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Abb. 1: Nach der Kristallisation werden aus den Ingots einzelne Blöcke geschnitten.
© Wacker
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Solarzellen aus Silizium-Wafern

Solarzellen aus kristallinem Silizium nutzen das zweithäufigste Element der Erdkruste. Sie basieren auf einer relativ einfachen, robusten und zuverlässigen Technologie mit einer „älteren Schwester“, der Mikroelektronik. Vor mehr als 50 Jahren erstmals vorgestellt, sind sie die klassischen Solarzellen schlechthin und behaupten sich (international) mit Marktanteilen zwischen 70 und 100%.

Die Erfolgsgeschichte der Siliziumsolarzelle begann 1954 in den USA mit einem zwei Quadratzentimeter großen Labormuster, das einen Wirkungsgrad von vier bis sechs Prozent erreichte. In kurzer Zeit wurde sie für Spezialanwendungen fortentwickelt, bei denen Kosten nicht die dominierende Rolle spielten. So startete bereits vier Jahre später der erste mit Solarzellen ausgestattete Satellit. Aber über lange Jahre blieb die Photovoltaik eine Nischentechnologie. Erst die Energiekrisen der 1970er Jahre bewirkten ein Umdenken. Eine Reihe von Ländern, darunter maßgeblich auch Deutschland, initiierten in der Folgezeit strategische Forschungsprogramme. Durch höhere Stromerträge bei deutlich geringeren Kosten sollten Solarzellen zu einem Massenprodukt für die großtechnische Energieversorgung werden. Und tatsächlich: Allein 2009 erhöhte sich die installierte Leistung weltweit um 7,3 GWp auf etwa 22 GWp. Wurde anfänglich noch mit ausgemusterten Produktionsgeräten aus der Mikroelektronik produziert, können jetzt Fertigungslinien mit 120 MW-Jahresproduktionskapazität und Solarzell- Wirkungsgradgarantie schlüsselfertig erworben werden. Komplette GW-Fabriken sind bereits im Entwicklungsstadium.

Erfahrungsgewinn und Massenproduktion haben positive Auswirkungen auf den Preis, der sich anhand einer empirischen Lernkurve beschreiben lässt: Seit mehr als 3 Jahrzehnten sinken die Modulpreise mit jeder Verdopplung der weltweit installierten Spitzenleistung um etwa 20%. Mittlerweile geschieht dies etwa alle 2 Jahre. Entsprechend reduzieren sich die Kosten jedes Jahr um etwa 8 – 10 Prozent. Mitte 2010 lagen die Modulpreise unter 2 €/Wp und der Systempreis teilweise unter 3 €/Wp. Möglich wurde die Entwicklung durch Fortschritte bei allen Prozessschritten: Beispielsweise hat sich die Waferdicke seit 1980 von 400 μm auf heute 180 μm mehr als halbiert und die Zellgröße von 100 cm² auf derzeit 240 cm² mehr als verdoppelt. Der höchste Modulwirkungsgrad stieg von 8% auf knapp 20%. Der mittlere Modulwirkungsgrad aller kristallinen Siliziummodule erreichte 2010 13,5%, gegenüber 12,0% im Jahr 2003.

Experten der Branche erwarten, dass sich der Lernkurvenfaktor bei weiterer intensiver Forschung und Entwicklung mindestens in den nächsten ein bis zwei Jahrzehnten beibehalten lässt. Dies würde bedeuten, dass die Modulherstellkosten in den nächsten Jahren auf etwa 1 €/Wp, bis 2020 auf 0,75 €/Wp und in der Folgezeit auch weiter sinken. Daran arbeiten Forscher in allen Stufen der Wertschöpfungskette. Im Fokus stehen die Verminderungen des Materialverbrauchs, die Erhöhung des Wirkungsgrades und der Einsatz innovativer automatisierter Massenfertigungsverfahren. Weitere Entwicklungsschwerpunkte sind die Reduktion des Energieverbrauchs in der Fertigung, die Umweltfreundlichkeit des Systems inklusive Recycling sowie die Entwicklung von Standardprodukten.

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Liste der BMU-Forschungsvorhaben
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