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Technik und Innovation: Nominierte für Deutschen Zukunftspreis stehen fest

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Deutscher Zukunftspreis 2011Cleantech News / Berlin. Am 14. Dezember, kurz vor Weihnachten, vergibt Bundespräsident Christian Wulff den Deutschen Zukunftspreis 2011. In die Endrunde des renommierten Preises haben es drei Forschungsteams geschafft, die allesamt unser Leben effizienter und ressourcenschonender machen wollen: Gefahren erkennen und vermeiden, Licht und Energie aus Molekülen gewinnen sowie geballtes Sonnenlicht effizient nutzen. Auf den folgenden Seiten stellen wir Ihnen die drei Nominierten näher vor.

Bundespräsident Christian Wulff hat die Nominierungen im Rahmen der IdeenExpo in Hannover die drei für die Endrunde des Deutschen Zukunftspreis 2011 nominierten Teams kürzlich bekanntgegeben. Bei den präsentierten Projekten geht es um Zukunftsthemen wie Mobilität, Energiegewinnung, Umwelt- und Ressourcenschonung. Der Bundespräsident ehrt mit seinem Preis für Technik und Innovation Menschen, die mit Kreativität, Wissen und Können nach überzeugenden Lösungen für marktfähige Produkte suchen.

Für den Deutschen Zukunftspreis 2011, den Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation, wurden nominiert:

  • 6D-Vision – Gefahren schneller erkennen als der Mensch
  • Organische Elektronik – mehr Licht und Energie aus hauchdünnen Molekülschichten
  • Geballtes Sonnenlicht – effizient genutzt

Nominiert für den Deutschen Zukunftspreis: 6D-Vision – Gefahren schneller erkennen als der Mensch

Nominiert für den deutschen Zukunftspreis 2011: 6D-VisionAuch wenn die Zahlen in den letzten Jahren stetig zurückgegangen sind, ereignen sich in Deutschland noch immer ca. 200.000 Unfälle mit Personenschaden allein im innerstädtischen Straßenverkehr. Jetzt lernen Autos das „Sehen“, um die oft komplexen Verkehrssituationen sicher und umfassend zu verstehen. Das ist eine zentrale Voraussetzung, um die Unfallzahlen weiter signifikant zu senken. Insbesondere andere Verkehrsteilnehmer müssen in Sekundenbruchteilen erkannt und Kollisionsgefahren zuverlässig ermittelt werden. Eine rechtzeitige Warnung oder eine blitzschnelle Reaktion kann helfen, folgenschwere Unfälle zu vermeiden. Die Neu- und Weiterentwicklung von Assistenzsystemen, die den Fahrer dabei unterstützen, typische Unfallarten in Kreuzungsbereichen oder Kollisionen mit querendem Verkehr zu vermeiden, stehen daher im Fokus der intensiven Sicherheitsentwicklungen von Mercedes-Benz.

Dr. Uwe Franke, Leiter des Teams „Bildverstehen“ in Forschung und Entwicklung der Daimler AG, Dr. Stefan Gehrig, Experte für Stereobildverarbeitung, sowie Dr. Clemens Rabe, Experte für Echtzeitrealisierung, eröffnen mit ihrem Forschungsprojekt „6D-Vision“ völlig neue Möglichkeiten bei der Gefahrenerkennung und Unfallvermeidung. Ihnen ist es gelungen, mit Hilfe eines Kamerapaars (einer sogenannten Stereokamera) und neuer Algorithmen beliebige bewegte Objekte wie Fahrzeuge, Fahrradfahrer oder Fußgänger in kürzester Zeit zu erkennen und neben ihrer Position auch ihre Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit zu messen. Dadurch ist es möglich, genaue Vorhersagen des Kollisionsrisikos zu liefern und das sogar, wenn Verkehrsteilnehmer teilweise von anderen Hindernissen verdeckt werden, beispielsweise wenn von einem auf die Straße rennenden Kind nur Kopf und Oberkörper zu sehen sind.

Das Prinzip: Wir Menschen nehmen mit unseren beiden Augen die Umwelt dreidimensional wahr. Durch „längeres Hinsehen“ sind wir außerdem in der Lage, die Bewegung von Objekten zu schätzen und so potenzielle Gefahren zu erkennen, auch dann, wenn wir uns selbst schnell bewegen. Mit 6D-Vision gelingt es, diese zentrale Fähigkeit des Menschen auf einer kleinen, leistungsfähigen und fahrzeugtauglichen Hardware nachzubilden. Analog zum menschlichen Vorbild verwendet 6D-Vision ein Kamerapaar, aus dessen Bildern die dreidimensionale Geometrie der Szene vor dem Fahrzeug berechnet wird. Zusätzlich werden ausgewählte Bildpunkte von Bild zu Bild verfolgt. Da in jedem Bild wieder die Position in der Welt ermittelt wird, kann durch geeignete Filterung die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit berechnet werden. Gleichzeitig bestimmt 6D-Vision präzise die Bewegung des eigenen Fahrzeugs, so dass stehende und bewegte Hindernisse schnell und sicher unterschieden werden können. Die simultane Bestimmung der Position (3 Dimensionen) und der Bewegung (weitere 3 Dimensionen) relevanter Bildpunkte gab dem neuen Verfahren den Namen 6D-Vision.

Dreidimensional Sehen

Die räumliche Wahrnehmung durch Stereobildverarbeitung steht seit den Anfängen der digitalen Bildverarbeitung in den 1970er Jahren im Blickfeld der Forschung. Sie beruht auf der Tatsache, dass Objekte in den Bildern der rechten und linken Kamera (oder unserer Netzhaut) leicht verschoben abgebildet werden. Diese als „Disparität“ bezeichnete Verschiebung wird mit zunehmender Entfernung immer kleiner. Klassische Verfahren der Stereobildverarbeitung berechnen die Entfernung nur für einzelne Bildpunkte und zeigen signifikante Schwächen bei schwierigen Sichtbedingungen. Im Gegensatz dazu liefern moderne Stereoverfahren, die aufwändige globale Optimierungstechniken einsetzen, zu jedem Bildpunkt eine Messung. Wegen ihres hohen Rechenaufwands konnten sie bis vor kurzem nicht schnell genug gerechnet werden.

Das Forschungsteam um Dr. Uwe Franke hat nach eingehenden Untersuchungen das im Jahr 2005 vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) vorgestellte dichte Stereobildverarbeitungsverfahren „Semi-Global Matching“ – kurz SGM – ausgewählt, das bei internationalen Vergleichen einen Spitzenplatz einnimmt. Die Daimler Forscher haben dieses Verfahren optimiert und so weiter entwickelt, dass es auch nachts und bei schlechtem Wetter robust und zuverlässig arbeitet. Zusammen mit Hardware-Experten der schweizer Firma Supercomputing Systems AG gelang 2008 die weltweit erste fahrzeugtaugliche Umsetzung auf einem preisgünstigen FPGA (field programmable gate array), die es schafft, die Stereoberechnung 25 mal pro Sekunde durchzuführen. FPGAs sind programmierbare Logik-Schaltungen, die gleichzeitig viele Eingangsdaten verarbeiten können. Sie bieten die Rechenleistung von Hochleistungs-PCs auf einem Quadratzentimeter Silizium und werden millionenfach in modernen Fernsehern und Smartphones eingesetzt. Dank der hohen Genauigkeit des auf diesen Prozessoren realisierten Stereoverfahrens sind Positionsbestimmungen beliebiger Objekte und Hindernisse in Entfernungen bis zu 50 Metern möglich. Zum Vergleich: die menschliche Stereowahrnehmung endet bei ca. 10-12 Metern.

Vom Standbild zum Bewegtbild 

Um die für 6D-Vision wichtige Wahrnehmung der Bewegung zu realisieren, ist es notwendig, präzise Werte des „optischen Flusses“, – also die Verschiebungen der Bildpunkte in einer Bildfolge – zu ermitteln. Die in der wissenschaftlichen Literatur beschriebenen Verfahren berechnen keine sehr große Bildpunktverschiebungen, jedoch treten diese speziell im Nahbereich eines Fahrzeuges bei hoher Geschwindigkeit oder bei Kurvenfahrten auf. Der von Daimler im Jahre 2004 entwickelte Algorithmus „PowerFlow“ löst dieses Problem erstmals. Er ermittelt beliebig große Bildverschiebungen mit konstant kleiner Rechenzeit und liefert auch bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten, schlechten Witterungsverhältnissen oder Beleuchtungsschwankungen zuverlässige Ergebnisse.

In dem von den Forschern entwickelten Stereokamerasystem werden in einem sich anschließenden Verarbeitungsschritt räumlich benachbarte 6D-Punkte mit gleicher Bewegung zu Objekten zusammengefasst. Mit Hilfe intelligenter Filtermethoden können dann sogar Beschleunigung und Lenkeinstellung kreuzender und entgegenkommender Fahrzeuge ermittelt werden. Dies ist erforderlich, um die zeitliche Bewegung anderer Verkehrsteilnehmer über ein bis zwei Sekunden vorherzusagen und so potenzielle Unfallsituationen von unkritischen Situationen unterscheiden zu können.

Gerade bei teilverdeckten, eng benachbarten Objekten und problematischen Sichtbedingungen zeigen sich die Vorteile des entwickelten Verfahrens deutlich. Auf Basis der 6D-Bewegungsinformation lässt sich ein Gefahrenpotential für jeden einzelnen Bildpunkt ableiten, bewegte Objekte „verraten“ sich somit bereits auf Bildpunktebene. Noch bevor der gefährliche bzw. gefährdete Verkehrsteilnehmer vor dem Fahrzeug auftaucht, kann der Computer die drohende Gefahr erkennen, selbst wenn nur Teile des Verkehrsteilnehmers zu sehen sind. Der Fahrer kann so in komplexen Verkehrssituationen sofort optimal unterstützt werden.

Gefahren erkennen – schneller als der Mensch 

Kinder, die unerwartet auf die Straße laufen, werden in 0,2 Sekunden im gesamten Blickfeld der Kamera wahrgenommen. Auf Grund unseres stark selektiven Sehverhaltens benötigt ein aufmerksamer Mensch dafür circa 0,5 Sekunden, war der Fahrer abgelenkt, kommen mindestens weitere 0,5 Sekunden hinzu. Da auch die Bewertung der Situation und die Reaktion Zeit erfordern, kommt es immer zur bekannten „Schrecksekunde“, die ein Mensch unabhängig vom Alter braucht, um eine gefährliche Situation zu erkennen und eine Aktion einzuleiten. In dieser Sekunde legt ein Fahrzeug bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h eine Strecke von rund 14 Metern zurück. Praktische Messungen zeigen, dass das Fahrzeug bei einer durch das Sicherheitssystem eingeleiteten Notbremsung bereits sieben Meter früher zum Stehen kommt – ein entscheidender Vorteil zur Unfallvermeidung im innerstädtischen Verkehr.

6D-Vision ist eine Basistechnologie, die neue Möglichkeiten für künftige Fahrerassistenzsysteme eröffnet. Sie erlaubt, Unfallrisiken signifikant zu senken und einen weiteren großen Schritt auf den Weg zum Unfallfreien Fahren zu gehen. Basierend darauf arbeitet Daimler an möglichen Fahrerassistenzsystemen, darunter Bremsassistenten, die bei querenden Fahrradfahrern oder Fußgängern aktiv werden, Kreuzungsassistenten, die Kollisionen beim Abbiegen durch Bremsen verhindern sollen und einen Ausweichassistent, der durch ein schnelles Lenkmanöver helfen kann, Unfälle im letzten Moment zu vermeiden. Neben sicherheitsrelevanten Fahrerassistenzsystemen kann 6D-Vision auch helfen, den Fahrer zu entlasten und den Komfort zu erhöhen, beispielsweise im Stop&Go-Verkehr oder in engen Baustellenbereichen. Das Einsatzspektrum von 6D-Vision geht jedoch weit über die Anwendung im Automobil hinaus und bietet Potenzial für alle Bereiche, in denen eine exakte Erfassung und Interpretation dynamischer Szenen erforderlich ist, beispielsweise in den vielfältigen Einsatzbereichen der Robotik und der Mensch-Maschine-Interaktion. Ein weiteres Einsatzgebiet zeichnet sich in modernen 3D-Fernsehern ab, in denen in Zukunft eine Stereoanalyse und eine on-line Bewegungsschätzung durchgeführt werden soll, um einen variablen Tiefeneindruck zu ermöglichen.

Die Tatsache, dass moderne Kameras kontinuierlich leistungsfähiger und preisgünstiger werden und 6D-Vision Hardwarekomponenten aus dem Bereich der Consumer-Elektronik verwendet, lässt eine schnelle Verbreitung in alle Fahrzeugklassen zu. Da die 6D-Vision Technologie signifikant zur Senkung von Verkehrsunfällen beitragen kann, beabsichtigt Daimler, diese Technologie – wie zuvor bei ABS und ESP® geschehen – zukünftig auch anderen Herstellern zugänglich zu machen.

Nominiert für den deutschen Zukunftspreis 2011: Organische Elektronik – mehr Licht und Energie aus hauchdünnen Molekülschichten

Nominiert für den Deutschen Zukunftspreis 2011: Organische ElektronikStellen Sie sich eine ganz neue Art von Elektronik vor: Flexibel, leicht, unzerbrechlich, umweltschonend, mit einfachen Prozessen als hauchdünne Schicht auf fast beliebige Untergründe aufgebracht? Wenn man diese Elektronik mit der bekannten aus anorganischen Halbleitern wie Silizium vergleicht, die in Energie aufwendigen Prozessen bei Temperaturen über 1000 °C hergestellt werden, und die dann zu kleinen Kristallen geformt werden, so erkennt man die Möglichkeiten, die die neue organische Elektronik bietet. Als Anwendung denkbar sind neuartige Lichtquellen, die flächig ein besonders weiches und qualitativ hochwertiges Licht aussenden, neuartige Solarzellen, die aufgerollt werden können und außerordentlich preisgünstig die zu ihrer Herstellung verwendete Energie schon nach kurzer Zeit wieder eingespielt haben. Dazu kommen noch ganz neue Möglichkeiten, wie in Kleidung, Etiketten oder Pflaster integrierte elektronische Schaltungen, die in vielen Anwendungen Lebensqualität und Sicherheit verbessern können.

Diese neuartigen Anwendungen werden durch die organische Elektronik möglich. „Organisch“ heißt hier ganz einfach, dass Verbindungen aus Kohlenstoff verwendet werden, wie sie auch in der Natur vorherrschen. Solche Materialien kennt die Menschheit schon lange, insbesondere als Farbstoffe. Seit einiger Zeit ist jedoch Forschern bekannt, dass viele dieser Materialien auch halbleitende Eigenschaften haben und damit im Prinzip elektronische Funktionen übernehmen können. Da die organischen Materialien jedoch bei Raumtemperatur auch auf flexible Substrate aufgebracht werden können, bieten sie ganz neuartige Anwendungsmöglichkeiten.

Von den Grundlagen zur wirtschaftlichen Anwendung
Entscheidend ist aber, dass die neuen Bauelemente bzgl. Effizienz und Lebensdauer attraktive Werte erreichen: Beispielsweise sind neuartige Lichtquellen mit hoher Lichtqualität von großem Nutzen, praktisch verwendbar sind sie jedoch nur, wenn sie die bisherigen ineffizienten Lichtquellen wie die Glühbirne deutlich übertreffen. Hier hat die Arbeit des Dresdner Teams angesetzt, das einen für organische Halbleiter neuartigen Weg beschritt: Organische Halbleiter sind in der Regel zunächst nur sehr schwach elektrisch leitend, da die Materialien keine beweglichen Elektronen enthalten. Diese Eigenschaft hat die Verwendung in Bauelementen wie Leuchtdioden und Solarzellen deutlich behindert.

Das Dresdner Team ging zunächst in der Grundlagenforschung an der Technischen Universität Dresden dieses Problem an und ließ sich dabei von den Erkenntnissen der klassischen Siliziumhalbleiterphysik leiten, wo in den 40er Jahren des vergangen Jahrhunderts die Technik der Dotierung entwickelt und perfektioniert wurde: Durch minimale Beimischung anderer Substanzen, die frei bewegliche Elektronen erzeugen, kann man die Leitfähigkeit von Halbleitern um viele Größenordnungen steigern.

Diesen Ansatz verfolgten die Dresdner Forscher bei ihren Arbeiten auch für die organischen Halbleiter. In der Organik müssen aber völlig andere Dotiermaterialien verwendet werden, so dass zunächst in der Doktorarbeit von Dr. Martin Pfeiffer die Suche nach geeigneten Dotiermaterialien im Vordergrund stand. Schon die ersten Versuche zeigten, dass das Prinzip der Dotierung auch auf organische Halbleiter übertragbar ist. Doch die Arbeiten stießen auch auf große Skepsis: In der Fachwelt wurde die Idee der Dresdner zunächst eher belächelt: Ein Fachgutachter einer renommierten Fördereinrichtung äußerte sogar einmal, dass die Bauelemente durch Dotierungen nur schlechter werden könnten…

Das war ein großer Ansporn für das Dresdner Team, das schon bald zeigen konnte, dass Dotierung die Bauelemente deutlich verbessern kann: So gelang es, die Betriebsspannung von Leuchtdioden um mehr als einen Faktor zwei zu senken und damit die Effizienz der Bauelemente deutlich zu erhöhen.

Als dann Dr. Jan Blochwitz-Nimoth in seiner Doktorarbeit zeigen konnte, dass damit hocheffiziente Leuchtdioden hergestellt werden können, die klassische Beleuchtungselemente wie die Glühbirne oder auch die Leuchtstoffröhre übertreffen, war der Durchbruch der Technologie in Sicht. Die wirtschaftliche Umsetzung gingen die beiden jungen Forscher gemeinsam mit Prof. Leo zügig mit einer Ausgründung aus der TU Dresden und dem Fraunhofer-IPMS an: Dies war die Geburtsstunde der Novaled AG, die heute diese Technik in die millionenfache Produktanwendung gebracht hat: die neuartigen OLED Displays sind in Kontrast und Farbsättigung anderen Ansätzen überlegen, und durch die Dotierung wird die Effizienz gesteigert und eine einfachere Fertigung möglich.

Es zeigte sich jedoch bald, dass die grundlegende Erfindung der Dotierung auch in vielen anderen Dingen einsetzbar ist: So profitieren Solarzellen, die einfallendes Licht in elektrische Energie umwandeln genauso von der Dotierung und erlauben, die Solarzellen effizienter zu gestalten. Weiterhin werden mit der Dotierung Solarzellen möglich, die das Sonnenspektrum viel besser ausnutzen, indem mehrere Solarzellen übereinander aufgetragen werden.

Mit solchen Solarzellen, die auch stark verbesserte Absorbermaterialien enthielten, konnte das Dresdner Team dann Rekordwirkungsgrade zeigen und insbesondere auch aufzeigen, dass diese Materialien sich durch sehr hohe Stabilität auszeichnen. Damit war die Grundlage für die zweite Ausgründung, die Heliatek GmbH geschaffen.

Das Dresdner Team arbeitet nun auch intensiv daran, die Dotierung in weitere Anwendungen einzubringen: So konnte gezeigt werden, dass auch für Transistoren und andere Bauelemente, die schaltende Funktionen haben, die Dotierung deren Eigenschaften deutlich verbessert. Damit wird in Zukunft auch eine neuartige flexible Elektronik möglich, die z. B. aufrollbare Bildschirme oder Schaltungen auf Etiketten möglich macht. Hierzu wurden auch neue Beschichtungstechniken entwickelt, die es erlauben, die Bauelemente „von der Rolle“ zu produzieren.

Die Vision einer „Elektronik für den Menschen“, die überall zum Einsatz kommt, kann damit wahr werden. In Zukunft wird es möglich sein, dass ein Fenster tagsüber transparent ist und als Solarzelle Energie liefert, nachts wird es dann zur Beleuchtung verwendet und lässt den Raum in einem angenehmen weichen Licht erscheinen, als ob draußen die Sonne scheint. Die Dresdner Forscher haben damit die Elektronik für die Menschen voran gebracht und neuartige Bauelemente ermöglicht, die so bisher nicht denkbar waren.

Partnerschaft zwischen Forschungseinrichtungen und Industrie
Die Entwicklung hocheffizienter organischer Bauelemente ist ein Beispiel für eine erfolgreiche Kooperation zwischen Forschungseinrichtungen und der Industrie: Zunächst wurden Arbeiten an der TU Dresden als reine Grundlagenforschung begonnen, später kam die anwendungsnähere Forschung am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme hinzu.

Industriell umgesetzt wurde die Forschung dann durch Ausgründungen, wobei die Mitarbeiter ihre Entwicklungen von der Universität zu den Firmen brachten. Aus den inzwischen sechs Ausgründungen, die sich aus den Arbeiten an TUD und IPMS inzwischen ergeben haben, sind an erster Stelle die Novaled AG mit über 100 Mitarbeitern und die Heliatek GmbH mit über 60 Mitarbeitern zu nennen. Mit diesen beiden Firmen konnte auch die ideale Form des Know-how Transfers aus der Forschung in die industrielle Umsetzung realisiert werden: Dr. Blochwitz-Nimoth und Dr. Pfeiffer sind in leitenden Funktionen dieser Firmen tätig, und ein wesentlicher Teil der Mitarbeiter beider Firmen sind unmittelbar nach Ihren Abschlüssen zu den Firmen gewechselt und setzen dort ihr erworbenes Know-How um.

Nominiert für den Deutschen Zukunftspreis 2011: Geballtes Sonnenlicht – effizient genutzt

In Concentrix™-Modulen wird wie in Standard-Fotovoltaikmodulen Sonnenlicht in elektrische Energie gewandelt. Der Unterschied ist, dass die Wandlungswirkungsgrade mehr als doppelt so hoch sind. Erreicht wird dies dadurch, dass zwei Funktionalitäten eines Standard-Fotovoltaikmoduls entkoppelt werden: das Einsammeln des Lichts und die eigentliche Wandlungsfunktion. In Concentrix™-Modulen sammeln Fresnel-Linsen das Sonnenlicht und konzentrieren es auf winzige hocheffiziente Mehrfachsolarzellen, welche das Licht in elektrische Energie wandeln. Das am Fraunhofer ISE in Freiburg entwickelte Modulprinzip war Ausgangspunkt für Soitec Solar, ein Spin-off des Fraunhofer ISE. Zunächst unter dem Namen Concentrix Solar gestartet, führte das Unternehmen die Technologie in wenigen Jahren aus dem Labor in die industrielle Serienfertigung. Die Concentrix™ Technologie wird heute erfolgreich in Solarkraftwerken in sonnenreichen Regionen eingesetzt. Die ebenfalls am Fraunhofer ISE entwickelte Technologie für hocheffiziente Mehrfachsolarzellen wird von AZUR SPACE Solar Power industriell umgesetzt.

Energiewende mit Solarenergie

Die Umstellung unserer Energieversorgung weg von fossilen Quellen, hin zu erneuerbaren Energien ist eine wesentliche Fragestellung der Menschheit im 21. Jahrhundert. Um langfristig unsere Lebensgrundlage zu sichern, muss die globale Klimaerwärmung eingedämmt sowie unser künftiger Energiebedarf nachhaltig gesichert werden. Die Fotovoltaik als Technologie zur direkten Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie ist ein wesentlicher Baustein einer Energieversorgung auf der Basis erneuerbarer Quellen. Die Sonne steht uns als unerschöpfliche Quelle zur Verfügung. Die Fotovoltaik hat in den letzten Jahren ein großes Marktwachstum mit einer Steigerung von mehr als 40% pro Jahr durchlaufen. Dadurch konnte schon eine deutliche Kostenreduktion bei der photovoltaisch erzeugten Energie erzielt werden. Die Konzentrator-Fotovoltaik ermöglicht eine weitere deutliche Senkung der Kosten, so dass innerhalb weniger Jahre Solarenergie an Standorten im Sonnengürtel voll wettbewerbsfähig mit der konventionellen Stromerzeugung sein wird.

Im heutigen Fotovoltaik-Markt werden Solarzellen auf der Basis nur eines Halbleitermaterials angeboten. Dabei nutzen mehr als 85% der heutigen PV-Module kristallines Silizium. Weitere Halbleitermaterialien kommen in unterschiedlichen Dünnschichttechnologien zum Einsatz. Typische Silizium-Solarmodule haben heute einen Modulwirkungsgrad von 14%. Stapelt man nun mehrere Solarzellen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien übereinander, so kann das Sonnenspektrum energetisch effizienter in elektrische Energie umgewandelt werden. Je nach Anzahl dieser gestapelten Solarzellen lässt sich so der Wirkungsgrad künftig auch auf mehr als 50% steigern. Mehrfachsolarzellen wurden zunächst vom Fraunhofer ISE gemeinsam mit AZUR SPACE Solar Power für die Weltraumanwendung entwickelt und von AZUR SPACE Solar Power zur Energieversorgung von Telekommunikationssatelliten in die kommerzielle Anwendung geführt.

Um die hohe Effizienz der Mehrfachsolarzellen auch für Solarstromgewinnung auf der Erde zu nutzen, entwickelten die Forscher des Fraunhofer ISE eine neue Solarzelle und schließlich mit der Konzentrator-Fotovoltaik ein komplett neues Modulkonzept für den terrestrischen Energiemarkt. In diesen Modulen kommen Solarzellen mit einer neuartigen speziellen Struktur zum Einsatz, die bei einer Konzentration von 545 kW/m² im Jahr 2009 erstmals einen Wirkungsgrad von über 41% erzielten und damit zu diesem Zeitpunkt einen Weltrekord aufstellten. In der Rekordzelle der Freiburger Wissenschaftler werden drei Teilzellen aus Galliumindiumphosphid, Galliumindiumarsenid und Germanium übereinander gestapelt. Jeder der III-V Verbindungshalbleiter verwertet einen anderen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts.

Die komplexe innere Struktur sieht man der hauchdünnen, nur wenige µm dicken Solarzelle nicht an. Über den kleinen Zellen mit nur 3 mm Durchmesser bündeln spezielle Fresnel-Linsen die einfallenden Sonnenstrahlen über 500-fach. Damit die Zellen nicht überhitzen, sind sie auf einen Metallträger aufgebracht, der die Wärme verteilt. Für die Entwicklung der Sammellinsen arbeitete das Fraunhofer ISE mit dem Ioffe Institut in St. Petersburg zusammen. In einem kostengünstigen Verfahren wird eine Linsenstruktur in einen dünnen Silikonfilm eingeprägt. Linsen und Zelle werden im Modul zusammengefügt. Die Module werden auf Nachführeinheiten, sogenannten Trackern, der direkten Sonne nachgeführt. Wegen der Konzentration des Sonnenlichts findet die Technologie ihre Anwendung in Solarkraftwerken in Regionen mit viel direktem Sonnenlicht, wo sie zu günstigen Stromgestehungskosten Energie erzeugen.

Solarstromkraftwerke in sonnenreichen Regionen

Die Concentrix Solar GmbH, heute Soitec Solar GmbH, ist 2005 als Ausgründung aus dem Fraunhofer ISE hervorgegangen, um die bereits am Fraunhofer ISE begonnene industrielle Prozesstechnologie für die Fertigung der Concentrix™-Module voranzutreiben. Die konsequente Weiterentwicklung durch die drei Partner Fraunhofer ISE, AZUR SPACE Solar Power und Soitec führte bis dato zu Systemwirkungsgraden von über 25%, mit denen die erzeugte Energie ins Netz gespeist wird. Dies ist fast doppelt so hoch wie der Wirkungsgrad von konventionellen Fotovoltaik-Anlagen auf der Basis von Silizium. Soitec hat heute auf diesem jungen, aufstrebenden Markt dank der langjährigen Entwicklungsarbeit und Erkenntnisse des Fraunhofer ISE eine Spitzenstellung. Aufgrund des guten technischen Erfolgs mit weltweit herausragenden Wirkungsgraden bei Zelle, Modul und System, konnten die Firmen AZUR SPACE Solar Power und Soitec in den letzten Jahren großes wirtschaftliches Wachstum verzeichnen und zahlreiche Arbeitsplätze schaffen.

Die Konzentrator-Fotovoltaik oder CPV – Concentrator Photovoltaics – erschließt ein ganz neues Technologiefeld innerhalb der Fotovoltaik. Konzentrierte Sonnenstrahlung wurde bisher nur in solarthermischen Kraftwerken genutzt. Dort werden bevorzugt Spiegelrinnen eingesetzt, um ein Wärmeträgermedium aufzuheizen und dann mit einer Turbine Strom zu erzeugen. Die konzentrierende Fotovoltaik wandelt die Sonnenenergie direkt und mit sehr viel höherer Effizienz in elektrischen Strom um. Gegenüber den konventionellen PV-Technologien weist die Konzentrator-PV nicht die üblichen Leistungsverluste bei hohen Außentemperaturen auf und liefert eine konstant hohe Stromproduktion im Tagesverlauf. Daher ist sie prädestiniert für den Einsatz in sonnigen und sehr heißen Regionen. Das System kommt trotz der hohen Sonnenkonzentration ohne aktive Kühlung und ohne die Verwendung von Wasser aus. Dies ist vor allem in heißen, wüstenähnlichen Gebieten ein großer Vorteil. Zudem ist das System modular installierbar, dies erlaubt skalierbare Investitionskosten. Ein weiterer Vorteil ist der geringe Flächenbedarf und die Möglichkeit der dualen Nutzung der Landfläche, d.h. eine Kombination mit landwirtschaftlichen Aktivitäten durch die geringe Versiegelung von Fläche. Darüber hinaus ist die Technologie eine der umweltfreundlichsten Technologien mit einer niedrigen Energierücklaufzeit und der Verwendung überwiegend wieder verwertbarer Materialien wie z.B. Glas und Stahl.

Konsequentes Vorantreiben der Technologie

Die rasche industrielle Umsetzung der Konzentratorphotovoltaik vom Labor in die Fertigung ist der konsequenten und engen Zusammenarbeit von Fraunhofer Forschern und den industriellen Partnern AZUR SPACE Solar Power und Soitec zu verdanken. Für die Markteinführung der Concentrix™-Technologie spielte die Firmenausgründung durch das Fraunhofer-Institut eine wesentliche Rolle. Der überzeugende Erfolg der Technologie führte zur Übernahme von Concentrix Solar durch Soitec. Alle drei Partner treiben die Technologie weiter konsequent voran. Die Entwicklung neuer Produktgenerationen sowohl auf der Zellseite wie auf der Modulseite ist entscheidend für die weitere Erhöhung der Wirkungsgrade und die weitere Senkung der Kosten. Durch intensive Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten und durch die Kooperation mit den Fraunhofer Forschern erreichen die Industrieunternehmen kurze Umsetzungszyklen von Innovationen in Design und Fertigungstechnologie. Sowohl Soitec als auch Fraunhofer ISE sind im Vorstand des Industrieverbands CPV Consortium.

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