(Quelle: Nanosolar)
 Mein Blogbeitrag zu Nanosolarzellen aus diesem Blog ist einer der am häufigsten aufgerufenen. Dieses anhaltende Interesse an solch einem Teilthema verblüfft mich doch einigermaßen. Aber es motiviert mich auch, dieses Thema weiter zu verfolgen. Denn vor allem ist mir bewusst, dass unter „Nanosolarzellen“ viel mehr zu verstehen ist, als die zwar für die Photovoltaik neuartigen, für das Thema „Nano“ aber schon eher als traditionell einzustufenden Farbstoff- und Polymersolarzellen.

Über völlig neuartige Konzepte, die z.B. auf Quantendots bzw. auf plasmonischen Oberflächenstrukturen basieren, wird inzwischen häufig berichtet – jedes einzelne Forschungsprojekt bringt Pressemeldungen hervor, die sich überschlagen vor Euphorie.

Viele Menschen, denen zum ersten Mal eine solche Meldung begegnet, denken, genau mit dieser Erfindung sei nun eine Art Heiliger Gral gefunden worden. Und dann verschwindet die Idee wieder, dafür sprießen viele neue empor. Zwischenzeitlich kündigte ein Unternehmer seit fast 10 Jahren an, die Energiewirtschaft und auch die traditionelle Photovoltaik mit seiner Nanosolarzelle überrollen zu wollen – enttäuschte die hochgesteckten Erwartungen aber fast regelmäßig (siehe zu „Nanosolar“ in II.3). Trotzdem hat der Nano-Photovoltaik-Boom feste Wurzeln gefasst und eine fast unübersehbare Menge an Projekten und Ideen hervorgebracht. Es wird auch mit den folgenden Beiträgen nur ansatzweise gelingen, diesem dynamischen Bereich eine Art Momentaufnahme abzuringen. Es gibt bisher auch kaum so etwas wie ein „Gliederungsschema“; bei mir entwickelt und verändert es sich während der Arbeit auch ständig.

Das Problematische an diesem Thema besteht darin, dass hier nicht nur eine neue Technik zu einer vorhandenen Theorie erfunden wird, sondern dass die Theorien hierfür auch noch gar nicht da sind. Mikrotechnik- und Elektronik beruhen letztlich auf Festkörper- und Halbleiterphysik, die sich dabei natürlich mit entwickelt haben, aber nicht erst entstehen mussten. Zum Thema „Nano“ war bis vor 10 Jahren allgemein nur klar, dass da die alten physikalischen Gesetze nicht mehr gelten, weil hier Quanteneffekte viel wirksamer werden. Und von den Quanten heißt es ja, dass sie „unbestimmt“ sind („Unschärferelation“ usw.). Wie soll man das geistig zu fassen kriegen bzw. technisch manipulieren können?

Die ersten Nanotechnik-Visionen hatten die Tendenz, die Quantenunschärfe einfach wegzudekretieren und sie konzipierten dann ein recht chemisch-mechanistisches Manipulatorkonzept (siehe in meinem früheren Blogbericht). Der Antrieb zum Vordringen in die Nanowelt kam auch gar nicht so sehr direkt aus der Wissenschaft. Da fühlte man sich entweder in der eher praxisnahen Festkörperphysik wohl oder dann eben der Quantentheorie. Der Hype um die Nanotechnik bis hin zur „Nationalen Nanotechnologie Initiative“ (NNI) in den USA im Jahr 2000 war eher eine förderpolitische Kopfgeburt als eine logische Folge des Stands von Wissenschaft und Technik.

Auf dem Weg von den futuristischen Konzepten in die Praxis verlor das Nanothema auch seinen Glanz , bzw. hatte ihn in Europa nie so stark wie in den USA. Inzwischen dringt Nano viel stärker in den Alltag der Forschung und in konsumierte Produkte ein, als es den meisten Menschen bewusst wird. Und es sind insbesondere die neuartigen physikalischen und chemischen Effekte, wegen denen die Nanomaterialien entwickelt und eingesetzt werden.

In der Photovoltaikbranche freut man sich überhaupt erst einmal über das Aufblühen der lange schlummernden Solarzellen-Konzepte, maßgeblich befördert durch das Erneuerbare-Energien-Einspeisungsgesetz in der BRD. Dabei dominieren die siliziumwaferbasierten Solarzellen und schöpfen seit 10 Jahren alle Potenzen aus, die eine industrielle Massenproduktion mit sich bringt (Skaleneffekt, Lernkurve). Mehrere Jahre reichte es aus, die seit den70er Jahren bekannten wissenschaftlich-technischen Grundideen in einen industriellen Maßstab zu bringen und zu optimieren – seit wenigen Jahren werden neue Solarzellenkonzepte (mit veränderten Strukturen, wie die Verlagerung der Kontakte auf die Rückseite) entwickelt und in die Produktion überführt. Dadurch gelang es, die Wirkungsgrade von solchen Solarzellen stark zu steigern. Nebenbei entstanden auch Marktnischen für Dünnschichtsolarzellen aus Cadmiumtellurid (cdTe), amporphem Silzium (a-Si) oder Kupferindium/-gallium(di)selenid (CIGS) u.ä., die aber im Wirkungsgrad nach wie vor unter den siliziumwaferbasierten Solarzellen liegen und angesichts der ökonomisch krisenhaften Entwicklung der letzten Jahre ihren Wachstumsschub z.T. erst einmal bremsen mussten. Man ist also sowieso in einer sehr jungen und sehr dynamischen Branche.

Und da soll man schon wieder in ganz neue fachliche Gewässer springen, sich mit Nano beschäftigen, wo die altbekannte Physik gar nicht mehr funktioniert? Eine Herausforderung, der die gezielte Lenkung von Fördermitteln ganz gut auf die Sprünge helfen kann und auch muss, weil eine industrielle Anwendung für die meisten Konzepte noch ca. 10 Jahre und mehr in der Zukunft liegt. Wir werden auch sehen, dass die Basis der bisherigen Solarzellenproduktion (Beschichtungen im Vakuum, Nutzung von Erfahrungen und Techniken aus der Mikroelektronik) für die neuen Nanoentwicklungen eher kontraproduktiv ist und deshalb wohl auch zu erwarten ist, dass Firmen aus anderen Branchen (Chemie und Drucktechnik) bzw. Neugründungen die Nanosolarwelt dominieren werden.

Ich selbst arbeitete in den letzten vier Jahren zwar in der (siliziumwaferbasierten) Photovoltaikbranche, aber ohne Beziehung zur Nanotechnik. Mein Interesse für Nanosolarzellen ist eher privater Art und seit ich wieder jobsuchend bin, natürlich erst recht. Ich möchte hier in den nächsten Wochen einige meiner Erkenntnisse mitteilen, immer im Versuch, ein wenig der zugrundeliegenden Physik mit darzustellen. Ich erarbeite dafür für mich so eine Art ausführlicheren „Technischen Report Nansolarzellen“, aus dem ich dann etwas verkürzte Blogbeiträge ableite. An Hinweisen, Ergänzungen und ggf. Korrekturen bin ich sehr interessiert, das kann gern in den Kommentaren oder per Mail an mich erfolgen. Da alle diese Texte unter Creative Commons stehen, sind eine Verwendung unter Namens- und Quellennennung, auch Veränderungen und Übersetzungen jederzeit möglich.