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Weniger Gift in Solarzellen

Dünnschichtsysteme könnten nun deutlich billiger werden, weil statt des gesundheitsschädlichen Schwermetalls Kadmium ein billigeres und sauberes Magnesiumsalz eingesetzt werden kann

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Schon vor mehr als zehn Jahren waren sich Wissenschaftler wie der Raumfahrttechniker Wolfgang Seboldt sicher, dass sich der weltweite Bedarf an elektrischem Strom komplett durch Sonnenenergie decken ließe. Immer wieder hofften Fachleute dabei auch auf Material sparende und leichte Dünnschicht-Solarzellen. Die aber waren bislang entweder teurer als konventionelle Silizium-Fotozellen oder erreichten nicht deren Wirkungsgrad. Hinzu kam bei den preisgünstigsten Dünnschichtmodulen aus Kadmiumtellurid die nicht unumstrittene Verwendung des giftigen Schwermetalls Kadmium. Zumindest für eine der giftigen Zutaten haben britische Forscher unlängst eine billigere und unschädliche Alternative vorgestellt.

Die Forschergruppe von der University of Liverpool unter Leitung von Ken Durose berichtete im Fachblatt »Nature« (DOI: 10.1038/nature 13435), dass das billige und ungiftige Magnesiumchlorid einen vergleichbaren Effekt bringt wie das bisher für die Dünnschicht-Solarzellen verwendete giftige Kadmiumsalz.

Dünnschicht-Solarzellen haben gegenüber den Zellen der 1. Generation auf Basis von Silizium, das in der großen Mehrheit der bisherigen Zellen eingesetzt wird, den großen Vorteil, dass sie sehr breit angewendet werden können. Sie brauchen geringere Materialmengen, sind nur zwei Mikrometer dünn, und das lichtempfindliche Material lässt sich problemlos sogar auf flexible Oberflächen auftragen. Zudem ist ihr Wirkungsgrad auch bei diffusem Licht und relativ hohen Temperaturen noch gut. Das macht sie besonders dort attraktiv, wo die Sonnenstrahlung sehr intensiv ist und es deshalb sehr heiß wird.

Ein großes Problem stellt bisher das Kadmiumchlorid dar. Eine dünne Schicht dieses Salzes wird auf Solarzellen auf Kadmiumtellurid-Basis aufgesprüht, um deren Wirkungsgrad zu steigern. Das Salz verändert die Struktur der Licht absorbierenden Schicht so, dass deutlich mehr Licht in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Effizienz wird damit von ursprünglich ein bis zwei Prozent auf bis zu 15 Prozent, unter Laborbedingungen sogar bis auf fast 20 Prozent gesteigert. Damit erreichen Dünnschichtzellen den Wirkungsgrad üblicher Siliziumzellen.

Doch die Verwendung von Kadmiumverbindungen birgt diverse Probleme. Zum einen ist das Schwermetall hochgiftig. Deshalb müssen die Beschäftigten bei der Verarbeitung besonders geschützt werden. Durch seine Wasserlöslichkeit ist Kadmiumchlorid zwar einfach zu verarbeiten, ist aber riskanter für die Umwelt. Die hohen Sicherheitsstandards in der Produktion verteuern den eigentlich einfachen Produktionsprozess. Aber alle Elemente müssen nach der Verwendung aufwendig entsorgt und der giftige Stoff ebenfalls teuer aus den Abwässern beseitigt werden. Das treibt den Preis für die Herstellung genauso in die Höhe wie der für Kadmiumchlorid.

Jon Major war an dem Team beteiligt, das deshalb nach Alternativen für den giftigen Stoff gesucht hat. »Wir wissen durch andere Studien, dass es das Chlorid ist, das für die Leistungssteigerung der Solarzelle sorgt«, erklärte er. Kadmium sei nicht so wichtig und deshalb hätten sich die Forscher in Liverpool gefragt: »Welche anderen Chloride gibt es noch, die ungiftig und günstig sind und funktionieren könnten?«

Nachdem diverse Salze auf die Tauglichkeit zur Steigerung der Effizienz von Dünnschicht-Solarzellen getestet wurden, stießen die Forscher darauf, dass Magnesiumchlorid fast genauso effizient wirkt wie Kadmiumchlorid und unbedenklich verarbeitet werden kann. Die Zellen seien so gut wie die, die unter Verwendung des Schwermetalls produziert würden, erklärt Major. Dass dieses Salz im Winter auch als Tausalz eingesetzt wird, lässt den Kostenvorteil ahnen. Während ein Kilogramm Magnesiumchlorid nur etwa 73 Cent kostet, muss man für ein Kilogramm Kadmiumchlorid etwa 220 Euro bezahlen, rechnen die Forscher vor.

Doch das ist nur einer der Vorteile. Billiger wird die Herstellung vor allem deshalb, weil bei der Verarbeitung ganz anders gearbeitet werden kann. Man benötigt weder Gasmasken wie beim Aufsprühen von Kadmiumchlorid auf eine Oberfläche, noch leistungsstarke Dunstabzugssysteme. Die teure Abscheidung aus dem Abwasser und die kostspielige Entsorgung der schwermetallbelasteten Abfälle fallen weg. »Wir können das Magnesiumchlorid mit einer handelsüblichen Airbrush-Pistole auf die Solarzellen aufsprühen«, berichtet Major.

Deshalb erklärt sich der Kostenvorteil nur zu einem kleinen Teil durch deutlich niedrigere Rohstoffkosten. Durch die Verwendung von Kadmiumchlorid fielen für die Produktion von Dünnschicht-Solarzellen mit einer Leistung von einem Gigawatt zusätzliche Kosten in einer Höhe von 1,1 Millionen Euro an, meint Major. Im klaren Kontrast dazu stünden die knapp 3700 Euro, die bei der Verwendung von Magnesiumchlorid nötig seien. Für die Produzenten sei vorteilhaft, dass sich sonst nichts an Produktionsverfahren ändern müsse, mit denen schon seit 25 Jahren gearbeitet werde. Hohe Investitionen zur Umstellung seien deshalb nicht nötig.

Aus Sicht der Forscher ist Kadmium aber nicht nur ein Kostenproblem, sondern auch ein Imageproblem. Schließlich gehe es bei erneuerbaren Energien auch darum, eine umweltschonende Alternative zu den fossilen Energieträgern zu finden. Dafür ist das hochgiftige Schwermetall denkbar ungeeignet. Dagegen eignet sich dafür Magnesiumchlorid, das auch als Badesalz verwendet wird, besonders gut. Es ist so unbedenklich, dass es zur Gerinnung von Sojamilch zu Tofu verwendet und in Japan Nigari genannt wird.

Trotz der Imageprobleme und niedrigerer Wirkungsgrade konnten Dünnschicht-Solarzellen schon bisher ihren Marktanteil vor allem durch den Kostenvorteil gegenüber den Solarzellen der 1. Generation ausweiten. Ihr Anteil auf dem Solarmarkt lag im Jahr 2007 noch bei rund 10 Prozent, doch er steigerte sich schon 2009 auf 20 Prozent Das ist auch deshalb beachtlich, weil in dieser Zeit die Photovoltaik insgesamt ein starkes Wachstum verzeichnete. Allerdings fiel mit den Preisen für herkömmliche Module auch der Marktanteil der Dünnschicht-Solarzellen bis 2013 wieder auf 10 Prozent zurück.

Die Solarzellen auf Basis von Cadmium-Tellurid, die nun deutlich billiger werden sollen, haben bisher die größte Marktdurchdringung erreicht. Daneben gibt es auch noch Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium, die jedoch einen deutlich geringeren Wirkungsgrad aufweisen. Dagegen bietet Kupfer-Indium-(Gallium)-Selen (CIS/CIGS) relativ hohe Wirkungsgrade und zeigt ebenfalls ein sehr gutes Verhalten bei diffusem Licht und hohen Temperaturen. Bisher wird diese Materialkombination aber selten verwendet. Man befürchtet, dass mit einer Ausweitung der Produktion von CIGS-Zellen eine deutliche Verteuerung der sehr seltenen Rohstoffe Indium und Gallium einhergehen würde. Allerdings gibt es auch hier schon erfolgreiche Ansätze, das besonders kostspielige Indium durch billiges Zinn und Zink zu ersetzen.

Nicht nur für die Liverpooler Forscher ist die Kostenfrage von entscheidender Bedeutung dafür, den Anteil von Solarenergie an der Stromerzeugung auszuweiten. »Wenn die erneuerbare Energie in Zukunft mit fossilen Brennstoffen mithalten will, dann müssen die Produktionskosten der Anlagen deutlich gesenkt werden«, erklärt Major. Bedeutsame Schritte seien in der Vergangenheit schon gegangen worden. Er fügte an, dass »unsere Entwicklung das Potenzial hat, die Kosten wesentlich zu senken.« Denn die ohnehin schon billigsten Zellen der 2. Generation könnten über das Magnesiumchlorid nun noch deutlich billiger werden.

Und für den ehemaligen Yahoo-Vizepräsidenten Salim Ismail ist längst eine Energierevolution absehbar. Für Ismail geht die Solarenergie einer strahlenden Zukunft entgegen. »100 Prozent des Strombedarfs werden in weniger als 25 Jahren über die Sonne gedeckt.«

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