Alma Spribille – Fraunhofer ISE

Interview mit Alma Spribille, Wissenschaftlerin am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg

Dummy eines Silizium-Wafers
“Dummy” eines Silizium-Wafers – die Färbung entsteht durch die ungleiche Schichtdicke

Ich heiße Alma Spribille und habe in Flensburg Energie- und Umweltmanagement studiert. Das ist ein Wirtschaftsingenieur-Studiengang mit Spezialisierung auf erneuerbare Energien.
Die Solarenergie fasziniert mich schon immer am meisten, weil der Gedanke aus Sonne Energie zu erzeugen sehr intuitiv ist, alle Pflanzen machen das. Diesen Vorgang technisch umzusetzen fand ich immer schon am spannendsten. So habe ich schon meine Praxisarbeit hier am Fraunhofer ISE geschrieben, über Modulverschaltung, und bin dann für die Diplomarbeit wiedergekommen, und habe Zellen entwickelt. Jetzt arbeite ich seit knapp vier Jahren fest am Fraunhofer ISE und entwickle neuartige Solarzellenstrukturen.

Wie nennt sich das Forschungsgebiet?

Kristalline Silizium-Solarzellen. Wir machen industrienahe Forschung, also Solarzellenkonzepte von denen wir denken, dass sie in den nächsten maximal drei bis fünf Jahren in der Industrie umsetzbar sind. Ein anderer Bereich macht mehr langfristige Forschung, also Solarzellenkonzepte, die momentan noch relativ weit weg sind von der industriellen Umsetzung, aber potentiell auch irgendwann umgesetzt werden können. Klar, Hauptaugenmerk ist auf jeden Fall, die Solarzellen effizienter zu machen, auch kosteneffizienter. Gerade erstelle ich Wirtschaftlichkeitsberechnungen von verschiedenen Solarzellenkonzepten: also zum Beispiel von einer Standard-Solarzelle, wie man sie jetzt in der Industrie bekommt, eine sogenannte Aluminium-BSF-Solarzelle, im Vergleich zu einer passivierten Rückseiten-Solarzellen oder auch MWT-Solarzellen, die höhere Wirkungsgrade erlauben. Dabei geht es darum, kostentechnisch zu bewerten, ob sich Mehraufwand und zusätzliche Produktionsschritte lohnen.

Wodurch hat sich die Solarzellenforschung von Nischenexperimenten, wie auf der nicht ans Stromnetz angeschlossenen Rappeneckerhütte, zur Spitzenforschung entwickelt hat? Wie sind die Solarzellen besser geworden?

Die Rappenecker Hütte wurde schon 1987 mit Solarmodulen ausgestattet. Das war noch ziemlich am Anfang der Photovoltaik. Die ersten Solarzellen gab es allerdings schon viel früher, in den 1950er Jahren. Auf Hausdächern, also netzgekoppelte Photovoltaikmodule wurden in den 70er Jahren installiert. Die meisten Pionierprojekte waren aber oft, so wie bei der Rappenecker Hütte, für die netzferne Stromversorgung weit weg vom normalen Stromnetz. In den Bergen muss man viel auf Umweltschutz achten, weil es ein Erholungsort ist, und da ist die Motivation zu solchen Lösungen, die den Dieselgenerator ersetzen, sehr groß. Es waren auch einfach oft engagierte Personen, die sehr viel Interesse daran hatten an Solarenergie zu forschen. Kostentechnisch hat sich das damals sicher noch nicht gelohnt. In den 27 Jahren seit der Installation auf der Rappenecker Hütte ist eigentlich fast alles besser geworden. Seitdem hat sich die Art und Weise wie wir das Silizium verarbeiten in vielen Bereichen verbessert. Zum einen ist die Antireflexbeschichtung besser geworden, das Material an sich ist besser geworden und wenn das Material besser wird, dann steigt auch der Wirkungsgrad. Man kann den Lichteinfang durch die Anti-Reflexbeschichtung oder durch die Textur verbessern und die Dotierung auf der Vorderseite, der sogenannte Emitter, muss mit Metall, das dann den gewonnenen Strom sammelt, kontaktierbar sein. Gerade in dem Bereich wurden sehr große Fortschritte gemacht, so dass mittlerweile einfach alle Kenngrößen von Solarzellen, also Spannung, Strom und der sogenannte Füllfaktor viel besser geworden sind. allen Prozessschritten wurde gearbeitet. Ich denke, die Emitter-Bildung und die Kontaktierung haben sich am meisten verändert zwischen damals und heute.

Viele Menschen trauen der Solartechnik kaum weitere Verbesserungen zu. Aus Forschersicht, an welchen Stellen ist noch Entwicklungspotential und wo ist die Obergrenze bereits erreicht?

Die Obergrenze ist noch nicht erreicht bei kristallinen Silizium-Solarzellen. Es gibt eine Firma, Sun Power, die einen der allerhöchsten Wirkungsgrade der Welt hat, mit über 24% Wirkungsgrad bei der Umwandlung eingestrahlter Sonnenenergie in elektrische Energie. Im Modul geht dann noch ein bisschen verloren. Sun Power macht Zellen, bei denen die gesamte Metallisierung auf der Rückseite ist, somit hat man gar keine Abschattung auf der Vorderseite. Außerdem verwenden sie ein Solarzellenkonzept, bei dem man ein sehr hochwertiges Silizium-Material einsetzt und sehr hohe Effizienzen erreichen kann. Das lohnt sich bisher für Massenprodukte kostentechnisch noch nicht, es handelt sich dabei um ein Premiumprodukt auf dem Markt. Die Module sehen gut aus, sie sind komplett schwarz, die Zelle ist schwarz, das Rückseitensheet des Moduls ist schwarz und der Rahmen auch. Wenn man das auf dem Dach sieht, dann sieht man nichts Blaues und kein Metall, die sehen einfach schwarz aus. . Diese Zellen setzen auf jeden Fall im Moment das obere Limit. Dann gibt natürlich noch ein theoretisches Wirkungsgradlimit von Silizium-Solarzellen, das in verschiedenen physikalischen Verlustmechanismen begründet liegt. Je nachdem welche Verlustmechanismen man als gegeben oder vermeidbar ansieht, liegt das theoretische Wirkungslimit bei ungefähr 29 Prozent. Also höher werden wir (mit Silizium-Solarzellen) nie kommen. Aber das ist schon ein hoher Wirkungsgrad. Der beste Wirkungsgrad einer Pflanze ist 2 Prozent Umwandlung von Sonnenlicht in der Photosynthese und die ganze Welt lebt davon. Ich denke der Wirkungsgrad ist nicht unbedingt das Entscheidende, sondern man braucht mehr Fläche um ausreichend Strom zu erzeugen. Es gibt sicher eine Obergrenze für die Effizienz, die wir erreichen werden und die auch realistisch in einem vernünftigen Kosten-Nutzen-Verhältnis in der Industrie umzusetzen ist. Aber die sogenannten externen Kosten sind bei der Solarenergie sehr niedrig, weil man keine Umweltverschmutzung hat durch die Solarenergie, was bei konventionellen Energieformen ganz anders aussieht. Darin liegen die Vorteile.

Wenn der Nachbar fragt „Macht das Sinn wenn ich mir eine Anlage auf’s Dach baue? Lebt die überhaupt lang genug? Ist mein Dach überhaupt geeignet?“

Wichtig ist, dass man zuerst schaut, ob das Haus eine Nord-Süd- oder eine Ost-West-Ausrichtung hat. Normalerweise möchte man am liebsten eine nach Süden ausgerichtete Dachfläche haben, weil da am meisten Sonne einstrahlt wird. Dann ist der Winkel von der Dachfläche entscheidend. Normale Einfamilienhäuser in Deutschland haben ungefähr eine Dachneigung von 30°. Das liegt in dem Bereich, den man gerne möchte. Dann ist auf jeden Fall wichtig, ob es Abschattung gibt durch hohe Nachbargebäude oder Bäume direkt vor dem Dach, denn je mehr unterschiedliche Abschattung ich habe umso schlechter ist das für kristallines Silizium. Aber dann könnte man Solarzellen aus anderen Materialien nehmen.
Ich würde sagen es rechnet sich auf jeden Fall. Mal abgesehen von der Einspeisevergütung, weiß man, dass Solarstrom aus einem kristallinen Silizium-Modul über die vom Hersteller garantierte Lebensdauer des Moduls von mindestens 20 Jahren sogenannte Stromgestehungskosten zwischen 7 und 10 Cent hat, je nachdem welche Technik man verwendet und wie groß die Anlage ist. Der Netzstrom kostet ungefähr 20 Cent, je nach Anbieter. Kauft man sich eine Photovoltaikanlage, hat man zwar eine Anfangsinvestition, aber über die Lebensdauer des Moduls ist der Solarstrom jetzt schon längst billiger als der Endverbraucherpreis, den wir für Strom aus dem Netz bezahlen. Deshalb würde ich auf jeden Fall sagen: Machen!

Wo geht die Forschung gerade hin? An welchen Punkten muss noch am meisten verbessert werden?

In der Solarzellenbranche gibt es einen wichtigen Punkt, an dem wir arbeiten. Dabei geht es darum, dass wir weniger Metallisierung auf der Vorderseite haben wollen, indem wir diese möglichst auf die Rückseite verlagern. Dadurch haben wir dann weniger Abschattung auf der Vorderseite und das erlaubt uns, sehr effiziente Solarzellen herzustellen. Das Ausgangsmaterial für Silizium-Solarzellen ist aktuell sogenanntes p-Typ Silizium, es ist mit Bor und damit positiv dotiert. Man kann aber auch mit Phosphor negativ vordotiertes Material nehmen. Dieses erlaubt insgesamt höhere Effizienzen, ist aber ein bisschen aufwändiger in der Herstellung und es gibt noch nicht so viele Hersteller dafür. Das ist sicher ein Trend, der in der nächsten Zeit mehr verfolgt wird.
Dann geht es im Moment vor allem darum die Kosten pro Wattpeak zu senken, also möglichst günstiger zu werden, weil das für den Endverbraucher sehr interessant ist.
Was neben vielen anderen Energiewende-Themen auch am Fraunhofer ISE erforscht wird, sind Speichertechnologien. Solarstrom wird nicht regelmäßig produziert, weil die Sonne nicht immer scheint, das Gleiche gilt für Strom aus Wind. Also müssen wir den Strom aus erneuerbaren Energien speichern, um ihn immer zur Verfügung zu haben. Speichertechnologien braucht man nicht nur für den Strom im Netz, sondern auch für Anwendungen wie zum Beispiel auf der Rappenecker Hütte, die sich autark versorgt. Dazu wird aktuell sehr viel geforscht und entwickelt.

Was sollten die Energienutzer wissen?

Ich kenne das Problem, dass viele Leute Vorurteile gegen Solarenergie haben. Ein Beispiel aus meiner eigenen Familie: Meine Schwester hat ein Haus gekauft, und ich möchte gerne, dass sie Solarmodule auf ihr Dach installiert. Ich bin bereit, das Projekt zu bezahlen, es gibt dafür spezielle Mietverträge für Dachflächen. Aber ich merke, dass bei Leuten, die sich vielleicht nicht so gut auskennen, einfach die Skepsis und die Hemmschwelle relativ groß sind. Ich möchte behaupten das liegt u.a. an der großen Lobby für die konventionellen Energieformen, dass viele Menschen nicht richtig informiert sind. Meiner Meinung nach sollte jeder, der ein Hausdach mit einem vernünftigen Dachneigungswinkel hat, sich überlegen, Photovoltaik zu installieren, weil es sich einfach lohnt.
Letzten Samstag war eine Demo in Freiburg für die Energiewende. Da hat die Leiterin der Energiewerke Schönau, die ja ein Paradebeispiel dafür sind, wie man erneuerbare Energien vertreiben kann, gesagt, dass schon jetzt von allen erneuerbaren Energien, die im deutschen Stromnetz sind, die Hälfte der Kilowattstunden von privaten Anlagen kommt. Man sieht also, die Privatleute haben erkannt, das ist eine Möglichkeit für uns, wir können etwas tun. Deshalb würde ich jedem sagen, wie ich es auch meiner Schwester sage: Du tust einerseits was Gutes für die Umwelt, aber man muss kein „Öko“ sein um das zu tun, es ergibt auch ökonomisch Sinn.

Alma Spribille, Fraunhofer ISE
Alma Spribille – Wissenschaftlerin am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg

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