Nachhaltige Produktion und effizienter Ressourceneinsatz werden mit Blick auf die Energiewende für viele Branchen immer relevanter – so auch für die Photovoltaikindustrie. Im kürzlich abgeschlossenen Projekt E-Quadrat haben Forschende ein Solarmodul entwickelt, dessen Komponenten aus erneuerbaren Materialien bestehen.

„Erneuerbare Energien aus Erneuerbaren Rohstoffen“ – bereits im Projekttitel haben die Forschenden des Verbundvorhabens E-Quadrat deutlich hervorgehoben, welches Ziel sie mit ihren Forschungsarbeiten verfolgten. Ein Wissenschaftsteam des Fraunhofer-Centers für Silizium-Photovoltaik CSP hat zusammen mit Industriepartnern ein neues Solarmodul entwickelt. Alle Komponenten, die nicht direkt zur Licht-Strom-Umwandlung benötigt werden, sind nachhaltig: Sie bestehen aus biologisch abbaubaren beziehungsweise recycelbaren Materialien oder aus nachwachsenden Rohstoffen.

Mehr Nachhaltigkeit für die Photovoltaik

Verglichen mit der konventionellen Energieindustrie ist der ökologische Fußabdruck der Photovoltaikbranche im Summe bereits geringer. Photovoltaikanlagen produzieren im Betrieb keine schädlichen Emissionen. Damit tragen sie maßgeblich dazu bei, Treibhausgasemissionen zu verringern und bilden eine zentrale Säule der Energiewende.

Mit Blick auf den gesamten Lebenszyklus eines Solarmoduls können jedoch Aspekte in verschiedenen Phasen weiter verbessert werden: Dies fängt damit an, welche Rohstoffe für die Module benötigt werden, geht über die Produktion sowie den anschließenden Betrieb der Module und endet mit der Frage, wie sie abschließend entsorgt werden. Momentan benötigen Solarmodule Materialien, die nicht oder nur selten wieder dem Wertstoffkreislauf zurückgeführt werden. Außerdem sind manche Materialien weniger umweltverträglich als andere.

Glas, Polymere, Metalle und siliziumbasierte Solarzellen: Aus diesen Bestandteilen setzt sich ein Großteil der aktuellen Photovoltaikmodule zusammen. Ihre durchschnittliche Lebensdauer liegt heute bei etwa 20 bis 25 Jahren. Zum Ende ihrer Betriebsphase enthalten sie somit diverse Wertstoffe. Jedoch können diese aus dem Abfallprodukt nur schwer aufgetrennt werden. Ein übergreifendes Recyclingkonzept für ausrangierte PV-Module gibt es derzeit noch nicht. An diesen Punkten setzen die Forschenden mit dem in E-Quadrat entwickelten Photovoltaikmodul an, um neue Wege für die Branche aufzeigen.

Mit einem Prototyp zu einer grüneren Solarbranche beitragen

Das Forschungsteam hat konventionelle Materialien substituiert und getestet, die sowohl langlebig zuverlässig gegenüber allen Witterungseinflüssen als auch komplett recycelbar sind. Hierbei wurden alle Lebensphasen eines Photovoltaikmoduls berücksichtigt – von der Entwicklungsphase und Produktion bis zur Rückführung in den Wertstoffkreislauf zum Betriebsende.

Das aus dem Projekt hervorgegangene 380-Watt-Solarmodul nennen die Forschenden „Bio-Modul-Prototyp“. Verglichen mit herkömmlichen Modulen ist der Prototyp aus vier Gründen besonders:

1. Der Modulrahmen ist zu einem Großteil aus Holz gefertigt, sodass er komplett recycelt und wieder für eine neue Modulproduktion verwendet werden kann.
2. Um die Zellverbindungen des Moduls herzustellen, haben die Forschenden einen elektrisch leitenden Klebstoff verwendet. Dieser enthält Silberpartikel und verbindet die Drähte und Zellen. Zellverbindungen werden üblicherweise noch mit bleihaltigen Loten hergestellt. Nur etwa drei bis vier Prozent der Photovoltaikmodule auf dem Weltmarkt sind bleifrei geklebt.
3. Für die Rückseitenabdeckung des Moduls hat das Forschungsteam eine zu 30 Prozent aus recyceltem Polyethylenterephthalat (PET) bestehende Folie erprobt.
4. Ebenfalls haben die Projektpartner eine zu 60 Prozent aus biobasiertem „Zuckerrohr-Ethylen“ bestehende Ethylenvinylacetat-Folie (EVA-Folie) entwickelt. Sie wird als transparente Kunststoffschicht bei der Produktion von Solarmodulen eingesetzt und dient als Verkapselungsmaterial der Zellen. Für aktuelle Photovoltaikmodule werden ausschließlich Verkapselungsmaterialien (EVA und andere) aus fossilen Rohstoffen verwendet.

Das Projektteam hat die Komponenten diversen beschleunigten Alterungstests unterzogen, die Faktoren wie Wärme, Feuchtigkeit, Temperaturwechsel und UV-Bestrahlung betreffen. Mit ihren Ergebnissen konnten die Forschenden zeigen, dass die einzelnen Komponenten aktuellste Modulstandards bestehen und damit konkurrenzfähig sind. Ihre Forschungserkenntnisse können zukünftig dazu beitragen, den CO2-Fußabdruck in der Photovoltaikindustrie weiter zu reduzieren, indem vermehrt nachwachsende Rohstoffe zum Einsatz kommen und energieintensive Rohstoffe (wie etwa bei Siliziumzellen) verstärkt in den Wertstoffkreislauf zurückgeführt werden. (av)