Schutz für Solarzellen vor zerstörerischen Umwelteinflüssen
Silikon kann Äthylen-Vinyl-Acetat ersetzen
Photovoltaik-Module liefern Strom ohne Risiken und Nebenwirkungen für Umwelt und Klima. Doch der Sonnenstrom ist teuer. Die Module müssen daher möglichst lange halten. Amerikanische Fraunhofer-Forscher suchen jetzt nach Materialien, die Solarzellen vor zerstörerischen Umwelteinflüssen schützen.
Manchmal entscheiden wenige Cents über Erfolg oder Misserfolg einer Technologie. Solange beispielsweise Solarstrom teurer ist als Energie, die aus fossilen Rohstoffen gewonnen wird, ist sie auf dem freien Markt nicht konkurrenzfähig. »Die Stromgewinnung aus Sonnenenergie ist immer noch auf Subventionen angewiesen – das ist in den USA nicht anders als in Deutschland«, erklärt Christian Hoepfner, Wissenschaftlicher Direktor des Fraunhofer Center for Sustainable Energy Systems CSE in Cambridge, USA – einer Tochter des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. »Wenn wir wollen, dass sich regenerative Energien langfristig auf dem Weltmarkt durchsetzen, müssen wir dafür sorgen, dass sie billiger werden.«
Patentrezepte, wie sich dieses Ziel erreichen lässt, gibt es nicht: Der Wirkungsgrad lässt sich nicht unendlich steigern und die Produktion von Solarmodulen ist teuer. Wer hier etwas verändern will, muss Tüftelarbeit leisten: Ingenieur-Teams auf der ganzen Welt suchen nach neuen Techniken und Fertigungsmethoden, die Zellen und Module billiger, effektiver, widerstandsfähiger und zuverlässiger machen.
Silikone – stabil und belastbar
Zu den Erfolg versprechenden Materialien gehören Silikone. Diese sind höchst eigenartige Stoffe – Zwitter, die sowohl mit Kristallen als auch mit Kunststoffen verwandt sind, sich aber keiner Gruppe richtig zuordnen lassen. Die Photovoltaik-Industrie nutzt Silikone schon seit längerem zum Verkapseln von Modulen. Zum Laminieren wurden sie bisher jedoch kaum eingesetzt. Die Laminierung ist eine Schutzschicht, die die zerbrechlichen Siliziumwafer umgibt. Die meisten Hersteller schützen die Wafer bisher mit Äthylen-Vinyl-Acetat.
Um herauszufinden, ob sich das Äthylen-Vinyl-Acetat durch Silikon ersetzen lässt, ging ein Team von Wissenschaftlern ans Werk. Beteiligt waren neben Fraunhofer-Forschern Ingenieure der Dow Corning Cooperation – die Firma ist der weltgrößte Hersteller von Silikonen, die in der Medizintechnik, Kosmetik, Automobilindustrie, Papierverarbeitung und Elektronik zum Einsatz kommen. Die Experten übergossen Photovoltaik-Zellen mit flüssigem Silikon. »Wenn dieses aushärtet, versiegelt es die Zellen, die elektronischen Bauteile sind damit optimal geschützt«, so Project Manager Rafal Mickiewicz. Aus den mit Silikon laminierten Zellen bauten die Experten am CSE Prototypen und prüften diese Photovoltaik-Module nach allen Regeln der Ingenieurskunst: Die Module wurden in einer Klimakammer bei niedrigen Temperaturen und zyklischen mechanischen Belastungen geprüft.
Anschließend testeten die Ingenieure mit einem Lichtblitz die Leistungsfähigkeit der Module und suchten mithilfe von Elektro-Lumineszenz-Imaging nach Mikrorissen. Der Vergleich der Ergebnisse mit denen konventioneller Solarmodule zeigte, dass silikonummantelte Photovoltaik-Module zyklische Belastungen, beispielsweise durch starken Wind und große Kälte, besser standhalten. »Dow Corning Corporation hat mit den Forschern der Gruppe Fraunhofer CSE Photovoltaik-Module zwei Jahre kooperiert. Die Zusammenarbeit hat unser Verständnis von den Materialanforderungen, die an Solarmodule gestellt werden, signifikant verbessert, vor allem was die Haltbarkeit und die Leistung betrifft«, resümiert Andy Goodwin, Global Science & Technology Manager, Dow Corning Solar Solutions.
Die Tests sind mittlerweile abgeschlossen und wurden bei der 26th European Photovoltaik Solar Energy Conference im Jahr 2011 veröffentlicht. »Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass Silikonlaminierung für bestimmte Anwendungen besonders geeignet ist, weil das Silikon die zerbrechlichen Bauteile im Inneren gut schützt und außerdem starken Temperaturschwankungen standhält. Mit der Technik können wir beispielsweise Module mit dünnen Silizium-Solarzellen robuster machen«, sagt Mickiewicz.
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