Schweizer Solarmodule heben ab

Ein Ballon des Projekts Strateole ist bereit für einen Testflug. © Romain Gaboriaud

In Neuenburg werden Solarpaneele hergestellt, die in 20 km Höhe mit einer französischen meteorologischen Mission mitfliegen werden. Extrem effiziente Zellen könnten die Photovoltaikindustrie in Europa wiederbeleben.

Zum ständigen Brummen der Klimakammern, in denen die Materialien getestet werden, montieren Techniker des Schweizer Zentrums für Elektronik und Mikrotechnik (CSEM) die Solarpanels, die in einigen Monaten in die Stratosphäre abheben werden.

Hier, am Rand der Stadt Neuenburg, einen Steinwurf vom See entfernt, treffen Vergangenheit und Zukunft aufeinander. Zu meiner Linken das Laténium und sein archäologischer Park, Zeugen der sogenannten Seezivilisation; zu meiner Rechten der Innoparc, der einen der CSEM-Standorte beherbergt, ein Mekka für Forschung und Entwicklung im Bereich der Mikro-, Nano- und anderer Technologien – einschliesslich Photovoltaik.

Hier wird an der Verkapselung von Solarzellen für ein ehrgeiziges französisches Projekt gearbeitet, bei dem ein Ballon auf der Höhe des Äquators die oberen Schichten der Atmosphäre erkunden soll. Die Idee ist, etwas Solides und Widerstandsfähiges zu schaffen, das gleichzeitig bezahlbar bleibt.

Ballonkarussell in der äquatorialen Stratosphäre

Wenn es um Wetter und Klima geht, passiert am Äquator eine Menge. Hier finden die stärksten atmosphärischen Phänomene der Erde statt, und ihr Einfluss kann bis zu den Polen reichen. Sie sind jedoch immer noch schlecht erforscht und werden daher in Wetter- und Klimamodellen nur unzureichend dargestellt.

Das französische Projekt Strateole-2 wurde entwickelt, um diese Informationslücke zu schliessen. Die Region ist mit herkömmlichen Beobachtungsmethoden nur schwer zugänglich. Unter der Leitung des Centre national d’études spatiales (CNES) und des Centre national de la recherche scientifique (CNRS) sind auch die amerikanischen meteorologischen und ozeanographischen Behörden, eine australische Universität sowie Labore in Italien und Indien beteiligt.

Zwei Flottillen von 20 Stratosphärenballons (elf und 13 Meter Durchmesser, mit Helium aufgeblasen) werden in diesem Herbst im Abstand von drei Jahren vom Indischen Ozean aus gestartet. Sie sollen die Erde zwei bis drei Mal in einer Höhe von 18 bis 20 Kilometern umkreisen.

Diese Ballons werden Daten wie die Konzentration von Wasserdampf, Ozon, Kohlendioxid, die Lufttemperatur, den Druck usw. sammeln. Ein Teil dieser Informationen wird stündlich an die World Meteorological Organization (WMO) übermittelt, damit diese ihre Vorhersagen in den äquatorialen und tropischen Zonen verbessern kann.

«Es waren die Franzosen, die sich an uns gewandt haben», erklärt Pierrick Duvoisin, Spezialist für Moduldesign bei CSEM. «Wir hatten noch nie für sie gearbeitet, aber sie kannten uns dank Raphael Domjan und seinem Projekt Solarstratos, einem Elektroflugzeug für Stratosphärenflüge, für das wir die Paneele geliefert haben. Wir standen im Wettbewerb mit verschiedenen Instituten, wir haben etwas nach ihren Vorgaben vorgeschlagen und den Auftrag bekommen.»

Die Zellen selbst werden nicht in der Schweiz produziert, sondern von der amerikanischen Marke Sun Power in Malaysia. Aus diesen quadratischen Platten in der Grösse einer CD-Box gilt es, Paneele zu montieren, die den extremen Bedingungen in der Stratosphäre standhalten. Bei diesem Prozess, der Verkapselung genannt wird, kommt das Knowhow des Neuenburger Zentrums ins Spiel.

Massgeschneidert

«Die Verkapselung von Zellen für die Stratosphäre ist ein massgeschneiderter Prozess», so Duvoisin. «Diese Paneele müssen mindestens drei Monate lang halten und einer viel höheren Dosis an UV-Strahlung standhalten als jene, die man auf der Erdoberfläche verwendet. Ausserdem müssen sie Temperaturschwankungen von -90° bis +120° aushalten.»

Pierrick Duvoisin (links) und sein Kollege Christophe Charrière montieren die Platten auf einer Gondel. © Reto Duriet

Die CSEM-Ingenieure mussten ein Polymer formulieren und es in Form von Folien aufbereiten, die sowohl ultraleicht als auch sehr widerstandsfähig sind. Sie begannen damit, etwa zwanzig Proben in Klimakammern zu testen, behielten nur drei oder vier und wiederholten eine Reihe von Tests, um die besten auszuwählen.

Dann fertigten sie 30 Panels für eine neue Testkampagne an, die mit dem CNES durchgeführt wurde. Alle 50 bis 100 Stunden wurden die Paneele aus den Klimakammern genommen, um zu sehen, ob sie sich nicht zu sehr verschlechtert hatten und ob sie noch genug Strom für die Bedürfnisse der wissenschaftlichen Instrumente des Ballons lieferten.

Um auf Nummer sicher zu gehen, validierten die Franzosen diese Panels im Winter 2019/2020 probehalber an acht fliegenden Ballonen.

Für das CSEM ist dieses Höhenexperiment also nicht das erste. Doch im Vergleich zu Solarstratos, wo die Paneele auf die Tragflächen des Flugzeugs geklebt werden, was ihnen Steifigkeit verleiht, müssen die Strateole-2-Gondeln nicht nur sehr leicht, sondern auch stabil sein.

Dieses Produkt ist eine Art Kreuzung zwischen terrestrischen Modulen (wie jene, die Sie auf dem Dach Ihres Hauses montieren können) und den Paneelen auf Satelliten und Raumsonden, die ebenfalls ultrastark und leicht sind, aber viel teurer.

Die Stunde Europas hat geschlagen

Die kleine Schweiz und im Besonderen das CSEM versuchen, in der obersten Liga der Technologieentwicklung mitzuspielen. Doch der grösste Teil der Weltproduktion findet heute in Asien statt, in Europa wird lediglich ein Teil der Solarmodule zusammengebaut.

«Die Schweiz positioniert sich mehr in hochwertigen, sehr spezifischen Produkten. Sie hat zum Beispiel weltweit einzigartige Technologien für gebäudeintegrierte Photovoltaik oder für Mobilität entwickelt», sagt Jonathan Champliaud, ebenfalls Ingenieur am CSEM.

Das Zentrum, das sich als «Brücke zwischen Grundlagenforschung und Industrie» versteht, ist vor allem in der Forschung und Entwicklung für die Meyer-Burger-Gruppe tätig, die unter dem gleichen Dach in Neuenburg eine Niederlassung hat.

Das Schweizer Unternehmen hat kürzlich eine Produktionsstätte in Deutschland eröffnet. Sein Ziel ist es, mehr Solarenergie mit Zellen und Paneelen «Made in Europe» bereitzustellen – und gemeinsam mit CSEM zu entwickeln:

In Zusammenarbeit mit Meyer Burger hat das Neuenburger Zentrum eine Solarzelle entwickelt, deren Wirkungsgrad mit 25% gemessen und anschliessend auf 25,4% erhöht wurde. Das bedeutet, dass sie in der Lage ist, ein Viertel der Energie, die sie von der Sonne erhält, in Strom umzuwandeln.

Auf den ersten Blick mag dies nicht als viel erscheinen. Aber gewöhnliche inländische Zellen haben einen Wirkungsgrad von 22%. Die wenigen, die 25% überschreiten, werden mit Fertigungsprozessen hergestellt, die viel mehr Schritte erfordern als der CSEM-Ansatz – und potenziell teurer sind.

«Die Verbesserung des Wirkungsgrads von Solarzellen ist zweifelsohne positiv. Je höher der Wirkungsgrad, desto weniger Ressourcen muss man verbrauchen», sagt Markus Chrétien, Direktor des Vereins Solarspar, der zu den Pionieren der Solarenergie in der Schweiz gehört.

Im Interview erklärt er, wie die Schweiz mit Photovoltaik ihre Energie- und Klimaziele erreichen kann:

Das sind also gute Aussichten für die Solarenergie in Europa. «Als wir 2013 die CSEM-Photovoltaik-Sparte gründeten, hatten wir etwa 20 Mitarbeitende. Heute haben wir mehr als 80», freut sich Champliaud.

«Mit der Energiewende spüren wir deutlich ein grosses Interesse, vor allem an dem, was unsere Stärke ist: besondere und innovative Produkte. Was wir heute zum Beispiel im Bereich der Mobilität machen, gab es vor fünf Jahren einfach noch nicht. Und wir haben eine Menge Projekte in der Pipeline.»

Sibilla Bondolfi