Seit dem Jahr 2000 ist die installierte Gesamtleistung zur Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien fast um das Vierfache gestiegen. Die Photovoltaik machte im letzten Jahr 21,2Prozent dieser Gesamtleistung aus, Tendenz steigend. Dieser Markt befindet sich im Wachstum, wie auch eine Nachhaltigkeitsstudie der Bank Sarasin belegt: Sie schätzt das globale Wachstum im Photovoltaik-Markt für 2010 auf rund 46 Prozent. Auch in den kommenden Jahren wird sich der Trend fortsetzen, dessen ist sich die Bank sicher.
Der Markt bietet für ganz unterschiedliche Branchen, auch für Kunststofflieferanten oder -verarbeiter, erhebliche Möglichkeiten zur Expansion und für raffinierte Produktneuheiten. Neben Anschlussdosen, Verbindungselementen, Rahmen, Schichtstoffen, Versiegelungen und Klebstoffen sind besonders Neuentwicklungen gefragt, die die Leistungsfähigkeit von Solarmodulen steigern. Denn abgesehen von kristallinen Silizium-Solarmodulen, die bereits einen hohen Wirkungsgrad haben, gilt es, auch die Effizienz neuer Techniken wie Dünnschicht-Modulen oder solcher auf Basis von Organischer Photovoltaik zu steigern. Häufig liegen hier die Wirkungsgrade noch im einstelligen Prozentbereich, die von poly- und monokristallinen Silizium-Modulen jedoch bei15 bis über 20 Prozent. Diese Silizium-Solarzellen arbeiten heutzutage zuverlässig und haben sich weltweit etabliert. Hier bestehen derzeit Bestrebungen, beispielsweise die Einbettung der Solarzellen in Polymere Matrizes zu optimieren, thermomechanische Spannungen im Bauteil zu verringern und Korrosion zu vermeiden. Auch an Antireflexionsbeschichtungen für Solarglas und der besseren Integration von Befestigungselementen für die Dachmontage wird gearbeitet. Gewichtsreduktion der Bauteile und einfache Montage sind hier entscheidend.
Als Ausgangsmaterial für Dünnschicht-Solarzellen kommt ebenfalls Silizium in Frage, hier allerdings amorphes. Das Silizium lässt sich auf Kunststoff- oder Metallfolie sowie auf Glasflächen aufdampfen oder in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren übertragen. Die Zellen sind nur etwa ein Zehntel so dick wie kristalline Solarzellen und dadurch deutlich günstiger, haben jedoch nur einen Wirkungsgrad von etwa fünf bis sieben Prozent. Sie können jedoch auch bei Streulicht oder hohen Temperaturen noch Strom erzeugen. Alternative Halbleiter-Materialien, die sich für Dünnschichtzellen eignen, sind Cadmiumtellurid (CdTe), Gallium-Arsenid (GaAs) oder Kupfer-Indium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen (CIGS). „In den kommendenMonaten bis Jahren werden die CIGS-Solarzellen aufgrund der fast doppelten Leistung gegenüber flexiblem amorphen Silizium diese überholen“, ist die Auffassung von Dr. Florian Schwager, Produktmanager Solar Films im Geschäftsbereich Performance Polymers bei Evonik. Der Wirkungsgrad von CIGS-Solarzellen liegt in Laborversuchen bereits bei über 20 Prozent.
Bislang kommen Dünnschicht-Solarzellen häufig für Consumer-Produkte wie Uhren oder auf Kleidung und Taschen zum Einsatz, wo sie hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Daher statten Hersteller sie mit Einkapselungen aus Kunststoff aus. Die Barriereanforderungen an diese sind mit denen an Glas vergleichbar. Um diesen Ansprüchen nahe zu kommen, ist eine Kombination mit anorganischenSchichten erforderlich. Die Barrierefolien sind kratzfest und verhindern, dass Sauerstoff oder Wasserdampf an die empfindlichen Solarzellen gelangen. Dr. Florian Schwager, der selbst an der Entwicklung solcher Einkapselungen beteiligt ist, wagt einen Blick in die Zukunft: „Wenn das Problem der Einkapselung gelöst ist, wovon ich in der genannten Zeit ausgehe, werden die CIGS-Zellen deutliche Marktanteile gewinnen. Der Markt wird außerdem stärker wachsen, da er gewissermaßen bei Null beginnt.“
Die Einkapselungen können aber auch optische Ansprüche erfüllen. So sind sie in matt oder eher glatt, durchsichtig oder gefärbt erhältlich. Eine hohe Lichttransmission ist jedoch unabdingbar. Außerdem müssen sie über Jahre d imensionsstabil in einem breiten Temperaturbereich und gegen UV-Strahlung beständig sein – besonders wichtige Eigenschaften für alle Kunststoffe in der Photovoltaik wegen des Einsatzes im Freien. Auch ein möglichst geringes Gewicht für Montage auf Dächern können Kunststoffe für die Photovoltaik prädestinieren. Daher ist ein ständiger Austausch der Modulhersteller mit den Kunststoffverarbeitern und Rohstoffherstellern immens wichtig, damit Themen wie Wärme- und Schrumpfungsverhalten keine Schwierigkeiten darstellen.
Ein weiteres aussichtsreiches, sich noch entwickelndes Gebiet sind Organische Solarzellen. Sie werden aus leitenden Kunststoffen, mit organischen Donor- und zumTeil auch Akzeptormaterialien wie Farbstoffen, Polymeren und Fullerenen, gefertigt und erreichen bislang Wirkungsgrade von etwa acht Prozent. Auch bei diesen Solarzellen lassen sich die Halbleitermaterialien in einfachen Druckprozessen auf eine leitfähige Elektrode aufbringen. Torsten Thomsen, Senior Manager Business Development Organic Photovoltaics, bei BASF Future Business, kennt die Vorteile der Organischen Solarzellen: „Sie lassen sich flexibel, transparent und vergleichsweise kostengünstig herstellen. Sie funktionieren auch bei schwachem Lichteinfall und können in verschiedenen Farben oder semi-transparent hergestellt werden.“ Durch ihre Flexibilität erschließen sich neue Anwendungsmöglichkeiten – sei es in Handys oder auf Hausfassaden. Wegen des derzeit noch geringen Wirkungsgrades und der niedrigen Langzeitstabilität der organischen Verbindungen hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in Kooperation mit BASF, Bosch, Merck und Schott im Jahr 2007 die gemeinsame Technologieinitiative für Organische Photovoltaik gestartet. Ziel dieses Vorhabens, für das 360 Millionen Euro bereitgestellt wurden, ist die Entwicklung neuer und verbesserter Solarzellen auf Basis organischer und polymerer Kunststoffe. Herstellungskosten und Umweltbelastung sollen durch das Projekt gesenkt, Lebensdauer und Wirkungsgrade erhöht werden.
Das Erhöhen der Wirkungsgrade von Solarzellen lässt sich auch durch zusätzliche Elemente realisieren: Spiegelsysteme, die ähnlich einer Parabol-Antenne das einfallende Licht konzentrieren, oder das Vorschalten einer Linse vor die Module erhöht die Menge des erzeugten Stroms im Verhältnis zur Fläche der Zelle. Bei der sogenannten Konzentrierenden oder Konzentrator-Photovoltaik wird das Sonnenlicht um den Faktor 10 bis 1000 gebündelt. Wirkungsgrade von über 41 Prozent lassen sich mithilfe dieser noch vergleichsweise jungen Technik erreichen. Hier besteht jedoch die Anforderung, dass die Solarzellen dem Sonnenstand nachgeführt werden, um eine optimale Bündelung der Strahlen zu erreichen.
Zur Bündelung kommen zumeist aus Kunststoff gefertigte Fresnel-Linsen, Module, die aus vielen Fresnel-Linsen zusammengesetzt sind, zum Einsatz. Eine hohe Transmission des Materials ist wichtig, da sie die Menge des generiertenStromes beeinflusst. Bei der Herstellung, beispielsweise im Spritzgieß- oder Heißprägeverfahren, ist die Präzision ihrer Struktur entscheidend. Abbildegenauigkeit und Fließeigenschaften des Materials beim Aufweichen und Aushärten stehen ebenso im Fokus. Denn dadurch verringern sich die optischen Verluste. Dr. Andreas Hoff, Leiter des globalen Marktsegments Solar im Geschäftsbereich Performance Polymers bei Evonik, kennt die Zukunftsaussichten: „Es ist ein neu aufkommender, sehr aussichtsreicher Markt.“ Im Zuge des Solar-Booms befinden sich erste größere Produktionsanlagen für Konzentrierende Photovoltaik derzeit im Aufbau.
Beispielsweise ist aber auch die Kombination einer PMMA-basierten Primär- und einer Sekundäroptik möglich. Dieser Markt befindet sich jedoch noch in den Anfängen seiner Entwicklung.
Spezieller Bedarf bringt Innovationen
Steht nicht primär der Wirkungsgrad, sondern Design, Form und Farbe der Module im Vordergrund, stellen die Verarbeiter andere Anforderungen an ihre Zulieferer. Dann ist das Projekt entscheidend für die Wahl des Kunststoffes, der beispielsweise für die Einkapselung des Dünnschicht-Moduls oder die Grundlage einer OrganischenSolarzelle zum Einsatz kommt. Mittlerweile befinden sich auf dem Markt verschiedene Anbieter von Kunststoffmaterialien im PC- und PMMA-Bereich, deren Produkte sich je nach Anspruch kombinieren lassen. Gerade der Einsatz von Hochleistungskunststoffen kann den Verarbeitern einen Marktvorteil bieten. „Diese Kunststoffe haben in den vergangenen Dekaden einen technischen Sprung hinsichtlich der Langzeitbeständigkeit hingelegt, den wir marketingtechnisch nutzen“, erklärt Andreas Wöll, Geschäftsführer von Sunovation. Sein Unternehmen hat sich auf die Fertigung von PV-Sondermodulen auf Kunststoffbasis auf Grundlage von Kundenvorgaben spezialisiert und damit eine profitable Nische aufgetan. Die Anwendungsfelder sind vielfältig und kommen beispielsweise aus den Bereichen Elektromobilität oder Gebäudeintegration. Das bayerische Unternehmen sieht sich nicht als Konkurrenz zu Standard-Glas-Folien-Modulen oder Glas-Glas-Modulen, sondern tritt immer dann auf den Plan, wenn Vorgaben an die Gewichtslast den Einsatz von herkömmlichen Modulen nicht zulassen oder wenn bestimmte Designaspekte gefordert sind. Ein Beispiel ist die Ergänzung eines Photovoltaik-Moduls durch eine LED-Eigenbeleuchtung. Aufgrund seiner Alleinstellungsmerkmale sieht Sunovation sich derzeit in einer guten Marktposition. Das Unternehmen misst Deutschland als Forschungs- und Entwicklungsstandort für die Photovoltaik-Industrie und die verarbeitenden Betriebe auch zukünftig große Bedeutung zu. „Wir sehen unser Know-how auch langfristig in Deutschland – sowohl im Hinblick auf das Erschaffen und Erhalten von Arbeitsplätzen als auch in Anbetracht einer Stärkung des technischen Fortschritts werden wir dem Standort treu bleiben“, erklärt Wöll.
Als Zulieferer und Weiterverarbeiter von Produkten der Photovoltaik-Branche, auf Nischenprodukte und Alleinstellungsmerkmale zu setzen, auf den Einhalt bestimmter Qualitätsmerkmale zu achten und die Entwicklung gänzlich neuer Produkte zu unterstützen, ist eine kluge Strategie, langfristig den Erfolg deutscher Unternehmen auf diesem Gebiet zu sichern.
Tina Walsweer
Bild: Fraunhofer ISE
Bild: Evonik
Bild: Fraunhofer IPA
Bild: Evonik
Bild: Sunovation
„Den jeweiligen Ansprüchen gerechte Lösungen“
Plastverarbeiter: Wo sind die größten Absatzmärkte für Photovoltaik-Module aus Ihrem Haus?
Wöll: Wir sind unabhängig von der derzeitigen technischen Entwicklung im Bereich der Zelltechnologien und können dem Kundenwunsch folgend alle aktuell verfügbaren Zellen in unserem Modulaufbau einsetzen. Die Wahl der Zellen ist dabei abhängig von den kundenspezifischen Leistungs- und designtechnischen Vorgaben an Farbe und Form.
Plastverarbeiter: Nennen Sie uns bitte ein paar Details Ihrer Spezialprodukte und welche Marktchancen Sie sich damit ausrechnen.
Wöll: Aufgrund des Alleinstellungsmerkmales unseres Produktes sind wir gehalten, mit technischen Details vorsichtig umzugehen. Soviel sei jedoch verraten, dass wir für die jeweiligen Ansprüche des Kunden entsprechende Lösungen anbieten können. Seien es leicht gebogene Verschattungselemente, die sich dem Sonnenstand anpassen oder Lösungen wie der Beitrag von Living Equia der Universität Berlin bei dem aktuell abgeschlossenen Solar-Decathlon 2010 in Madrid. Hier kamen Verschattungselemente aus unserem Hause zum Einsatz, die als Klappläden direkt vor den bodenbündigen Fenstern installiert wurden.
Plastverarbeiter: Lassen sich Ihre Produkte auf Standard-Verarbeitungsmaschinen produzieren oder ergeben sich dort Probleme?
Wöll: Wir haben keine Standardfertigung und somit kommen bei unserem Fertigungsprozess auch keine Standardmaschinen zum Einsatz. In diesem Jahr haben wir eine komplette Modernisierung der Fertigungsstraße vorgenommen, wobei wir gemeinsam mit dem Maschinenhersteller individuell auf unsere Bedürfnisse abgestimmte, eigens entwickelte Maschinen realisiert haben.
Plastverarbeiter: Bietet der Markt für Photovoltaik-Produktionsmaschinen immer noch ein großes Potenzial?
Wöll: Die Politik in Deutschland hat nach wie vor nicht aus der Vergangenheit gelernt und meint, durch Beschneidungen an der EEG-Vergütung den Rotstift ansetzen zu müssen. Die Folge wird sein, dass sich Produktionsstandorte verlagern werden, um dem nach wie vor auch international herrschenden Kostendruck gerechtwerden zu können.
Neue Technologien
Gedruckte Elektronik
Bei der gedruckten Elektronik, die einen Bereich der Organischen Elektronik bildet, werden elektronische Bauelemente oder Baugruppen sowie Anwendungen mithilfe vonDruckverfahren hergestellt. Hierfür lassen sich alle lösungsmittel-basierten Materialien verwenden. Dies umfasst auch organische und anorganische Halbleiter, metallische Leiter und Nanostrukturen. Durch etablierte und kostengünstige Druckverfahren sind die Herstellungskosten gering und im Falle der organischen Photovoltaik kompensieren die großflächigen Erzeugnisse die nierigen Wirkungsgrade der Solarzellen.
Kontakt
Dr. Andreas Hoff, Leiter des globalen Marktsegments Solar, Geschäftsgebiet Acrylic Polymers im Geschäftsbereich Performance Polymers, Evonik, Darmstadt,andreas.hoff@evonik.com
Dr. Florian Schwager, Produktmanager Solar Films, Geschäftsgebiet High Performance Polymers im Geschäftsbereich Performance Polymers, Evonik, Darmstadt, florian.schwager@evonik.com
Torsten Thomsen, Senior Manager Business Development Organic Photovoltaics, BASF Future Business, Ludwigshafen, torsten.thomsen@basf.com
Andreas Wöll, Geschäftsführer, Sunovation, Elsenfeld, info@sunovation.de
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