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Saarbrücken: mz Toner Technologies entwickelt neue Solarzellen

Günstiger und weniger schädlich : „Das Potential dafür ist riesig“: Saarbrücker entwickelt biegbare Solarzellen

Der Saarbrücker Unternehmer Michael Zimmer entwickelt eine neue Generation von Solarzellen. In zwei Jahren sollen sie marktreif sein – wie funktioniert das Ganze?

Das Saarland ist bislang in seiner Forschungs- und Entwicklungslandschaft noch nicht mit Solarzellen auffällig geworden. Der heimische Unternehmer Michael Zimmer ist gerade dabei, das zu ändern. Im Saarbrücker Stadtteil St. Arnual entwickelt der umtriebige Inhaber der mkw-Gruppe mit seiner Gesellschaft mz Toner Technologies GmbH & Co. KG eine neue Generation von Solarzellen. „In zwei Jahren sollen sie marktreif sein und in die industrielle Produktion gehen“, sagen Zimmer und sein Projektleiter Jens Nisius. Seit dreieinhalb Jahren wird an dem Projekt gearbeitet.

Elektrische Energie ist derzeit teuer wie nie zuvor, die horrend gestiegenen Preise bedrohen mittlerweile die Existenz vieler Unternehmen. Mehr Strom produzieren zu niedrigeren Preisen ist eine der aktuell größten Herausforderungen. Der Anteil von Solarstrom in Deutschland ist ein Weg dorthin. Grundlastfähig ist der Strom aus den Solarmodulen aber noch lange nicht. Ende März 2022 waren auf deutschen Dächern und Grundstücken 2,2 Millionen Photovoltaik-Anlagen mit einer Nennleistung von insgesamt 58 400 Megawatt installiert, sie tragen gut sechs Prozent zu gesamten Stromerzeugung bei. Tendenz steigend.

Alternative zu konventionellen Solarzellen?

Die Siliziummodule indes sind relativ teuer, die Forschung arbeitet intensiv an neuen Verfahren wie organische Sonnenfolien, die auch schon industriell hergestellt werden. Vorteil: Sie verzichten weitestgehend auf knappe und giftige Rohstoffe, die heute in der LED- und Photovoltaik-Industrie weit verbreitet sind. Folien sind biegbar und eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten gegenüber den fest installierten Flächen auf den Dächern. Die konventionellen Solarzellen, die es seit rund 50 Jahren gibt, sind bezüglich ihrer Effizienz mittlerweile technologisch weitgehend ausgeschöpft.

„Und hier kommt jetzt ein neuer Typ von Solarzellen ins Spiel auf der Basis von Perowskit, eine neue und hocheffiziente Alternative bei Dünnschichtsolarzellen“, sagt Zimmer. Perowskit ist ein relativ häufiges Mineral aus der Klasse der „Oxide und Hydroxide“ mit der chemischen Zusammensetzung CaTiO₃ und ist ein Calcium-Titan-Oxid. Entdeckt wurde es 1939 im Ural. Weltweit werden Perowskitsolarzellen erforscht, jedoch bisher nur im Labormaßstab. Zimmer: „Wir haben nun die Voraussetzungen für den industriellen Produktionsprozess geschaffen.“

Bisheriger Prozess ist „mühsam, zeitraubend und teuer“

Zimmer, einer der wenigen Experte für keramische Siebdrucke und keramischen Digitaldruck, entwickelt zurzeit einen industriellen Fertigungsprozess für Perowskit-Zellen. Bislang müssen die einzelnen Schichten in sogenannter Rotationsbeschichtung („Spin Coating“) nacheinander auf einen mit transparenten, elektrisch leitfähigen Oxiden beschichteten Glasträger aufgebracht werden. Das ist mühsam, zeitraubend und teuer. Jede der fünf Schichten muss dann bei 550 Grad zwischengesintert werden, um am Ende eine Perowskit-Solarzelle von einem Quadratzentimeter zu erhalten.

„Völlig neue Möglichkeiten“

Um dieses Problem zu lösen, griff die mkw-Gruppe auf ihre Erfahrungen aus dem keramischen Siebdruck zurück. „Wir haben uns gefragt, ob man statt des Spin coatings einzelner Schichten die Elemente zuerst nacheinander ohne Zwischensintern auf eine Trägerfolie drucken kann. Dann könnte man alle Schichten gleichzeitig auf eine große Glasscheibe transferieren die dann nur noch ein einziges Mal gesintert werden muss. Das würde die Kosten drastisch senken, die Geschwindigkeit enorm erhöhen und völlig neue Möglichkeiten eröffnen“, erklären Zimmer und Nisius.

Dass Zimmer mit seiner Idee keinen Illusionen nachjagte, belegt die Förderung seines Projektes mit bis zu einer halben Million Euro aus dem Zentralen Technologieprogramm Saar bei einem beantragten Fördervolumen von 1,5 Millionen Euro. Insgesamt wurden inklusive Förderung jedoch bereits rund 2,5 Millionen Euro in die Entwicklung gesteckt. „Das Wirtschaftsministerium hat uns positiv begleitet“, lobt er. Das Projekt wurde in diesen Tagen erfolgreich abgeschlossen. Die ersten Solarzellen, die im Siebdruck auf Folie gedruckt und nur noch einmal auf Glas gesintert wurden, funktionieren und produzieren zufrieden stellende Mengen an Strom.

Dies sei eine Revolution in der Herstellung von Solarzellen; vor allem könnten damit größere Flächen im industriellen Maßstab auf Rotationssiebdruckanlagen gedruckt werden, sagt Zimmer. „Das, was wir machen und entwickelt haben, ist gedruckte Elektronik. Das Potenzial dafür ist riesig.“

Wie geht es weiter? Aktuell entwickelt das Team um Zimmer die Technologien zum industriellen Einsatz als Rolle-Rolle Verfahren im Siebdruck. Geplant ist entweder der Bau einer eigenen Fabrik im Saarland, die Hereinnahme von Partnern oder die Vergabe von Lizenzen, sagt er. Das sei aber noch nicht entschieden. Auch über die Zukunft der Realisierung seien mittlerweile erste Gespräche angelaufen.

Solar-Elemente als schicke Dekors?

Diese Solar-Glaselemente könnten später so gestaltet werden, dass man sie etwa als schicke Dekor-Elemente an Gebäudefronten zur Stromerzeugung einsetzen oder anderweitig vertikal aufbauen könnte. Auch Dachziegel können damit versehen werden, die optisch wenig ansprechenden Dachaufbauten bisheriger Module entfallen. Auch das war ein Bestandteil des Entwicklungsprojektes und konnte dadurch erfolgreich gelöst werden, indem auf die Frontglasscheibe im Digitaldruck lichtdurchlässige keramische Farben gedruckt wurden. Da seien der Fantasie fast keine Grenzen gesetzt. Wichtig für den Durchbruch seien die niedrigeren Grundmaterialkosten („das Teuerste daran sind die Glasflächen“) und die überschaubaren Millionen-Investitionen für die Druckmaschinen, auch der teure Reinraum entfällt bei der Produktion.

Eine dieser industriellen Rotationssiebdruckmaschinen wird bereits in Saarbrücken getestet. Möglich sei durchaus eine Kapazität der hauchdünnen Module von 3000 Quadratmetern pro Stunde. Herkömmliche Zellen liegen heute in der Herstellung bei etwa 70 Euro pro Quadratmeter. Mit dem neuen Verfahren aus Saarbrücken könnten sie – vorsichtig geschätzt – bei 20 Euro pro Quadratmeter liegen.