Robert Klatt
Der hohe Silberanteil macht Solarzellen sehr teuer. Ein neues Galvanikverfahren kommt ohne das Edelmetall aus und kann die Photovoltaik günstiger machen.
Freiburg im Breisgau (Deutschland). Die Photovoltaik gilt in Deutschland neben der Windkraft als zentraler Bestandteil der Energiewende. Neben den seit Langem anhaltenden Lieferschwierigkeiten reduzieren jedoch auch die höheren Kosten in der Solarzellenproduktion das Ausbautempo. Dafür verantwortlich ist vor allem das Silber, das in für die Kontakte und in Leiterbahnen verwendet wird. Die Solarindustrie verarbeitet etwa 15 Prozent des global geförderten Silbers. Weil aber auch andere Industrien, etwa für die Elektroautoproduktion, immer mehr Silber benötigen, steigt der Preis des Edelmetalls stetig.
Aktuell hat Silber einen Anteil von etwa zehn Prozent bei einer Photovoltaikzelle. Sollte die Preisentwicklung von Silber anhalten, könnte dieser Anteil in den kommenden Jahren noch deutlich zunehmen. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben deshalb untersucht, ob statt Silber auch günstigere Materialien mit einer besseren Verfügbarkeit in der Solarzellenproduktion verwendet werden können.
Laut Markus Glatthaar konnten die Forscher ein Verfahren entwickeln, dass es ermöglicht Silber durch Kupfer zu ersetzen. Kupfer ist deutlich besser lieferbar und günstiger.
„Wir haben ein spezielles Galvanik-Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, anstelle von Silber Kupfer für die Leiterbahnen einzusetzen. Da wir in Deutschland über genug Kupfer verfügen, sind die Lieferketten kürzer, und die Abhängigkeit vom Preis auf den internationalen Rohstoffmärkten oder von ausländischen Lieferanten wird reduziert.“
Weil die Kupferleiter dank der Laserstrukturierung nur 19 Mikrometer dick sind, nimmt die Photovoltaikleistung und damit der Stromertrag leicht zu. Das liegt daran, dass durch den extrem kleinen Durchmesser der Kupferleitungen die Abdunklung der Siliziumschicht geringer ist als bei den herkömmlichen Leitern aus Silber.
Die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE entwickelten zudem ein Verfahren, mit dem Aluminium als Maskierungsschicht verwendet werden kann. In der Solarzellenproduktion müssen die nicht zu beschichtenden Bereiche abgedeckt werden, damit diese beim Galvanisieren im Elektrolytbad nicht bedeckt werden. Aktuell verwenden die meisten Unternehmen dazu eine Beschichtung aus nicht leitenden Polymeren. Das Recycling dieser Speziallacke ist jedoch teuer und führt zu viel Müll.
Statt dem Polymer verwendet das Verfahren der Forscher um Glatthaar recycelbares Aluminium. Normalerweise ist Aluminium leitfähig und deshalb für die Maskierung nicht geeignet. Wenn das Leichtmetall anläuft, bildet sich jedoch eine isolierende Oxidschicht. Im Aluminium als Maskierung verwenden zu können, haben die Forscher nun dieser Oxidationsprozess optimiert.
„Es ist uns gelungen, die Prozessparameter anzupassen und dabei einen speziellen Elektrolyt zu entwickeln, so dass im Ergebnis die extrem dünne, native Oxidschicht des Aluminiums ihre isolierende Funktion zuverlässig erfüllen kann.“
Es ist somit möglich, Solarzellen ohne nicht leitende Polymeren zu produzieren. Die Innovationen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE ermöglichen in Kombination also eine günstigere und gleichzeitig nachhaltigere Solarzellenproduzenten. Weil sowohl Kupfer als auch Aluminium eine hohe Recyclingfähigkeit besitzen, könnte die Photovoltaikindustrie durch den Einsatz der neuen Produktionsverfahren einen deutlichen Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft gehen.
Damit die neuen Technologien möglichst schnell in der Industrie verwendet werden, haben die Wissenschaft das Spin-off PV2+ gegründet. Bereits Anfang 2023 soll in Kooperation mit Industriepartnern eine Pilotproduktion entstehen.
„Die innovativen Solarzellen sind ein wichtiger Baustein für die zukünftige Stromversorgung aus erneuerbaren Energien und werden der Photovoltaik-Branche einen dringend benötigten Schub verleihen.“
