In der Photovoltaikindustrie sind alle Bemühungen darauf gerichtet, die Kosten pro Watt im Laufe der Zeit zu senken. Erfahrungsgemäß sinken die Kosten umso stärker, je mehr Erzeugnisse derselben Art schon hergestellt wurden; bei der Photovoltaik sinken die Kosten in Abhängigkeit von der bereits installierten Leistung.

Diese sog. Lernkurve sank bisher beinahe stetig (ausgenommen die Zeit um 2004 wegen dem Anstieg der Siliziumpreise) und ein weiteres Sinken der Lernkurve ist zu erwarten. In der Zukunft muss dabei jedoch zwischen den verschiedenen Technologien stärker differenziert werden.



Lernkurve für die PV-Produktion (aus Präsentation van de Sanden)

Es wird vermutet (z.B. Service 2008), dass die derzeit vorherrschende siliziumwaferbasierte Solarzellengeneration einen Bereich erreicht hat, in dem auch mit sehr hohem Aufwand nicht jene wesentlichen Verbesserungen im Wirkungsgradsteigerungs- und Kostensenkungsbereich erreicht werden können, die notwendig sind, um der Photovoltaik einen Durchbruch für die Stromerzeugung zu ermöglichen.

Demgegenüber haben Solarzellen auf Dünnschichtbasis ein großes Potential, mit geringerem Aufwand akzeptable Wirkungsgrade zu erreichen (siehe nächste Abbildung). Das zeigt sich beispielsweise in Lernkurven-Abschätzungen. Kazmerski nimmt für die siliziumwaferbasierten Solarzellen an, dass die Lernkurve sich seit ca. 2005 abflacht. Es gilt nicht mehr die berühmte 80%-Lernkurve (bei der der Modulpreis um 20% sinkt, wenn sich die kumulative Produktionsmenge verdoppelt), sondern nur noch eine 90%-Kurve. Dagegen setzt für neue Solarzellentypen wie Dünnschicht-, Konzentrator- und Organische Solarzellen eine Lernkurve mit 80% ein. Anderen neuen Techniken, die auf Nanoeffekten basieren, wird sogar eine 70%- und eine 60%-Lernkurve vorausgesagt (Kazmerski 2008).


Steilere Lernkurve für Dünnschicht-Solarzellen (Quelle: Bett 2010, Folie 4)

Es wird eingeschätzt, dass deshalb der Anteil von siliziumwaferbasierten Solarzellen in den nächsten Jahren gegenüber den dünnschichtbasierten Solarzellen und neuartigen anderen (ebenfalls dünnschichtbasierten) Solarzellentypen abnehmen wird:


Prognose für die Anteile der verschiedenen Solarzellentypen
(Quelle: Bett 2010, Folie 6)

Ein Szenarium der Ausweitung der Vielfalt der Solarzellentypen im Verlauf der Zeit zeigt die folgende Abbildung:


Technologische Entwicklungstrends (Quelle Frankl Nowak 2010)

Diese verschiedenen Typen von photovoltaischen Solarzellen lassen sich nach Green in 3 “Generationen“ unterteilen (Green 2001, 2003, 2006, vgl. auch Kazmiersky 2008).

Unterscheidung der drei Solarzellen-Generationen (Green 2003, 2006)

Die 1. Generation wird dabei von den traditionellen Solarzellen aus poly- und monokristallinen Siliziumwafern gestellt. Hier wird intensiv daran gearbeitet, die Verlustmechanismen zu minimieren. Außerdem sind Wirkungsgradsteigerungen über den von Shockley und Queisser (Shockley, Queisser 1961) errechneten maximalen Wirkungsgrad von 33% hinaus möglich durch:
  • Konzentration von Lichtstrahlen auf die Solarzellenfläche (Wirkungsgrad ca. 40%)
  • Mehrfach-Solarzellen, wobei Solarzellen aus unterschiedlichen Materialien Strahlung mit unterschiedlicher Energie aus dem Lichtspektrum optimal absorbieren (erreichter Wirkungsgrad von 41.1%).
Die 2. Generation bezieht sich auf Dünnschicht-Solarzellen wie Solarzellen aus amorphem Silizium (a-Si), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-(Di)Selenid (CIS).

Da die Kosten für die Herstellung der kristallinen Siliziumsolarzellen aufgrund der Lernkurveneffekte und wieder sinkender Siliziumpreise in den letzten Jahren enorm gesenkt werden konnten (siehe folgende Abbildung), haben Dünnschicht-Solarzellenhersteller im Moment auf dem Markt Probleme, da angesichts der geringeren Wirkungsgrade (z.B. a-Si maximal bis 10 bzw. 12%) der Kostenvorteil nicht mehr so groß ist.


Kostensenkung für Photovoltaik (Quelle)

Dies sollte aber auf keinen Fall dazu verleiten, den Dünnschichtkonzepten ihre Perspektive abzusprechen. Höchstwahrscheinlich werden sie ihr Potential erst voll entfalten können, wenn sie durch den Einsatz von Nanotechnik zu entscheidenden Wirkungsprinzipvorteilen bei gleichzeitig sinkenden Produktionskosten kommen. Solche Solarzellenkonzepte werden von Green (2001) in der sog. „3. Generation“ erfasst.

Ich kann mir gut vorstellen, dass die weitere Entwicklung eine Erschöpfung der Innovationsmöglichkeiten für siliziumwaferbasierte Photovoltaik (1. Generation) mit sich bringt, die traditionellen Dünnschichttechniken (2. Generation) ebenfalls an Grenzen stoßen (und damit die Vertreter der Siliziumtechnik zu voreiliger Selbstsicherheit führen könnten) – während neuartige nanobasierte Fertigungsverfahren inzwischen so weit ausreifen, dass sie eines Tages relativ kurzfristig die Photovoltaik „übernehmen“. Nachdem ich selbst eine qualitativ ähnliche Skizze in meiner Dokumentation verwendet hatte, fand ich vor kurzem eine ähnliche Abbildung bei Goetzberger, die diese Dynamik zeigt:


Prognose der Entwicklungsdynamik verschiedener Solarzellengenerationen
(leicht verändert aus Goetzberger 2001)

Bisher sind die Kosten für die Solarzellen der 1. Generation zu hoch und können nicht beliebig weiter gesenkt werden und die Wirkungsgrade der Solarzellen der 2. Generation sind zu gering, als dass sie maßgeblich zur Konkurrenz der 1. Generation würden. Beide Nachteile werden durch die 3. Generation aufgehoben. Dies geschieht einerseits durch die Verwendung von Nanoeffekten, andererseits durch die Nutzung anderer Materialien wie Germanium, Gallium-Phosphid und Gallium-Arsenid. Durch eine Absorptionssteigerung über Plasmoneneffekte kann die effektive Dicke der jeweiligen dünnen Schichten weiter maßgeblich gesenkt werden und auch die Qualitätsanforderungen an das Ausgangs-Absorbermaterial können sinken. Nanobasierte Materialien und Solarzellenschichten können auch durch weniger aufwendige Drucktechniken hergestellt werden. Insgesamt kann man sich davon eine maßgebliche Kostensenkung bei sehr hohem Wirkungsgrad erhoffen.

Die Entwicklungskosten für die 3. Generation sind erst einmal recht hoch, geht es doch um eine fundamentale technologische Neuerung (Übergang zur Nanotechnik mit vergleichbarer Bedeutung wie die Entstehung der Mikrotechnik/-elektronik) – es ist jedoch zu erwarten, dass die Fertigungskosten nach den grundlegenden Entwicklungsschritten entscheidend und langfristig gesenkt werden können. Außerdem können aufgrund der neuen Wirkungsmechanismen, z.B. über Plasmonen, die nur in ungenügendem Maße zur Verfügung stehenden Materialien für die 2. Generation wie Tellur, Indium, oder Cadmium und Selen durch andere, häufiger vorkommende wie Si, Cu2O, Zn3P2, FeS2, ersetzt werden (Polman 2009).

Eine ähnliche Darstellung wie jene der Unterscheidung nach Solarzellengenerationen unterteilt die Technologien in „Wellen“. Es zeigt sich dabei insbesondere, dass Nachteile der vakuumbasierten Dünnschichttechnologie der zweiten Welle bei der neuen nanobasierten Technologie im 3. Fall wieder aufgehoben sind (nach Pagliari et.al. 2008: 14):

Vergleich aufeinander folgender Technologiewellen der Photovoltaik

Da beim Übergang zu Nano-Technologien vakuumbasierte Prozesse häufig durch Drucktechniken ersetzt werden, entspricht er einem Übergang von der „Ökonomie des Mikroelektronikgeschäfts“ zur „Ökonomie des Druckgeschäfts“ (Straser, zit. in Quelle).

Letztlich kann für die Entwicklung der Photovoltaik sicherlich eine Analogie zur Elektronikentwicklung gesehen werden: Dort verlief der Entwicklungsweg von der Elektronenröhrentechnik über Transistoren hin zu Integrierten Schaltkreisen.

Die Markreife für Farbstoffsolarzellen wird im Zeitraum der nächsten 5 Jahre erwartet, Quantenpunktsolarzellen werden in ca. 8 Jahren marktreif (Heubach 2005: 18). Eine etwas andere Prognose sieht nanobasierte Antireflexschichten für Solarzellen als etablierte Nanoprodukte, erwartet im Zeitraum von 4-10 Jahren großflächige Polymersolarzellen sowie großflächige, flexible Solarzellen als Fassadenelemente und im Zeitraum von mehr als 10 Jahren hocheffiziente Quantenpunkt-Solarzellen (Quelle: BMBF 2009:7).

  • Gegenwärtig ermöglicht Nanotechnologie im Bereich der Photovoltaik höhere Wirkungsgrade durch etablierte nanobasierte Antireflexionsschichten und lässt für einen
  • mittelfristigen Zeitraum (10 Jahre) die Konkurrenz durch völlig neue nanobasierte Funktionsprinzipien
    für Solarzellen erwarten.