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Photovoltaik

Unternehmen und Institute arbeiten kontinuierlich daran, die Kosten der Photovoltaik-Produktion weiter zu senken sowie Qualität und Effizienz der Zellen und Module zu erhöhen. 2019 hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) 135 neue Photovoltaik-Förderprojekte auf Grundlage des 7. Energieforschungsprogramms bewilligt. Rund 96 Millionen Euro sind 2019 in 491 laufende Forschungs- und Entwicklungsprojekte geflossen.

In den gemeinsamen Förderprojekten setzen sich Wirtschaft und Wissenschaft konkrete Entwicklungsziele. Dadurch sinken die Investitions- und Betriebskosten – und die Finanzierungsmöglichkeiten steigen: Deutschlands größter förderfreier Solarpark "Barth 5" westlich von Stralsund ist im November 2019 in Betrieb gegangen, mit einer Kapazität von 8,8 Megawatt. Finanziert wird er durch ein sogenanntes Power Purchase Agreement, kurz PPA . Dabei handelt es sich um eine Stromkaufvereinbarung. Durch diese langfristigen Verträge zwischen Kraftwerksbetreiber und Stromabnehmer wird der Betrieb der Anlagen abgesichert.

IRENA, die internationale Agentur für erneuerbare Energien, hat in ihrem Bericht "Renewable Power Generation Costs in 2019" die Entwicklung des vergangenen Jahrzehnts dokumentiert: Demnach sind die Kosten für die Produktion von Strom aus Photovoltaik zwischen 2010 und 2019 um 82 Prozent gesunken. Immer öfter liegen diese unter den Kosten für die Produktion von Strom aus fossilen Kraftwerken.

Die Diagramme zeigen, wie viele Fördergelder in Photovoltaik-Projekte geflossen sind. Nach fast 110 Millionen Euro für neu bewilligte Projekte im Jahr 2016 wurden die Mittel in den Folgejahren auf 90 bzw. knapp über 80 Millionen Euro sind im Jahr 2019 rund 100 Millionen Euro für neue Projekte bewilligt worden.

Verteilung der Fördermittel und Entwicklung des Neubewilligungsvolumens im Bereich Photovoltaik seit 2015.

115 Gigawatt weltweit im Jahr 2019 zugebaut

Die sinkenden Kosten spiegeln sich in den Ausbauzahlen. Sowohl national als auch international hat Strom aus Photovoltaik einen großen Anteil an der heutigen Energieversorgung. Rund 9 Prozent des Stroms, der bei den deutschen Verbrauchern im Jahr 2019 angekommen ist, stammt aus Photovoltaik. Nach Daten der Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik ist die installierte Photovoltaik-Leistung in Deutschland im Jahr 2019 von rund 45,8 auf 49 Gigawatt an gestiegen. Damit liegt der Ausbau 2019 bei rund 3,8 Gigawatt, deutlich höher als im Jahr 2018 mit rund 2,9 Gigawatt zugebauter Leistung. Weltweit sind nach ersten Schätzungen der Internationalen Energie Agentur (IEA) 2019 rund 115 Gigawatt Photovoltaik-Leistung zugebaut  worden.

Durch integrierte Photovoltaik neue Flächen erschließen

Der Einsatz der Technologie ist vielfältig: Kleine Hausdachanlagen und große Freiflächenanlagen auf dem Feld sind die aktuell bekanntesten Anwendungsgebiete. Weitere Potenziale stecken in der sogenannten integrierten Photovoltaik: Die Module werden hierbei in Oberflächen eingebaut. Besonders Gebäudefassaden bieten sich dafür an. Aber auch Lärmschutzwände, Fahrzeuge, Gewässer und landwirtschaftlich genutzte Flächen kommen grundsätzlich in Frage. Dünnschichtsolarzellen sind dafür besonders geeignet. Ein Beispiel hierfür sind die so genannten CIGS-Solarzellen. Der Name steht für die darin eingesetzten Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen, die in diesem Zellkonzept den Halbleiter bilden.

Die Fassade ist schwarz und glänzend.

CIGS-Module an der Fassade eines Spar-Supermarktes in Norwegen.

Kristallines Silizium als Basistechnologie

Zellen auf Basis kristallinen Siliziums als Halbleiter stehen weiterhin im Vordergrund der Entwicklung. Der aktuelle Standard hierbei ist die sogenannte PERC-Technologie, kurz für "Passivated Emitter and Rear Contact". Neu sind dabei sogenannte bifaciale Typen. Diese zweiseitigen Solarzellen können sowohl auf der Vorderseite einfallendes Licht als auch auf der Rückseite vorhandenes Streulicht absorbieren und damit die Lichtausbeute steigern.

Mit Blick auf die Zukunft sind auch Stapelzellen ein zentrales Thema der BMWi-Forschungsförderung. Zwei oder mehr Solarzellen aus verschiedenen Materialien werden dabei übereinandergeschichtet. Oft dient kristallines Silizium hierbei als Basisschicht. Durch die Kombination unterschiedlicher Halbleitermaterialien kann ein größeres Spektrum des Sonnenlichts  genutzt werden. Jede Schicht fängt ein anderes Teilspektrum ein – damit steigt der Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad zeigt an, wie viel Prozent der einfallenden Lichtenergie in Nutzenergie, also Strom, umgewandelt werden kann.

Steile Entwicklungskurve bei Perowskiten

Insbesondere stehen Stapelzellen mit Perowskiten kurz vor der Serienreife. Perowskite sind ein Halbleitermaterial, das in der Photovoltaik-Forschung erst seit 2009 eine Rolle spielt. Forschung und Entwicklung haben dazu geführt, dass die Wirkungsrade von Zellen aus Silizium und Perowskiten  in den letzten Jahren steil angestiegen sind.

Wichtig bei sämtlichen Forschungsansätzen ist es, neue Konzepte aus dem Labor auf industrielle Produktionsprozesse übertragen zu können. Flexibel auf verschiedene Zellkonzepte umrüstbare Anlagen sowie Informations- und Kommunikationstechnologie tragen dazu bei.

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