Zielsetzung:
Die Solarenergie ist neben der Windenergie eine der Hauptsäulen der Energiewende. Damit die Klimaziele erreicht werden, ist es notwendig die Solarindustrie weltweit massiv zu skalieren. Pierre Verlinden, einer der weltweit führendsten Solarexperten, äußert sich dazu 2020 im Journal of Renewable and Sustainable Energie wie folgt: “The [PV] industry has demonstrated that it is capable to grow at a very high rate and to continuously reduce the cost of manufacturing. There are no challenges related to the technology, manufacturing cost, or sustainability, except for the consumption of silver, which needs to be reduced by at least a factor of 4 […].”
Silber ist die einzige kritische Ressource in der Solarzellenproduktion. Derzeit werden bereits weltweit ca. 17 % des jährlich in Minen abgebauten Silbers für die Solarzellenfertigung beansprucht. Gleichzeitig wächst die Fertigungskapazität für Solarzellen exponentiell um 20 - 30 % pro Jahr. Ohne technologische Innovation würde die Solarindustrie bereits im Jahr 2030 das gesamte weltweit verfügbare Silber aus dem Bergbau nachfragen. Es versteht sich von selbst, dass dies kein tragfähiges Szenario ist, zumal auch andere Zukunftstechnologien, wie die Elektromobilität, einen zunehmend hohen Silberbedarf anmelden.
Expert*innen sind sich einig, dass die Versorgung der Solarindustrie mit Silber für die elektrischen Kontakte der Solarzellen bereits in 2 - 4 Jahren das größte Problem für das nötige Wachstum der Solarindustrie sein wird und somit auch zum Flaschenhals für die gesamte Energiewende wird.
Das Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, PV2+, hat eine patentierte Galvaniktechnologie entwickelt, die es Solarzellenherstellern erlaubt mithilfe eines speziell entwickelten Elektrolyten, in Solarzellenkontakten Silber durch Kupfer zu substituieren. Dies ermöglicht die Skalierung der Solarindustrie und löst somit eine der zentralen Nachhaltigkeitsherausforderungen unserer Zeit.
Fazit:
Das Förderprojekt PV2+ verfolgte das Ziel, Silber durch Kupfer in Solarzellenkontakten zu ersetzen, um Kosten zu senken, die Rohstoffabhängigkeit zu verringern und die ökologische Nachhaltigkeit der Photovoltaikbranche zu stärken. Die gewählte technische Vorgehensweise erwies sich als sehr erfolgreich: Prozesse wie Sputtern und Laserablation wurden optimiert und auf Industrieanlagen übertragen, eine neue Galvanikanlage ermöglichte die homogene Kupferabscheidung auf über 500 Zellen bei stabilisiertem Elektrolyt. Der Proof of Concept wurde durch bessere Zellleistungen auf Industriewafern und einem ROI < 1 Jahr erbracht. Auch erste Umsätze durch Kundenbemusterungen bestätigen den Marktbedarf.
Strategisch war eine Kurskorrektur nötig: Aufgrund des Rückgangs der europäischen Solarindustrie wurde der Fokus erfolgreich auf Asien und die USA sowie auf eigene pilotähnliche Demoproduktion verlagert. Diese Neuausrichtung erwies sich als essenziell für Markteintritt und Skalierung.
Alternative technische Ansätze wie Kupfer-Nanopartikel oder Polymermasken wurden geprüft, boten jedoch keine vergleichbare Leistung, Wirtschaftlichkeit oder Umweltbilanz wie das patentierte Galvanikverfahren von PV2+. Die zentrale alternative Idee war daher nicht technologischer, sondern strategischer Natur und sie trug maßgeblich zur Zielerreichung bei.
Ziel des Vorhaben ist die Entwicklung von Messmethoden auf Basis von Messdaten die in Industrie-IV-Testern gewonnen werden. Ziel ist es charakteristische Kenngrößen von Solarzellen zu bestimmen, welche bislang nicht oder offline bestimmt werden. Die Methoden werden jeweils unter Laborbedingungen getestet und dann für Messungen in der industriellen Massenproduktion von Siliziumsolarzellen optimiert.
Im Teilvorhaben steuert das Fraunhofer ISE Arbeiten zum Gesamtvorhaben bei, in welchem eine neuartige Randverschaltung von Teilsolarzellen mittels lasergefügter Aluminiumfolie zur Industriereife entwickelt werden soll. Das Fraunhofer ISE wird in seinen Laboren Laser-Materialbearbeitungsprozesse zum Verbinden von Aluminiumfolie mit Solarzellen und den darauf befindlichen Leiterbahnen aus Silber und Aluminium weiterentwickeln. Weiterhin werden Aufbauten zum Haltern und Anlegen der Aluminiumfolie auf den Solarzellen weiterentwickelt und neu konstruiert sowie Prozesse zum Trennen der Folie evaluiert. Alle diese Prozesse werden für die im Projekt angestrebte Randverschaltung von Kleinstsolarzellen benötigt. Die weitere Prozessoptimierung hat zum Ziel, möglichst große Prozessfenster zu definieren, die Prozessgüte zu steigern sowie die Prozesszeiten zu reduzieren.
Gebäudecharakteristik und Konzeption der Anlagentechnik: Pfarrhaus der Ev. Kirchengemeinde Gangelt, errichtet 1978, bestehend aus Pfarrwohnung (150 m2), Einliegerwohnung (55 m2), Pfarrbüro mit Gemeinderaum (75 m2). Art der Heizungsanlage: Ölheizung; Warmwasserbereitung zentral durch Ölheizung; Konzeption der Anlage ist auf 8 Personen ausgelegt (z.Zt. 5 Pers. + Gemeindebüro); Installation von 6 Kollektoren (delta-tec, Typ: heliotrop), Bruttofläche 12 m2, auf der südlichen Dachfläche-Bindl-Warmwasserspeicher (400 l)Temperaturdifferenzregler mit Bypass-Funktion und Kühlfunktion; Plattenwärmemengentauscher zur Rücklauf-Beheizung der Zentralheizung; Energetische Bewertung der Solaranlage: 70 Prozent der Warmwasserbereitung; 30 Prozent des Gesamtwärmeverbrauchs. Geplante Maßnahmen zur Verbreitung: 1. Rückgriff auf das Angebot der DBU zur zentralen Beschaffung geeigneter Visualisierungseinrichtungen; 2. Im Verbund mit Kirchengemeinden der Region Veröffentlichung in kirchlicher und kommunaler Presse; 3. In Zusammenarbeit mit dem Erwachsenenbildungsreferats unseres Kirchenkreises Einbindung in Modelle der Öffentlichkeitsarbeit (z.B. Seminare); die Unterstützung des Landespfarrers für Ökologie, Herrn Wennmacher/Moers, wird angefragt; 4. Thematisierung und Demonstration der Anlage in Gruppen der Gemeinde als Beispiel einer umweltschonenden Alternative (vor dem Hintergrund der Braunkohleproblematik im Osten unseres Kirchenkreises); 5. Angebote an ortsansässige Schulen, sich mit Fragen von Energieverbrauch etc. zu befassen. Dazu wird die Einspeisung der Verbrauchsdaten/Wärmemengenzähler in den Computer vorgesehen; 6. Im hiesigen ländlichen Raum, der zur Zeit einen enormen Bauboom erfährt, wird die Anlage als Muster zur Besichtigung für interessierte Bauherrn zur Verfügung stehen. Die Vermittlung durch die lokale Entwicklungsgesellschaft wird dabei angefragt. Die Durchführung von Seminaren ist durch die ausführende Firma zugesagt. Fazit: Für eine Berechnung der Wirtschaftlichkeit ist es noch zu früh. Dennoch sind wir über die Entscheidung zur Errichtung unserer Solaranlage froh. Die Fördermöglichkeiten haben diese erleichtert. Andererseits war der Verwaltungsaufwand z.T. zu hoch. Wir sind nun gespannt, wie sich die Anlage über einen längeren Zeitraum bewährt und verfolgen darüber hinaus die Möglichkeit, auch über Stromerzeugung aus Solarenergie nachzudenken.
Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung elektrisch leitfähiger Klebstoffe, die speziell auf die Anforderungen einer industriellen Matrix-Schindelverschaltung von Silizium Solarzellen zugeschnitten sind. Ein besonderer Fokus liegt dabei neben der elektrischen / mechanischen Performance solcher Systeme auch auf einer Kostenoptimierung durch Auswahl geeigneter Füllstoffe, um Zugang zu dem preissensitiven PV-Markt zu bekommen.