Umweltpreis für Mehrfach-Solarzellen

Bundespräsident Joachim Gauck hat an diesem Sonntag (28.10.2012) in Leipzig den Deutschen Umweltpreis überreicht. Die mit 500.000 Euro höchstdotierte Umweltauszeichnung Europas geht an den Unternehmer Günther Cramer von der SMA Solar Technology AG in Kassel sowie an das Forscher-Unternehmer-Duo Andreas Bett und Hansjörg Lerchenmüller. Bett ist stellvertretender Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, Lerchenmüller ist Geschäftsführer der Soitec Solar GmbH. Die Preisträger hätten "mit ihren wegweisenden technischen Entwicklungen und ihrem persönlichem Einsatz in der Photovoltaik weltweit Maßstäbe gesetzt und sie damit global maßgeblich vorangebracht", betont Fritz Brickwedde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, die den Preis jährlich vergibt.

Solarzellen bauen nach dem Regenbogen-Prinzip

Die Zukunft der Energie passt für Forscher Andreas Bett auf eine Stecknadelkopf-große Scheibe. Ein geübter Griff, dann hat der Physiker in seinem Freiburger Labor eine Metallplatte in der Größe einer Streichholzschachtel aus der Produktionsanlage herausgenommen. Nicht ohne Forscher-Stolz zeigt er auf eine darauf montierte winzige Solarzelle, die mit bloßem Auge kaum zu erkennen ist.

Die Solarzelle ist der Stoff, aus dem Andreas Betts Zukunftsvisionen sind. Denn der stellvertretende Leiter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg arbeitet bereits seit über 25 Jahren an diesen sogenannten Mehrfachsolarzellen.

Während die heute gängigen Silizium-Solarzellen nur einen kleinen Teil des Sonnenlichts in Energie umwandeln können, schaffen Andreas Betts Solarzellen viel mehr: Sie nutzen beinahe das gesamte Spektrum des Sonnenlichts aus. Das erreichen die Freiburger Wissenschaftler, indem sie aus drei unterschiedlichen Stoffen eine hocheffiziente Dreifachsolarzelle zusammenbauen. Statt Silizium verwenden sie die Halbleiter Gallium-Indium-Phosphid, Gallium-Indium-Arsenid und Germanium. Jedes der drei Materialien wandelt einen anderen Teil des Lichtspektrums in elektrische Energie um.

Andreas Betts rechte Hand beginnt, in der Luft die unterschiedlichen Farbschichten eines Regenbogens nachzuzeichnen. "Im Prinzip passen wir unsere drei übereinanderliegenden Solarzellen oder Halbleiterstrukturen an die Regenbogenfarben an und haben so einen besseren Wirkungsgrad als mit nur einem Halbleitermaterial", erklärt der 50-jährige Physiker. Die oberste Schicht nutzt die kurzwelligen blauen Anteile des Lichts, die mittlere die grünen Anteile, und die unterste Schicht wandelt den langwelligen Infrarot-Anteil um. Nur so werden Spitzenwirkungsgrade möglich.

"Man kann ausrechnen, dass man mit einem Halbleitermaterial wie Silizium theoretisch nur auf maximal 33 Prozent Wirkungsgrad kommt", sagt Bett. Mit Mehrfachsolarzellen dagegen stieß das inzwischen auf 50 Mitarbeiter angewachsene Laborteam 2009 in den Forscher-Olymp vor: Mit über 41 Prozent Wirkungsgrad schlugen die dort gebauten Mehrfachsolarzellen den bis dahin erreichten Weltrekord. Niemals zuvor hatte eine Solarzelle unter Laborbedingungen mehr Licht in elektrische Energie umgewandelt. "Dafür haben wir lange und hart gearbeitet", blickt er zurück.

Mehrfachsolarzellen erobern den Weltraum

Längst ist das Know-how der Freiburger Wissenschaftler die Grundlage vieler erfolgreicher Hightech-Unternehmen: Bei AZUR Space Solar im 200 Kilometer entfernten Heilbronn werden aus den Freiburger Weltrekord-Solarzellen industriell hergestellte Massenprodukte. Schon Mitte der 1960er Jahre entstand hier die erste Silizium-Weltraumsolarzelle Europas. Heute fertigen 160 Mitarbeiter hocheffiziente Mehrfachsolarzellen, bislang vor allem zur Stromversorgung von Kommunikations-Satelliten.

Wer durch eine Luftschleuse geht, gelangt im ersten Stockwerk einer früheren Fernsehgeräte-Fabrik in die eigentliche Produktion. Im Zentrum steht eine Art Dampfkochtopf mit einem Gestell, auf dem sich 15 Germanium-Scheiben computergesteuert im Kreis drehen. In der Mitte dieses chemischen Reaktors, in der Größe eines Kleinbusses, strömen Gase ein. Dabei handelt es sich um chemische Ausgangsstoffe, sogenannte metallorganische Verbindungen.

Mit hoher Präzision werden daraus in der Anlage nanometerdünne Schichten auf die Germanium-Scheiben aufgedampft, wie Entwicklungsleiter Gerhard Strobl erläutert. "Die Kunst dabei ist es, zirka 30 Schichten aufzutragen, von denen einige nur zehn oder zwanzig Atomlagen dick sind", erklärt er das Epitaxie genannte Verfahren. "Diesen Prozess zu beherrschen, da steckt sehr viel Know-how drin." Kenntnisse, die in mehr als 15 Jahren enger Kooperation mit den Freiburger Wissenschaftlern gewachsen sind.

Etwa 1000 der Solar-Winzlinge passen auf eine runde Trägerplatte, auch Wafer genannt, die ungefähr die Größe einer DVD hat. Klaus-Dieter Rasch, Geschäftsführer der AZUR Space Solar Power, ist stolz, dass inzwischen 150.000 solcher Wafer im Jahr vom Band laufen. Denn bis die Massenproduktion lief, mussten die Produktionanlagen teilweise erst noch erfunden werden: "Wir haben Standardanlagen aus der Leuchtdioden-Produktion benutzt, mussten aber feststellen, dass die nicht unseren Ansprüchen genügt haben."

Parallel zur Serienproduktion wurden deshalb Fertigungsanlagen aus der Halbleiterindustrie umgebaut, Verfahrensschritte angepasst und Software umprogrammiert. "Das ist auch unsere Erfahrung geworden, wie man so etwas macht", sagt Rasch. Optimierte Produktionsverfahren haben dazu geführt, dass bereits über 400 nichtmilitärische Satelliten ihren Strom ausschließlich durch die Solarzellen 'Made in Heilbronn' beziehen. Verkaufte AZUR Space Solar vor dem Jahr 2000 auch noch herkömmliche Silizium-Solarzellen fürs All, sind es heute ausschließlich hocheffiziente Mehrfachsolarzellen.

Optische Linse macht teure Solarzellen konkurrenzfähig

Doch nur ein weiterer Trick der Freiburger Wissenschaftler macht die Weltraum-Solarzellen auch für die Nutzung auf der Erde rentabel. Andreas Bett streift im Labor in Freiburg seine blauen Gummihandschuhe über. Er setzt eine mit mehreren Solarzellen besetzte Metallplatte in einen rechteckigen Kasten ein. Darüber klemmt er eine matte Silikon-Scheibe - die sogenannte Fresnel-Linse. "Der Trick ist dann, das Sonnenlicht zunächst mit einer optischen Linse zu konzentrieren und dieses konzentrierte Licht auf eine ganz kleine Halbleiter-Fläche zu lenken", erklärt er.

Damit bündelt die Fresnel-Linse das Licht um den Faktor 500, weshalb die teuren Mehrfachsolarzellen im gleichen Maßstab schrumpfen können. "Weil ich jetzt das Licht auf einer relativ kostengünstigen Optik einsammle und dann auf den Punkt lenke, wo sehr wenig teures Halbleitermaterial eingesetzt werden kann, kann ich eben im Gesamtsystem relativ kostengünstig Strom erzeugen." Um den Faktor zwei sei die Konzentrator-Technologie damit heutigen Silizium-Systemen im Wirkungsgrad überlegen, sagt der Solar-Pionier.

Vor 16 Jahren begannen die Forscher, mit der neuen Konzentrator-Technologie erste Solarmodule zu bauen. Eine Bodenplatte mit Solarzelle und eine Linsenplatte übereinander, beides zu einem Modul zusammengeschraubt und vielfach dupliziert - fertig ist die Vision vom neuen, hocheffizienten Solarkraftwerks-Typ.

"Wir haben dann die Firma Concentrix aus dem Fraunhofer-Institut ISE ausgegründet, denn die Motivation ist für uns alle hier, Dinge in die Anwendung zu kriegen", erzählt Andreas Bett. Das Spin-Off-Unternehmen legte 2005 einen fulminanten Start hin, gewann Investoren und Vertrauen. 2010 schlüpfte es unter das Dach eines französischen Halbleiterherstellers. Seitdem heißt sie Soitec Solar. Im Angebot hat sie schlüsselfertige Solarkraftwerke, von der Planung bis zum Effizienz-Monitoring nach dem Bau.

Mit konzentriertem Licht zum Solarkraftwerk 2.0.

Hansjörg Lerchenmüller leitet die Freiburger Solarsparte des Unternehmens, das inzwischen rund um den Globus tätig ist. Dreizehn Demonstrationskraftwerke in sonnenreichen Ländern wie den USA, Jordanien und Spanien werben bereits um Kunden. 2007 ging in Spanien das erste Kraftwerk ans Netz. Mehrere Hundert Konzentratormodule stehen dort nebeneinander und wandeln Licht in Strom um. Mit zwei Megawatt installierter Leistung können so rund 1000 Haushalte mit sauberem Strom versorgt werden.

2010 sei dann der Durchbruch gelungen, sagt der frühere Fraunhofer-Mitarbeiter. Im amerikanischen Bundesstaat New Mexico baute Soitec Solar das erste kommerzielle Konzentrator-Photovoltaik-Kraftwerk mit einer Leistung von einem Megawatt. "Es war insofern ein ganz entscheidendes Projekt, als es das erste Mal war, dass ein Energiekonzern sich für die Konzentrator-Photovoltaik entschieden hat", sagt Lerchenmüller, der vor allem in den USA ein rasantes Marktwachstum erwartet. Dabei hat die junge Technologie viel aufzuholen: Während weltweit bereits 33.000 Megawatt installierter Solaranlagen Energie produzieren, dümpelt die Konzentrator-Technik noch mit 28 Megawatt installierter Leistung vor sich hin.

Experten wie Unternehmer glauben indes an eine große Zukunft ihrer winzigen Solarzellen. Forscher Andreas Bett schätzt, dass Konzentrator-Solarzellen schon in wenigen Jahren bis zu 15 Prozent des Solarmarktes ausmachen könnten. "Das ist dann kein kleiner Nischenmarkt mehr, sondern ein Multimilliarden-Markt", sagt der Forscher, der in einigen Jahren Solarzellen mit 50 Prozent Wirkungsgrad bauen will.

Der 45-jährige Unternehmer Hansjörg Lerchenmüller sieht vor allem die einfache, schnell multiplizierbare Bauweise seiner Solaranlagen als Chance. Insbesondere der modulare Aufbau könnte Anleger überzeugen: "Wenn ein Kraftwerk mit 100 Kilowatt funktioniert, dann glaubt einem jeder Banker und jeder Investor, dass es auch als Megawatt-Kraftwerk funktioniert."

Die einzige Bedingung für den Erfolg sei, dass es viel direkte Sonneneinstrahlung und oft einen blauen Himmel gebe. Denn nur dann bündelt die optische Linse das Licht und die Solarzelle funktioniert. Schon deshalb setzen die Ingenieure die Konzentrator-Photovoltaik nur auf dem Sonnengürtel der Welt ein.