichen Einsatz der neuen Technologie in der Solarbranche könnten die Produktionskosten von Solarmodulen in Europa unter 35 Eurocent pro Watt peak fallen und die Kosten für installierte Photovoltaiksysteme unter Eurocent pro Watt peak. Weitere Einsparpotenziale winken, sobald die neue Technologie im großen Maßstab einsetzbar ist. Dann würden beispielsweise die Investitionskosten für eine CIGS-Solarmodulfabrik mit einer Produktionskapazität von über 100 Megawatt auf unter 0,75 Eurocent pro Watt peak sinken. Finanziert wird das Projekt vom Forschungs- und Innovationsprogramm der EU „Horizon 2020“ und aus nationalen Förderprogrammen.

EMPA / ZSW / LK