Team 3

Geballtes Sonnenlicht – effizient genutzt

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Konzentrator-Fotovoltaik mit höchsteffizienten Solarzellen
In Concentrix™-Modulen wird wie in Standard-Fotovoltaikmodulen Sonnenlicht in elektrische Energie gewandelt. Der Unterschied ist, dass die Wandlungswirkungsgrade mehr als doppelt so hoch sind. Erreicht wird dies dadurch, dass zwei Funktionalitäten eines Standard-Fotovoltaikmoduls entkoppelt werden: das Einsammeln des Lichts und die eigentliche Wandlungsfunktion. In Concentrix™-Modulen sammelnFresnel-Linsen das Sonnenlicht und konzentrieren es auf winzige hocheffiziente Mehrfachsolarzellen, welche das Licht in elektrische Energie wandeln. Das am Fraunhofer ISE in Freiburg entwickelte Modulprinzip war Ausgangspunkt für Soitec Solar, ein Spin-off des Fraunhofer ISE. Zunächst unter dem Namen Concentrix Solar gestartet, führte das Unternehmen die Technologie in wenigen Jahren aus dem Labor in die industrielle Serienfertigung. Die Concentrix™ Technologie wird heute erfolgreich in Solarkraftwerken in sonnenreichen Regionen eingesetzt. Die ebenfalls am Fraunhofer ISE entwickelte Technologie für hocheffiziente Mehrfachsolarzellen wird von AZUR SPACE Solar Power industriell umgesetzt.

Energiewende mit Solarenergie
Die Umstellung unserer Energieversorgung weg von fossilen Quellen, hin zu erneuerbaren Energien ist eine wesentliche Fragestellung der Menschheit im 21. Jahrhundert. Um langfristig unsere Lebensgrundlage zu sichern, muss die globale Klimaerwärmung eingedämmt sowie unser künftiger Energiebedarf nachhaltig gesichert werden. Die Fotovoltaik als Technologie zur direkten Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie ist ein wesentlicher Baustein einer Energieversorgung auf der Basis erneuerbarer Quellen. Die Sonne steht uns als unerschöpfliche Quelle zur Verfügung. Die Fotovoltaik hat in den letzten Jahren ein großes Marktwachstum mit einer Steigerung von mehr als 40% pro Jahr durchlaufen. Dadurch konnte schon eine deutliche Kostenreduktion bei der photovoltaisch erzeugten Energie erzielt werden. Die Konzentrator-Fotovoltaik ermöglicht eine weitere deutliche Senkung der Kosten, so dass innerhalb weniger Jahre Solarenergie an Standorten im Sonnengürtel voll wettbewerbsfähig mit der konventionellen Stromerzeugung sein wird.

Das ganze Spektrum
Im heutigen Fotovoltaik-Markt werden Solarzellen auf der Basis nur eines Halbleitermaterials angeboten. Dabei nutzen mehr als 85% der heutigen PV-Module kristallines Silizium. Weitere Halbleitermaterialien kommen in unterschiedlichen Dünnschichttechnologien zum Einsatz. Typische Silizium-Solarmodule haben heute einen Modulwirkungsgrad von 14%. Stapelt man nun mehrere Solarzellen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien übereinander, so kann das Sonnenspektrum energetisch effizienter in elektrische Energie umgewandelt werden. Je nach Anzahl dieser gestapelten Solarzellen lässt sich so der Wirkungsgrad künftig auch auf mehr als 50% steigern. Mehrfachsolarzellen wurden zunächst vom Fraunhofer ISE gemeinsam mit AZUR SPACE Solar Power für die Weltraumanwendung entwickelt und von AZUR SPACE Solar Power zur Energieversorgung von Telekommunikationssatelliten in die kommerzielle Anwendung geführt.

Auf den Punkt gebracht
Um die hohe Effizienz der Mehrfachsolarzellen auch für Solarstromgewinnung auf der Erde zu nutzen, entwickelten die Forscher des Fraunhofer ISE eine neue Solarzelle und schließlich mit der Konzentrator-Fotovoltaik ein komplett neues Modulkonzept für den terrestrischen Energiemarkt. In diesen Modulen kommen Solarzellen mit einer neuartigen speziellen Struktur zum Einsatz, die bei einer Konzentration von 545 kW/m² im Jahr 2009 erstmals einen Wirkungsgrad von über 41% erzielten und damit zu diesem Zeitpunkt einen Weltrekord aufstellten. In der Rekordzelle der Freiburger Wissenschaftler werden drei Teilzellen aus Galliumindiumphosphid, Galliumindiumarsenid und Germanium übereinander gestapelt. Jeder der III-V Verbindungshalbleiter verwertet einen anderen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts. Die komplexe innere Struktur sieht man der hauchdünnen, nur wenige µm dicken Solarzelle nicht an. Über den kleinen Zellen mit nur 3 mm Durchmesser bündeln spezielle Fresnel-Linsen die einfallenden Sonnenstrahlen über 500-fach. Damit die Zellen nicht überhitzen, sind sie auf einen Metallträger aufgebracht, der die Wärme verteilt. Für die Entwicklung der Sammellinsen arbeitete das Fraunhofer ISE mit dem Ioffe Institut in St. Petersburg zusammen. In einem kostengünstigen Verfahren wird eine Linsenstruktur in einen dünnen Silikonfilm eingeprägt. Linsen und Zelle werden im Modul zusammengefügt. Die Module werden auf Nachführeinheiten, sogenannten Trackern, der direkten Sonne nachgeführt. Wegen der Konzentration des Sonnenlichts findet die Technologie ihre Anwendung in Solarkraftwerken in Regionen mit viel direktem Sonnenlicht, wo sie zu günstigen Stromgestehungskosten Energie erzeugen.

Solarstromkraftwerke in sonnenreichen Regionen
Die Concentrix Solar GmbH, heute Soitec Solar GmbH, ist 2005 als Ausgründung aus dem Fraunhofer ISE hervorgegangen, um die bereits am Fraunhofer ISE begonnene industrielle Prozesstechnologie für die Fertigung der Concentrix™-Module voranzutreiben. Die konsequente Weiterentwicklung durch die drei Partner Fraunhofer ISE, AZUR SPACE Solar Power und Soitec führte bis dato zu Systemwirkungsgraden von über 25%, mit denen die erzeugte Energie ins Netz gespeist wird. Dies ist fast doppelt so hoch wie der Wirkungsgrad von konventionellen Fotovoltaik-Anlagen auf der Basis von Silizium. Soitec hat heute auf diesem jungen, aufstrebenden Markt dank der langjährigen Entwicklungsarbeit und Erkenntnisse des Fraunhofer ISE eine Spitzenstellung. Aufgrund des guten technischen Erfolgs mit weltweit herausragenden Wirkungsgraden bei Zelle, Modul und System, konnten die Firmen AZUR SPACE Solar Power und Soitec in den letzten Jahren großes wirtschaftliches Wachstum verzeichnen und zahlreiche Arbeitsplätze schaffen.

Die Konzentrator-Fotovoltaik oder CPV – Concentrator Photovoltaics – erschließt ein ganz neues Technologiefeld innerhalb der Fotovoltaik. Konzentrierte Sonnenstrahlung wurde bisher nur in solarthermischen Kraftwerken genutzt. Dort werden bevorzugt Spiegelrinnen eingesetzt, um ein Wärmeträgermedium aufzuheizen und dann mit einer Turbine Strom zu erzeugen. Die konzentrierende Fotovoltaik wandelt die Sonnenenergie direkt und mit sehr viel höherer Effizienz in elektrischen Strom um. Gegenüber den konventionellen PV-Technologien weist die Konzentrator-PV nicht die üblichen Leistungsverluste bei hohen Außentemperaturen auf und liefert eine konstant hohe Stromproduktion im Tagesverlauf. Daher ist sie prädestiniert für den Einsatz in sonnigen und sehr heißen Regionen. Das System kommt trotz der hohen Sonnenkonzentration ohne aktive Kühlung und ohne die Verwendung von Wasser aus. Dies ist vor allem in heißen, wüstenähnlichen Gebieten ein großer Vorteil. Zudem ist das System modular installierbar, dies erlaubt skalierbare Investitionskosten. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Flächenbedarf und die Möglichkeit der dualen Nutzung der Landfläche, d.h. eine Kombination mit landwirtschaftlichen Aktivitäten durch die geringe Versiegelung von Fläche. Darüber hinaus ist die Technologie eine der umweltfreundlichsten Technologien mit einer niedrigen Energierücklaufzeit und der Verwendung überwiegend wieder verwertbarer Materialien wie z.B. Glas und Stahl.

Konsequentes Vorantreiben der Technologie
Die rasche industrielle Umsetzung der Konzentratorphotovoltaik vom Labor in die Fertigung ist der konsequenten und engen Zusammenarbeit von Fraunhofer Forschern und den industriellen Partnern AZUR SPACE Solar Power und Soitec zu verdanken. Für die Markteinführung der Concentrix™-Technologie spielte die Firmenausgründung durch das Fraunhofer-Institut eine wesentliche Rolle. Der überzeugende Erfolg der Technologie führte zur Übernahme von Concentrix Solar durch Soitec. Alle drei Partner treiben die Technologie weiter konsequent voran. Die Entwicklung neuer Produktgenerationen sowohl auf der Zellseite wie auf der Modulseite ist entscheidend für die weitere Erhöhung der Wirkungsgrade und die weitere Senkung der Kosten. Durch intensive Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten und durch die Kooperation mit den Fraunhofer Forschern erreichen die Industrieunternehmen kurze Umsetzungszyklen von Innovationen in Design und Fertigungstechnologie. Sowohl Soitec als auch Fraunhofer ISE sind im Vorstand des Industrieverbands CPV Consortium.

Über AZUR SPACE
AZUR SPACE Solar Power GmbH, Heilbronn ist ein europäischer Marktführer und global agierendes Unternehmen auf dem Gebiet der Entwicklung und Produktion von Hochleistungssolarzellen für die Raumfahrt und terrestrischen CPV Anwendungen.

Seit mehr als 40 Jahren ist AZUR SPACE auf dem Gebiet der Raumfahrtsolarzellen tätig und hat in dieser Zeit für mehr als 400 Satelliten erfolgreich Solarzellen geliefert; momentan ist AZUR SPACE dabei, die modernste Solarzellentechnologie wieder vom Weltraum auf die Erde zurückzubringen.

Mit Materialien und Strukturen, die ursprünglich entwickelt wurden, um Telekommunikations- und Erdbeobachtungssatelliten für Wissenschaft, Aufklärung oder Navigation mit Strom zu versorgen, zeigen diese AZUR SPACE Solarzellen mittlerweile ihre exzellente Leistungsfähigkeit auch im terrestrischen Bereich. Dreifachübergangszellen aus GaAs für CPV Anwendungen nach dem neuesten Stand der Technik erreichen 40% Wirkungsgrad unter Konzentration, basierend auf einer Produktionserfahrung von 1000 MW Solarzellenäquivalenten (Raumfahrt und CPV). Wirkungsgrade von bis zu 50% werden für die nächsten Jahre mit innovativen Multiübergangssolarzellenkonzepten erwartet. Für mehr Informationen besuchen Sie uns bitte unter: www.azurspace.com

Über Fraunhofer ISE
Mit 1100 Mitarbeitern ist das in Freiburg angesiedelte Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE das größte europäische Solarforschungsinstitut. Das Fraunhofer ISE setzt sich für ein nachhaltiges, wirtschaftliches, sicheres und sozial gerechtes Energieversorgungssystem ein. Es schafft technische Voraussetzungen für eine effiziente und umweltfreundliche Energieversorgung, sowohl in Industrie- als auch in Schwellen- und Entwicklungsländern. Hierzu entwickelt das Institut Materialien, Komponenten, Systeme und Verfahren in insgesamt sieben Geschäftsfeldern: Energieeffiziente Gebäude und Gebäudetechnik, Angewandte Optik und funktionale Oberflächen, Solarthermie, Silicium-Photovoltaik, Alternative Photovoltaik-Technologien, Regenerative Stromversorgung sowie Wasserstofftechnologie. Das Institut verfügt über mehrere akkreditierte Testzentren. Für mehr Information: www.ise.fraunhofer.de

Über Soitec
Soitec (Euronext Paris) ist ein internationaler Marktführer in der Entwicklung und Herstellung neuartiger Materialien für die Halbleiterindustrie und ein Vorreiter im Bereich Energie und Elektronik. Soitec stellt unter anderem Substrate für die Mikro- und Nanoelektronik her, insbesondere SOI Wafer (Silicon-on-Insulator). Durch die Akquisition von Concentrix Solar im Jahr 2009 betrat Soitec den Konzentrator Photovoltaik (CPV) Markt und wurde zu einem führenden Hersteller von CPV-Kraftwerken. Soitecs Schlüsseltechnologien sind Smart Cut™, Smart Stacking™ and Concentrix™. Außerdem verfügt das Unternehmen über besondere Expertise im Bereich Epitaxie. Diese Produkte finden Anwendung in der Verbraucherelektronik, mobilen Geräten, Mikroelektronik, Telekommunikation sowie in der Automobilelektronik, in der Beleuchtung und in Solarkraftwerken. Soitec verfügt über Produktionsstätten und Forschungszentren in Frankreich, Singapur, Deutschland und den Vereinigten Staaten. Weitere Informationen finden Sie unter: www.soitec.com

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Geballtes Sonnenlicht – effizient genutzt““ wurde von der Fraunhofer-Gesellschaft e.V. eingereicht.