Aus dem Themenbereich Hightech-Strategie

KONVOTIK - neue Maßstäbe in der Photovoltaik

Der flammende Effekt, der sich mit einer Lupe und starker Sonneneinstrahlung erzeugen lässt, ist weitreichend bekannt. Dieses Prinzip auf die Stromgewinnung zu übertragen und zu optimieren ist komplex, aber möglich. Die Konzentrator-Photovoltaik befasst sich damit. Für ihre Errungenschaften in Entwicklung und Kommerzialisierung dieser Technologie wurden nun Dr. Andreas Bett, stellvertretender Institutsleiter am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, und Hansjörg Lerchenmüller, Geschäftsführer der Soitec Solar GmbH, für den Deutschen Umweltpreis ausgewählt. Sie teilen sich den mit 500.000 Euro dotierten Preis mit dem Mitbegründer und Aufsichtsratschef der SMA Solar Technology AG, Günther Cramer.

Träger des Deutschen Umweltpreises 2012 der DBU: Unternehmer Günther Cramer (l.) sowie das Forscher-Unternehmer-Duo Dr. Andreas Bett (rechtes Foto l.) und Hansjörg Lerchenmüller.© Fraunhofer/SOITEC/DBU

Doppelt so viel Strom aus Sonnenlicht wie bisher: die CPV-Technologie

Neben der Dünnschicht- und kristallinen Silizium-Photovoltaik hat sich in jüngster Zeit die Konzentrator-Photovoltaik, kurz: CPV vom englischen "Concentrator Photovoltaics", als alternative Technologie entwickelt.  Die CPV-Module leisten Enormes, da eine vorgelagerte Linse das Sonnenlicht auf die mehrschichtigen Solarzellen um den Faktor 500 konzentriert. Die Zellen selbst haben dabei nur einen Durchmesser von drei Millimetern. Der besondere Aufbau der Mehrfachsolarzelle begünstigt zusätzlich die Umwandlung des Sonnenlichts in Strom.

Konzentrator Modul (FLATCON der Fa. Concentrix Solar). Der eingeblasene Rauch verdeutlicht den Strahlengang des 500fach konzentrierten Sonnenlichts. ©SOITEC Die Konzentrator-Photovoltaik erfordert durch ihren Aufbau eine Ausrichtung auf den Sonnenstand und wurde insbesondere für große Kraftwerkparks von ein bis einhundert Megawatt Leistung in Ländern mit viel direkter Sonneneinstrahlung konzipiert. Bett und Lerchenmüller errichteten 2006 ihr erstes Solarkraftwerk in Lorca, Spanien. Es folgten Anlagen in 14 Ländern auf vier Kontinenten.Um jedoch wirtschaftlich konkurrenzfähig zu sein, müssen die Herstellungskosten von Solarzellenmodulen weiter gesenkt werden. Bett und Lerchenmüller erreichen dies, indem sie kostengünstige fokussierende Optiken verwenden und damit die vergleichsweise teuren mehrschichtigen Halbleitermaterialien sparsam einsetzen können. Je nach Konzentrationsfaktor benötigt man nur ein Fünfhundertstel bis Tausendstel des Halbleitermaterials und erhöht dennoch die Effizienz der Solarzelle.

2006 errichteten Bett und Lerchenmüller ihr erstes Solarkraftwerk in Spanien. Es folgten Anlagen in 14 Ländern auf vier Kontinenten.©Fraunhofer ISE/SoitecDiese Kombination aus geringen Materialkosten und hohem Wirkungsgrad ist der Schlüssel zur Wirtschaftlichkeit.Und auch die Forscher Bett/Lerchenmüller sehen bei Zelle und Modul weiterhin immenses Optimierungspotenzial, insbesondere was den Wirkungsgrad betrifft. Mit seinem Team erreichte Bett beispeilsweise 2009 im Labor unter Forschungsbedingungen für eine Mehrfachsolarzelle einen Weltrekordwirkungsgrad von 41,1 Prozent.

Zwar steckt die Konzentrator-Photovoltaik noch in den Kinderschuhen. Doch Deutschland hat sich in dieser Hoch-Technologie schon früh mit an der Weltspitze positioniert. Die nächste Generation der Konzentrator-Photovoltaik wird seit Jahren in den Laboren am Fraunhofer ISE und der Soitc Solar mit Unterstützung des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) erforscht und entwickelt.

BMBF-Verbundprojekt KONVOTIK

In dem vom BMBF mit etwa zwei Millionen Euro geförderten Verbundprojekt KONVOTIK wird unter anderem eine Sekundäroptik, eine speziell geformte Glaslinse, erprobt. Sie hat die Aufgabe, das konzentrierte Sonnenlicht der Primäroptik zu sammeln und damit unempfindlicher gegenüber Fertigungs- und Einstrahlungstoleranzen zu machen. Damit können die Module einfacher auf den Sonnenstand ausgerichtet werden. Die Sekundäroptik sorgt dafür, dass das Sonnenlicht homogen auf die Solarzelle gelenkt und damit deren Effizienz erhöht wird.

Diese Sekundäroptik muss die um den Faktor 500 verstärkte Sonnenstrahlung aushalten - und das über einen langen Zeitraum von zehn bis zwanzig Jahren. KONVOTIK erforscht dazu geeignete Form und Eigenschaften der Sekundäroptik. Durch Synergien mit weiteren Partnern im optischem Design, der Materialentwicklung und der Formgebung wird eine entsprechende Lösung zur Herstellung der speziellen Sekundäroptik entwickelt. Auch eine Anlagetechnik für ein automatisiertes Herstellverfahren wird erarbeitet. Die Optiken sollen schließlich in innovative Module eingebaut, optisch vermessen und getestet werden.

KONVOTIK steht für "Konzentrierende Photovoltaik - Erforschung und Entwicklung der (Sekundär-) Optiken" und ist im Juli 2010 im Rahmen der BMBF-Initiative "Freiformoptiken" gestartet. Mit dieser Initiative fördert das BMBF Verbundprojekte, die optische Komponenten mit Freiformoberflächen erforschen und entwickeln.

So werden Abbildungsfehler vermieden und die Qualität und die Anpassbarkeit der optischen Abbildung auf ein Maß gesteigert, das mit konventionellen Konvex- oder Konkavlinsen grundsätzlich unerreichbar bleibt. Die optischen Systeme werden zudem wesentlich kompakter und leichter. Ein prominentes Beispiel solcher Optiken der nächsten Generation findet sich beispielsweise in den ultrakompakten Kameras, die heute in nahezu jedem Mobiltelefon verbaut sind. Die neuen Optiken finden zudem breite Anwendung in der Medizintechnik, Konsumerelektronik, Beleuchtung, Automobilbau, Sicherheitstechnik, Materialbearbeitung sowie im Maschinen- und Anlagenbau.

Mit der Initiative "Freiformoptiken" festigt und erweitert das BMBF im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung die traditionelle Stärke deutscher Unternehmen bei der Fertigung hochwertiger, innovativer Optiken und hilft, diese in die nächste Generation zu überführen. Die Konzentrator-Photovoltaik ist auch ein wichtiges Thema der "Agenda Photonik 2020" die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und der deutschen Photonik-Branche gemeinsam auf den Weg gebracht wurde. In Folge dieser Agenda fördert das BMBF die Photonik-Unternehmen und Institute am Standort Deutschland im Rahmen des Programms "Photonik Forschung Deutschland" mit jährlich 100 Millionen Euro.

Der Deutsche Umweltpreis

Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) vergibt seit 1993 jährlich Ende Oktober die mit 500 000 Euro höchstdotierte Umweltauszeichnung Europas. Mit dem Deutschen Umweltpreis werden Leistungen ausgezeichnet, die vorbildlich zum Schutz und Erhalt der Umwelt beigetragen haben oder in Zukunft zu einer deutlichen Umweltentlastung beitragen werden. Eine vom DBU-Kuratorium ernannte Jury, besetzt mit unabhängigen und herausragenden Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft, Technik und gesellschaftlichen Gruppen, empfiehlt dem DBU-Kuratorium die Preisträger für das jeweilige Jahr.
Die Preisträger 2012 hätten "mit ihren wegweisenden technischen Entwicklungen und ihrem persönlichem Einsatz in der Photovoltaik weltweit Maßstäbe gesetzt und sie damit global maßgeblich vorangebracht", betonte DBU-Generalsekretär Dr.-Ing. E. h. Fritz Brickwedde bei der Bekanntgabe der Gewinner.