Das Fraunhofer ISE entwickelt kostengünstige Photovoltaik-Module mit US-Partner. Die Technologie kombiniert hocheffiziente Raumfahrt-Solarzellen mit industriellen Fertigungsmethoden und soll die Kosten für Satelliten und künftige Raumfahrtmissionen deutlich senken. Zudem eröffnet sie neue Einsatzmöglichkeiten auf der Erde. Foto: © Fraunhofer ISE / Foto: Daniel von Kutzleben
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) arbeitet gemeinsam mit einem US-amerikanischen Partner an einer neuen Generation von Photovoltaik-Modulen für den Einsatz im Weltraum. Ziel der Entwicklung ist es, leistungsfähige Solarmodule deutlich kostengünstiger herzustellen und damit den wirtschaftlichen Einsatz in Satelliten, Raumstationen und zukünftigen Weltraummissionen zu erleichtern.
Die Technologie kombiniert bewährte Verfahren aus der terrestrischen Photovoltaik mit hochentwickelten Solarzellen, die ursprünglich für den Einsatz im All entwickelt wurden. Dadurch sollen nicht nur die Herstellungskosten sinken, sondern auch neue Anwendungsfelder für besonders effiziente Solarmodule entstehen.
Solarzellen für den Weltraum unterscheiden sich erheblich von klassischen Modulen auf Hausdächern oder Solarparks. Sie müssen extremen Temperaturschwankungen, intensiver Strahlung und jahrzehntelangem Betrieb ohne Wartung standhalten. Gleichzeitig zählt im All jedes eingesparte Gramm Gewicht.
Aus diesem Grund kommen bislang überwiegend besonders leistungsfähige III-V-Mehrfachsolarzellen zum Einsatz. Diese erreichen deutlich höhere Wirkungsgrade als herkömmliche Siliziumzellen, sind jedoch wesentlich teurer in der Herstellung.
Das aktuelle Forschungsprojekt verfolgt deshalb einen anderen Ansatz: Die hocheffizienten Solarzellen werden mit kostengünstigeren Modultechnologien kombiniert, die bereits in der industriellen Photovoltaik erfolgreich eingesetzt werden. Dadurch soll sich die Produktion erheblich vereinfachen, ohne große Einbußen bei der Leistungsfähigkeit in Kauf nehmen zu müssen.
Das Fraunhofer ISE arbeitet bei dem Projekt mit einem US-amerikanischen Forschungspartner zusammen. Beide Seiten bringen ihre jeweiligen Stärken ein: Während das Fraunhofer ISE langjährige Erfahrung bei Moduldesign, Verschaltung und Fertigungstechnologien besitzt, liefert der amerikanische Partner Know-how im Bereich der Weltraum-Solarzellen.
Durch diese internationale Zusammenarbeit sollen Lösungen entstehen, die sowohl technisch als auch wirtschaftlich für kommende Raumfahrtprogramme interessant sind. Insbesondere angesichts der steigenden Zahl kommerzieller Satelliten sowie geplanter Mond- und Marsmissionen wächst der Bedarf an leistungsfähigen und zugleich bezahlbaren Energieversorgungssystemen kontinuierlich.
Ein entscheidender Bestandteil des Konzepts ist die Nutzung moderner Modulverschaltungstechnologien, die sich bereits in der Photovoltaikproduktion bewährt haben. Dabei werden die Solarzellen besonders platzsparend miteinander verbunden. Dadurch lässt sich die aktive Modulfläche besser ausnutzen und gleichzeitig Material einsparen.
Das Fraunhofer ISE hat in den vergangenen Jahren mehrfach gezeigt, dass sich durch innovative Verschaltungstechniken neue Rekordwirkungsgrade erzielen lassen. Die Erfahrungen aus diesen Entwicklungen fließen nun auch in die Weltraum-Photovoltaik ein.
Die Kosten für Solarmodule gehören bei vielen Raumfahrtprojekten zu den bedeutenden Ausgaben. Besonders wissenschaftliche Missionen sowie kleinere Satellitenprogramme stehen häufig unter erheblichem Kostendruck.
Können leistungsfähige Weltraummodule günstiger produziert werden, ergeben sich gleich mehrere Vorteile. Zum einen sinken die Gesamtkosten neuer Missionen. Zum anderen könnten künftig auch kleinere Unternehmen oder Forschungseinrichtungen Zugang zu leistungsstarker Weltraum-Photovoltaik erhalten.
Darüber hinaus gewinnt die Technologie im Zuge der zunehmenden Kommerzialisierung des Weltraums an Bedeutung. Zahlreiche Unternehmen planen große Satellitenkonstellationen oder entwickeln Infrastruktur für zukünftige Mondmissionen. Für all diese Anwendungen wird eine zuverlässige und langlebige Stromversorgung benötigt.
Die Arbeiten des Fraunhofer ISE könnten auch Auswirkungen auf Anwendungen auf der Erde haben. Technologien, die ursprünglich für extreme Bedingungen im Weltraum entwickelt wurden, finden häufig später ihren Weg in industrielle Produkte.
Insbesondere bei ausgesprochen flächenkritischen Anwendungen könnten hocheffiziente Solarzellen künftig wirtschaftlicher werden. Denkbar sind beispielsweise Spezialanwendungen in der Luftfahrt, bei mobilen Energiesystemen oder in Forschungsprojekten mit begrenztem Platzangebot.
Bereits Anfang des Jahres hatte das Fraunhofer ISE mehrere Rekordwirkungsgrade bei Tandem-Photovoltaikmodulen vorgestellt. Diese Entwicklungen zeigen, dass sich leistungsfähige Solartechnologien zunehmend mit industriellen Fertigungsmethoden kombinieren lassen.
Die langfristige Bedeutung dieser Entwicklung unterstreicht auch Institutsleiter Prof. Dr. Andreas Bett. Dabei betont er den doppelten Nutzen der Entwicklung:
„Beide Tandem-PV-Technologien haben das Potenzial, Anwendungslücken zwischen den klassischen, kostengünstigen Freiflächen- und Aufdachanlagen einerseits und den hoch performanten, dafür aber teureren Weltraumsolarzellen anderseits zu schließen.“
Die Aussage verdeutlicht, dass die Forschung nicht ausschließlich auf klassische Raumfahrtanwendungen abzielt. Vielmehr könnten sich künftig neue Märkte zwischen Standard-Photovoltaik und hochpreisigen Speziallösungen entwickeln.
Die Nachfrage nach leistungsfähigen Solarsystemen wächst weltweit. Gleichzeitig steigt der Druck, Produktionskosten zu senken und Material effizienter einzusetzen. Forschungsprojekte wie die Kooperation zwischen dem Fraunhofer ISE und seinem US-Partner könnten deshalb eine wichtige Rolle bei der nächsten Generation von Solartechnologien spielen.
Sollte sich das neue Modulkonzept im praktischen Einsatz bewähren, könnten zukünftige Satelliten, Raumstationen und wissenschaftliche Missionen von deutlich günstigeren Energielösungen profitieren. Gleichzeitig eröffnet die Verbindung aus hocheffizienten Weltraum-Solarzellen und industrieller Modultechnik neue Perspektiven für weitere Spezialanwendungen auf der Erde.
Damit zeigt sich erneut, dass Innovationen aus der Photovoltaik zunehmend über einzelne Einsatzbereiche hinausreichen und sowohl die Energiewirtschaft als auch die Raumfahrt nachhaltig beeinflussen können.
