Mikromorph

Als mikromorph (engl. micromorph) wird das Solarzellenkonzept bezeichnet, das zur Steigerung des energetischen Wirkungsgrades einen ersten Absorber für blaues Licht mit einem zweiten Absorber für rotes Licht mittels dünner Siliziumschichten nutzt.

Name[Bearbeiten]

Die kristallographische Bezeichnung „mikrokristallin“ bezeichnet ein Konglomerat von mikrometerlangen Kristalliten, die im Fall von mikrokristallinem Silizium für den Rotabsorber verwendet werden kann, wohingegen „amorph“ die kristallographische Bezeichnung für größtenteils nicht-kristallin geordnete Festkörper ist und im Fall von amorphem Silizium für den Blauabsorber verwendet wird. Somit bezeichnet die Wortschöpfung „mikromorph“ eine Tandem-Solarzelle, auch Stapelsolarzelle genannt, bestehend aus dünnen Schichten von mikrokristallinem Silizium und amorphem Silizium.

Geschichte[Bearbeiten]

Die Geschichte der mikromorphen Solarzelle wurde bisher noch nicht niedergeschrieben. Von Skeptikern als „tote Ente“ bezeichnet, fristete die Dünnschichtsolarzelle, zu der die mikromorphe Solarzelle gezählt wird, schon seit den frühen 1980er Jahren ein unstetes Dasein: In Zeiten, als die geschnittenen, kristallinen Waferscheiben einen Durchmesser von 5 cm (2 Zoll) besaßen und als Grundlage für integrierte Schaltkreise und vereinzelt auch für Solarzellen dienten, galt ein Dünnschichtmodul mit 30 cm Kantenlänge als große energieproduzierende Fläche. Im Wesentlichen besteht ein Dünnschichtmodul auch heute noch aus einer Kontaktschicht aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid (TCO), einem lichtschluckenden Solarzellenmaterial und einem Rückkontakt. Frühe thermodynamische Überlegungen führten zur Einsicht, dass der energetische Wirkungsgrad von Solarzellen beträchtlich gesteigert werden könnte, wenn anstelle eines einzigen lichtschluckenden Materials eine Abfolge von mehreren leicht verschiedenen lichtschluckenden Materialien verbunden werden könnten: Die Stapelsolarzelle wurde früh vorgeschlagen. Vorteilhaft ist eine Stapelsolarzelle mit leicht variierenden optischen Eigenschaften.

Die mikromorphe Solarzelle verbindet auf technologisch elegante Weise zwei leicht verschiedene, lichtschluckende Siliziumschichten, indem eine erste Einheit ausschließlich blaues Licht schluckt und eine zweite Einheit mit dem roten Licht des Sonnenspektrums vorliebnimmt. Zur Herstellung der zwei gestapelten Einheiten mussten nur verschiedene Herstellungsprozesse, aber nicht grundlegend andere Maschinen zur Verfügung stehen.

Technologievorteile[Bearbeiten]

Mikromorphe Solarmodule werden seit 2001 kommerziell hergestellt. Pionier im Aufbau industrieller Produktionsmethoden war die japanische Firma Kaneka, gefolgt vom Maschinenbauer Oerlikon Solar aus der Schweiz und vom Maschinenbauer Applied Materials aus den Vereinigten Staaten. Weitere Anlagenbauer wie Leybold Optics und ULVAC folgten, so dass ein beträchtliches Industriewissen aufgebaut wurde. Resultat dieses Wissens sind einerseits Solarmodule von 5,7 m² Fläche, die Wirkungsgrade von 10 % erreichen. Hersteller solcher Fullsize Module sind Masdar und ENN. Neben der Fähigkeit, große Module mit Garantien von über 20 Jahren herzustellen, wird häufig der geringe Materialverbrauch an Silizium erwähnt. Weiter gilt ein günstiger Temperaturkoeffizient als bester Trumpf der mikromorphen Solarzellen: Je heißer das Modul unter Sonneneinstrahlung wird, desto größer wird die Minderleistung. Polykristalline Solarmodule verlieren auf 10 °C erhöhte Temperatur 5 % an Nennleistung, mikromorphe Solarmodule nur 3 %. Große Solarparks können somit mit mikromorphen Solarzellen sehr kostengünstig Solarstrom produzieren. Diese technologischen Vorteile stehen jedoch höheren Systemkosten (BOS) und einem Markt mit sehr tiefen Materialpreisen gegenüber.^[1]

Marktsituation[Bearbeiten]

Historisch betrachtet, verzeichnete im Jahr 2010 die gesamte Produktion von Dünnschicht-Solartechniken (CdTe, CIGS und mikromorph) einen Marktanteil von 13 % oder zirka 3,8 GW; davon beliefen sich 45 % oder 1,7 GW auf die mikromorphe Solartechnik.^[1] Mittlerweile stehen im Jahr 2020 kaum noch Produktionsstätten von mikromorphen Solarmodulen in Betrieb, die Marktprognosen für 2020-2024 von SolarPowerEurope ^[2] sehen aber einen sechsmal so grossen Photovoltaikmarkt wie in 2010 voraus, und zwar eine Technologiedominanz basierned auf kristallinen Solarzellen. Einmal mehr werden jedoch Tandem-Solarzelle Konzepte (diesmal nicht basierend auf mikromorph sondern basierend auf Perowskit Materialverbindungen) als vielversprechende Technologien angepriesen.