Indium: Heimlicher Star der Photovoltaik

von | 15. Jul 2022 - 10:07 | Technologien

Solarmodule werden immer effizienter – auch dank des Technologiemetalls Indium. Mit dem Ausbau der Erneuerbaren Energien steigt die Nachfrage.

Ob beim Fernsehen, beim Surfen im Internet oder Texten am Smartphone: Indium umgibt uns täglich. Flachbildschirme und Touchscreens würden ohne das Technologiemetall nicht funktionieren. Eine hauchdünne Beschichtung aus Indium-Zinn-Oxid, die transparent und zugleich leitfähig ist, steuert ihre Anzeige. Diese Eigenschaften machen Indium auch zum gefragten Werkstoff für Herstellung von Solarzellen, vor allem die sogenannten Dünnschichtmodule. Diese gewinnen erst allmählich an Bedeutung, obwohl sie leichter und kostengünstiger herzustellen sind als die bislang den Markt dominierenden Dickschichtmodule aus kristallinem Silizium.

Bei der Produktion von Dünnschichtsolarzellen werden Halbleitermaterialien wie amorphes Silizium oder Cadmiumtellurid auf eine Trägerschicht wie Glas oder Kunststoff aufgedampft. Den höchsten Wirkungsgrad für diese Art von Solarmodulen bescheinigt das US-Energieministerium dabei der Indiumverbindung Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS).

Wirkungsgrad steigt: Solarzellen brechen Rekorde

Dünnschichtsolarzellen finden sich sowohl in Solarparks als auch – wegen ihrer Flexibilität und des geringen Gewichts – an Hausfassaden, Wohnmobilen oder sogar Rucksäcken. Ein Nachteil ist jedoch ihre Effizienz: Durchschnittlich wandeln Dünnschichtmodule nur zehn Prozent der Sonnenenergie in Strom um. Bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen sind es rund 20 Prozent. Weltweit werden jedoch immer effizientere Dünnschichtsolarzellen konstruiert, häufig unter Einsatz von Indium.

Einen neuen Rekord verzeichnete etwa die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in der Schweiz (wir berichteten) mit CIGS-Solarzellen auf flexibler Polymerfolie, die einen Wirkungsgrad von 21,4 Prozent aufweisen. Sogar 47,6 Prozent schafft die bislang effizienteste Solarzelle der Welt, die kürzlich das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE präsentierte. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Tandemmodul mit mehreren Schichten, darunter Gallium-Indium-Phosphid und Gallium-Indium-Arsenid. Durch den Einsatz verschiedener Halbleitermaterialien können unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts genutzt werden.

Zukunftsträchtig: Perowskit plus Indium

Als vielversprechend für die Solarzellen der Zukunft gelten auch die Minerale der Perowskit-Gruppe: synthetische, halborganische Halbleitermaterialen, die hohe Effizienz mit geringen Herstellungskosten vereinen. Sie werden oft in Tandemzellen eingesetzt. Einen Wirkungsgrad von 24 Prozent erzielte ein deutsches Forscherteam durch die Kombination einer Dünnschicht-Solarzellen aus Perowskit mit einer zweiten aus organischen Halbleitern. Der Schlüssel zum Erfolg sei die mit 1,5 Nanometern „ultra-dünne Schicht“ aus Indiumoxid, die beide verbinde, erklärt Tim Becker, der als Doktorand an der Bergischen Universität Wuppertal auf die sogenannten Interconnects spezialisiert ist. Je dünner die Verbindung sei, desto geringer die Verluste.

Innovativ: Unsichtbare Solarzellen und Photovoltaik aus Abfall

Sogar nahezu unsichtbare Solarzellen lassen sich mit dem transparenten Technologiemetall realisieren: Eine solche entwickelten jüngst Wissenschaftler der japanischen Tohoku Universität. Dabei kam eine Elektrode aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) zum Einsatz. Das Solarmodul habe das Potenzial, eine Transparenz von 79 Prozent zu erreichen, zudem sei der Wirkungsgrad 1.000-mal höher als bei einem Referenzgerät mit einer herkömmlichen ITO-Elektrode.

Das europäische Forschungs-Konsortium FlexFunction2Sustain wiederum kombinierte eine ITO-Elektrode mit Kunststoff aus Verpackungsmaterial für Getränkebeutel – und schuf die erste organische Solarzelle auf Grundlage von recyceltem Material. Ein Anwendungsfeld, das unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit immer wichtiger werden könnte.

Energiewende könnte Indium-Nachfrage weiter steigern

Die vielfältigen Beispiele aus der Forschung lassen es erahnen: Wenngleich Indium selten die Hauptrolle spielt, könnte das Technologiemetall entscheidend zur Entwicklung neuer, innovativer Photovoltaik-Techniken beitragen.

Entsprechend sieht die Deutsche Rohstoffagentur DERA (PDF) die Dünnschicht-Photovoltaik neben der Displaytechnik als wichtigstes Einsatzgebiet für Indium, mit hohen Wachstumspotenzialen. Der Bedeutung des Rohstoffs für diese Zukunftstechnologien steht dessen begrenzte Verfügbarkeit entgegen, denn er gilt als sehr selten. Wichtigster Produzent ist China, im vergangenen Jahr wurden dort 530 Tonnen Raffinade hergestellt, weltweit waren es laut U.S. Geological Survey (PDF) 920 Tonnen. Zum Vergleich: im gleichen Jahr betrug die weltweite Goldproduktion etwa 3.000 Tonnen.

Photo: iStock/laremenko

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