Hallo,

diese Seite führt die Hitliste der Aufrufe meiner Blogbeiträge seit langem an.
Sie erreicht mehr als doppelt so viele Aufrufe wie die zweitplatziere Meldung.
Das macht mich neugierig: Warum interessieren Sie sich, warum interessiert Ihr Euch so sehr für dieses Thema?
Wie geratet Ihr auf diesen Blogbericht?
Und: Soll ich weitere Arbeit reinstecken,
den geplanten ausführlicheren Report fertig zu stellen?

Beste Grüße
von Annette


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Ich hatte bereits vor einigen Wochen darauf aufmerksam gemacht, dass die Photovoltaik-Industrie derzeit so dynamisch voran schreitet, dass grundsätzliche Aussagen über ihren Entwicklungsweg oder gar anscheinend grundsätzliche Begrenzungen ihrer Produzier-, Einsetz- und Recycelbarkeit so gut wie unmöglich sind. Dazu wurde auch rege diskutiert.

In diesem Zusammenhang habe ich mich nun speziell mit den Nano-Solarzellen beschäftigt.

Diese gehören innerhalb der „Roadmap“ der Solarzellenentwicklung zur sog. „Dritten Generation“. Die erste Generation stellen die siliziumbasierten Solarzellen dar. Die zweite Generation wird durch Dünnschichtkonzepte ohne Wafer realisiert. Die dritte Generation schließlich „nutzt im Wesentlichen die Technologie der zweiten Generation und dazu einige Effizienz steigernde Methoden, deren Konzept sich von dem der Standard-Solarzellen unterscheidet.“ (Martin Green 2008)


Es gibt mittlerweile neue Seiten zu den Nano-Solarzellen.


Die folgenden Abbildungen zeigen den derzeitigen Stand der Entwicklung und einen Vergleich der drei Solarzellentypen.
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Abb. 1: Wirkungsgrad-Kosten-Verhältnis für die drei Solarzellengenerationen (gelb: kristallines Silizium; blau: Dünnfilmtechnik, rot: Nanosolar auf CIGS-Dünnschichten, zusätzlich orange: ESLR-Dünnfilme). Das Wirkungsgradlimit von Shockley-Queisser gibt den maximal möglichen Wirkungsgrad für pn-Übergänge an. (Quelle)

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Abb. 2: Entwicklung der Solarzellenwirkungsgrade, unterschieden nach Siliziumtechnik (rot, gelb), CIS und CdTe (violett und dunkelgelb) und Farbstoff-Nano-Zellen (hellblau) (Quelle)

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Abb. 3: Vergleich der drei Generationen von Solarzellen (hier als Technologiewellen bezeichnet) (Quelle: Nanosolar)

1. Grätzel-Farbstoff-Zellen

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Abb. 4: Grätzel-Farbstoffzellen (Quelle)

Diese Zellen werden häufig in Schulexperimenten hergestellt, so einfach und faszinierend ist ihre Wirkungsweise.

„Im Gegensatz zu allen anderen Arten von Solarzellen ist die Herstellung der Grätzel-Zelle fast so einfach wie die Zubereitung eines Sandwich: Man bestreicht eine zinnoxidbedampfte Glasscheibe mit Titanoxid, röstet das ganze eine halbe Stunde lang im Ofen, bestreicht die ‚Toastscheibe’ mit einem Farbstoff, darüber kommt eine Jodlösung, oben drauf noch eine zweite bedampfte Glasplatte – und fertig ist die Solarzelle (!).“(Quelle)

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Abb. 5: Prinzip der Farbstoff-Zelle (Quelle)

Sie erreichen bisher im Labor Wirkungsgrade von bis zu 10 %, ihre energetische Amortisationszeit ist mindestens halb, aber vielleicht auch nur ein Viertel so groß wir bei konventionellen Solarzellen und sie arbeitet auch bei diffusem Licht sehr effizient. An dem bisherigen Problem der Dichtheit für die Elektrolyte wird derzeit intensiv gearbeitet.
Unternehmen, die auf diese Zelle setzen, sind vor allem Konarka und Dyesol.

2.: Plastic Solar Cells

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Abb. 6: Fulleren-Solarzelle (Quelle: TU Ilmenau)

Hier werden die pn-Halbleiter aus den üblichen Solarzellen durch dünne Schichten aus konjugierten Polymere ersetzt und die Weiterleitung der Elektronen geschieht in einem Fulleren-Netzwerk. Sie besitzen zueinander verschobene Lagen der elektrochemischen Potentiale.

Als erreichte Wirkungsgrade werden um die 5 % genannt. Bis 2015 wird bei der BASF ein Wirkungsgrad von 10 % angestrebt bei einer Lebensdauer von 20 Jahren.(Quelle)
Auch hier ist die Firma Konarka aktiv und in Deutschland die Firma Heliatek Dresden . Geforscht wird dazu besonders auch in Thüringen. (Quelle)

Die Herstellung soll hier besonders einfach und kostengünstig sein:

„Wir produzieren die Zelle wie Zeitungen im Rolle-zu- Rolle-Verfahren. Die photoaktiven Materialien werden einfach aufgedruckt“ (Jens Hauch)

Konarka hat seit 2005 einen Vertrag zur Ausrüstung der US-Armee und wirbt für „Solaranlagen auf dem Autodach“. (Quelle)

3. Quantum Dots auf CIGS

Die Quantum-Dots-Technologie beruht auf CIGS-Dünnschichtzellen. Im Gegensatz zu konventionellen Siliziumsolarzellen, die aus einem Homo pn-Übergang bestehen, besitzen Solarzellen aus Cu(In,Ga)Se2 (CIGS: Kupfer-Indium-Gallium-Dieselenid) einen Hetero pn-Übergang zwischen dem p-dotierten CIGS-Absorber und einer n-leitenden durchsichtigen Schicht aus CdS/ZnO. (Quelle)

Während die üblichen CIGS-Zellen in Vakuumprozessen hergestellt werden müssen, suchten und erfanden Forscher, die Martin Roscheisen für seine Firma Nanosolar rekrutierte, ein neues Verfahren, das billig und einfach bei Atmosphärendruck aus einer „Tinte“ mit Nanopartikeln zu drucken ist, wie im folgenden Video gezeigt wird.

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Film 1: Drucken von Solarzellen mit der Nano-CIGS-Technik bei Nanosolar (Quelle)

Zum Anschauen anklicken!

In einer Minute werden so 30 m Solarzellen gedruckt.(Quelle) Während Anlagen für normale CIGS-Dünnschichtzellen ca. 55 Millionen Euro kosten und von den Ausgangsmaterialien nur 30-80 % genutzt werden, kostet dieser Solarzellendrucker nur 12 Millionen Euro und nutzt 100 Prozent des Materials. Die Herstellungskosten sollen insgesamt nur ein Fünftel der herkömmlichen Kosten betragen. Als erreichter Wirkungsgrad werden 14 % angegeben.(Quelle) Auch die energetische Amortisationszeit sinkt auf ca. 2 Monate.
Insgesamt wird eingeschätzt (Quelle):

  • Drucker von Nanosolar, beinahe so viele Produktionskapazität hat, wie alle konventionellen Werke für Photovoltaik in Deutschland derzeit zusammen.
  • Es ist sowas wie ein Maschine die jedes Jahr ein sauberes Atomkraftwerk auf Alufolie druckt.
  • Die Investionskosten für die Anlagen würden sich somit nur auf 1,6 Mrd $ belaufen. Die Menschheit hätte eine Maschinen, die die Solarzellen produzieren kann, welche es uns erlauben würde in 10 Jahren den gesamten Planeten auf Solarstrom umzustellen zu können.
  • Im Prinzip braucht man nur 1000 dieser Maschinen, Silizium (Sand) und Alufolie.

Damit gilt auch (Quelle):

  • 1 kg CIGS produziert fünfmal mehr Elektrizität als 1 kg angereichertes Uran.

Für den Gründer von Nanosolar, Martin Roscheisen, ist es sein viertes Unternehmen. „Das erste Unternehmen brachte ihm 30 Mio. Dollar ein, das zweite 450 Mio. und das dritte 720 Mio.“ (Quelle) Seine Vision besteht in Analogie zu Microsofts Mission, einen PC in jeden Haushalt zu bringen, darin, „Sonnenkollektoren auf jedes Dach zu bringen“ (Martin Roscheisen).

Nanosolar eröffnete in Luckenwalde eine Fabrik, in der die Module hergestellt werden und stattet einen kommunalen Solarpark auf einer ehemaligen Mülldeponie in Ostdeutschland aus. (Quelle) Ende 2007 sollen die ersten Module ausgeliefert worden sein.

Nachtrag

Aus Regionalzeitschriften ist folgende Entwicklung der Luckenwalder Fertigungsstätte zu entnehmen:

  • 19.12.2007: Solarmodul-Fertigung mit 40 Mitarbeitern wurde aufgenommen
  • 6.6. 2008: „Die bisherigen 25 Mitarbeiter sollen auf bis zu 70 aufgestockt werden“; „Die erste Ausbaustufe mit einer Kapazität von 100 MW ist fertiggestellt“

Für die Sicherung der Abnahme (ohne fremde Überprüfung der Qualität bzw. des Wirkungsgrads) der erzeugten Solarmodule wurde gleichzeitig ein Solarpark in der Nähe auf einer ehemaligen Mülldeponie geplant:

  • 9.4.08: Beschluss des Luckenwalder Hauptausschusses am 9.4.08 (für 57 Hektar auf den ehemaligen Rieselfeldern in Luckenwalde)
  • 20.5.08 Grundsteinlegung für ersten Teil von 1,9 ha, „etwa 7000 Solarmodule werden gebraucht“

Interessant ist, dass in der Fachzeitschrift PHOTON vom Januar 2009 anlässlich einer Dünnschichtkonferenz in San Francisco bezweifelt wird, dass die von Nanosolar versprochenen Solarzellen überhaupt so funktionieren, wie vorgesehen.

Die „Märkische Allgemeine“ schätzt ebenfalls ein:

Doch die Amerikaner zeigten zumindest nach außen hin wenig Aktivitäten, endlich in die angekündigte Produktion von Solarmodulen einzusteigen. Informationen flossen spärlich.

Seitdem gibts Neuigkeiten:

  • 09. September 2009: Nanosolar weiht Solarmodul-Serienproduktion in Luckenwalde bei Berlin ein (Quelle)„Gleichzeitig berichtete Nanosolar, dass die Solarzellen-Serienproduktion in seiner Fabrik in San Jose (Kalifornien) schon früher in diesem Jahr begonnen habe.“Nach Angaben des Unternehmens liegt die gegenwärtige Produktion in Luckenwalde bei einer monatlichen Nennleistung von einem Megawatt (MW).

    „Da fast alle großen Photovoltaik-Kraftwerke mit Krediten finanziert werden, ist unser nächstes kommerzielles Ziel, dass unsere Produkte auch von den Banken akzeptiert werden“ (Martin Roscheisen)

  • 16,4% Wirkungsgrad wurde erreicht (Quelle)

Die schon immer eher skeptische Fachzeitschrift PHOTON kritisiert in ihrer Oktober-Nummer auch diese Meldungen eher ungläubig. Zwar wird bestätigt, dass die Module vom TÜV Rheinland und auch in den USA getestet wurden, aber der Wirkungsgrad, der maximal 11 Prozent betragen soll, schwanke relativ stark. „Aus internen Kreisen hieß es, die Transformation des Zellprozesses in die vollautomatische Massenfertigung gestalte sich problematisch“ – wird berichtet.

Sollten die 640 Megawatt-Linien in Luckenwalde einmal laufen, müsste sich die restliche Photovoltaik-Industrie warm anziehen – aber es macht schon stutzig, dass die vollmundigen Ankündigungen immer wieder nicht erfüllt werden können. Diesmal soll es… na woran schon… an der „zögerlichen Projektfinanzierung durch die Banken“ liegen.

Inzwischen will man wohl auch den Standort, wo die Beck Energy GmbH die ersten Nanosolar-Module verbauen will, auch auf Nachfrage nicht mehr nennen.

Es ist also wohl noch offen, ob es sich „um den größten Coup in der Photovoltaik, oder um den größten Bluff“ handelt, wie ein Branchenkenner in der PHOTON zitiert wird.
Weitere Infos über Nanosolar:

Das Neueste:

  • Gouverneur Arnold Schwarzenegger besuchte am 24. März 2010 die Nanosolar-Firma.

Inzwischen (seit Ende März 2010) ist Martin Roscheisen nicht mehr Vorstandsvorsitzender, sondern Geoff Tate. Der „bewährte Industrieveteran“ wird gebraucht, um nun doch endlich die Massenproduktion anzuwerfen, wie in der Zeitschrift PHOTON (Mai 2010, S. 90) süffisant bemerkt wird.

Inzwischen gibts auch mehrere Filmchen über die Nanosolarproduktion:

Inzwischen sind wohl doch die versprochenen Solarzellen in einem größeren Projekt verbaut worden.

Und wie weiter?

Noch ist es offen, ob die Solarzellentypen der 3. Generation die traditionellen siliziumbasierten Solarzellen tendenziell ersetzen werden, oder ob sie sie lediglich für viele Einsatzwecke ergänzen. Nano-Vertreter beschwören eher ein Ende des Siliziumzeitalters:

Zudem spreche die Gesamtenergiebilanz langfristig gegen herkömmliche Siliziumzellen: „Man benötigt sehr viel Energie, um Silizium aus Sand herzustellen.“ Titanoxid dagegen, der Rohstoff für Farbstoffzellen, kommt weltweit, vor allem im Gebirge, in großer Menge vor. (Manfred Grätzel)

Von anderer Seite (Timon Wehnert vom Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung (IZT) Berlin ) wird allerdings abgewiegelt:

„Langfristig führt kein Weg an Silizium vorbei“. Auch andere Experten vertreten diese These, denn Indium und Tellurid sind im Gegensatz zum Silizium durch ihr Vorkommen begrenzt und nicht nur durch Fertigungskapazitäten.

Es bleibt noch spannend und solange der Weg in Richtung weniger Ressourcen- und Energieverbrauch geht, können wir uns freuen.

Weitere Informationen

Es gibt inzwischen mehr auf diesem Blog zum Thema Nanotechnologie:

Demnächst werde ich auch noch mehr und Genaueres zur Funktionsweise von Nanosolarzellen (Quantum-Dot) schreiben, ich habe schon viel gesammelt, weiß aber nicht, wann ich dazu komme, das aufzuschreiben. Bis dann…