© BMWi, Datenbasis National Renewable Energy Laboratory (NREL)

Wichtigstes Ziel der Photovoltaik-Forschung ist die Entwicklung von Solarzellen mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad. Denn je höher der Wirkungsgrad ausfällt, umso effizienter lässt sich Sonnenenergie in nutzbaren Solarstrom umwandeln. Gleichzeitig verfolgt die Forschung das Ziel, die Herstellungskosten für Solarzellen zu senken. Beides zusammen trägt dazu bei, die Kosten für Solarstrom zu verringern.

Heute bestehen in Deutschland die meisten Photovoltaikanlagen auf Dächern aus Silizium-Solarzellen. Aktuelle Module haben inzwischen auch in der Massenfertigung einen Wirkungsgrad von bis zu 23 Prozent. Um die Entwicklung der Wirkungsgrade von Solarzellen zu veranschaulichen, lohnt sich ein Vergleich der heutigen Zahlen mit dem Ausgangspunkt der industriellen Herstellung: 2002 wurden noch Zellen mit einem Wirkungsgrad von 13 Prozent gefertigt.

Steigende Wirkungsgrade durch Forschung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Fachgebiet der Photovoltaik setzen einen Forschungsschwerpunkt auf neue Materialien, wie beispielsweise Perowskite, und neue Strukturen, wie etwa Tandemsolarzellen. Diese Solarzellenart besteht aus verschiedenen übereinander angeordneten Schichten. Perowskit ist eine Kristallstruktur mit interessanten Eigenschaften. Aufgrund seiner Struktureigenschaften eignet es sich auch für die Solarzellenproduktion.
Verbunden mit einem im Vergleich zu anderen Verfahren einfacheren Herstellungsprozess und ausreichend verfügbaren Ausgangsstoffen können bei Perowskit-Solarzellen verhältnismäßig geringe Fertigungskosten erreicht werden.

In der Forschung werden zum Teil neue Materialien und neue Strukturen kombiniert, um effizientere Solarzellen zu entwickeln. Perowskite sind in der Solarzellentechnik ein noch recht neues Material, mit dem jedoch rasante Fortschritte erzielt werden. Wissenschaftsteams gelang es in den vergangenen Jahren, die Wirkungsgrade mit Tandemsolarzellen aus Perowskit und Silizium kontinuierlich zu steigern. Der aktuelle Rekord liegt für diesen Solarzellentyp bei 29,5 Prozent (Ende 2020).

Aus diesem Grund haben Tandemsolarzellen ein hohes Anwendungspotenzial. Bisher wurde die Rekordzelle nur unter Laborbedingungen hergestellt. Allerdings verwendeten die Forschungsteams industrienahe Anlagen und Prozesse, die denen der Massenfertigung ähneln. Daher erwarten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass ihre Forschungsergebnisse in die Massenfertigung übertragbar sind.

Fortwährend optimierte Produktionsanlagen

Neben Wirkungsgradverbesserungen gab es in der Photovoltaikindustrie in den vergangenen Jahren große Fortschritte im Anlagen- und Maschinenbau – sowohl mit Blick auf die Fertigung als auch aus wirtschaftlicher Perspektive. Dies betrifft insbesondere Produktionsanlagen und Herstellungsprozesse von Solarzellen sowie Modulen. Durch derartige Weiterentwicklungen konnte der Durchsatz – also die Anzahl an Einheiten, die in einer gewissen Zeit eine Anlage durchlaufen – erhöht und die Automatisierung verbessert werden. Hier zeigt sich, wie wichtig der Fokus auf Innovationen ist. Um die Produktivität zu steigern, werden die Anlagentechnik und verschiedene Herstellungsprozesse stetig verbessert. Zusätzlich werden die Anlagen für einen sehr hohen Durchsatz und für möglichst kurze sogenannte Taktzeiten optimiert. Heutige Maschinen können dadurch bis zu 10.000 Zellen pro Stunde produzieren – damit haben sie ihren Durchsatz in den letzten drei Jahren verdoppelt. Weitere Innovationsschwerpunkte im Photovoltaik-Maschinenbau sind, die Energiebilanz in der Produktion zu verbessern und die Materialkosten zu reduzieren.

Exportmärkte für deutsche Photovoltaikanlagen

Die Erfolge im Bereich der Fertigungstechnologien spiegeln sich für die Industrie in der internationalen Nachfrage wider. Der Photovoltaik-Maschinenbau in Deutschland exportiert Anlagen weltweit. Die größten Aufträge kommen aus Asien, wobei inzwischen auch Nordamerika, Indien und die Türkei als Exportmärkte relevant werden. Die Covid-19-Pandemie und die damit verbundenen gegenwärtigen Maßnahmen wirken sich auf den Photovoltaik-Maschinenbau nur indirekt aus.