Forschung: Kupfer statt Silber für Photovoltaikmodule
Im Zuge steigender Rohstoffpreise erhöhen sich die Produktionskosten von Photovoltaikmodulen, vor allem wegen des dafür benötigten Silbers. Ein Team vom deutschen Fraunhofer Institut schlägt anstelle des Edelmetalls günstigeres Kupfer vor. Die Forscher haben ein neuartiges Verfahren entwickelt.
Quelle: PV2+
Die Leiterbahnen aus Kupfer sind mit 19 Mikrometer extrem dünn. Deshalb ist auch die Verschattung der lichtempfindlichen Siliziumschicht sehr gering.
Quelle: PV2+
Dreidimensionales Konfokalmikroskopbild einer Kupferleiterbahn, die mit dem lasergestützten Verfahren von PV2+ hergestellt wurde. Die gleichmäßige halbrunde Form der Leiterbahn sorgt für hohe elektrische Leitfähigkeit.
Die Photovoltaik spielt bei den erneuerbaren Energien eine wichtige Rolle. Wegen ihres geringen Siliciumverbrauchs weisen moderne, sogenannte Heterojunction-Solarzellen einen besonders kleinen CO2-Fussabdruck auf, sie erreichen in industrieller Produktion die höchsten Wirkungsgrade. Wie das Fraunhofer Institut in seiner Medienmitteilung schreibt, besteht daher eine gute Chance, dass diese Technologie in der Produktion zum Standard entwickelt.
Dass die Photovoltaik immer wichtiger wird, belegen unter anderem Zahlen der International Renewable Energy Agency (IRENA), gemäss welcher die globale Stromerzeugung aus Photovoltaik-Anlagen 2012 bei mehr als 96 TWh gelegen hat und bis 2020 auf knapp 831 TWh angestiegen ist. Das Potenzial der Photovoltaik sei noch lange nicht ausgeschöpft, heisst es weiter.
Der Silberverbrauch dürfte künftig ansteigen
Allerdings wird bei der Herstellung der Solarzellen wertvolles Silber für die Leiterbahnen und Kontakte verwendet. Sie führen den Strom ab, der in der Siliciumschicht durch die Sonneneinstrahlung entsteht. Doch die Preise für das Edelmetall steigen: Silber macht bereits heute rund 10 Prozent des Herstellungspreises für eine Photovoltaikzelle aus. Darüber hinaus ist Silber nur begrenzt verfügbar.
Die Solarindustrie verarbeitet 15 Prozent des in Minen abgebauten Silbers. Im Zuge dieses starken Wachstums müsste dieser Anteil deutlich steigen. Weil aber auch andere Branchen – zum Beispiel die Elektromobilität oder die 5G-Technologie – höhere Silberverbräuche für die Zukunft anmelden dürften, wird die Solarindustrie ohne durchschlagende technologische Innovationen ihre volle Leistungskraft nicht erreichen können.
Kupfer für die Leiterbahnen
Ein Forschungsteam Markus Glatthaar, Experte für Metallisierung und Strukturierung, am Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) hat nun ein Galvanikverfahren entwickelt, bei dem das Silber durch Kupfer bei der Heterojunction-Technologie ersetzt wird. Kupfer ist einiges preiswerter und leichter verfügbar als das Edelmetall.
Damit nicht die gesamte elektrisch leitfähige Oberfläche der Solarzelle galvanisch mit Kupfer beschichtet wird, müssen zuvor die nicht zu beschichtenden Bereiche maskiert werden. Diese Bereiche erhalten eine elektrisch isolierende Beschichtung, die eine galvanische Abscheidung unterbindet. So wächst nur in den nicht isolierend beschichteten Bereichen die Kupferschicht auf.
Aluminium anstelle von Polymer
Die Forschenden haben hier noch einen zweiten wesentlichen Fortschritt erzielt, wie der Medienmitteilung des Fraunhofer Instituts weiter zu entnehmen ist. Denn für die Maskierung des Silicium-Wafers im Elektrolyt-Bad setzte die Industrie bislang teure Lacke oder Folien auf Polymer-Basis ein. Die fachgerechte Entsorgung der Polymere ist nicht nur aufwendig, sondern verursacht auch viel Müll.
Glatthaar und seinem Team ist es nun gelungen, die Polymere mit Aluminium auszutauschen. Aluminium lässt sich - ebenso wie Kupfer - vollständig rezyklieren. Der doppelte Umstieg – von Silber auf Kupfer und von Polymer auf Aluminium – bringe auch einen doppelten Vorteil, heisst es in der Medienmitteilung Die Herstellung der Solarzellen werde nachhaltiger und gleichzeitig deutlich kostengünstiger.
Spin-off PV2+ bringt Solar-Technologie auf den Markt
Um die Technologie schneller auf den Markt zu bringen, hat
das Fraunhofer ISE das Spin-off „PV2+“ mit Sitz in Freiburg (D) gegründet. Die Markus
Glatthaar fungiert als CEO des Spin-offs. Er will bereits Anfang nächsten
Jahres zusammen mit Industriepartnern eine Pilotproduktion aufbauen. (mai/mgt)
Quelle: Alchemist-hp (pse-mendelejew.de), CC BY-SA 3.0 de, Wikimedia
Strangguss-Kupferscheibe in der Reinheit von ≥ 99,95%, makrogeätzt zur Verdeutlichung der inneren kristallinen Strukturen ∅ ≈83 mm. Zwecks Konservierung lackiert. Man sieht deutlich die von Außen nach Innen verlaufende Kristallisation.
