Effizient und innovativ: Bifaziale Module und ihr Potenzial

Bis zu 30 Prozent höhere Solarerträge auf gleicher Fläche – das verspricht der Einsatz von sogenannten bifazialen Solarmodulen im Vergleich zu herkömmlichen. Diese Module können nicht nur Sonnenlicht, das auf die Vorderseite fällt, in Strom umwandeln, sondern darüber hinaus auch Strahlung, die auf die Rückseite trifft. Die Technologie kommt bereits in vielen Anlagen zum Einsatz und ihr Potenzial ist groß. Deshalb wird intensiv an ihr geforscht. Der en:former stellt vielversprechende neue Ansätze aus Forschung und Entwicklung vor.

Grundsätzlich ist der Aufbau von bifazialen Solarmodulen simpel: Statt nur auf einer wird auf beiden Modulseiten eine transparente Materialschicht angebracht – zum Beispiel eine Glasscheibe oder eine transparente Kunststofffolie –, durch die Licht auf Solarzellen in der Mitte des Moduls fällt. So können zum Beispiel auch Sonnenstrahlen, die vom Boden reflektiert werden, genutzt werden. Wie viel mehr Strom ein solches Modul tatsächlich erzeugt, hängt jedoch von vielen verschiedenen Faktoren ab, wie von der verwendeten Zellart, dem Einsatzort, der Ausrichtung und dem Reflexionsvermögen des Untergrunds.

Dünnschichtzellen: Praktisch, aber weniger effizient

Für die Herstellung bifazialer Module werden bisher vor allem Dickschichtsolarzellen mit dem Halbleiter Silizium verwendet. Im Vergleich zu Zellen aus anderen Materialien erreichen diese einen hohen Wirkungsgrad, erzeugen also mehr Strom. Silizium hat sich als Halbleitermaterial für Solarzellen bisher bewährt, weil die Silizium-Zellen im Vergleich zu Zellen aus anderen Materialien einen hohen Wirkungsgrad erreichen, also mehr Strom aus Sonnenlicht erzeugen als andere Zellen.

Neben den Dickschichtzellen gibt es auch Dünnschichtzellen. Ihre Vorteile: Für die Produktion wird weniger Material benötigt, sie sind leichter und biegsam, können also flexibler eingesetzt werden. Allerdings ist ihr Wirkungsgrad bisher geringer. Zellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) sind aktuell am effizientesten. Insbesondere bei diffusem Licht am Morgen, am Abend oder im Winter erbringen CIGS-Module teilweise sogar höhere Solarerträge als Silizium-Zellen.

Aus diesem Grund sind die CIGS-Zellen besonders interessant für die Herstellung von bifazialen Dünnschicht-Solarmodulen. Die Idee: Dünne, leichte, flexible Module, die in der bifazialen Variante trotzdem einen hohen Wirkungsgrad erzielen. Aber: Diese Rechnung ging bisher in der Praxis nicht auf. Trotz Bifazialität blieb der Wirkungsgrad der CIGS-Zellen gering. In einem Forschungsprojekt haben Wissenschaftler des interdisziplinären Forschungsinstituts für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung (Empa) an der Universität ETH Zürich herausgefunden, dass die Ursache dafür in der Herstellung zu finden ist.

Durchbruch bei bifazialen CIGS-Solarzellen

Bifaziale CIGS-Solarzellen werden in der Regel bei sehr hohen Temperaturen hergestellt. Genau das führt aber zu einer unerwünschten chemischen Reaktion am Rückseitenkontakt, durch die später der Stromfluss beeinträchtigt wird. Der Wirkungsgrad sinkt. Die Forscher haben deshalb einen Herstellungsprozess bei niedrigeren Temperaturen entwickelt. Indem sie der CIGS-Legierung eine Prise Silber hinzufügten, konnten sie den Schmelzpunkt des Halbleitermaterials verringern. Dadurch blieb die chemische Reaktion am Rückseitenkontakt aus.

Die Zellen sind nun deutlich leistungsfähiger. Statt eines Wirkungsgrads von zuvor neun Prozent für die Vorderseite und gut sieben Prozent für die Rückseite wandeln sie nun auf der Vorderseite 19,8 Prozent und auf der Rückseite 10,9 Prozent des Sonnenlichts in Strom um. Die Bifazialität der Zelle bringt so die erwünschte Effizienzsteigerung.

Potenzial noch nicht ausgeschöpft

Eine weitere Möglichkeit, den Wirkungsgrad von Solarzellen zu steigern, sind Tandem-Solarzellen. Dabei werden zwei Solarzellen aus verschiedenen Halbleiter-Materialien übereinandergelegt. Da jeder der Halbleiter ein bestimmtes Spektrum des Sonnenlichts absorbiert, sind diese Zellen besonders effizient.

Als vielversprechendes Material gelten hier Halbleiter aus Perowskit. Aus diesem Grund kombinierte auch das Empa-Forschungsteam die CIGS-Zelle mit einer Perowskit-Zelle zu einer bifazialen Tandem-Solarzelle. Noch ist die Lebensdauer der Perowskit-Zellen zwar gering, doch weitere Forschung könnte bald auch dafür eine Lösung finden. Ayodhya N. Tiwari, Leiter des Empa-Labors für Dünnschichttechnik und Photovoltaik an der ETH Zürich, prognostiziert für die CIGS-Perowskit-Tandemzellen Wirkungsgrade von über 33 Prozent, was viele neue Anwendungsmöglichkeiten für bifaziale Dünnschichtsolarzellen in der Zukunft eröffnen würde.

Reflektierende Böden für höhere Solarerträge

Wie hoch die Solarerträge von bifazialen Modulen ausfallen, hängt zu einem großen Teil auch davon ab, wie stark der Untergrund reflektiert. Je höher die Rückstrahlfähigkeit des Bodens (Albedo genannt), desto mehr Licht fällt auf die Solarzellen auf der Rückseite – und desto höher ist die Stromausbeute.

Deshalb lohnt sich der Einsatz der Technologie besonders in Gebieten, dessen Untergrund einen hohen Albedo aufweist: Beispielsweise existieren Forschungen zu Pflanzen mit hohem Albedo. Eine weitere Möglichkeit stellen weiße Kieselsteine dar. Auch forschen verschiedene Unternehmen gerade an der Möglichkeit, helle Folien, die die UV Strahlen reflektieren, unter den Solarmodulen auszulegen.