Interview: Solarzellen aus dem Drucker für flexible Sonnenenergie
Interview: Solarzellen aus dem Drucker für flexible Sonnenenergie
6. April 2023
Mit innovativen druckbaren Solarpaneelen wollen Forschende der Helmholtz-Gemeinschaft bereits genutzte Flächen zusätzlich für die Photovoltaik (PV) nutzbar machen. Über die kürzlich gestartete Plattform Solar TAP sollen die neuen Technologien schnell und unkompliziert für Industrie, Gesellschaft und Verbraucher zugänglich werden. Wie weit verschiedene druckbare PV-Technologien schon sind und welche potenziellen Mehrfachnutzen sie dabei im Blick haben, erklären Prof. Christoph Brabec und Dr. Jens Hauch vom HI ERN, einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich, gemeinsam mit Prof. Eva Unger vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie Prof. Ulrich Lemmer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Interview.
In der "Solarfabrik der Zukunft" am HI ERN werden druckbare organische Solarmodule erforscht.Copyright: EnCN/Kurt Fuchs
Um die Klimaziele in Deutschland und Europa zu erreichen, müssen erneuerbare Energien massiv ausgebaut werden. Für die Photovoltaik (PV) bedeutet dies, dass Solarmodule mehr als zwei Prozent der Landfläche in Deutschland bedecken müssten. Dies bedarf nicht notwendiger Weise der Erschließung neuer Areale für Solarparks. Dank leichter, flexibel formbarer PV-Module wird es möglich, Flächen in der Landwirtschaft oder im Gebäudesektor so zu nutzen, dass auf ihnen gleichzeitig Strom aus der Sonne erzeugt wird und möglichst ein zusätzlicher Nutzen für die Anwendung entsteht.
Über die Innovationsplattform Solar TAP möchten das Forschungszentrum Jülich, das Helmholtz-Zentrum Berlin und das Karlsruher Institut für Technologie diese neuen PV-Technologien schnell und unkompliziert für Industrie, Gesellschaft und Verbraucher zugänglich machen. Das Ziel sind neue Anwendungen, die aus gedruckten Solarpaneelen bestehen.
Prof. Christoph Brabec vom HI ERN, Prof. Eva Unger vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), Prof. Ulrich Lemmer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordinieren gemeinsam mit Forschungsmanager Dr. Jens Hauch, HI ERN, die Plattform Solar TAP. Gemeinsam erklären die Wissenschaftler:innen wie weit die Technik schon ist und welche Anwendungen sie dabei im Blick haben.
Um welche Technologien geht es in Solar TAP? Welche besonderen Eigenschaften haben entsprechende PV-Module?
Prof. Christoph Brabec (HI ERN)
Prof. Brabec (HI ERN): In Solar TAP fokussieren wir uns auf sogenannte „Emerging Photovoltaics“-Technologien. Dazu zählen Technologien, die sich von der klassischen Silizium- und Dünnschichtphotovoltaik abheben, indem sie auf synthetisierte Halbleiter setzen – dazu zählen die organischen und die Perowskit-Halbleiter. Diese Technologien konnten ihre Lichtkonversionseffizienz in den letzten 5-10 Jahren drastisch steigern und haben mittlerweile zu Silizium aufgeschlossen.
Bei den Perowskiten liegt die Spitzeneffizienz im Labor mittlerweile bei 25,7 Prozent, während der Rekord bei Silizium bei 26,7 Prozent liegt. Organische Solarzellen sind kurz davor, die 20 Prozent in Labortestzellen zu überschreiten. Sie bieten aber außerordentliche Vorteile, wenn die Absorptionseigenschaften der Solarzellen spezifisch angepasst werden müssen, für zum Beispiel die farblich-attraktive Gebäudeintegrierte PV oder die Anpassung an die ideale Lichttransmission für das Wachstum von Nutzpflanzen.
Prof. Unger (HZB): Organische und Perowskit-Halbleiter haben aber noch weitere Vorteile – sie sind defekt-tolerant und können leicht aus der Lösung prozessiert werden. Man kann die Solarzellen daher drucken. Das erlaubt kostengünstige Herstellungsverfahren mit hohem Durchsatz auch auf flexiblen Substraten.
Im Reallabor für Agri Food-Energy-Park (AgriFEe) des Instituts für Pflanzenwissenschaften (IBG-2) am Forschungszentrum Jülich werden neue Konzepte für die Agri-Photovoltaik erprobt. Copyright: orschungszentrum Jülich / Christina Kuchendorf
Ist das größtenteils noch Zukunftsmusik, oder ist die Technologie schon reif für die Praxis?
Prof. Eva Unger (HZB)
Prof. Unger (HZB): Die Technologien befinden sich noch in einem frühen Stadium, aber es gibt bereits erste Firmen, die organische und Perowskit-basierte Solarzellen kommerzialisieren und Produkte in der Praxis testen. Beide Technologien haben noch Verbesserungsbedarf und -potenzial, um mit der etablierten Solarzelltechnologie basierend auf Silizium mithalten zu können. Aber genau da gibt es große Chancen, mit diesen neuen Technologien PV-Produkte zu entwickeln, die komplementär zur Silizium-PV genutzt werden können. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen der Helmholtz-Gemeinschaft zählen zu den Besten der Welt – vor allem bei der Entwicklung von Perowskitsolarzellen als add-on Technologie, um Siliziumsolarzellen zu verbessern.
Die Kollegen vom HIERN fügen hinzu: Im Bereich der organischen PV haben wir in den letzten Jahren enorme Fortschritte erzielt und wir wollen dieses Potential heben, um die Technologien schnell und effizient in Industrie und Gesellschaft zu transferieren.
Welche Anwendungsgebiete haben Sie da im Blick?
Prof. Ulrich Lemmer (KIT)
Prof. Ulrich Lemmer (KIT): In Solar TAP wollen wir uns insbesondere auf die „Multi-Benefit“-Photovoltaik konzentrieren. Um die Ziele der Bundesregierung für den Ausbau der Photovoltaik in den nächsten Jahren zu erreichen, werden wir in Deutschland, aber auch weltweit, die Installationen massiv ausbauen müssen. Allein in Deutschland müssen wir dafür Tausende von Quadratkilometern an Flächen für die PV erschließen. Da sind Konflikte vorprogrammiert. Daher möchten wir für die Photovoltaik Flächen nutzbar machen, welche bereits für andere Funktionen verwendet werden, und bei denen die PV noch weitere Vorteile bringt. Daher auch die Bezeichnung „Multi-Benefit“. Das bei weitem größte Potential liegt hier in der Agrivoltaik – also der Kombination von Landwirtschaft und Photovoltaik. Die PV kann hier nicht nur Strom erzeugen, sie kann auch für ein Management der Sonneneinstrahlung oder des Wassers verwendet werden, sowie vor Erosion und Austrocknung schützen. Weitere interessante Bereiche sind insbesondere die Integration in Fassaden. Technologien dafür können wir sehr schnell und unkompliziert in Forschungs- und Entwicklungsprojekten entlang einer Roadmap gemeinsam mit unseren Industriepartnern vorantreiben. Durch die Förderung für die Innovationsplattform können wir sofort loslegen und übergreifende Entwicklungsprojekte gezielt umsetzen.
Fassadenintegrierte Photovoltaik am Reallabor für Bauwerkintegrierte Photovoltik (BIPV) am HZB in Berlin-Adlershof. Im Reallabor werden neue Konzepte für BIPV unter wissenschaftlicher Begleitung erprobt. Copyright: Niklas Albinius/HZB
Prof. Brabec: Dieses Angebot ist für die Unternehmen sehr attraktiv, da sie direkt von der gesammelten Expertise der Helmholtz-Zentren im Bereich der gedruckten PV-Technologien profitieren können. Gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsprojekte ermöglichen den reibungslosen Know-how-Transfer und eine direkte wirtschaftliche Nutzungsstrategie von innovativen PV-Produkten. Dieser bidirektionale Transfer ermöglicht auch die Anpassung der PV-Produkte nach weiteren Gesichtspunkten wie der Nachhaltigkeit und gesellschaftlichen Akzeptanz, was in Solar TAP wichtige Grundsätze sind.
Welche Industriepartner sind beteiligt? Sind schon konkrete Anwendungen oder Prototypen geplant?
Dr. Jens Hauch (HI ERN)
Dr. Hauch (HI ERN): In der Antragsphase für die Innovationsplattform haben uns bereits mehr als 45 Industriepartner unterstützt. Das ist eine sehr heterogene Gruppe von Unternehmen, die von kleinen Startups über Großunternehmen bis hin zu Landwirtschaftsunternehmen reicht. In Solar TAP haben wir die Möglichkeit in unserer „Solarfabrik der Zukunft“ Module für die Demonstrationsprojekte herzustellen. Erste derartige Projekte sind bereits in Arbeit, weitere können direkt beginnen. Mit einem Partner der Himbeeren und Brombeeren anbaut, werden wir beispielsweise in dieser Saison untersuchen, wie die Beeren unter semitransparenten organischen Solarmodulen wachsen. Mit einem kleinen Unternehmen, das Spezialtechnologien für Luftschiffe entwickelt, werden wir untersuchen, inwieweit sich leichte und flexible Solarmodule eignen, um die Reichweite dieser Luftschiffe zu vergrößern. Mit anderen Unternehmen entwickeln wir Beschichtungsanlagen für gedruckte Solarzellen oder auch Spezial-Messgeräte, die es erlauben, extrem dünne Schichten kontaktlos zu vermessen. Die Projekte und die Unternehmen haben eine große Bandbreite. Aber eines haben sie gemeinsam – sie haben das große Potential der Multi-Benefit-Photovoltaik erkannt!
