Energie So soll Solarenergie günstiger als Kohle werden

Schwarze Platten, kilometerweise: Das Solarfeld "Desert Sunlight" in der kalifornischen Wüste.

(Foto: Tim Rue/Bloomberg)

Tiefschwarz, schnell und effizient herzustellen: Mit einer ultradünnen Beschichtung könnte Solarstrom bald deutlich billiger werden.

Von Ralph Diermann

Fährt man von Phoenix, Arizona, auf dem Highway I-10 westwärts, erscheint nach drei Stunden inmitten der sonnengebleichten Ödnis der südkalifornischen Wüste plötzlich ein riesiger dunkler Fleck: das "Desert Sunlight"-Solarfeld. Acht Millionen Module sind hier installiert, angeordnet in schnurgeraden, kilometerlangen Reihen. Zusammen können sie so viel Strom liefern wie ein Kohlekraftwerksblock. Geradezu elegant sehen die Photovoltaik-Platten in dieser unwirtlichen Umgebung aus, wie ein Land-Art-Kunstwerk. Und ganz anders als die Module, die man von deutschen Dächern kennt: Statt bläulich-kristallin zu schimmern, sind sie gleichmäßig schwarz. Auch das typische Gittermuster fehlt.

Vielleicht wird man die schwarzen Platten in Zukunft häufiger sehen. Denn die Forschung an solchen Modulen kommt rasant voran; sie könnten Sonnenstrom bald ähnlich billig machen wie die schmutzige Variante aus Kohle. Der Unterschied zu herkömmlichen Modulen liegt sowohl im Material als auch in der Konstruktion. Bei der Photovoltaik machen Halbleiter Sonnenstrahlung zu Strom. In der Regel kommt dabei Silizium zum Einsatz, das zuvor geschmolzen und zu einem Block gegossen wurde. Beim Abkühlen entstehen Kristallstrukturen. Die Module des Desert-Sunlight-Solarparks dagegen enthalten eine Halbleiter-Verbindung aus Cadmium und Telluriden (CdTe), die auf eine Glasscheibe gedampft wird. Diese Schicht ist nur wenige Mikrometer dick, ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Solche sogenannten Dünnschicht-Module lassen sich schneller und günstiger produzieren als Paneele auf Silizium-Basis.

Wirkungsgrade von mehr als 20 Prozent sind nicht mehr allzu fern

Dennoch beträgt ihr Marktanteil weltweit nicht einmal zehn Prozent. Ein wichtiger Grund dafür liegt in der geringeren Effizienz: Während die herkömmlichen Silizium-Module etwa 15 bis 19 Prozent vom Energiegehalt der Sonnenstrahlen in Strom umwandeln können, sind es bei den Dünnschicht-Produkten nur elf bis 16 Prozent. Das macht den Kostenvorteil bei der Fertigung wieder zunichte.

Doch die Dünnschicht-Technologie holt auf. Im Labor hat sie die Silizium-Zellen bereits hinter sich gelassen: Der US-amerikanische Hersteller von CdTe-Modulen, First Solar, meldete im März einen Wirkungsgrad von 22,1 Prozent. Mit einem Halbleiter aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS) erzielten Forscher des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) jetzt sogar 22,6 Prozent - 1,3 Prozentpunkte mehr als der Spitzenwert von polykristallinem Silizium. Und das ist erst der Anfang, meint Michael Powalla, Leiter des Geschäftsbereichs Photovoltaik beim ZSW; er hält in den kommenden zwei bis drei Jahren sogar 24 oder 25 Prozent Wirkungsgrad für möglich.

Diese Forschungserfolge sollen sich schon bald in der Praxis niederschlagen. "In der kommerziellen Fertigung von Dünnschicht-Modulen werden wir in einigen Jahren Wirkungsgrade von zwanzig Prozent sehen", erklärt Greg Wilson vom amerikanischen National Renewable Energy Laboratory (NREL). In der Folge sinken die Produktionskosten von CdTe-Modulen bis 2019 laut US-Analysten von heute 40 bis 45 Cent auf 25 bis 28 Cent pro Watt. Ein Betrag, der laut einer Studie von ZSW und Helmholtz-Zentrum Berlin auch für die CIGS-Technologie realistisch ist.

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Mit diesen Modulen wird es nach Schätzung von Powalla in Deutschland nur noch fünf bis sechs Cent kosten, eine Kilowattstunde Solarenergie zu erzeugen - weniger als mit Steinkohle- und Gaskraftwerken. "Dann wird es attraktiv, Solarstrom auf Flächen zu produzieren, die bislang noch nicht genutzt wurden. Dazu zählen zum Beispiel Gebäudefassaden", sagt Powalla. Gerade in den Städten gebe es da noch riesiges Potenzial. Weil die Module zudem besser mit schwacher Strahlung zurechtkommen als die Silizium-Konkurrenz, eignen sie sich auch für sonnenarme Regionen oder für Dächer mit West- und Ostausrichtung. In südlichen Ländern soll der Dünnschicht-Solarstrom mit Kosten von drei Cent pro Kilowattstunde sogar billiger sein als solcher aus Braunkohlekraftwerken. "Wer den steigenden Energiebedarf in Ländern wie China, Indien oder der Türkei decken will, wird in die günstigste Technologie investieren, und das wird die Photovoltaik sein", sagt Powalla.

Was am Ende die Silizium-Zellen ablösen wird, ist noch nicht entschieden

Damit der Solarstrom so billig wird, reicht es allerdings nicht aus, die Module effizienter zu machen. Zugleich müssen die Fertigungskapazitäten steigen. Denn je mehr eine Solarfabrik produziert, desto niedriger sind die Kosten. Der Bau neuer Werke wird jedoch kein Selbstläufer, meint Susanne Siebentritt vom Photovoltaik-Labor der Universität Luxemburg. "Will man die neuen Entwicklungen aus dem Labor in die Massenfertigung von Dünnschicht-Modulen überführen, muss man ein gewisses Risiko eingehen. Es ist aber längst nicht gesagt, dass sich genug Investoren finden, die dazu bereit sind", sagt Siebentritt.

Zögern lassen könnte Investoren auch, dass die Dünnschicht-Photovoltaik nicht die einzige Technologie ist, die das Solarsilizium ablösen könnte. So haben Forscher Module entwickelt, die mit Linsen ausgerüstet sind. Wie eine Lupe konzentrieren sie die einfallenden Sonnenstrahlen. Um deren Energiespektrum besser auszunutzen, werden verschiedene Materialien übereinandergeschichtet. Auf diese Weise erzielen die Anlagen Wirkungsgrade von mehr als dreißig Prozent. Allerdings ist die Technologie vergleichsweise teuer.

Günstiger wären Solarzellen, in denen Perowskite als Halbleiter eingesetzt werden. Auch diese Gemische aus gängigen chemischen Stoffen versprechen eine hohe Effizienz. "Die jüngsten Fortschritte bei den Perowskit-Zellen sind enorm", sagt NREL-Experte Wilson. Im Labor haben Wissenschaftler bereits Wirkungsgrade von mehr als 22 Prozent erzielt.

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Korrektur: In der ersten Version des Artikels hieß es, beim Abkühlen von Silizium entstehe ein charakteristischer Blauton. Die blaue Farbe resultiert jedoch aus einer Anti-Reflexionsschicht, die auf die Zellen aufgetragen wird. Geschmolzenes Silizium ist eher silbern. Wir haben den Fehler korrigiert.