Fraunhofer ISE - Jahresbericht 2004 · links Oberflächentextur der multikristallinen Weltrekord-Solarzelle mit 20,3% Wirkungsgrad. Die Textur führt zu einer starken Verbesserung

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2004

2004JahresberichtLeistungen und Ergebnisse

Fraunhofer-Institut fürSolare Energiesysteme ISEHeidenhofstraße 279110 Freiburg

Telefon +49 (0) 7 61/45 88-0Telefax +49 (0) 7 61/45 88-90 [email protected]

linksOberflächentextur der multikristallinen Weltrekord-Solarzellemit 20,3% Wirkungsgrad. Die Textur führt zu einer starkenVerbesserung des Lichteinfangs. Die »Schallmauer« von 20%Wirkungsgrad wurde mit Hilfe dieser Oberflächenstruktur undeines neu entwickelten Solarzellenprozesses durchbrochen(Beitrag Seite 34).

MitteNeuentwicklung eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers zurKopplung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren anBatteriesysteme. Das innovative Bauteil- und Schaltungs-konzept zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Wandlerndurch einen wesentlich höheren Wirkungsgrad und eine hoheräumliche Leistungsdichte aus. Die mit einem digitalen Signal-prozessor (DSP) realisierte Regelung ermöglicht einen flexiblenEinsatz auch als unidirektionaler Wandler z. B. als PV-Lade-regler oder als Leistungsregler von Elektrolyseuren und Brenn-stoffzellen (Beitrag Seite 54).

rechtsMikroskopische Aufnahme einer Membran-Elektroden-Einheitfür eine PEM-Brennstoffzelle. Das Bild entstand mit Hilfe einesEnvironmental Scanning Electron Microscope ESEM, welchesMessungen in Wasserdampfatmosphäre erlaubt. Auf dieseWeise können die hydrophilen (Bereiche mit großen Wasser-tropfen) und die hydrophoben (Bereiche mit kleinen Wasser-tropfen) Eigenschaften des Katalysators und der Membranuntersucht werden.

Die Forschung des Fraunhofer-Instituts für SolareEnergiesysteme ISE schafft technische Vorausset-zungen für eine effiziente und umweltfreundlicheEnergieversorgung, sowohl in Industrieländern als auch in Schwellen- und Entwicklungsländern. Dazu entwickelt das Institut Systeme, Komponen-ten, Materialien und Verfahren in den Geschäfts-feldern: Gebäude und technische Gebäudeaus-rüstung, Solarzellen, Netzunabhängige Strom-versorgungen, Regenerative Stromerzeugung imNetzverbund und Wasserstofftechnologie.

Die Arbeit des Instituts reicht von der Erfor-schung der naturwissenschaftlichen Grundlagender Solarenergienutzung über die Entwicklungvon Produktionstechniken und Prototypen bis hinzur Ausführung von Demonstrationsanlagen. DasInstitut plant, berät und stellt Know-how undtechnische Ausrüstung für Dienstleistungen zurVerfügung.

Inhaltsverzeichnis

2–Fraunhofer ISE Jahresbericht 2004

- Fertigungstechnologie für Farbstoff- und Organische Solarzellen 44

- Neues Messverfahren für die örtliche Verteilung von Defekten in Siliciumwafern 45

- Untersuchung der Modulgebrauchs-dauer: Neuer Teststand zur UV-Alterung 46

- Laserlöten von kristallinen Solarzellen 47

Netzunabhängige Stromversorgungen 48- Monitoring von Dorfstromver-

sorgungsanlagen in China 52 - Erschließung erneuerbarer Energie-

träger als Basis für die regionale Wirtschaftsentwicklung 53

- Hocheffiziente DC/DC-Wandler 54- Optimale Batterie-Auswahl für

autarke Stromversorgungssysteme 55- Langzeiterfahrungen von

Brennstoffzellen im Feldbetrieb 56- Innovatives Energiemanagementsystem

für autarke PV-Hybridsysteme 57

Regenerative Stromerzeugung im Netzverbund 58- Höhere Erträge durch verbesserte

Auslegung der Wechselrichterleistung 62- PoMS – ein Energiemanagementsystem

für Niederspannungsnetze mitdezentraler Stromerzeugung 63

- Garantierte Erträge bei solaren Großkraftwerken 65

- Geometrieoptimierung von solar-thermischen Fresnel-Kollektoren 67

Vorwort 4

Organisationsstruktur 6

Das Institut im Profil 8

Das Institut in Zahlen 9

Höhepunkte des Jahres 2004 10

Kuratorium 12

Gebäude und technischeGebäudeausrüstung 14- Photochromes Fenstersystem für die

Fassadenanwendung 18- Optisch schaltbare Spiegel 19- Baustoffe mit integriertem

Latentwärmespeicher 20- Wärmeträgerflüssigkeiten mit

integriertem Phasenwechselmaterial 21- Adsorptionstechnik zum

Heizen und Kühlen 22- Solare Gebäudeklimatisierung 24- Neuer Edelstahlbehang für

den Sonnenschutz 25- Entwicklung neuer Blendschutz-

kriterien 26- Solare Gebäude in der Praxis 27- Gebäude mit dem Nutzer optimieren 28- Haustechnik für zukunftsfähige

Wohngebäude 29

Solarzellen 30- Hocheffiziente Solarzellen aus

multikristallinem Silicium 34- Trend zu großflächigen

Silicium-Solarzellen 37- Technologie-Entwicklung für die

Produktion von dünnen und hocheffizienten Silicium-Solarzellen 38

- Silicium-Heterosolarzellen auf industrierelevanten Substratgrößen 39

- Hochdurchsatz-Siliciumepitaxie für Dünnschichtsolarzellen 40

- III-V Photovoltaikzellen und PV-Empfängermodule für optisch konzentrierende Photovoltaik-Systeme 42

Fraunhofer ISE Jahresbericht 2004–3

Wasserstofftechnologie 68- Charakterisierung von Brennstoffzellen 72- Mikro-Brennstoffzellensystem für

einen breiten Temperaturbereich 74- Optimierung von Membran-Elektroden-

Einheiten für die Elektrolyse 76- Neues Verfahren zur Verdampfung

von Diesel 77- Integration eines Erdgas-Dampf-

reformers in ein Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk 78

- Wasserstofferzeugung aus Diesel für die Stromversorgung an Bord von Schiffen 79

Besondere Kompetenzbereiche 80- Optische Modellierung mikro-

strukturierter Oberflächen im refraktiv-diffraktiven Übergangsbereich 82

- Entwicklung kleiner kompakter Meerwasserentsalzungssysteme 84

- Dezentrale Trinkwasserversorgung in netzfernen Regionen 86

Servicebereiche 88- ISE CalLab: Kalibrieren von

Solarzellen und Modulen 92- Prüfzentrum für Thermische

Solaranlagen 93- Messen und Prüfen von Lüftungsgeräten 94- Vermessung von Fassaden und

transparenten Bauteilen 95- Charakterisierung und Qualifizierung

von elektrischen Komponenten 96

Gastwissenschaftler 98

Mitarbeit in Gremien 98

Kongresse, Tagungen undSeminare 99

Vorlesungen und Seminare 99

Messebeteiligungen 100

Patente 100

Promotionen 101

Pressearbeit 101

Vorträge 102

Veröffentlichungen 107

Abkürzungen 118

Impressum 120

Fakten im Überblick


Die Photovoltaikindustrie verzeichnet weltweitein bisher noch nicht da gewesenes Wachstum.In Japan und Deutschland werden derzeitWachstumsraten von deutlich über 100% proJahr realisiert. Dem entsprechend fragt insbeson-dere die deutsche Industrie in zunehmendemUmfang produktionsnahe F&E-Leistungen beimFraunhofer ISE nach. In diesem Zusammenhangist es für uns von höchster Bedeutung, dass wirEnde 2004 ein sehr großes einschlägiges In-vestitionsprojekt vom Bundesministerium fürUmwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit zu-gesprochen bekamen. Herr Minister Trittin per-sönlich gab auf einer Pressekonferenz in Freiburgbekannt, dass am Fraunhofer ISE ein Photovol-taik Technologie Evaluations-Center (PV-TEC) fürgut 11 Mio € realisiert wird. Im Rahmen von PV-TEC wird eine komplette experimentelle Solar-zellen-Produktionslinie installiert werden. Aufeiner Laborfläche von 1 200 m2 wollen wir zusammen mit der Industrie in noch stärkeremUmfang als bisher hoch innovative Prozess-schritte und Produktionsmaschinen für diePhotovoltaik zeitnah entwickeln.

Der Zeitplan für PV-TEC ist sehr ambitioniert. Die gesamte hoch flexible Anlagenkette sollEnde 2005 installiert sein. Ende des erstenQuartals 2006 wollen wir für die Industrie mitPV-TEC zur Verfügung stehen. Für das Kernteamdes Projekts, bestehend aus Gerhard Willeke,Daniel Biro, Ralf Preu, Stefan Glunz und ThomasFaasch, stellt dies eine beträchtliche Herausfor-derung dar. Aber auch die Fraunhofer Zentraleund das gesamte ISE werden dieses Schlüssel-projekt mit hoher Priorität und größtemEngagement vorantreiben. Ein hoch qualifizierterIndustriebeirat begleitet das Projekt.

Unter anderem auf Grund dieser neuen großenAktivität hoffen wir, unseren Wachstumskursauch 2005 entschieden fortsetzen zu können.2004 – im Berichtszeitraum – wuchs unser Be-triebshaushalt wie in den Vorjahren um etwa8%. Dabei belaufen sich unsere Aufträge ausder Wirtschaft auf ca. 35% (8,2 Mio €).

Mit zunehmendem Markterfolg für solartechni-sche Komponenten gewinnt die Gebrauchsdau-eranalyse stark an Bedeutung. In einigen Markt-feldern werden über 20 Jahre Gebrauchsdauer-garantie erwartet. Wir haben daher 2004 unserediversen Aktivitäten auf diesem Gebiet in der

Gruppe »Solare Fassaden und Gebrauchsdauer-analyse« (SFG) zusammengefasst, um diesesArbeitsfeld strategisch noch besser weiter ent-wickeln zu können. Herr Tilmann Kuhn und HerrMichael Köhl werden sich dieses Feldes verstärktannehmen. Solare Fassadenelemente, Materia-lien für die solarthermische Energiewandlung,ergänzt durch Photovoltaische Module werdenHauptfokusfelder der Gebrauchsdaueranalysesein.

Der vorliegende Jahresbericht gibt Ihnen – hof-fentlich – wie jedes Jahr einen guten Überblicküber das gesamte Spektrum unserer F&E Aktivi-täten (der oben angesprochene Photovoltaik-Halbleiterbereich macht hiervon derzeit »ledig-lich« 30% aus). Aus der Vielfalt des 2004 Er-reichten möchte ich vier Ergebnisse hervorheben,um exemplarisch die Leistungsfähigkeit desFraunhofer ISE im Bereich der angewandten undindustrienahen Forschung auch an dieser Stellezu demonstrieren:- Optisch selektive Absorberschichten für den

Hochtemperatureinsatz in solarthermischen Kraftwerken haben sich in ersten Praxistests bewährt.

- Im Rahmen unserer Entwicklung von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen erreichten wir bei einer Leistung von gut 30 W Stromdichten von55 mA/cm2.

- Auf dem Gebiet der Leistungselektronik-entwicklung für Brennstoffzellensysteme konnten wir Wandlerwirkungsgrade von 97,5% im kW-Leistungsbereich realisieren.

- Wir konnten zeigen, dass sich auch mit multi-kristallinem Siliciummaterial Solarzellen-Wirkungsgrade von über 20% mit Prozessen erreichen lassen, die prinzipiell in industrielle Prozesse übertragbar sind. Bisher galt die magische Schwelle von 20% als nicht über-windbar.

Im Bereich Patente und Lizenzen konnten wir2004 einen wichtigen Meilenstein erreichen.Zum ersten Mal überstiegen unsere Lizenzein-nahmen die jährlichen Aufwendungen im Patentbereich. Darüber hinaus wurde ein wei-terer ISE-interner Rekord erzielt: 16 Patente wurden 2004 erteilt, 14 neu angemeldet. Wirbemühen uns derzeit mit einer gezielten Stra-tegie auf dem Feld der Patente – vor allem wasdie Vermarktung angeht – noch effizienter zuwerden.

F&E-Komplettlösungen für unsere Kunden könnenwir oft nicht alleine erbringen – wir benötigendann hervorragende, komplementär arbeitendePartner und gut eingespielte Partnerschaften. Indiesem Zusammenhang ist es für uns ein großerFortschritt, dass es uns gelungen ist innerhalb derFraunhofer Gesellschaft den »ThemenverbundEnergie« zu gründen. Zehn Institute – die bereitsheute 45 Mio € Erträge im Energiebereich realisie-ren (davon 50% von der Wirtschaft) – arbeiten indiesem neuen Zusammenschluss zunehmendenger zusammen. Koordiniert wird der Verbundneben mir von Herrn Prof. Hauser (Fraunhofer IBP,stellvertretender Sprecher) und Herrn Tim Meyer(Abteilungsleiter am Fraunhofer ISE, Geschäfts-führer des Verbundes).

Der Erfolg unseres Instituts basiert auf vielen Säu-len. Eine davon möchte ich dieses Jahr besondershervorheben: unsere hohe Zahl an hervorragendenDiplomanden und Doktoranden. Wie in den letztenJahren lagen die Zahlen im Durchschnitt bei etwa45 Diplomanden und 55 Doktoranden. So etwasist nur möglich, weil sich eine große Zahl vonWissenschaftlern des ISE aktiv in der Lehre (undteilweise auch in der Forschung) an Universitätenund Fachhochschulen engagiert. Namentlich sinddies neben mir: Roland Schindler, Gerhard Willeke,Volker Wittwer, Dietmar Borchert, Bruno Burger,Andreas Gombert, Sebastian Herkel, Jens Pfaffe-rott, Christel Russ und Heribert Schmidt. Herz-lichen Dank für diesen hohen Einsatz – nebenallen Aktivitäten am ISE – im akademischenBereich!

Abschließend ist es mir ein Bedürfnis, allen Mit-arbeiterinnen und Mitarbeiten unseres Instituts fürdas 2004 Geleistete auch an dieser Stelle nach-drücklich zu danken. Ihre kreative, hoch motivierteund erfolgreiche Arbeit verdient uneingeschränkteBewunderung! Mein besonderer Dank gilt unserenAufraggebern in Wirtschaft, Ministerien und derEuropäischen Union. Erst durch ihr Interesse undVertrauen wird unsere Arbeit möglich.

Prof. Joachim Luther

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Fraunhofer ISE Jahresbericht 2004 5


Die Organisationsstruktur desFraunhofer ISE hat seit dem Jahr

2002 zwei parallele, sichwechselseitig ergänzende

Hauptkomponenten:Abteilungen und Geschäfts-

felder. F&E Marketing, dieAußendarstellung des Instituts

und vor allem unsere Strategie-planung sind entlang der fünf

Geschäftsfelder des Institutsstrukturiert.

Die vier wissenschaftlichenAbteilungen sind für die konkre-

te Arbeitsorganisation und denLaborbetrieb entscheidend. Die

meisten Mitarbeiterinnen undMitarbeiter aus den Bereichen

Wissenschaft und Technik habenihre Basis in den einzelnen

Abteilungen.

Die Bilder zeigen die Leiter der wissenschaft-lichen Abteilungen, den

Institutsleiter und denKaufmännischen Leiter des

Fraunhofer ISE.

Portraits oben v.l.n.r.:

Joachim LutherVolker Wittwer

Gerhard WillekeChristopher Hebling

Portraits unten v.l.n.r.:

Wolfgang Wissler Tim Meyer

Institutsleitung Prof. Joachim Luther

Stellvertretende Institutsleitung Priv. Doz. Dr. Volker Wittwer

Abteilungen Elektrische Energiesysteme +49 (0) 7 61/45 88-52 16Dr. Tim MeyerEnergietechnik +49 (0) 7 61/45 88-51 95Dr. Christopher HeblingSolarzellen - Werkstoffe und Technologie +49 (0) 7 61/45 88-52 66Priv. Doz. Dr. Gerhard WillekeThermische und Optische Systeme +49 (0) 7 61/45 88-51 43Priv. Doz. Dr. Volker Wittwer

Kaufmännische und Dipl.-Kfm. Wolfgang Wissler +49 (0) 7 61/45 88-53 50Technische DienstePresse und Public Relations Karin Schneider M.A. +49 (0) 7 61/45 88-51 47

Strategieplanung Dr. Carsten Agert +49 (0) 7 61/45 88-53 46


Das Institut im Profil


Forschungs- und Dienstleistungsangebot Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesys-teme ISE ist Mitglied der Fraunhofer-Gesell-schaft, einer als gemeinnützig anerkanntenOrganisation, die sich als Mittler zwischen uni-versitärer Grundlagenforschung und industriellerPraxis versteht. Es finanziert sich zu über 80%durch Aufträge in den Bereichen angewandteForschung, Entwicklung und Hochtechnologie-Dienstleistungen. Ob mehrjähriges Großprojektoder Kurzberatung, kennzeichnend für dieArbeitsweise ist der Praxisbezug und dieOrientierung am Kundennutzen.

Vernetzung des Fraunhofer ISE innerhalbder Fraunhofer-GesellschaftFachlich verwandte Fraunhofer-Institute oderAbteilungen von Instituten arbeiten in Verbün-den oder Allianzen zusammen und tretengemeinsam am F&E-Markt auf. Die Mitgliedschaften des Fraunhofer ISE- Mitglied im Institutsverbund »Werkstoffe,

Bauteile« (Materialforschung)- Gastmitglied im Institutsverbund

»Oberflächentechnik und Photonik«- Mitglied im Themenverbund »Energie«- Mitglied im Themenverbund

»Nanotechnologie«- Mitglied der Allianz »Optisch funktionale

Oberflächen«

Internationale Kunden, Auftraggeber und KooperationspartnerDas Fraunhofer-Institut für Solare Energie-systeme ISE arbeitet seit Jahren mit internatio-nalen Kooperationspartnern und Auftraggebernvieler Branchen und Unternehmensgrößen er-folgreich zusammen. Eine Auflistung unsererPartner finden Sie unter www.ise.fraunhofer.de/german/profile/index.html

KurzportraitDie Forschung des Fraunhofer-Instituts fürSolare Energiesysteme ISE schafft technischeVoraussetzungen für eine effiziente und um-weltfreundliche Energieversorgung, sowohl inIndustrieländern als auch in Schwellen- undEntwicklungsländern. Dazu entwickelt dasInstitut Materialien, Komponenten, Systemeund Verfahren in den Geschäftsfeldern: Ge-bäude und technische Gebäudeausrüstung,Solarzellen, Netzunabhängige Stromversor-gungen, Regenerative Stromerzeugung imNetzverbund und Wasserstofftechnologie. Zu weiteren – nicht solartechnischen – Kompe-tenzen zählen funktionale mikrostrukturierteOberflächen sowie Meerwasserentsalzung undTrinkwasseraufbereitung.

Die Arbeit des Instituts reicht von der Erfor-schung der naturwissenschaftlich-technischenGrundlagen der Solarenergienutzung über dieEntwicklung von Produktionstechniken undPrototypen bis hin zur Ausführung von De-monstrationsanlagen. Das Institut plant, berätund stellt Know-how sowie technischeAusrüstung für Dienstleistungen zurVerfügung.

Seit März 2001 ist das Fraunhofer ISE nachDIN EN ISO 9001:2000 zertifiziert.

Das Institut ist in ein Netz von nationalen undinternationalen Kooperationen eingebunden,es ist u.a. Mitglied des ForschungsverbundsSonnenenergie und der European RenewableEnergy Centers (EUREC) Agency. Besonderseng ist die Zusammenarbeit mit der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.

Eine wichtige Stütze des Instituts bilden die »sonstigen« Mitarbeiter, welche die Arbeit inden Forschungsprojekten unterstützen und sowesentlich zu den erzielten wissenschaftlichenErgebnissen beitragen. Im Dezember 2004waren dies 53 Doktoranden, 44 Diplomanden, 31 Praktikanten, 6 Auszubildende sowie 116wissenschaftliche Hilfskräfte. Das Fraunhofer ISEleistet auf diese Weise einen wichtigen Beitragzur Ausbildung.

Zusätzlich zu den in der Grafik angegebenenAusgaben tätigte das Institut im Jahr 2004Investitionen in Höhe von 3,1 Mio Euro.

Das Institut in Zahlen

Neue Reihe Nr. 14

Neue Reihe Nr. 15

N R ih N 16

2001 2002 2003 2004(plan)

2000(plan)

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160

200

240

280

320

360

400

440

0

Sonstige Befristete Stellen (BAT) Unbefristete Stellen (BAT)

Personalentwicklung


Neue Reihe Nr. 16

Neue Reihe Nr. 17

Neue Reihe Nr. 18

Neue Reihe Nr. 19

2001 2002 2003 2004(vorl.)

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10

15

20

25

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Mio Euro

Bund/Länder Industrie EU Sonstige Institutionelle Förderung

Erträge

Kosten

Institutionelle Förder

Sonstige

2001 2002 2003 2004(vorl.)

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5

10

15

20

25

0

Mio Euro

Sachkosten Sonstiges Personal Eigenes Personal

Höhepunkte des Jahres 2004


- Bidirektionalen DC/DC-Wandler für Brenn-stoffzellen bzw. Elektrolyseure mit einer Leistung von 1,2 kW und einem Spitzen-wirkungsgrad von 97,5% entwickelt

- Autonome PV-Hybridanlage einer Wander-gaststätte mit Brennstoffzellen-Zusatzstrom-erzeuger im Feldversuch betrieben und analysiert

- Neuer Flasher ermöglicht Präzisionsmessungen von PV-Modulen bis 4 m2 Fläche genauer als ±2,5%

- Am Fraunhofer ISE entwickeltes Energie-managementsystem steuert erfolgreich dezentrale Erzeuger und Speicher eines Niederspannungsnetzes in Stutensee bei Karlsruhe

- Dieselreformer zur Erzeugung eines Synthese-gases für eine 20 kW(el) Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle entwickelt und für 500 Stun-den im Dauerbetrieb erfolgreich getestet

- 2 kW(el) Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk mit einem vom Fraunhofer ISE entwickelten Erdgasreformer seit März 2003 störungsfrei in Betrieb

- Direktmethanol-Brennstoffzellenstack erreicht Leistungsdichte von 55 mW/cm2 bei 75 °C. Die Zellspannung beträgt 350 mV, die Brennstoffzufuhr besteht aus 1 molarer Methanol-Lösung. Der Gesamtstack ist aus zwölf Einzelzellen aufgebaut und hat eine Leistung von 33 W.

- Passiven Kaltstart bei -20 °C mit einem außentauglichen, portablen Brennstoffzellen-system (20 W) demonstriert

- Mini-Elektrolyseur zur Anwendung in gas-chromen Fenstern auf der Glasstec vorgestellt: Technologietransfer aus dem Fraunhofer ISE machte erste Pilotfertigung in der Industrie möglich

Forschung und Entwicklung- Selektive Absorberschichten für

Parabolrinnen-Kraftwerke in ersten Praxistests bewährt

- Gaschrome Fenstersysteme erstmals in größeren Demonstrationsfassaden getestet

- Nanostrukturierte funktionale Oberflächen erstmals in über 1 m2 Größe hergestellt

- Neu entwickelte Sonnenschutz-Lamellen-systeme finden breiten Markteinsatz

- Komplette Kühlgeräte auf der Basis sorptiverMaterialien zur Vorserienreife entwickelt

- Neue Bewertungskriterien ermöglichen bessere Vorhersage der Nutzerakzeptanz von Sonnen- und Blendschutzsystemen

- Weltrekordwirkungsgrad (20,3%) auf 1x1 cm2 multikristalliner Silicium-Solarzelle erzielt

- Silicium-Konzentratorzelle erreicht 25% Wirkungsgrad bei einer optischen Konzentration von 100

- 18,1% Wirkungsgrad für 180 µm dünne, 125x125 mm2 große monokristalline Silicium-Solarzellen mit Siebdruck-Vorderseiteund LFC-Rückseite erzielt

- 17,1% Wirkungsgrad für eine 125x125 mm2 große Cz-Si-Solarzelle mit Siebdruckkontakten und hochohmigem Emitter (Schichtwiderstand 60 Ω/sq) erreicht

- Defektarme Silicium-Epitaxie mit Hilfe einer Anlage zur kontinuierlichen in-line Abscheidung von Silicium, bei einem Durchsatz von 2,9 m2/h, gelungen

- 1,6x2,4 cm2 MIM PV-Elemente (mono-lithically integrated modules) auf GaAs-Basis mit 25 V entwickelt

- Fünffach-Solarzelle mit Weltraumanwendungmit 5,2 V Zellspannung hergestellt


PreiseIm Januar 2004 erhielten Herr Dr. Ralf Preu und Herr Dipl.-Ing. Eric Schneiderlöchner den Dr. Meyer-Struckmann-Wissenschaftspreis 2003der Brandenburgischen Technischen UniversitätCottbus.

Der Verein Deutscher Ingenieure des BezirksMittelrhein verlieh Herrn Marc Hofmann denVDI-Förderpreis.

Auf der Fuel Cells Science and Technology 2004wurde Michael Oszcipok mit einem PosterAward ausgezeichnet.

Kuratorium


Dr. Holger JürgensenAixtron AG, Aachen

Dr. Franz KargShell Solar GmbH, München

Prof. Werner KleinkaufGesamthochschule Kassel, Kassel

Dipl.-Volkswirt Joachim Nick-LeptinBundesministerium für Umwelt, Naturschutzund Reaktorsicherheit (BMU), Berlin

Klaus-Peter PischkeKreditanstalt für Wiederaufbau, Frankfurt

Dr. Dietmar RothRoth & Rau Oberflächentechnik GmbH,Hohenstein-Ernstthal

Ministerialrat Hanno SchnarrenbergerMinisterium für Wissenschaft, Forschungund Kunst Baden-Württemberg, Stuttgart

Dr. Thomas SchottZentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung ZSW, Stuttgart

Prof. Paul SiffertLaboratoire de Physique et Applicationsdes Semiconducteurs CNRS, Straßburg

Dipl.-Volkswirt Christof SteinBundesministerium für Umwelt, Naturschutzund Reaktorsicherheit (BMU), Berlin

Gerhard WarnkeMAICO Ventilatoren, Villingen-Schwenningen

Das Kuratorium begutachtet die Forschungs-projekte und berät die Institutsleitung und denVorstand der Fraunhofer-Gesellschaft bezüglichdes Arbeitsprogrammes des Fraunhofer ISE.Stand: 31.12.2004

VorsitzenderProf. Peter WoditschDeutsche Solar AG, Freiberg

Stellvertretender VorsitzenderDipl.-Ing. Helmut JägerSolvis Energiesysteme GmbH & Co. KG,Braunschweig

MitgliederDr. Hubert AulichPV Silicon AG, Erfurt

Dipl.-Phys. Jürgen BergerVDI/VDE TechnologiezentrumInformationstechnik GmbH, Teltow

Dipl.-Ing. Heinz BergmannRWE Fuel Cells GmbH, Essen

Hans Martin BitzerFresnel Optics GmbH, Apolda

Dipl.-Ing. Manfred DittmarInterpane Glasindustrie AG, Lauenförde

Dr. Gerd EisenbeißForschungszentrum Jülich GmbH, Jülich

Ministerialrat Gerd HeitmannWirtschaftsministerium Baden-Württemberg,Stuttgart

Dr. Peter HertelW.L. Gore & Associates GmbH,Putzbrunn/München

Prof. Thomas HerzogTechnische Universität München

Dr. Winfried HoffmannRWE SCHOTT Solar GmbH, Alzenau


Gebäude und technische Gebäudeausrüstung

Solarzellen

Netzunabhängige Stromversorgungen

Regenerative Stromerzeugung im Netzverbund

Wasserstofftechnologie

Arbeiten in besonderen Kompetenzbereichen

Servicebereiche

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Nachhaltige Gebäude schützen nicht nur dasKlima, sondern lassen sich auch besser vermark-ten. Wer Solarenergie und Energieeffizienz inseine Immobilie »einbaut«, wird leichter Käuferund Mieter dafür finden. Das gilt für Neubautengenauso wie für die Gebäudesanierung, fürgewerbliche Bauwerke genauso wie für dasEinfamilienhaus. Denn die Energiekosten sindlängst zur »zweiten Miete« geworden.Außerdem bieten nachhaltige Gebäude mehrNutzungskomfort: viel natürliches Licht ohneBlendung, Wohlfühltemperaturen das ganze Jahrhindurch, frische Luft ohne Zugerscheinungen.

Die Gesetzgebung unterstützt den Trend zumnachhaltigen Bauen. So müssen ab 2006 beimPrimärenergieverbrauch in Gebäuden definierteGrenzwerte eingehalten werden. Dies unter-stützt den Einsatz solarer und energieeffizienterWandlersysteme. Ein Energiepass wird dem Laienden Energieverbrauch von Gebäuden transparentmachen.

Wie wichtig das Thema Energieeffizienz inGebäuden ist, zeigt folgende Zahl: Wir verbrau-chen heute für den Betrieb von Gebäuden über40% der deutschen Endenergie. Damit wirdgeheizt, gekühlt, gelüftet, beleuchtet und vielesmehr. Rationelle Energienutzung reduziert denEnergieeinsatz für diese Dienstleistungen undverbessert dabei oft sogar noch den


Gebäude und technischeGebäudeausrüstung

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Nutzungskomfort. In jedem Fall gilt: Je geringerder verbleibende Energiebedarf, desto größer istder Anteil, den erneuerbare Energien sinnvolldecken können. Beim Fraunhofer ISE sind Ge-bäude und ihre technische Ausrüstung ein zen-trales Geschäftsfeld. Wir sind immer dann derrichtige Ansprechpartner, wenn ganz neueLösungen gesucht werden oder besonders hoheAnforderungen zu erfüllen sind. So entwickelnwir Ideen, machen sie in Produkten oder Ver-fahren praxisreif und testen sie in Demonstra-tionsbauten. Oder wir konzipieren anspruchsvol-le Bauwerke mit teilweise selbst entwickeltenSimulationswerkzeugen. Die Bearbeitungstiefeder Themen reicht von der Grundlagenentwick-lung bis zur Markteinführung fertiger Systeme.

Für diese Aufgaben arbeiten viele Disziplinenzusammen: Materialforschung und Schichtent-wicklung, rationelle Energienutzung, Simulation,Planung, Monitoring, Entwicklung von Kompo-nenten wie Fenster oder Fassaden und vonSolarsystemen für Strom und Wärme. Wachsen-de Bedeutung haben Kleinstwärmepumpen.Zukunftsweisend sind dezentrale Energieerzeu-ger wie kleine Brennstoffzellen und Stirlingmoto-ren als Strom- und Wärmelieferanten im Ge-bäudebereich.

Mit umfassender Messtechnik charakterisierenwir Materialien und Systeme. Mit Monitoring impraktischen Einsatz werten wir die Betriebser-fahrungen an ausgewählten Gebäuden aus undverbessern so unsere und unserer Kunden Kon-zepte. Nationale Demonstrationsprogrammebegleiten wir mit umfangreichen Analysen.

Im Team mit Architekten, Fachplanern und derIndustrie planen wir Gebäude von heute undentwickeln Gebäude für morgen. Die internatio-nalen Rahmenbedingungen hierfür gestalten wir

in der Internationalen Energieagentur IEA zurSolaren Klimatisierung, zum Solaren Bauen undzur Langzeitbeständigkeit von Komponentenmit. Damit sind wir immer über die aktuellentechnischen Normen informiert. Zusammen mitunseren internationalen Kontakten können wirunsere Kunden so beim Markteintritt unterstüt-zen.

Die Weiterentwicklung von Simulationspro-grammen zur Optimierung von Materialien undSystemen zählt ebenso zu unseren Arbeiten wieauch Studien zur Nutzerakzeptanz von baulichenLösungen.

Unsere Apparaturen und Messverfahren entwi-ckeln wir ständig weiter. Einige Beispiele:

- große Laserbelichtungstische, um bis zu 120 cm x 120 cm große Mikrostrukturen herzustellen

- Vakuumbeschichtungsanlage zur industrie-nahen Herstellung großflächiger (140 cm x 180 cm) komplexer Schichtsysteme auf Gläsern, Folien und Metallen

- optische Labore für Charakterisierungen und Analysen bei der Materialentwicklung

- Testlabore zur Bestimmung physikalischer und technischer Eigenschaften von Kollektoren, thermischen Speichern, Fenster- und Fassadensystemen und PV-Modulen

- Messtechnik für die Qualitätssicherung vor Ort im Bauwesen.

Je komplexer Gebäude und Systeme werden,desto wichtiger sind Steuerung und Regelung.Mit der Entwicklung von Soft- und Hardwarestreben wir letztendlich das Ziel an, Gesamtsys-teme unter ökonomischen und/oder ökologi-schen Gesichtspunkten optimal zu betreiben.

16 Fraunhofer ISE Jahresbericht 2004

Das gemeinsam mit der Firma clauss markisen Projekt GmbH entwickelte Sonnenschutz-system »s_enn®« findet breiten Markteinsatz. Hier der Blick durch eine mit »s_enn®«ausgestattete Fassade der Universität Brixen. Die Profilbeschaffenheit ermöglicht eineAusblendung des direkten Sonnenlichts bei einem Sonnenstand von 20 Grad über demHorizont. Der so minimierte Energieeintrag erlaubt eine Reduzierung der Klimatisie-rungskosten. Es besteht ständiger Sichtkontakt nach draußen, außerdem ist das Systemextrem windstabil (Beitrag Seite 25).



Ansprechpartner

Gebäudekonzepte und Simulation Dipl.-Ing. Sebastian Herkel Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 17E-Mail: [email protected]

Solare Fassaden und Dr. Werner Platzer Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 31Gebrauchsdaueranalysen E-Mail: [email protected]

Dipl.-Phys. Tilmann Kuhn Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 97E-Mail: [email protected]

Heizungs-, Lüftungs- Dr. Andreas Bühring Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 88und Klimatechnik E-Mail: [email protected]

Dr. Hans-Martin Henning Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 34 E-Mail: [email protected]

Sorptive und Phasenwechsel- Dr. Hans-Martin Henning Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 34Speichermaterialien E-Mail: [email protected]

Thermische Solaranlagen Dipl.-Phys. Matthias Rommel Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 41E-Mail: [email protected]

Monitoring und Dipl.-Ing. Sebastian Herkel Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 17Demonstrationsprojekte E-Mail: [email protected]

Dipl.-Ing. Klaus Kiefer Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 18E-Mail: [email protected]

Beschichtungstechnik Dipl.-Ing. Wolfgang Graf Tel.: +49 (0) 7 61/4 01 66-85E-Mail: [email protected]

Strukturierung von Oberflächen Dr. Andreas Gombert Tel.: +49 (0) 7 61/4 01 66-83E-Mail: [email protected]

Übergreifende Koordination

Gebäude und technische Priv. Doz. Dr. Volker Wittwer Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 40Gebäudeausrüstung E-Mail: [email protected]

Wasserstofftechnologie Dr. Christopher Hebling Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 95E-Mail: [email protected]

Im Jahresbericht 2003 stellten wir bereits dasvon uns entwickelte photoelektrochrome Fens-tersystem mit polymerem Ionenleiter vor. Diesesfärbt unter Beleuchtung ein und kann jederzeitmit Hilfe eines Schalters wieder entfärbt werden.Nun gelang es uns, dieses System zu einem ein-facheren photochromen Fensterelement zumodifizieren, das einen hohen Färbekontrastauch bei erhöhten Temperaturen aufweist.Dieses System ist zwar nicht mehr willkürlichschaltbar, aber wesentlich einfacher in derHerstellung.

Das Musterelement eines photochromen Fens-ters dunkelt unter Beleuchtung mit Sonnenlichtvon einer 60%igen Transmission – bezogen aufden sichtbaren Spektralbereich – auf 4% ein.Abbildung 2 zeigt das Prinzip eines photochro-men Mehrschichtaufbaus. Unter Beleuchtungwerden Farbstoffmoleküle angeregt und von die-sen Elektronen über das Titandioxid TiO2 in dasWolframoxid WO3 injiziert. Dadurch färbt sichdas WO3 blau ein. Die Ladungsneutralität wirddurch zwei Vorgänge erreicht: positiv geladeneLithium-Ionen aus dem Elektrolyt lagern sich indas WO3 ein, gleichzeitig geben negativ gela-dene Iodid-Ionen Elektronen aus dem Elektrolytan die Farbstoffmoleküle ab. Die I- Ionen werdendabei zu I3- oxidiert. Dieser Prozess läuft auchumgekehrt ab, indem vor allem Elektronen vomWO3 an I3- Ionen im Elektrolyt abfließen. DieseRückreaktion ist zwar sehr langsam, kann aberdurch Zugabe eines Katalysators wie Platin (Pt)stark beschleunigt werden. Die gezielte Einstel-lung der katalytischen Aktivität ist wesentlich füreinen ausgeprägten photochromen Effekt. Einestärkere katalytische Wirkung beschleunigt dieEntfärbung, reduziert aber die Gleichgewichts-färbung. Die Optimierung hängt von den Anfor-derungen der jeweiligen Anwendung ab. Abbil-dung 3 zeigt die Umsetzung des Konzepts alsEinschichtsystem.


Photochromes Fenstersystem für die Fassadenanwendung

Photochrome Systeme färben und entfärbensich unter Einfluss der Beleuchtung reversibel.Bisher bekannte und vor allem bei Sonnen-brillen genutzte Systeme sind für Fassadenjedoch nicht anwendbar, da sie eine zu gerin-ge Stabilität aufweisen und bei höherenTemperaturen nur noch schwach einfärben.Auf der Basis einer Kombination aus elektro-chromem Wolframoxid und einer Farbstoff-solarzellenschicht gelang es uns, ein photo-chromes Fenstersystem herzustellen, wie esinsbesondere für Verglasungsanwendungen inGebäuden oder Fahrzeugen geeignet ist.

Anneke Georg*, Andreas Georg

* Albert-Ludwigs-Universität, Freiburger Materialforschungszentrum FMF

Abb. 3: Photochromes Einschicht-system. Der Katalysator ist gleichmäßigüber die nanoporöse Oberfläche derOxidschichten verteilt. Bei allen Sys-temen kann prinzipiell der Farbstoffauch direkt auf das WO3 abgeschiedenwerden.

Abb. 2: Funktionsschema des photo-chromen Fenstersystems am Beispieleines Mehrschichtaufbaus. Auf einemSubstrat befindet sich eine katalytischePlatinschicht, darauf je eine nanoporöseWO3- und TiO2-Schicht. Die TiO2-Ober-fläche ist mit einem Farbstoff belegt. Inden Poren befindet sich ein Elektrolyt,der Li+, I- und I3- Ionen enthält.

Abb. 1: Photochromes Fensterelementvor und nach dem Einfärben durchBeleuchtung mit Sonnenlicht.

WO3 TiO2

Substrat

Farbstoff

Elektrolyt

Kat

TiO2

Glas

WO3

Farbstoff

Pt

Lichte-

GlasLi+

I3-I-


Die Abbildungen 1 und 2 zeigen Nickel-Magnesium-Schichten im spiegelnden Zustandan Luft und im transparenten Zustand in einerGasatmosphäre mit verdünntem Wasserstoff. DieWerte der Transmission können typischerweisevon 0,2% auf 40% – bezogen auf das sichtbareSpektrum – geschaltet werden. Die Schichteneignen sich somit besonders für Anwendungenim Blendschutz. Die Reflexion ändert sich dabeivon ca. 75% auf 20%.

Der Schwerpunkt unserer Untersuchungen liegtvor allem in der Verbesserung der Stabilität derSchichten. Hierfür wurde der Mechanismus derReaktion der Hydrierung, d.h. der Einlagerungdes Wasserstoffs für den Übergang zum transpa-renten Halbleiter erforscht. Ebenso die Reaktionder Dehydrierung als Umkehrung dieses Vor-gangs (Abbildung 3). Auf der Metallschichtbefindet sich eine Katalysatorschicht aus Palla-dium. Diese hat neben der katalytischen Wir-kung der Dissoziation der Gase auch die Funk-tion einer Schutzschicht, d.h. sie vermindert dieDegradation der Metallschicht. Diese Degra-dation macht sich zunächst in einer Reduzierungder Schaltgeschwindigkeit bemerkbar. Durch denVergleich mit anderen Deckschichten fanden wirheraus, dass insbesondere die Palladium-Metall-Grenzschicht eine wesentliche Rolle für dieKinetik und die Funktion des Systems spielt. Dies schränkt die Möglichkeit des Einbaus vonZusatzschichten zur Stabilisierung stark ein. Zu-sätzlich ergab sich aus einer Analyse der Schalt-prozesse, dass sich am Substrat eine Keimschichtbildet, an der die Phasenumwandlung vomMetall zum Halbleiter besonders schnell abläuft.Deshalb beginnt die Phasenumwandlung vomMetall zum Halbleiter bei der Hydrierung am

Substrat und setzt sich dann kontinuierlich biszur Oberfläche fort. Eine Erhöhung des Nickel-anteils verbessert die Stabilität der Schichten.

Abb. 3: Mechanismus der Hydrierung von Nickel-Magne-sium-Schichten in H2-Atmosphäre und Dehydrierung in O2.Hydrierung (links): Wasserstoff-Moleküle werden am Palla-dium dissoziiert und diffundieren durch die Metallschicht.Am Substrat beginnt die Phasenumwandlung vom Metallzum Halbleiter. Es bilden sich zwei Schichten aus, eine metal-lische und eine halbleitende, deren Grenzfläche zur Ober-fläche fortschreitet. Bei der Dehydrierung in O2 (rechts) wandert diese Grenzfläche von der Oberfläche zum Substrat.

Abb. 2: Nickel-Magnesium-Schicht in verdünnter WasserstoffAtmosphäre im transparenten Zustand. Man blickt durch dieSchicht hindurch auf die Figur, die hinter der Messzelle steht.

Abb. 1: Nickel-Magnesium-Schicht an Luft im spiegelndenZustand. Man sieht das Spiegelbild der Figur, die vor derMesszelle steht.


Optisch schaltbare Spiegel

Bestimmte Metalle gehen unter Einlagerungvon Wasserstoff von einem metallischen spiegelnden Zustand in einen halbleitendentransparenten Zustand über. Legierungen ausMagnesium und Nickel sind hier von beson-derem Interesse, da sie aus kostengünstigenMaterialien bestehen und gute optischeEigenschaften aufweisen. Optisch schaltbareFenster eignen sich, insbesondere auch inKombination mit lichtlenkenden Strukturen fürAnwendungen im Bereich Überhitzungs- undBlendschutz.

Jürgen Ell, Andreas Georg, Wolfgang Graf

Katalysator (Pd)

Glas Substrat

H H

H H

Metallisches Metallhydrid(Mg2NiH0.3)

Halbleitendes Metallhydrid(Mg2NiH4)

Katalysator (Pd)

Glas Substrat

H H

O O

Metallisches Metallhydrid(Mg2NiH0.3)

Halbleitendes Metallhydrid(Mg2NiH4)

O

H HO


Erste Baustoffe mit integrierten Phasenwechsel-materialien (PCM) zur passiven Gebäudekühlungsind zur Marktreife entwickelt und seit 2004 imHandel erhältlich. Rein passiv, d.h. nur als Bau-stoff eingesetzt, unterliegen diese Speicher zweigrundsätzlichen Beschränkungen: erstens be-grenzt der Luft-Wand-Wärmeübergang die maxi-male Leistung des Speichers im Rahmen einesTag-Nachtzyklus; zweitens ist man bei passivenAnwendungen von der Außentemperatur derNachtluft als Kältesenke abhängig. In manchenGebäudetypen oder unter gewissen klimatischenBedingungen begrenzen diese Beschränkungendie Anwendbarkeit erheblich.

Eine mögliche Lösung ist das Integrieren vonStrömungskanälen in diese Wärmespeicher-Bau-stoffe: durch eine geeignete Wahl der Kanäle istein sehr guter Wärmeübergang zum PCM reali-sierbar. Dadurch ist z. B. eine schnelle Reaktioneiner Kühldecke trotz deren hoher Speicher-fähigkeit möglich.

Durch den Fluid-Kreislauf kann jede beliebigeKältequelle wie beispielsweise das Erdreich oderBrunnenwasser für die Rückkühlung genutztwerden.

Die hohe Speicherkapazität bei gleichzeitig sehrgeringer Schichtdicke und geringem Gewichtmachen derartige Kühlsysteme insbesondere fürRenovierungsvorhaben attraktiv.

Als Weiterentwicklung der PCM-haltigen Bau-stoffe entwickeln und optimieren wir deshalbgemeinsam mit den Industriepartnern BASF,Maxit und Caparol aktiv durchströmte Latent-wärmespeicher für Gebäude. Die Arbeiten wer-den als Verbundprojekt vom Bundeswirtschafts-ministerium gefördert.

Baustoffe mit integriertem Latentwärmespeicher

In den vergangenen Jahren haben wir in Zusammenarbeit mit unseren ProjektpartnernBaustoffe mit integrierten Phasenwechselma-terialien (Phase Change Materials, PCM) zurErhöhung der Wärmekapazität von Leichtbau-gebäuden entwickelt. In einem nächstenSchritt werden aktiv durchströmte Bauteile ausdiesen Baustoffen untersucht, die die Anbin-dung an eine beliebige Kältequelle und eineeffektivere Kühlung ermöglichen.

Peter Schossig, Thomas Haussmann, Stefan Gschwander, Harald Rogg, Hans-Martin Henning

Abb. 1: Das Auf-bringen des PCM-Putzes erfolgt wie bei einem herkömm-lichen Gipsputz. Diegeringe Schichtdickeund das geringe Ge-wicht bei gleichzeiti-ger hoher Speicher-fähigkeit sind beson-ders bei Renovierungs-vorhaben von Vorteil.Die an der Deckesichtbaren Kapillar-rohrmatten können aneine beliebige Kälte-quelle wie beispiels-weise einen Nasskühl-turm oder Brunnen-wasser angeschlossenwerden.

Abb. 2: Die eng liegen-den, Wasser durch-strömten Kapillaren er-möglichen eine sehrgute thermische Anbin-dung an den umgeben-den Putz. Dadurch istschon bei kleinen Tem-peraturdifferenzen einschnelles Abkühlen derDecke möglich. Diesund die geringeSchichtdicke ermög-lichen im Vergleich zurBauteilkühlung eineschnelle Reaktion desSystems trotz derhohen Speicherfähig-keit des PCMs.


Das bekannteste Wärmeträgerfluid ist Wasser.Mit einer spezifischen Wärmekapazität von etwa4,2 kJ/kg K lässt sich in ihm Wärme auf einfacheWeise speichern. Da sich dieser Wert im Bereichzwischen 0 und 100 °C kaum ändert, nimmt diegespeicherte Wärmemenge des Wassers nahezulinear mit der Temperaturerhöhung zu: Je höherdie nutzbare Temperaturdifferenz einer Anwen-dung ist, desto mehr Wärme kann gespeichertwerden.

Anders als das sensible WärmeträgermediumWasser haben Phase Change Slurries eine sehrstark von der Temperatur abhängige Wärme-kapazität. PCS bestehen aus einem Trägerfluidund einem Phasenwechselmaterial (PCM). DerTemperaturbereich mit hoher Wärmekapazitätwird durch den Schmelzbereich des jeweils ein-gesetzten PCM bestimmt. Dieses muss daherpassend zur Anwendung gewählt werden. Diewährend des Schmelzprozesses speicherbareWärmeenergie liegt für die von uns als PCM verwendeten verkapselten Paraffine zwischen100 und 180 kJ/kg bei einem Schmelzbereichvon 3 bis 5 K.

Aufgrund der Eigenschaft der PCS, im Schmelz-bereich viel Wärme bei geringer Temperaturer-höhung zu speichern, sind sie besonders fürAnwendungen von Vorteil, die mit einer gerin-gen Temperaturspreizung arbeiten. Die Kälte-technik ist ein Beispiel. In den für Industriean-wendungen und Gebäudeklimatisierung wichti-gen Temperaturbereichen von 5 °C–10 °C und15 °C–18 °C untersuchten wir vielversprechendeMaterialien.

Die Simulationen von Kältekreisen (z. B. Nah-kältenetzen) zeigen das hohe Energieeinspar-potenzial, das durch PCS gegenüber Wasser-oder Wasserglykolsystemen erreicht werdenkann. Beispielsweise konnte die benötigteEnergie zur Förderung der gleichen Wärme-mengen mit PCS um bis zu 50% reduziert werden. Zudem lassen sich Kältemaschinen beiEinsatz von PCS in einem wesentlich günstigerenArbeitspunkt betreiben.

Gemeinsam mit Industriepartnern führten wirdiese Entwicklung im Rahmen eines durch dieEU geförderten Projektes durch.


Abb. 1: PCS sind Flüssig-keiten, die sehr hoheWärmemengen bei klei-nen Temperaturdiffe-renzen speichern kön-nen. Sie bestehen auseiner Trägerflüssigkeitund einem beigemeng-ten Phasenwechsel-material. Durch geeigne-te Maßnahmen bleibtdas Gemisch auch imerstarrten Zustand desLatentmaterials flüssig.

Abb. 2: Der Wärme-inhalt eines PCS mit30% PCM und einemSchmelzbereich von 5 °Cbis 8 °C ist deutlichhöher als der von reinemWasser. Durch die hoheWärmespeicherfähigkeitim Schmelzbereich sindderartige Fluide insbe-sondere für Anwen-dungen mit kleiner Tem-peraturspreizung vonVorteil. Dies ist vorwie-gend im Bereich derKältetechnik der Fall.

Wärmeträgerflüssigkeiten mit integriertem Phasenwechselmaterial

Phasenwechsel-Fluide (Phase Change Slurries,PCS) sind Wärmeträgerfluide, die aus einerTrägerflüssigkeit und einem Phasenwechsel-material (Phase Change Material, PCM) beste-hen. Innerhalb des Schmelzbereiches des Pha-senwechselmaterials erreicht ein solches PCSim Vergleich zu herkömmlichen Wärmeträger-fluiden eine hohe spezifische Wärmekapazität.Auf der Basis von Phasenwechselfluiden ent-wickeln wir energieeffiziente Anwendungen inden Bereichen Kälte- und Wärmetransport.

Stefan Gschwander, Peter Schossig, Thomas Haussmann, Hans-Martin Henning

PCS 30 %

reines Wasser

0 5 10 15 20

Temperatur [°C]

80

60

40

20Wär

mei

nhal

t [k

J/kg

]


Monte-Carlo-Simulation der Wasseradsorption in MikroporenBei der Adsorption von Wasser, also der Anla-gerung von Gasmolekülen an Grenzflächen vonmikroporösen Feststoffen, findet ein großerWärmeumsatz statt. Dies kann in thermischenWandlern genutzt werden. Die heute marktver-fügbaren Adsorbentien wurden jedoch auf ganzandere Eigenschaften hin konzipiert (syntheti-siert) und bieten daher ein großes Optimierungs-potenzial bezüglich des Einsatzes in optimiertenWärmepumpen und Kältemaschinen. Hierzumuss jedoch der Einfluss der verschiedenenOberflächen- und Struktureigenschaften auf dieAdsorptionsisotherme auf molekularer Ebeneverstanden werden.

Um den Einfluss von Porengeometrie und chemi-scher Struktur auf die Materialeigenschaften zuuntersuchen setzen wir molekulare Computer-simulationen ein (Abbildung 1). Die Simulationenwerden sowohl mit einem eigens hierfür ent-wickelten Programm unter Linux/PC als auch miteiner kommerziell erhältlichen Simulations-Suiteunter Irix/SGI (Cerius2/Sorption, Accelrys Inc.)durchgeführt. Unsere Arbeiten hierzu sind in einvom Bundesforschungsministerium finanziertesNetzwerkprojekt eingebunden. In diesem vomFraunhofer ISE geleiteten Projekt arbeiten wirinsbesondere mit verschiedenen Synthese-Gruppen zusammen.

Adsorptionstechnik zum Heizen und Kühlen

Die Bedeutung thermisch angetriebener Ver-fahren für die Gebäudekühlung wächst kontinuierlich. Zu den Hintergründen zähltbeispielsweise der Einsatz hocheffizienter,dezentraler Energieverbundsysteme (Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung) auch im kleinenLeistungsbereich. Adsorptionstechnik ist hierein vielversprechender Lösungsansatz für diethermisch angetriebene Kühlung. Wir bearbei-ten diese Technik auf vielen Ebenen, von denGrundlagen über die Materialforschung bis hinzur Geräteentwicklung.

Moritz Gerstung, Hans-Martin Henning,Stefan Henninger*, Tomas Núñez, Ferdinand Schmidt, Yan Schmidt, Lena Schnabel, Dirk Spreemann


Abb. 1: »Momentaufnahme« einer Monte-Carlo-Simulationan einem Zeolithen vom Typ MFI. Zeolithgitter: Rot = Sauer-stoff, Orange = Silicium, Blau = Ausgleichsionen des Zeolith-gitters, Weiß = Wasserstoff. Die Wassermoleküle setzen sichbevorzugt in die mit einem Ausgleichsion besetzten Poren.Sie drehen sich mit dem partiell negativ geladenen Sauer-stoff (rot) in Richtung der positiven Ladung des Ausgleichs-ions, hier beispielsweise Natrium.


KinetikapparaturNeben den Gleichgewichtsdaten spielt dieSorptionskinetik eine Schlüsselrolle für die tech-nische Anwendung. Im Frühjahr 2004 wurde einVersuchsstand zur Vermessung der kinetischenEigenschaften mikroporöser Sorptionsmaterialienin Betrieb genommen. Damit können jetzt quan-titative Aussagen über die Geschwindigkeit derAdsorption gemacht werden (Abbildung 2).

WärmepumpenteststandUm die Leistungsfähigkeit von thermisch ange-triebenen Wärmepumpen unter reproduzierba-ren Bedingungen zu untersuchen, bauten wireinen entsprechenden Teststand am FraunhoferISE auf. Darin können Geräte mit einer nutzba-ren Wärmeleistung (mittleres Temperatur-Niveau)von bis zu 25 kW charakterisiert werden. Dabeierfolgt der thermische Antrieb über einenDruckwasserkreis (20 bar, max. 200 °C).

Hocheffizienter SorptionsluftentfeuchterIm Rahmen eines von der EU unterstützten Pro-jekts entwickelten wir einen hocheffizientenLuftentfeuchter. Das Gerät ist als Luft-Luft-Gegenstromwärmetauscher aufgebaut(Prinzipskizze Abbildung 3). Grundidee ist es, die Außenluft über eine mit Sorptionsmittelbeschichtete Fläche zu leiten. Die frei werdendeSorptionswärme wird unmittelbar an die imGegenstrom geführte Abluft abgegeben, wobeidie Abluft durch kontinuierliche Befeuchtungabgekühlt wird. Die dem Raum zugeführteZuluft ist auf diese Weise entfeuchtet undgekühlt. Im Rahmen einer Simulation sowieerster Messungen wurde die hohe Entfeuch-tungseffizienz nachgewiesen.

Abb. 2: Kinetik-Apparatur zur Vermessung von Verbund-Systemen bestehend aus Wärmetauscher-Lamelle undSorptionsmittel. Die Messung kann isobar oder mit festerTeilchenzahl (Wasser-Moleküle) erfolgen. Die trockene Probe(im Foto ein Silika-Gel-Granulat in einer Kupferwanne) wirdauf eine thermostatisierte Platte aufgebracht und dann einerdefinierten Wasserdampfmenge ausgesetzt. Bei einer isoba-ren Messung wird das Wärmeflusssignal ausgewertet, beieiner Messung mit fester Teilchenzahl das Drucksignal(Druckabsenkung durch Adsorption).

Abb. 3: Prinzip des hocheffizienten, durch indirekte Verdunstungskühlung gekühlten Sorptionsgegenstrom-entfeuchters (Funktionsweise siehe Text). Dieses Verfahren ist insbesondere für die Luftentfeuchtung in Ländern mitfeucht-warmem Klima aussichtsreich.


Abluft

Zuluft

BefeuchterSorptions-material

Fortluft

Außen-luft


Solare Gebäudeklimatisierung

Die Nutzung solarthermischer Anlagen für dieGebäudeklimatisierung ist eine junge, vielver-sprechende Technik. Unsere Arbeiten auf die-sem Gebiet reichen von der Auslegung vonAnlagen über die Begleitung von Demonstra-tionsvorhaben bis hin zur Leitung internationa-ler Verbundprojekte.

Daniel Gessner, Torsten Geucke, Hans-Martin Henning, Carsten Hindenburg,Mario Motta, Lena Schnabel, Kay Tecklenborg,York Tiedke, Edo Wiemken

Solare Klimatisierung mit wässriger SalzlösungIn Freiburg wurde Ende 2003 eine Pilotanlage(Abbildung 1) der Firma Menerga Apparatebau inBetrieb genommen. Diese Gesamtanlage wird vonuns vermessen und in Zusammenarbeit mit demHersteller werden Optimierungen durchgeführt. DieAnlage versorgt sechs Räume im Fraunhofer SolarBuilding Innovation Center (SOBIC). Für die Luft-Entfeuchtung wird eine wässrige LiCl-Salzlösungeingesetzt. Die Firma Menerga stellte die Klima-anlage kostenlos zur Verfügung. Die Solaranlage(17 m2) wurde von der Firma UFE Solar gespendet.

Solare Klimatisierung mit LuftkollektorenDie solar-autarke sorptionsgestützte Klimatisie-rungsanlage der IHK Südlicher Oberrhein in Frei-burg wird von uns durch Monitoring begleitet.Neben anderen Detailuntersuchungen realisiertenwir im vierten Betriebsjahr 2004 die Möglichkeiteiner Abschaltung einzelner Kollektorstränge (Ab-bildung 2), die eine Reduzierung der Regenera-tionsleistung bei Teillast ermöglicht.

Solare Klimatisierung mit geschlossenerAdsorptionskältetechnikSeit 1999 wird ein Laborgebäude der Universitäts-klinik Freiburg mit solarer Unterstützung klimati-siert; Kernkomponenten sind die Solaranlage (Va-kuumröhren, 170 m2) und die Adsorptionskälte-maschine (70 kW). Im Jahr 2004 wurde das Moni-toring der Anlage abgeschlossen. Eine detaillierteBetriebsdatenanalyse erlaubte uns eine Optimie-rung der Betriebsführung und Regelung.

IEA Task 25Die Task 25 »Solar Assisted Air-Conditioning ofBuildings« wurde in den Jahren 1999–2004 unterBeteiligung von elf Ländern im Rahmen des SolarHeating & Cooling Programme der IEA unterLeitung des Fraunhofer ISE durchgeführt. DasProjekt spielte eine Schlüsselrolle für die Weiter-entwicklung der solarthermischen Gebäudeklima-tisierung. Einige der wichtigsten Ergebnisse sind einHandbuch und ein computergestütztes Ausle-gungsprogramm für Planer sowie eine umfangrei-che Dokumentation von Erfahrungen an elfDemonstrationsanlagen.

Die Arbeiten erfolgten teilweise im Auftrag derIndustrie und wurden durch das Bundeswirtschafts-ministerium unterstützt.

Abb. 2: Klappenkasten (im Vordergrund) zur Abschaltungeines Kollektorstrangs der Luftkollektoranlage auf dem Dachder IHK Südlicher Oberrhein, Freiburg. Durch die Abschaltungeinzelner Kollektorstränge wird die thermische Antriebsleis-tung regelbar, wodurch bei geringen Zuluftvolumenströmenin Teillast ein unnötiger Wärmetransfer in die Raumzuluftreduziert werden kann.

Abb. 1: Technikraum mit Menerga-Anlage. Rechts sind diebeiden Solespeicher, im Hintergrund rechts ist der solarePufferspeicher zu erkennen. Das Lüftungsgerät ist links zusehen. Die Solarenergie wird im Sommer zur Luftent-feuchtung und im Winter zur Beheizung verwendet.


Unsere Aufgabenstellung bei der Entwicklungdes Edelstahlbehangs »s_enn®« bestand in derGestaltung des Kernstücks, das heißt des Profilsfür die Edelstahlstäbe. Ein Optimum zwischenEnergiereduzierung und Sichtkontakt zur Außen-welt sollte erreicht werden. Als Randbedingungsetzten wir uns, dass – außer bei sehr tiefenSonnenständen – Blendschutz sichergestellt undTageslicht blendfrei in den Raum gelenkt werdensollte.

Das Ziel wurde erreicht:- Das Profil (Abbildung 2) blendet selektiv

bestimmte Raumwinkelbereiche des Himmels aus. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Sonnenschutzwirkung (effektiver g-Wert 5-8%) und ein transparentes Erscheinungsbild (Foto Seite 14), obwohl die direkte Sonne fast immer komplett ausgeblendet wird.

- Das kompakte, mehrfach gekantete Profil ist wesentlich windstabiler als Jalousielamellen und Stoffe.

- Die scharfe Kante außen unten am Profil blendet die Sonne aus, ohne störende helle Streifen auf der Innenseite des Behangs zu erzeugen.

Im Jahr 2004 wurden erste Bauvorhaben reali-siert, bei denen s_enn® großflächig zum Einsatzkam. Neben dem in der Abbildung dargestelltenEinsatz in Salach (Abbildung 1) wird s_enn® vonden Architekten Murphy/Jahn beim Bauvorhaben»Horizon Serono« in Genf eingesetzt. WeitereBeispiele sind die Anwendung am Gästehaus desPremierministers von Malaysia und am VIP-Cubedes Modedesigners Louis Vuitton in Beverly Hills,Californien, USA.

s_enn® erhielt 2003 einen Innovationspreis aufder internationalen Fachmesse R+T, 2004 folgtender Bayerische Staatspreis sowie der VR-Innova-tionspreis. Aktuelle Infos: www.s-enn.de.


Neuer Edelstahlbehang für den Sonnenschutz

Im Rahmen unserer Arbeiten zum Sonnen-schutz entwickelten wir gemeinsam mit unserem Industriepartner clauss markisenProjekt GmbH den Edelstahlbehang »s_enn®«.Nach der Markteinführung im Jahr 2003 kamdas Produkt nun im Jahr 2004 internationalbei Verwaltungsbauten großflächig zumEinsatz.

Tilmann E. Kuhn

Abb. 1: Fassade am »Haus der Technik« der EMAG-Gruppe in Salach, Schweiz. Der Edelstahlbehang wirkt von außen wieeine blickdichte Fläche. Im oberen Stockwerk sind zwei Be-hänge hochgefahren, im Stockwerk darunter sind allegeschlossen. Architektur: Neugebauer + Rösch, Stuttgart.Foto: clauss markisen Projekt GmbH.

Abb. 2: Der Profilquerschnitt für die Stäbe des Edelstahl-behangs s_enn® wurde vom Fraunhofer ISE entwickelt. Der 4 mm dicke Behang läßt sich aufrollen wie ein Stoff, ist aberwesentlich windstabiler. Ab einem Profilwinkel von 20° wirddie direkte Sonne ausgeblendet.

20°

1, 4 mm

5 mm

4 mm


Im Rahmen unserer Arbeiten zu neuen Blend-schutzkriterien für tageslichtorientierte Arbeits-plätze führen wir Nutzerversuche in einem dreh-baren Testraum durch (Abbildung 1). Danebenwerden in einem zweiten, identischen Testraummit aufwändiger Messtechnik die Lichtverhält-nisse dokumentiert. Jede Testperson führt dieVersuche mindestens unter drei verschiedenenFassadenaufteilungen (25%, 50%, 90% Glas-anteil der Fassade) mit einem bestimmten Blend-schutzsystem durch.

Um einen möglichst breiten Bereich auch hin-sichtlich potenzieller Blendsituationen abzu-decken, führen wir die Versuche mit drei sehrunterschiedlichen Systemen durch. (WeißeInnenjalousie, Innenjalousie mit hochverspiegel-ten Lamellen und grauer Rückseite, Vertikal-jalousie aus Folienlamellen mit einer Lichttrans-mission von 2%.)

Für die Auswertung der Leuchtdichtebilder ent-wickelten wir ein neues Software-Werkzeug, mitdessen Hilfe mögliche Blendquellen ermitteltwerden. Dieses basiert auf dem Bildformat desLichtsimulationsprogramms RADIANCE underlaubt somit auch die Blendschutzbewertung inder Gebäudeplanung. Ergebnisse von mehr als75 Probanden zeigen, dass bestehende Blen-dungsbewertungsverfahren nur geringe Korre-lationen mit den Nutzerbewertungen aufweisen(Abbildung 2). Besonders beachtenswert ist dieNicht-Korrelation (r=0.1) der Nutzerantwortenmit der Fassadenleuchtdichte, die momentan inNormen und Richtlinien als Bewertungsgrößeverwendet wird.

Mit Hilfe des neuen Auswerteprogramms undstatistischer Parameteroptimierung entwickelnwir ein Bewertungsverfahren, welches als Er-gebnis eine Wahrscheinlichkeit liefert, dass einNutzer durch Blendung gestört wird. Diese neueBlendungsbewertungsformel »Daylight GlareProbability DGP« berücksichtigt die detektiertenBlendquellen und weist sehr hohe Korrelationen(r>0.95) mit den Nutzerbewertungen auf.

Entwicklung neuer Blendschutzkriterien

Blendschutz am Arbeitsplatz spielt in einer Zeithochverglaster Gebäude mit Büronutzung eineimmer wichtigere Rolle. Trotzdem gibt es bis-lang keine allgemein gültigen Kriterien für dieQuantifizierung von Blendschutz an Fassaden.Am Fraunhofer ISE entwickeln wir deshalbneue Blendschutzkriterien, um Technologiezielgerichtet optimieren zu können und um bei der Planung von Fassaden für dieseFragestellung Sicherheit zu erreichen.

Jan Wienold, Tilmann E. Kuhn

Abb. 1: Nutzerversuchein Testräumen. Im iden-tischen Referenzraumnebenan sitzt an derKopfposition einehochauflösendeLeuchtdichtekameramit Fischaugenobjektivund erfasst das kom-plette Sichtfeld. Fürjede Fassadenvariantemüssen die Testperso-nen bürotypische Auf-gaben durchführenund im Anschluss dieLichtsituation mittelsFragebogen bewerten.

Abb. 2: Bildhintergrund: Ergebnis einer automatischen Blendquellendetektion. Das dazu am Fraunhofer ISE entwickelte Aus-wertungsprogramm dient als Grundlage für die Entwicklung neuer Blendschutzkriterien. Mittels Programmoptionen können z. B. extreme Blendpunkte getrennt von anderen Quellen behandelt werden. Neben der Berechnung von existierenden undneuen Indices kann ein Bild generiert werden, in dem die detektierten Blendquellen farbig hervorgehoben werden. In dem eingeblendeten Diagramm wird der Pearsonsche Korrelationsfaktor r zwischen Nutzerbewertungen und Blendungsbewer-tungsverfahren dargestellt. Existierende Verfahren (z. B. Daylight Glare Index DGI, Fassadenleuchtdichte I_Fassade) sowie ein-fache Messgrößen (vertikale Augenbeleuchtungsstärke E_Auge) weisen keine Korrelationen auf, da sie die Variabilität derNutzerbewertung nicht berücksichtigen. Wesentlich bessere Zusammenhänge erhält man mit dem neuen Bewertungsverfahren(DGP), welches die Wahrscheinlichkeit einer Störung bestimmt.

Ko

rrel

atio

nsk

oef

fizi

ent

nac

h P

ears

on

0,12 0,080,12

0,97

E_Auge DGI I_Fassade DGP

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

Solare Gebäude in der Praxis

Wir analysieren »schlanke« Bürogebäude inQuervergleichen und entwickeln aus demLangzeit-Monitoring neue Werkzeuge zu deren Betriebsführung.

Den globalen Herausforderungen stellen wiruns, indem wir den weltweit am schnellstenwachsenden chinesischen Immobilienmarkt mit standortbezogenen Konzepten bedienen.

Sebastian Herkel, Jens Pfafferott, Jan Wienold


EnBau:MonitorDie Betriebsführung von Nichtwohngebäudenträgt wesentlich zum Erreichen von geplantenZielwerten des Energiebedarfs und des Raum-komforts bei. Durch das von uns entwickelte,internet-basierte und mit dem lokalen Klima korrelierte Langzeit-Monitoring ist eine zeitnaheFehlerdetektion und Optimierung des Betriebsmöglich. Der Quervergleich von 25 Gebäudenzeigt, dass in der überwiegenden Mehrheit diegesteckten Ziele hinsichtlich Komfort undEnergieverbrauch erreicht wurden. Die Ergeb-nisse werden Anfang 2005 in dem Buch »Zu-kunftsfähige Bürogebäude – Konzepte, Analy-sen, Erfahrungen« umfassend veröffentlicht.

Wir führen diese Arbeiten in Zusammenarbeitmit den Universitäten Karlsruhe und Wuppertalsowie dem Architekturbüro Solidar in Berlindurch. Die Begleitforschung für Neubauten läuftim Rahmen des Programms »EnergieoptimiertesBauen« des Bundeswirtschaftsministeriums.

Niedriegstenergie-Gebäude in China2004 wurden über 25% der Jahresweltpro-duktion an Zement in der Volksrepublik Chinaverbaut. Dieser Boom im Bausektor geht mitenormen Zuwachsraten im Energieverbrauch ein-her. In diesem Umfeld beraten wir Bauträger inChina und entwickeln Konzepte für Niedrigst-energie-Wohngebäude, mit dem Ziel der Reali-sierung erster Nullemissions-Gebäude. Die Inte-gration thermischer Solarenergie zur Heizungs-unterstützung ist Schwerpunkt der Kooperationmit einem chinesischen Kollektorhersteller.

Für das Land Baden-Württemberg koordinierenwir ein Demonstrationsvorhaben zu mehrge-schossigem Wohnungsbau in der Provinz Liao-ning. Ziel ist die Reduzierung des Energiebedarfsum 50% und der Einsatz deutscher Technologien.


Abb. 1: Niedrigenergie-gebäude in Dezhou,China. Das FraunhoferISE entwickelt standort-gerechte Lösungen fürenergieoptimierteGebäude und derenEnergieversorgung.

Abb. 2: Ergebnisse der wöchentlichen Ablesung des Energie-verbrauchs der FH Bonn Rhein-Sieg für das Jahr 2003. DerHeizenergieverbrauch nimmt mit steigender Außentemperaturab, der Stromverbrauch als wetterunabhängige Größe bleibtnahezu konstant. Rot markiert ist ein Wochenwert, bei demein untypischer Mehrverbrauch auftrat. Durch die Auftragungdes wöchentlichen Energieverbrauchs in Form der mittlerenspezifischen Leistung über der mittleren Außentemperaturwird eine zeitnahe Überprüfung des Gebäudebetriebs er-möglicht. Die roten Linien markieren hierbei die maximalzulässigen Abweichungen vom Sollwert. Mögliche Störungenwerden schnell erkannt. Bei Eingabe der Wochenwerte in dasInternet erfolgt auch direkt eine ökonomische Bewertung.Damit wird ein Instrumentarium geschaffen, das dem Betriebs-personal nicht nur die jährlichen Verbrauchswerte ermittelt.

Abb. 3: Fassaden-Inte-gration von Photovoltaikbei der Turnhalle inBurgweinting. Durchintegrale Planung vonRaumklima und Tages-licht unterstützt dasFraunhofer ISE denPlanungsprozess und dieQualitätssicherung beider Ausführung.

5

10

15

20

25

30

-10 -5 0 5 10 15 20 250,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

Strom

Wärme

mittlere Leistung [W/m2] Energiekosten [EUR/m2/Woche]

Außentemperatur

?


In den vergangenen Jahren wurden mehrere vonuns geplante Niedrigenergie-Bürogebäude bezo-gen. Neben der energetischen und raumklimati-schen Bewertung der Gebäude betrachten wirnun im Rahmen eines neuen Schwerpunkts dieNutzer derselben. Eine statistische Auswertungunserer umfangreichen Messkampagnen lieferterste Modelle für das Nutzerverhalten. Dieseberücksichtigen Anwesenheit, Fensteröffnungund Sonnenschutz in Abhängigkeit von typi-schen, unabhängigen Eingangsgrößen für diePlanung und die Betriebsführung, wie z. B.Außentemperatur, Jahreszeit, Uhrzeit oderWochentag.

In der Regel werden die Einflüsse der gebautenArchitektur auf die in ihnen arbeitendenMenschen nicht weiter verfolgt. So wie dieErfassung von Messdaten in Gebäuden zu objek-tiven Erkenntnissen und damit zur Verbesserungder Arbeitsplatzqualität und zur Reduzierung desEnergieverbrauchs führen kann, können die sub-jektiven Eindrücke der Nutzer entscheidendeBeiträge zu einem Verbesserungsprozess bezüg-lich der Arbeitsplatzqualität liefern.

Im Rahmen des Projekts SolarBau:Monitor führ-ten wir in Zusammenarbeit mit der UniversitätKarlsruhe seit Februar 2004 in bislang siebenGebäuden parallel Nutzerbefragungen undMessungen des Raumklimas durch. Die Aus-wertung der Befragungen ermöglicht die Er-mittlung von spezifischen Schwachstellen undStärken.

Die Untersuchung mittels Fragebogen kann denEinsatz von Messtechnik verringern, zukünftigeventuell sogar ersetzen. Vorausgesetzt, dieErgebnisse der subjektiven Nutzerbefragungenzeigen eine hohe Korrelation mit den objektivenMessungen auf. Planer von Neubauten oderSanierungen profitieren von den aus der verglei-chenden Evaluierung gewonnenen Erfahrungenüber energiesparendes Bauen und Wohlbe-finden.

Gebäude zusammen mit dem Nutzer optimieren

Kommerziell genutzte Gebäude werden untereiner Vielzahl von Gesichtspunkten geplant,gebaut und betrieben. Beurteilt werden siedurch die in ihnen arbeitenden Menschen.Gleichzeitig reagieren die Nutzer auf ihre Umgebung und beeinflussen den Komfort imBüro. Wir entwickeln Modelle für die Ein-bindung des Nutzerverhaltens in die Planungund Betriebsführung energieoptimierter Büro-gebäude mit reduzierter Lüftungs- und Klima-technik. Mit Hilfe von Nutzerbefragungen eva-luieren wir Gebäude. Die Ergebnisse fließen in die Charakterisierung des thermischenGebäudeverhaltens ein. Ziel ist ein reduzierterEnergieverbrauch und ein verbesserter Kom-fort.

Elke Gossauer, Sebastian Herkel, Jens Pfafferott, Jan Wienold

Abb. 1: Das Verwaltungsgebäude der Pollmeier MassivholzGmbH in Creuzburg wurde konsequent als Niedrigenergie-Gebäude mit reduzierten haustechnischen Anlagen konzi-piert. Das Gebäude verzichtet auf eine aktive Klimatisierung,so dass die Nutzer den thermischen Komfort im Sommerdurch die manuelle Bedienung von Fenstern undSonnenschutz stark beeinflussen.

Abb. 2: Am Fraunhofer ISE wird die Raumtemperatur in 16 baugleichen Büroräumen statistisch ausgewertet.Entsprechend dem Nutzerverhalten unterscheidet sich diemittlere Raumtemperatur von Büro zu Büro. Verwendenwir ein statistisches Nutzermodell für die Simulation,liegen gemessene und simulierte Werte im Bereich derStandardabweichung um den Tagesmittelwert.

16

18

20

22

24

26

28

30

0 7 14 21 28 35 42

Außentemperatur

Raumtemperatur:Messung in 16 Bürosstatistische Simulation

Tag der Messkampagne [12. Juni bis 23. Juli 2003]

Tem

pera

tur

[°C

]

Haustechnik für zukunftsfähigeWohngebäude

Zukunftsfähige Wohngebäude haben eineoptimierte Gebäudehülle, einen hohen thermischen Komfort und verursachen einensehr geringen Primärenergieverbrauch. Für solche Gebäude entwickeln wir zusammen mit unseren Industriepartnern neue, innovativeGeräte für Heizung, Trinkwassererwärmungund Lüftung. Dabei kombinieren wir Solar-energie mit Wärmepumpen, Biomassenutzung,Lüftung mit Wärmerückgewinnung unddezentraler Stromerzeugung zu intelligentenGeräten.

Andreas Bühring, Benoit Sicre, Christel Russ,Jörg Dengler, Christian Bichler*, JeannetteWapler**, Martina Jäschke*, Marek Miara, Janvan Wersch, Michael Schossow, Ines Hermann

* PSE Projektgesellschaft Solare Energiesysteme mbH, Freiburg

** PSE GmbH Forschung Entwicklung Marketing, Freiburg


Gemeinsam mit unseren Kunden entwickeln wiroptimierte Geräte für die Versorgung von Wohn-gebäuden. Unsere Hauptaufgaben sind dabeiSimulationsstudien, Beratung bei der Kompo-nentenauswahl sowie bei der Erstellung vonBaugruppenanordnungen und Versuchsmustern.Ebenso beraten wir bei der Entwicklung derRegelung und der Vermessung der ersten Geräteauf unserem Teststand sowie in Feldversuchen.Ein besonderes Augenmerk legen wir auf einehohe Energieeffizienz, geringe Produktions-kosten und die Möglichkeit der Kopplung ent-sprechender Anlagenkomponenten mit solarenTechnologien.

Ein Schwerpunkt unserer Entwicklungen sindLüftungs-Kompaktgeräte mit Abluftwärme-pumpe für Passiv- und Niedrigstenergiehäuser.Für diese Geräte entwickeln wir neue Wärme-pumpen mit höherer Effizienz und optimierendie Integration ins Lüftungsgerät sowie dieRegelung. Besondere Beachtung erfährt dabeieine primärenergetisch optimierte Leistungs-reserve, die dafür sorgt, dass vorhandene elektri-sche Leistungsreserven möglichst selten inBetrieb sind.

Ein weiterer Schwerpunkt unserer Arbeiten istdie Entwicklung von Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung mit sehr kleinen Leistungen (Mikro-KWK) für den dezentralen Einsatz in Wohnge-bäuden. Gerade Gebäude mit sehr niedrigem

Heizbedarf ermöglichen eine Leistungsausle-gung, bei der neben der Trinkwassererwärmungauch nahezu die gesamte Heizwärme bei gleich-zeitiger Stromproduktion erzeugt werden kann.Damit kann auf den primärenergetisch schlech-ten Spitzenlastkessel verzichtet werden.

Neben Motoren mit interner Verbrennung sehenwir besondere Potenziale für die Entwicklungvon KWK-Anlagen kleiner Leistung, bei Brenn-stoffzellen und bei kleinen Stirlingmotoren.Letztere haben den besonderen Vorteil, dass sieohne aufwändige Brennstoffaufbereitung direktmit Biomasse betrieben werden können. Zu-sammen mit unseren Partnern entwickeln wirneue Mikro-KWK-Anlagen und optimieren dieEinbindung der Komponenten und die Regelungdes Betriebs.


Abb. 1: Abluft-Wärmepumpe ineinem geöffneten Lüftungs-Kompakt-gerät (Stellfläche 0,5 m2). Sie nutztdie sensible und die latente Wärmeder Abluft als Wärmequelle unddeckt so den gesamten Bedarf an Heizwärme und an Trinkwasser-wärme eines Passivhauses. Die Um-stellung auf Kältemittel ohne klima-schädliche FKW ist ein Ziel unsererEntwicklungsarbeiten.

Abb. 2: Simulierte Jahresdauerline einer 1 kWel-Mikro-KWK-Anlage auf der Basis eines leistungsregelbaren Stirling-Motorszur Wärmeversorgung eines Niedrigstenergiehauses. Der ge-samte Nutzwärmeverbrauch beträgt 6 066 kWh/a. Die wärme-geführte Anlage liefert 7 015 kWh/a, deckt also auch dieSpeicherverluste. In Simulationsstudien wurden unterschied-liche Betriebsführungsstrategien (z. B. unter Beachtung desEigenstromverbrauchs oder einer lokalen Strombörse) durch-geführt und verglichen.

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Abwärme Stirling

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Abwärme Stirling

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)

Solarzellen

Die Photovoltaik erlebt weltweit einen Boom mit Wachstumsraten von derzeit mehr als100% pro Jahr.

Über 90% der Solarzellen sind aus kristallinemSilicium hergestellt. Preis/Leistungsverhältnis,Langzeitstabilität und belastbare Kostenreduk-tionspotenziale sprechen dafür, dass dieserLeistungsträger der terrestrischen Photovoltaiknoch deutlich länger als die nächsten zehn Jahremarktbeherrschend bleiben wird. Über 50% desMarktes wird mit multikristallinen Silicium-Solarzellen abgedeckt. Aus diesem Grund sindwir besonders stolz darauf, dass es uns diesesJahr als erster Forschergruppe weltweit gelungenist, eine Zelle aus diesem Material mit über 20%Wirkungsgrad herzustellen. Erkenntnisse aus die-ser Forschung kommen unmittelbar der indu-striellen Anwendung zugute.

Um den Einsatz teuren Ausgangsmaterials zu reduzieren, werden die Siliciumscheibenimmer dünner. Durch angepasste Zellstrukturenerreichen wir dennoch konstant hohe Wirkungs-grade. Wir sind Vorreiter bei Hochleistungs-Solarzellen aus ultradünnen flexiblen 40 µm-Wafern, die in unserem Technikum bereits kom-plett prozessiert werden. Wir arbeiten bereits anVerfahren zur direkten Herstellung dieser dün-nen Folien aus Kristallen.

Fraunhofer ISE Jahresbericht 2004 31Stro

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Bei der kristallinen Silicium-Dünnschichtsolarzelleforschen wir verstärkt am Konzept des Wafer-äquivalents. Dabei wird aus siliciumhaltigem Gaseine hochwertige Dünnschicht auf kostengünsti-gen Substraten abgeschieden. Das Resultat siehtaus wie ein Wafer und lässt sich in einer konven-tionellen Fertigungsstraße entsprechend zuSolarzellen verarbeiten. Das siliciumhaltige Gasist praktisch unbegrenzt verfügbar. Die experi-mentellen Ergebnisse sind vielversprechend.

Als zweites Materialsegment bearbeiten wir III-VHalbleiter wie Galliumarsenid. Es steht derzeitnoch für einen Spezialmarkt, der mit den Stich-worten Weltraum, optische Konzentration, Son-deranwendungen beschrieben werden kann. Fürdie extraterrestrische Anwendung arbeiten wiran strahlungsresistenten Tandem- und Tripel-zellen. Für den terrestrischen Einsatz entwickelnwir Konzentratorzellen für höchste optischeKonzentrationsfaktoren.

Ein drittes Materialsegment sind Farbstoff- und Organische Solarzellen. Insbesondere dieTechnologie der Farbstoffsolarzellen hat sich inden letzten Jahren deutlich über den Labormaß-stab hinaus entwickelt. Neben der Langzeitstabi-lität muss aber auch die Skalierbarkeit dieserTechnologie auf Modulflächen > 0,5 m2 nochgezeigt werden. Organische Solarzellen befindensich derzeit im Stadium der angewandtenGrundlagenforschung.

Solarzellen müssen zum Schutz vor Umwelt-einflüssen langzeitstabil gekapselt werden, einBereich, in dem deutliche Qualitätserhöhungs-und Kostensenkungspotenziale vorhanden sind.Hier arbeiten wir an stabileren Polymeren undneuen Modulkonzepten, die ganz ohne Kunst-stoffe auskommen.

Im Geschäftsfeld »Solarzellen« unterstützen wirMaterialentwickler, Anlagenhersteller und Solar-zell- und Modulproduzenten bei der

- Entwicklung neuer Zellstrukturen- Evaluierung von neuartigen Prozessabläufen - Optimierung von Herstellverfahren für

Solarzellmaterialien und Modulen- Herstellung kleiner Serien von Hochleistungs-

Solarmodulen und kundenspezifischen Test-objekten

- Charakterisierung von Halbleitermaterialien und Solarzellen

- Entwicklung von Halbleitercharakterisierungs-verfahren

- Erstellung von Photovoltaik-Studien


Hocheffiziente 1 cm2 und 4 cm2 Solarzellen auf einem 100 cm2 großen multikristallinenSilicium-Wafer. Durch die speziell auf multikristallines Material angepasste Solarzellenstrukturund Prozessführung konnten wir Wirkungsgrade bis zu 20,3% erreichen. Dies ist der aktuelleWeltrekord für multikristalline Silicium-Solarzellen. Der mittlere Wirkungsgrad aller Zellen aufdem hier abgebildeten Wafer liegt bei 18,1%. Eine Übertragung der Zellstruktur auf großeSolarflächen (Foto vorangehende Seite) bietet sich daher an und ist Gegenstand unsereraktuellen Forschung (Beitrag Seite 34).

Solarzellen


Ansprechpartner

Monokristalline Silicium-Solarzellen Dr. Stefan Glunz Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 91E-Mail: [email protected]

Multikristalline Silicium-Solarzellen Prof. Roland Schindler Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 52E-Mail: [email protected]

Kristalline Silicium- Dr. Stefan Reber Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 48Dünnschichtsolarzellen E-Mail: [email protected]

Solarzellen-Fertigungstechnologie Dr. Ralf Preu Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 60E-Mail: [email protected]

III-V-Solarzellen und Epitaxie Dr. Andreas Bett Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 57E-Mail: [email protected]

Dr. Frank Dimroth Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 58E-Mail: [email protected]

Farbstoff- und Organische Dr. Andreas Hinsch Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-54 17Solarzellen E-Mail: [email protected]

Charakterisierung von Dr. Wilhelm Warta Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 92Solarzellen und -material E-Mail: [email protected]

Photovoltaische Module Dr. Helge Schmidhuber Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 93E-Mail: [email protected]

Labor- und Servicecenter Dr. Dietmar Borchert Tel.: +49 (0) 2 09/1 55 39 -11Gelsenkirchen E-Mail: [email protected]


Silicium- und III-V-Solarzellen Priv. Doz. Dr. Gerhard Willeke Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 66E-Mail: [email protected]

Farbstoff- und Organische Solarzellen Priv. Doz. Dr. Volker Wittwer Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 40E-Mail: [email protected]

Photovoltaische Module Dr. Christopher Hebling Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 95E-Mail: [email protected]


Multikristallines Silicium unterscheidet sich inzwei gravierenden Punkten von monokristallinemSilicium: Einerseits besteht es aus verschiedenenSiliciumkristalliten mit unterschiedlicher Orien-tierung, deren Anordnung einem Flickenteppichähnelt, andererseits weist es eine hohe Dichtevon Kristalldefekten wie Versetzungen undKorngrenzen auf. An diesen Defekten lagernsich während der Kristallherstellung eine Vielzahlvon metallischen Verunreinigungen an. Diesebeiden Umstände verhindern die einfache Über-tragung des schon seit Jahren etablierten Welt-rekordprozesses für monokristallines Silicium aufmultikristallines Silicium.

Die Zusammensetzung der multikristallinenScheibenoberfläche aus unterschiedlichenKristallorientierungen macht jenen anisotropenÄtzschritt unmöglich, mit dem auf monokristalli-nen Siliciumoberflächen die typische Pyramiden-oberfläche hergestellt wird. Da aber gerade einesolche Pyramidenoberfläche den für hoheWirkungsgrade unentbehrlichen effektivenEinfang des auf die Zelle treffenden Lichts er-möglicht, entwickelten wir einen neuen Prozessfür die Herstellung einer Oberflächentextur. InAbbildung 1 und 2 sieht man diese sehr tiefeund effektive Struktur, die zusammen mit einergeeigneten Antireflexbeschichtung die optischeReflexion auf Werte unter 2% verringert.

Um Wirkungsgrade im Bereich von 20% errei-chen zu können ist es absolut notwendig, dieRekombination, das heißt die Vernichtung derdurch das Licht generierten Ladungsträger zuverhindern. Da multikristallines Material üblicher-weise eine relativ hohe Anzahl von elektrischaktiven Defekten aufweist, die zudem noch starkinhomogen verteilt sind, sind die Diffusions-längen – also die mittlere Weglänge, die Minori-tätsladungsträger zurücklegen können – nichtallzu groß. Wir benutzten daher relativ dünneScheiben, um so die für die Ladungsträger not-wendigen Wegstrecken zum pn-Übergang zuverkürzen.

Hocheffiziente Solarzellen aus multikristallinem Silicium

Heute sind 55% aller Solarzellen weltweit ausmultikristallinem Silicium gefertigt. Im Unter-schied zu monokristallinem Silicium, dessenMarktanteil bei knapp 35% liegt, ist das multi-kristalline Material zwar kostengünstiger, weistaber wesentlich mehr Defekte wie Korngren-zen oder Versetzungen auf. Aus diesemGrunde lagen die Wirkungsgrade von Solar-zellen aus diesem Material bislang – imGegensatz zu monokristallinem Silicium –unter 20%. Durch gezielte Optimierung derZellstruktur und des Herstellungsprozesses istes uns nun erstmals gelungen, diese psycholo-gisch wichtige Grenze zu durchbrechen.

Stefan Glunz, Jan-Christoph Goldschmid,Franz J. Kamerewerd, Daniel Kray, Harald Lautenschlager, Antonio Leimenstoll,Elisabeth Schäffer, Eric Schneiderlöchner, Oliver Schultz, Sonja Seitz, Siwita Wassie,Gerhard Willeke

Abb. 1: Struktur der hocheffizienten multikristallinenSilicium-Solarzelle (siehe Text). Deutlich ist die tiefeTextur auf der Vorderseite der Zelle zu erkennen (sieheauch Abbildung 2). Die zusätzliche Antireflexschicht istaus grafischen Gründen nicht dargestellt.


Durch die reduzierte Dicke gewinnt allerdings dieRückseite der Zelle an Bedeutung. LangwelligesLicht kann relativ tief in Silicium eindringen, wes-halb die Rückseite insbesondere bei dünnenZellen optisch gut verspiegelt sein sollte. Außer-dem dürfen die generierten Ladungsträger nichtan der Rückseite rekombinieren, das heißt diesesollte frei von elektrisch aktiven Defekten sein.Das Ziel ist hier eine gute Oberflächenpassi-vierung. Auf ideale Weise lassen sich dieseAnforderungen mit einer Rückseitenstruktur auseiner Siliciumdioxidschicht (blau in Abbildung 1)und einer Aluminiumschicht (gelb) erfüllen. DieAluminiumschicht wird mittels des am Fraun-hofer ISE entwickelten Laser-Fired-Contacts-Prozesses nur an wenigen Punkten durch dieSiliciumdioxidschicht »durchgefeuert«, um soden elektrischen Kontakt herzustellen.

Eine Schwierigkeit stellt jedoch die Herstellungder Siliciumdioxidschicht dar: Diese wird übli-cherweise bei einer Temperatur von über1 000 °C durch Oxidation erzeugt. Bei solchenTemperaturen lösen sich aber die an den Kristall-defekten angelagerten metallischen Verunrei-nigungen und »überschwemmen« das komplet-te Material mit hochaktiven Defekten. Deshalbentwickelten wir einen neuen Oxidationsprozess,der einerseits bei niedrigeren Temperaturen ab-läuft, andererseits aber auch eine gute Ober-flächenpassivierung gewährleistet. Der entschei-dende Punkt hierbei ist die Beimischung vonWasserdampf zur Oxidationsatmosphäre. Da-durch ist die Oxidationsrate auch bei geringerenTemperaturen relativ hoch und die hergestelltenOxidschichten zeigen sehr gute Eigenschaften.

Abb. 2: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Antireflex-struktur. Der untexturierte Bereich auf der linken Seite dientals Plateau für einen Kontaktfinger.

Abb. 3: Verteilung der auf zwei Wafern erzielten Wirkungs-grade. Neben den Spitzenwirkungsgraden um 20%, ver-dient auch der hohe Mittelwert Beachtung. Er zeigt, dassder entwickelte Prozess insbesondere im Hinblick auf diegewählte Temperaturführung auch in schlechterenMaterialbereichen hohe Wirkungsgrade erlaubt.

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20

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011 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Wirkungsgrad [%]

Anzahl der Zellen: 60Mittelwert: 18,1%

Solarzellen


Mit diesem Zellprozess stellten wir eine Vielzahlvon kleinen Solarzellen auf 10x10 cm2 großenmultikristallinen Scheiben her (Abbildung 4).Abbildung 5 zeigt eine typische Topographie der Diffusionslängen auf einer multikristallinenSiliciumscheibe. Deutlich ist zu erkennen, dassmanche Zellen komplett in relativ schlechten(schwarz), andere wiederum in guten (gelb)Bereichen liegen. Die Verteilung der erzieltenWirkungsgrade (Abbildung 3) zeigt, wie optimalder Solarzellenprozess auf multikristallines Sili-cium angepasst wurde. Auch die Zellen inschlechten Zonen weisen noch hohe Wirkungs-grade von 15 bis 17% auf. In diesen kritischenBereichen ist es sogar gelungen, die elektrischeQualität durch den Prozess zu erhöhen. Spekta-kulärer sind natürlich die Wirkungsgrade inguten Materialbereichen. Es ist uns weltweit alserster Gruppe gelungen, die wichtige Grenzevon 20% zu überschreiten: Der Bestwirkungs-grad und aktuelle Weltrekord von 20,3% wurdedabei in einer unabhängigen Messung durch dasNational Renewable Energy Laboratory in denUSA bestätigt.

Abb. 4: Foto einer 10x10 cm2 großen multikristallinenSiliciumscheibe mit 1x1 cm2 und 2x2 cm2 großenSolarzellen.

Abb. 5: Topographie der Ladungsträgerdiffusionslängen(Skala in µm) einer 10x10 cm2 großen multikristallinenSiliciumscheibe nach Phosphordiffusion. Die Messungwurde mit der »Carrier Density Imaging« Methode (CDI)durchgeführt. Die schwarzen Linien zeigen die Grenzender 1 und 4 cm2 großen Solarzellen, die teilweise in sehrguten (gelb), aber auch schlechten (blau) Material-bereichen liegen.0 150 300 450 600 750

Trend zu großflächigen Silicium-Solarzellen

Vor dem Hintergrund der Tendenz zu groß-flächigen Silicium-Solarzellen prüfen wir dieGrenzen der Handhabbarkeit von Solarzellengroßer Flächen. Unsere multikristallinenSolarzellen mit 450 cm2 Fläche weisen einrechteckiges Format auf und liefern einenKurzschlussstrom von 14 A.

Dietmar Borchert, Ali Kenanoglu, Harald Lautenschlager, Isolde Reis, Markus Rinio, Roland Schindler


In den vergangenen Jahren sind Silicium-Solar-zellen immer größer geworden. Gegenwärtigverwendet die Industrie vor allem Siliciumschei-ben der Formate 125x125 mm2 und zunehmendauch 156x156 mm2. Selbst noch größere Schei-benformate wie z. B. 210x210 mm2 sind in derDiskussion. Der Grund für die Tendenz zu größe-ren Flächen liegt darin, dass sich die Kosten fürdie Handhabung von Scheiben mit größererFläche bei vielen Produktionsanlagen reduzieren.Werden die Solarzellen zudem noch dünner, soergeben sich weitere Kostensenkungen durchgeringeren Materialeinsatz beim Silicium.Allerdings stellt uns die Bruchanfälligkeit bei derHandhabung großer und dünner Scheiben vorneue Aufgaben.

Um die Grenzen der Handhabbarkeit von groß-flächigen Silicium-Solarzellen auszuloten, stelltenwir Solarzellen der Fläche 150x300 mm2 mitunterschiedlichen Rückseitenstrukturen her.

Herkömmliche Solarzellen verfügen über einengroßflächigen Metallkontakt aus Aluminium aufder Rückseite, welcher zu einer Verspannungund in Folge zu einer Verbiegung der Solarzelleführen kann. Diese Verbiegung wird umso grö-ßer, je dünner die Siliciumscheibe ist und kannschließlich bis zum Bruch führen. Um die Ver-biegung zu reduzieren ist es erforderlich, span-nungskompensierende Metallisierungsschematazu entwickeln. Dies erprobten wir durch eineKombination von dielektrischer Passivierung undlinienhaften Kontaktstrukturen. Erste Solarzellenerzielten dabei einen Wirkungsgrad von 14,2%bei Kurzschlussströmen von 14 A.

Abb. 1: Großflächige Silicium-Solarzelle (150X300 mm2).

Abb. 2: Minimodul aus zwei großflächigen Solarzellen.

Solarzellen


Mit dem Ziel, die Herstellungskosten für kristalli-ne Silicium-Solarzellen zu reduzieren, entwickel-ten wir eine neue Produktionstechnologie.Unsere Hauptstoßrichtungen sind die Erhöhungdes Wirkungsgrads und die Reduktion der Dickeder eingesetzten Siliciumscheiben. Unser Ansatzist die Umsetzung der Strukturen hocheffizienterSolarzellen mit kostengünstigen und material-schonenden Verfahren.

Industriell werden heute überwiegend Silicium-scheiben mit einer Scheibendicke deutlich über200 µm eingesetzt. Eine Reduktion der Schei-bendicke deutlich unter 200 µm setzt den Ein-satz neuartiger Rückseitenkontaktierugsver-fahren voraus, da das heute übliche Verfahrenzu einer starken Verbiegung der Zelle z. B. über15 mm bei 80 µm Zelldicke führt. Es gelanguns, das industrieübliche Siebdruckverfahren zurKontaktierung der Solarzellen auf der Vorder-seite beizubehalten und auf der Rückseite mitder von uns entwickelten Laser-Fired-Contact-Technologie (LFC) zu einem Solarzellenprozess zu verbinden. Bei diesem Verfahren wird dieOberfläche der Rückseite der Solarzelle miteinem Verbund aus einer ca. 0,1 µm dünnendielektrischen Passivierungsschicht und einer ca. 2 µm dünnen Aluminiumschicht versehen.Nachfolgend wird mittels eines Festkörperlasersdas Aluminium punktuell in die Siliciumober-fläche zur Kontaktbildung einlegiert. Ein wesent-licher Erfolg der Entwicklung ist der Einsatz einesgalvanometrisch gesteuerten Spiegelsystems zurLaserstrahlpositionierung, mit Hilfe dessen eineSolarzelle in 1 Sekunde mit 10 000 Kontakt-punkten versehen werden kann (Abbildung 1).Auf 160 µm dünnen 12,5x12,5 cm2 großenmonokristallinen Silicium-Solarzellen haben wireinen Wirkungsgrad von über 18% erreicht. Fürdiese Solarzellen konnten wir im Vergleich zudem industrieüblichen Verfahren sowohl einensignifikanten Leistungszugewinn erreichen alsauch die Verbiegung vermeiden. Die Ergebnisseentstanden teilweise im Rahmen der vom LandBaden-Württemberg geförderten Forschungs-allianz kristalline SiliciumsolarzellentechnologieFAKT, in der auch die Universitäten aus Freiburg,Konstanz und Stuttgart eingebunden sind.

Technologie-Entwicklung für die Produktion von dünnen und hocheffizienten Silicium-Solarzellen

Wir haben unsere LFC-Technologie zur Kon-taktierung der Solarzellenrückseite mit demindustrieüblichen Siebdruckverfahren zurVorderseitenkontaktierung kombiniert. Hier-durch ist es uns gelungen, Solarzellen aus160 µm dünnen und 125x125 mm2 großenmonokristallinen Siliciumscheiben mit einemWirkungsgrad von über 18% herzustellen unddie Verbiegung der Solarzelle zu vermeiden.

Ingo Brucker, Gernot Emanuel, Andreas Grohe, Daniel Kray, Ralf Preu, Jochen Rentsch, Eric Schneiderlöchner, Oliver Schultz

Abb. 1: Diese 160 µm dünnen Silicium-Solarzellen wurden nurauf der Vorderseite mit dem Siebdruckverfahren kontaktiert. Indie im Hintergrund sichtbare spiegelnde Aluminiumoberflächeauf der Solarzellenrückseite sind mittels Laserstrahlung 10 000nur ein Hundertstel Quadratmillimeter große Kontaktpunkteeinlegiert. Die Verbiegung der Zelle kann hiermit vermiedenwerden.

Abb. 2: Vergleich der Internen Quanteneffizienz und derReflexion von je einer mittels LFC- und im Siebdruckver-fahren rückseitig kontaktierten Solarzelle. Es ist deutlich dasverbesserte Verhalten der LFC-Zelle im langwelligen Bereichab 900 nm zu erkennen, was auf die verbesserten optis-chen und elektrischen Eigenschaften zurückzuführen ist.

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 12000

20

40

60

80

100

IQE R siebgedrucktes Al-BSF Oxid-passivierte LFC-Rückseite

Ref

lexi

on, I

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[%]

Wellenlänge λ [nm]

Silicium-Heterosolarzellen auf industrie-relevanten Substratgrößen

Silicium-Heterosolarzellen sind eine kosten-günstige Alternative, um hohe Solarzellen-wirkungsgrade zu erreichen. In unserem Labor-und Servicecenter Gelsenkirchen gelang esuns, weltweit erstmalig Silicium-Heterosolar-zellen auf p-leitendem Silicium auf Substrat-größen von 100 cm2 herzustellen. Dabei erziel-ten wir einen Wirkungsgrad von 13,5% aufmonokristallinem Cz-Silicium. Zielsetzung istdie produktionskompatible Übertragung neuentwickelter Prozesse vom Labormaßstab aufindustrierelevante Substratflächen.

Nico Ackermann, Mohammed Abusnina,Dietmar Borchert, Antje Gallach, Andreas Gronbach, Ali Kenanoglu, Sebastian Krieger, Yaqiong Liu, Stefan Müller,Otto Müller, Markus Rinio, Björn Schäfer, Mark Scholz, Elmar Zippel


Silicium-Heterosolarzellen bestehen aus einemmono- oder multikristallinen Basismaterial, aufdem z. B. eine oder mehrere amorphe Silicium-schichten abgeschieden werden. Abbildung 1zeigt die einfachste Struktur einer solchen Hete-rosolarzelle. Bei dem gesamten Herstellungspro-zess wird eine Temperatur von 250 °C nichtüberschritten. Die Firma Sanyo demonstrierte mit diesem Konzept auf n-leitenden SubstratenWirkungsgrade von über 20%. Simulations-rechnungen ergaben, dass solche Wirkungs-grade auch auf p-leitenden Substraten erzieltwerden können. Auf kleinen Flächen wurdenbereits über 17% Wirkungsgrad erreicht.

Ziel unserer Arbeiten war es, für kleine Zell-größen entwickelte Prozesse auf industrierele-vante Substratgrößen zu übertragen. Im Vorder-grund stand dabei, auf eine leichte industrielleUmsetzbarkeit der Prozesse zu achten.

Zunächst optimierten wir den Ätzprozess zurEntfernung des Sägeschadens. Dann entwickel-ten wir auf unserer Durchlauf-PlasmaanlageProzesse für die Abscheidung von n-, p- undundotierten amorphen Siliciumschichten.Darüber hinaus nahmen wir eine Sputterquelle(Abbildung 2) zur Deposition von Indium-Zinn-oxid-Schichten in Betrieb, um die Heterozellekomplett in unserem Labor fertigen zu können.

Mit dieser einfachen Struktur, die noch nichtüber eine gezielte Vorder- und Rückseitenpassi-vierung verfügt, erreichten wir auf 100 cm2

großen monokristallinen Cz-Siliciumscheibenbereits Wirkungsgrade von bis zu 13,5%(Abbildung 3).

Neben der Anwendung in den Heterosolarzellenlassen sich die von uns entwickelten undotiertenamorphen Siliciumschichten auch als sehr gutePassivierungsschichten auf n- und p-leitendenSilicium-Substraten einsetzen. Der »kalte«Hetero-Prozess eignet sich auch sehr gut zurMaterialcharakterisierung, da in diesem Prozesskeinerlei Materialveränderungen auftreten.

Abb. 1: Einfachste Struktur einerSilicium-Heterosolarzelle. Auf einp-leitendes Substrat werden nach-einander die dünne Emitterschichtaus amorphem Silicium und eineIndium-Zinnoxid (ITO-)-Schichtaufgebracht. Die Metallisierungbesteht auf der Vorderseite ausSilber und auf der Rückseite ausAluminium.

Abb. 2: Sputterquelle zur Abscheidung von Indium-Zinnoxid(ITO)-Schichten. Der zu beschichtende (multikristalline) Waferwird mit der zu beschichtenden Seite nach unten über diePlasmaquelle geführt. Die ITO-Schichten erfüllen in derHeterosolarzelle zwei Aufgaben: Sie dienen als Antireflex-schicht und sorgen für eine ausreichende Querleitfähigkeitzwischen den Grid-Fingern.

Solarzellen

Grid

ITO-Schicht

(n) a-Si:H Emitter

p-TypSilicium Substrat

Al Rückseitenkontakt

Abb. 3: Bild einer 10x10 cm2 großenSilicium-Heterosolarzelle auf p-leitendemCz-Silicium. Der Emitter ist lediglich7,5 nm dünn. Das Grid auf der Vorder-seite entspricht dem einer siebgedruck-ten Zelle, ist aber aufgedampft.


Am Anfang fast aller Silicium-Solarzellen stehtdas Trichlorsilan. Aus dieser flüssigen chemi-schen Verbindung gewinnt man hochreinesSilicium, das nach weiteren Bearbeitungsschrit-ten als Rohmaterial für Solarzellen verwendetwird. Unsere Dünnschichttechnologie verwendetTrichlorsilan direkt: statt Blöcke zu kristallisierenund in Scheiben zu schneiden stellen wir direktaus der verdampften Flüssigkeit eine nur etwa10 bis 20 µm dünne Siliciumschicht auf einemTrägersubstrat her. Dieser Prozess nennt sich»Chemische Gasphasenabscheidung« oder kurz»CVD«.

Oberstes Ziel für eine dünne CVD-Schicht sindniedrige Herstellungskosten. Dazu haben wireinen besonderen Aufbau des Reaktorinnerengewählt, wie in Abbildung 1 schematisch ge-zeigt: Das Prozessgas wird durch ein Rohr in eineKammer aus Graphit geleitet. Hier zersetzt sichdas Gas bei ca. 1 200 °C, die entstehendenMolekülbruchstücke lagern sich vornehmlich anden nach innen gewandten Seiten der rot mar-kierten Substratreihen ab und lassen dort dieSiliciumschicht entstehen. Bewegt man nun dieSubstratreihen gleichzeitig entlang des Gas-stroms an der Kammer vorbei, kann man sehrhohe Durchsätze erreichen und gleicht zudemmögliche Inhomogenitäten der Abscheidungaus.

Ausgehend von diesem Schema entwickelten wirgemeinsam mit der Firma centrotherm GmbHeine CVD-Anlage, die als Prototyp die Realisier-barkeit unserer Idee zeigt. Zu den Leistungsvor-gaben zählten Abscheideraten bis 5 µm/minüber eine Länge von 40 cm. Dies entspricht beieiner 10 µm dicken Schicht einem Durchsatz vonknapp 5 m2/h, etwa einem Drittel des Durch-satzes einer heutigen Solarzellenfertigungslinie.

Hochdurchsatz-Siliciumepitaxie für Dünnschichtsolarzellen

Bei der Herstellung kristalliner Silicium-Dünn-schichtsolarzellen steht eine schnelle, kosten-günstige Methode zur Siliciumabscheidung imMittelpunkt. Denn die nur 10 bis 20 µm dickeSiliciumschicht ist das zentrale Element diesesSolarzellentyps, unabhängig vom Herstellungs-verfahren. Im Rahmen unterschiedlicher For-schungsprojekte entwickeln wir eine Anlagezur Hochdurchsatz-Siliciumabscheidung. DieUmsetzung erfolgt mit der Firma centrotherm.Die vorgesehene Anwendung sind sogenannteepitaktische Silicium-Waferäquivalente.

Albert Hurrle, Mira Kwiatkowska, Norbert Schillinger, Friedrich Lutz, Harald Lautenschlager, Jochen Rentsch, Stefan Reber

Abb. 2: Die kontinuierliche CVD-Anlage in einem Labor des Fraunhofer ISE. Auf der linken Seite ist ein mit Siliciumwafern beladener Träger zu sehen, der nach rechts durch die Anlage geschoben wird, um auf der anderen Seite entladen zu werden.

Gaseinlass

Rohr

Reaktionskammer Gasauslass

Substrat Graphitblock Transportrichtung

Abb. 1: Schematische Darstellung der kontinuierlichen CVD-Anlage: das Prozessgas wird in eine Abscheidekammer ge-führt, wo es sich bei 1 200 °C zersetzt und auf die Innen-seiten der an der Kammer vorbeigleitenden Substrateabscheidet.


Ein wesentliches Designelement der Anlage sindGasschleusen an der Be- und Entladestation. Sietrennen die Gasvolumina innerhalb und außer-halb der CVD-Anlage. So können die Träger kon-tinuierlich und ohne aufwändige Steuerungdurch die Anlage hindurch bewegt werden.Eindrucksvoll konnten wir die Wirksamkeit derSubstratbewegung belegen, wie in Abbildung 3gezeigt: Ungleichmäßige Profile, die bei stationä-rer Abscheidung zwangsläufig entstehen und dieFunktionsfähigkeit des Waferäquivalents in Fragestellen würden, werden bei bewegter Abschei-dung komplett eingeebnet. Doch nicht nur dieGleichmäßigkeit des Profils, auch die Kristall-qualität ist entscheidend. Für beste Dünnschicht-solarzellen müssen defektarme Siliciumschichtenepitaktisch, d.h. der Kristallorientierung desSubstrats folgend, hergestellt werden. Auchdiese Hürde konnten wir meistern. Querschliffevon epitaxierten Schichten auf multikristallinenSiliciumscheiben, die wir als Testsubstrat einset-zen, zeigen bisher erfreulich niedrige Defekt-dichten. Abbildung 4 zeigt acht dieser10x10 cm2 großen Silicium-Scheiben, derenäußerer Eindruck bereits ihre gute Qualitätbelegt.

Parallel zur Anlagenentwicklung optimierten wirdie Herstellungsprozesse für Solarzellen aus epi-taktischen Waferäquivalenten. Sie bestehen ausdünnen Epitaxieschichten, die auf kostengünsti-gem für direkte Solarzellen-Prozessierung nichtgeeignetem Siliciumsubstrat abgeschieden wer-den. Ergebnis der Arbeiten ist, dass sich dieWaferäquivalente wie »normale« Siliciumwaferzu Solarzellen und Modulen prozessieren lassen.Das Dünnschichtmodul sieht, wie Abbildung 5zeigt, genauso aus wie ein Standardmodul. Sein Wirkungsgrad von 10,2% ist vielverspre-chender Ausgangspunkt für eine möglichePilotproduktion.

Ermöglicht wurde dieser Erfolg dank der För-derung in mehreren Projekten durch das Bun-desministerium für Umwelt, Naturschutz undReaktorsicherheit sowie durch die EuropäischeUnion.

Abb. 3: Abscheideraten bei einer Abscheidung ohne (blau)und mit (rot) Bewegung der Silicium-Scheiben. Deutlich siehtman den einebnenden Effekt der Probenbewegung, der eineVerwendung der Anlage für die Photovoltaik erst ermöglicht.Durch Prozessoptimierungen erwarten wir auch bei beweg-ten Abscheidungen Abscheideraten um 5 µm/min zu errei-chen.

Abb. 4: Ein mit Testwafern aus multikristallinem Siliciumbeladener Träger nach einer epitaktischen Abscheidung vonSilicium. Man kann sehr gut die unterschiedlich reflektieren-den Kristallkörner der Schicht erkennen, die durch unter-schiedlich hohe Wachstumsraten auf den verschiedenenKristallorientierungen entstanden sind. Die Trägerabmes-sungen sind ca. 40x20 cm2.

Solarzellen

Position in Abscheidekammer [mm]

Abs

chei

dera

te [

µm/m

in]

Abscheidung ohne Transport Abscheidung mit Transport

Abb. 5: Ein Minimodul aus sechs multikristallinen epitakti-schen Waferäquivalenten der Größe 10x10 cm2. Obwohl esso hergestellt wurde und so aussieht wie ein »normales«Modul, ist es doch ein echtes Dünnschichtmodul.


Solarzellen, die auf III-V Halbleitermaterialienbasieren, nutzen epitaktisch abgeschiedeneSchichtfolgen. Mittels einer industrietauglichenmetallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE)-Anlage stellen wir Schichtfolgen für Einfach-,Tandem- und Tripel-, sowie neuerdings auch für Quinto-Solarzellen her. Die aus komplexenSchichtstrukturen prozessierten Solarzellen erzie-len Wirkungsgrade deutlich über 30%. Einge-setzt werden sie einerseits auf Satelliten imWeltraum, andererseits in terrestrischen Kon-zentratorsystemen.

Abbildungen 1 und 2 zeigen Beispiele unsererSolarzellen-Empfängermodule. In Abbildung 1sind die Bodenplatten für das am Fraunhofer ISEentwickelte Konzept der FLATCONTM (Fresnellens all-glass tandem cell concentrator)-Modulezu sehen. Hierbei setzen wir 2 mm runde Tan-demzellen in den Fokus einer in Silikon gepräg-ten Fresnellinse. Das Sonnenlicht wird durchdiese Linse 500fach gebündelt. Für die industriel-le Umsetzung unserer nunmehr marktreifenFLATCONTM-Technologie suchen wir Partner.

Abbildung 2 zeigt Solarzellen-Empfängermodule,die wir für das europäisch geförderte Projekt PV-Fibre herstellten. Hier wird das Sonnenlicht übereinen Parabolspiegel gebündelt, um schließlichin Glasfasern eingekoppelt zu werden. Über dieGlasfaser wird das Licht dann auf die hocheffi-ziente Tandemzelle geleitet. Die erzielte Licht-intensität entspricht in diesem Fall einer1 000fachen Solarstrahlung. Die Zellen sind aufspeziellen Kupfer-Keramikplatten montiert, diesewiederum werden auf Kühlkörper aufgelötet.

III-V Photovoltaikzellen und PV-Empfängermodule für optisch konzentrierende Photovoltaik-Systeme

Auf der Basis von III-V Halbleitern stellen wirepitaktische Schichtsysteme her, aus denenTripel-Weltraumsolarzellen und Tandem-Kon-zentratorsolarzellen entstehen. Mit Wirkungs-graden von über 30% werden diese Zellen inspezielle Empfängermodule für die Anwen-dung in optischen Konzentratorsystemen inte-griert. Ein solches System, das FLATCONTM-Konzept, ist jetzt marktreif. Weitere Ent-wicklungen aus der III-V Epitaxie sind kunden-spezifisch gefertigte Laserleistungs- undThermophotovoltaik (TPV)-Zellen.

Paul Abbott, Carsten Baur, Andreas Bett,Armin Bösch, Frank Dimroth, Ines Druschke,Wolfgang Guter, Martin Hermle, Maria Lada, Hansjörg Lerchenmüller, RüdigerLöckenhoff, Astrid Ohm, Matthias Meusel,Severin Müller, Sascha van Riesen, Gerald Siefer, Thomas Schlegl, Jan Schöne,Johannes Seiz, Sivita Wassie

Abb. 1: Solarzellen-Empfängermodule fürdas am Fraunhofer ISEim Rahmen von BMU-geförderten Projektenentwickelte FLAT-CONTM Konzentrator-modul. Zellen miteinem Durchmesservon 2 mm und geeig-net für eine 500facheSonnenbestrahlungwerden auf Kupfer-bleche verlötet. DieKupferbleche werdenpräzise auf einerGlasplatte verklebt,um im Fokus einerFresnellinse zu sein.

Abb. 2: Konzentratorsolarzellen-Empfängermodule, die wir imRahmen des Projektes PV-Fibre entwickelten. 24 Tandem-zellen, geeignet für eine 1 000fache Konzentration, sind aufeine Kupfer-Keramik-Platte aufgebracht. Diese Platte wird aufeinen Kühlkörper gelötet. Die Zellen werden durch Schutz-Dioden geschützt.


Abbildung 3 zeigt ein Ergebnis, das wir imRahmen des europäisch geförderten ProjektsHICON erzielten. Die Aufgabenstellung bestehtin der Entwicklung einer Technologie zur Ver-schaltung mehrerer GaAs-Zelleinheiten aufeinem Wafer. Es gelang uns, 25 Einheiten seriellauf einer Fläche von 1,6x2,4 cm2 zu verschalten.Ihre Anwendung finden solche Zellen direkt imFokus eines Parabolspiegels oder eines Turm-kraftwerkes. Auch hier wird eine 1 000facheKonzentration des Sonnenlichtes erreicht. Be-dingt durch die serielle Verschaltung können dieWiderstandverluste bei den hohen Strömenminimiert werden.

Ein weiteres Anwendungsfeld, das wir mit unseren III-V Photovoltaik-Zellen bedienen, sinddrahtlose Energieübertragungssysteme. Dortwandeln die PV-Zellen monochromatisches Lichtmit einem Wirkungsgrad von über 45% in elek-trische Energie um. Die Fertigung solcher Zellenerfolgt nach kundenspezifischen Anforderungen.Abbildung 4 zeigt als Beispiel Zellen, die inTransistorgehäusen montiert wurden.

In der Thermophotovoltaik wiederum setzen wirunsere infrarot-empfindlichen PV-Zellen aufGaSb-Basis ein. pn-Übergänge für diese Zellenwerden entweder mittels einer einfachen Zn-Diffusionstechnologie oder der MOVPE-Tech-nologie hergestellt. Um eine für ein effizientesTPV-System wichtige hohe Flächenbedeckung zu gewährleisten, nutzen wir die Schindeltech-nik. Hierbei werden die Zellen ohne Flächen-verlust seriell verschaltet. Als Unterlage dient ein gut wärmeleitendes AlN-Substrat, wie inAbbildung 5 gezeigt.

Abb. 5: Das Photo zeigt ein Modul mit geschindelten GaSbPhotovoltaikzellen für den Einsatz in einem Thermophoto-voltaik (TPV)-Generator.

Solarzellen

Abb. 3 oben: Querschnitt eines monolithisch integriertenModuls (MIM). Zu sehen ist der Verbindungsgraben zweierZellsegmente. Bis zu 25 PV-Segmente werden seriell verbun-den und liefern Spannungen über 25 V; unten: neun 1,6x2,4 cm2 MIM Zellen auf einem 100 mm2

Wafer.

Abb. 4: Photo von auf Transistorgehäusen montiertenLaserleistungszellen, die Lichtenergiekonversionswirkungs-grade über 45% erzielen.


Eine wichtige Voraussetzung für die Marktein-führung von Farbstoffsolarzellen sehen wir inden gestalterischen Möglichkeiten, die dieseTechnologie bietet. Unsere jüngsten Arbeitenbefassten sich daher mit Design-Fragen. Um das in Farbe und graphischer Struktur variableDesign von Farbstoffsolarzellen zu testen, stell-ten wir am Fraunhofer ISE verschiedenfarbigeModule her. Wir verwendeten dazu als photovol-taisch effizient bekannte metall-organischeKomplexe. Eine farblich ansprechende Gestal-tung wie sie uns in Abbildung 1 beispielhaftgelungen ist, macht diese Technik für vielfältigeAnwendungen in Glasfassaden, Oberlichternoder Anzeigetafeln interessant. Die farblichenEffekte könnten ebenso mit dem Einsatz reinerorganischer Farbstoffe erzielt werden.

Bei Organischen Solarzellen liegt der Schwer-punkt unserer Arbeit vorrangig in der Entwick-lung geeigneter Fertigungstechnologien fürLaborzellen sowie deren Charakterisierung. Soentwickelten wir ein Laborverfahren zur gleich-zeitigen Fertigung von jeweils zehn Testzellenauf einem gemeinsamen Substrat unter Schutz-gasatmosphäre. Mit diesem Verfahren könnenwir eine große Anzahl organischer Testzellen mitreproduzierbaren Eigenschaften herstellen(Abbildung 2), die uns als Basis für eine effizien-te und automatische Prüfung von Herstellungs-parametern und Materialvariationen dienen.

Mit der Elektrischen Reflexionsspektroskopie(ERS) etablierten wir am Fraunhofer ISE einneues Messverfahren für Organische Solarzel-len, welches die Bestimmung des eingebautenelektrischen Feldes ermöglicht. Diese Messungdient dazu, geeignete Elektrodenmaterialien fürOrganische Solarzellen auswählen zu können.

Fertigungstechnologie für Farbstoff- und Organische Solarzellen

Farbstoff- und Organische Solarzellen basierenauf neuen Technologien mit dem Potenzialsehr kostengünstiger Herstellungsmethodenund neuer Anwendungsfelder. WesentlicheFragestellungen wie Langzeitstabilität, ausrei-chender Wirkungsgrad und einfache Produk-tionstechniken sind trotz der Fortschritte inden letzten Jahren noch nicht genügendgeklärt. In Zusammenarbeit mit der Industrieund weiteren Forschungseinrichtungen arbei-ten wir am Fraunhofer ISE an diesen Frage-stellungen.

Udo Belledin*, Markus Glatthaar*, Andreas Hinsch, Sarmimala Hore*, Rainer Kern, Michael Niggemann, Moritz Riede*, Ronald Sastrawan*, Uli Würfel*, Birger Zimmermann


Abb. 1: Foto eines amFraunhofer ISE gefer-tigten Moduls ausFarbstoffsolarzellen.Die Farbigkeit desDesigns wird durchdie Verwendung vonphotoaktiven, selektivdas Licht absorbieren-den metall-organi-schen Komplexen(Farbstoffen) erzielt.Das Modul ist miteiner am FraunhoferISE entwickeltenGlaslöttechnik lang-zeitstabil versiegelt.

Abb. 2: Am Fraunhofer ISE entwickelte Testeinrichtung zurautomatisierten Charakterisierung von Organischen Solar-zellen. Auf neun Substraten sind jeweils zehn identisch her-gestellte Testzellen angeordnet. Damit ist die erforderlicheGenauigkeit für vergleichende Parameterstudien gewährleistet(s. auch Text).

Neues Messverfahren für die örtlicheVerteilung von Defekten in Silicium-Wafern

Die Analyse der Temperaturabhängigkeit derTrägerlebensdauer im Silicium erlaubt Rück-schlüsse auf die Identität von Defekten, dieentscheidend zur Minderung der Material-qualität beitragen. Insbesondere werdenVerunreinigungen und Kristalldefekte identifi-ziert. Hierfür entwickelten wir eine ortsaufge-löste Methode, die die Vorteile von nicht orts-aufgelöster Lebensdauerspektroskopie (TDLS)und ortsaufgelöster Lebensdauermessung(Emissions-CDI) zu Thermal Defect Imaging(TDI) verbindet.

Martin Schubert, Jörg Isenberg*, Stefan Rein*,Stephan Riepe, Stefan Glunz, Wilhelm Warta



Die Detektion und Identifikation von Lebensdauerreduzierenden Faktoren im Silicium ist für dieBewertung von Material und Prozessen für dieSolarzellenherstellung wesentlich. Bisher stehenfür die nicht ortsaufgelöste Lebensdauerspektro-skopie (Lebensdauer von Minoritätsladungsträ-gern) verschiedene Messmethoden bereit. Be-sonders hervorzuheben sind Deep Level TransientSpectroscopy (DLTS) und Temperature DependentLifetime Spectroscopy (TDLS). Letztere ermitteltaus temperaturabhängigen Lebensdauermessun-gen mittels mikrowellendetektierter Photoleit-fähigkeitsabklingmessung (MW-PCD) die Energieeines Defektniveaus, welches für den dominie-renden verunreinigenden Stoff charakteristischist. Unter bestimmten Voraussetzungen läßt sichdaraus der Lebensdauer mindernde Defekt iden-tifizieren.

Uns ist es nun mit Erfolg gelungen, die jüngstentwickelte, ortsaufgelöste Lebensdauermess-technik Emission Carrier Density Imaging(Emission-CDI) mit der TDLS-Methode zu verbin-den. Wir realisierten einen Aufbau, der tempe-raturabhängige Lebensdauermessungen imBereich von 30 °C bis 270 °C ermöglicht, ausdenen sich analog zur TDLS effektive Defekt-niveaus bestimmen lassen.

Die neu entwickelte Thermal Defect Imaging(TDI)-Methode ließ sich anhand einer mit Mo-lybdän absichtlich kontaminierten Siliciumprobevalidieren (Abbildung 1). Ein Vergleich mit TDLSbestätigte die TDI-Messung.

Der bedeutende Vorteil der neuen Messtechnikliegt in der Möglichkeit, Proben mit inhomoge-ner Defektverteilung charakterisieren zu können.Von besonderem Interesse ist die Messmethodefür industriell hochrelevantes multikristallinesSilicium. Unsere ersten Untersuchungen an diesem Material (Abbildung 2 und 3) lassen aufeine inhomogene Defektverteilung schließen.

Solarzellen

Abb. 2: Mit Emission-CDI ermittelteTrägerlebensdauer einer vertikal ge-schnittenen multikristallinen Sili-ciumprobe aus dem Kappenbereicheines Siliciumsblocks.

Abb. 3: Ortsaufgelöste Darstellungvon effektiven Defektniveaus in rela-tiven Einheiten, gemessen mit TDIan der Probe aus Abbildung 2. Imoberen Teil des Bildes ist die Sensi-tivitätsgrenze aufgrund zu kleinerLebensdauern erreicht. Flache De-fektniveaus befinden sich näher ander Bandkante als tiefe.

1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4

0.01

0.1

300°C50°C

100°C200°C

30°C Abb. 1: Lebensdauerspektroskopie an einer mit Molybdän verunreinig-ten Siliciumprobe. Die schwarzenQuadrate beschreiben die gemittelteLebensdauer der TDI-Messung, dieVergleichsmessung mit der TDLS istmit blauen Punkten gekennzeichnet.Aus der angepassten, rot eingezeich-neten Geraden lässt sich das Ener-gieniveau bestimmen. Die für jedenBildpunkt getrennt aufgenommeneMessung ermöglicht die oben rechtsin der Grafik dargestellte ortsaufge-löste Messung (Durchmesser 2 cm,Ortsauflösung 350 µm). Die Farb-skala bezeichnet das errechneteEnergieniveau in meV.

1000/T [K1]

x [mm]

flach

∆Eefftief

x [mm]

τT [

µs/K

]

[µs]

y [m

m]

y [m

m]


Die internationale Norm IEC 61345 stellt detail-lierte Anforderungen an eine UV-Prüfungsanlagefür PV-Module. Wir haben für unsere Arbeitenzur Gebrauchsdauerverlängerung von Photo-voltaik-Modulen einen neuartigen UV-Teststandkonzipiert, der diese Anforderungen erfüllt.Dieser enthält keine Quecksilber-Dampflampenwie konventionelle Teststände, sondern spezielleLeuchtstoffröhren. Die Röhren sind so angeord-net, dass eine Strahlungshomogenität in Proben-ebene besser als ±15% erreicht wird (sieheAbbildung 1). Ein kontinuierliches Monitoringvon UV-A und UV-B Intensität sowie Proben- undLampentemperatur sichern die Qualität derPrüfungen.

Ein Vorteil der Verwendung von Röhrenlampengegenüber den üblichen Dampflampen ist dieauf den UV-Bereich begrenzte Strahlungs-emission sowie die besonders wirtschaftlicheBetriebsweise. Aufgrund des begrenzten spek-tralen Strahlungsbereichs müssen die Solar-module nicht aufwändig gekühlt werden, um die Spezifikationen der IEC 61345 einzuhalten.Durch den Aufbau unseres Teststands könnensowohl Probentemperaturen über als auch unterden in der Norm vorgeschriebenen 60 °C reali-siert werden. Ebenso können die Proben mitIntensitätsüberhöhungen zwischen 3 und 7 imUV-A Bereich und zwischen 30 und 62 im UV-BBereich gegenüber dem Normspektrum AM1.5bestrahlt werden (Abbildung 2).

Mit unserem Teststand führen wir fertigungs-begleitende Qualitätskontrollen und material-spezifische Alterungsuntersuchungen durch. Dies ermöglicht uns und unseren Kunden dieAuswahl von Einkapselungsmaterialien mit er-höhter Alterungsbeständigkeit.

Untersuchung der Modulgebrauchsdauer:Neuer Teststand zur UV-Alterung

Solarzellen werden zum Schutz vor Umwelt-einflüssen eingekapselt. Dies geschieht mittelsKunststoffen und Glas. Kunststoffe sind jedochaufgrund ihrer Molekülstruktur anfällig gegenSchädigung durch ultraviolette Strahlung (UV).Wir untersuchen das Alterungsverhalten vonSolarzellenverkapselungen durch gezielteBelastung mit UV-Strahlung. Ziel dieser Unter-suchung ist die Verlängerung der Modul-gebrauchsdauer durch Veränderung derZelleinkapselung.

Stefan Brachmann, Stefan Gschwander, Markus Heck, Michael Köhl, Helge Schmidhuber

Abb. 2: Spektrale Intensität des UV-Teststands in 100 mmAbstand von der Lampenebene (rote Kurve) und genormtesSonnenspektrum AM1.5 (blaue Kurve). Die Überhöhung derStrahlung liegt dabei im UV-A Bereich bei einem Faktor von 7 und im UV-B Bereich bei 60.

0

1

2

3

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5

6

7

8

9

-120

0

-100

0

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-600

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-200

0

200

400

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1000

1200

-800

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-400

-200

0

200

400

600

800

horizontaler Abstand [mm]

vert

ikal

er A

bsta

nd [m

m]

relative Bestrahlungsstärke

110%-115%

90%-95%

70%-75%

105%-110%

85%-90%

65%-70%

100%-105%

80%-85%

60%-65%

95%-100%

75%-80%

55%-60%

200 300 400 500 600 700 800 900 1000Wellenlänge [nm]

Inte

nsitä

t [W

/m2 n

m]

987654321

Abb. 1: Messung der UV-A-Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit des hori-zontalen und vertikalen Abstands von der Prüffeld-Mitte. Blaue Bereichegeben hohe, rote Bereiche geben niedrige Bestrahlungsstärke wieder.Eine Strahlungshomogenität von ±15% wird in der Probenebene erreicht.

Laserlöten von kristallinen Solarzellen

Die Verschaltung von Solarzellen zu sogenann-ten Strings geschieht durch das Auflöten vonZellverbinderbändchen auf die Vorder- undRückseite der Zelle. Die Qualität der Kontaktebestimmt den Wirkungsgrad und maßgeblichdas Alterungsverhalten eines Solarmoduls. Wiruntersuchen neuartige Methoden zur qualitativhochwertigen Ausformung von Lötverbin-dungen mittels Laser.

Gernot Emanuel, Ralf Preu, Helge Schmidhuber


Solarzellen müssen elektrisch miteinander ineinem Modul verschaltet werden. Dies ge-schieht in fast allen Fällen durch Auflöten vonverzinnten Kupferbändchen, wobei entwederStrahlungs- oder Kontaktlötverfahren angewen-det werden.

Eine Direktive der Europäischen Union schreibtvor, dass ab 2006 nur noch bleifreie Lote zurKontaktierung verwendet werden dürfen. Vordiesem Hintergrund untersuchen wir die Ver-wendung von Lasern zur Kontaktherstellung.Der Vorteil von Lasern gegenüber anderenVerfahren ist der effiziente und gut regelbareWärmeeintrag in die Fügstelle. Somit könnenauch bleifreie Lote, die bei höheren Tempera-turen als bleihaltige Lote aufschmelzen, sicherund reproduzierbar verarbeitet werden.

Zur Herstellung der Lötverbindung wird ein ver-zinntes Kupferbändchen mit einem Flussmittelbeschichtet. Dieses Bändchen wird auf dieSolarzelle gebracht und mit dem Laser an mehreren Stellen verlötet (Abbildung 1).

Mit unseren Industriepartnern aus dem Exper-tengremium SOLPRO V (Innovative und ratio-nelle Fertigungsverfahren für Silicium-Photo-voltaikmodule) entwickelten wir einen Laser-prozess, der uns eine sehr gute Ausformung derelektrischen und mechanischen Kontakte zwi-schen Zellverbinder und Solarzelle ermöglicht(Abbildung 2).

Neben den technologischen Untersuchungenführten wir gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT auch eineWirtschaftlichkeitsbetrachtung durch. Darausergab sich, dass das Laserlöten technologischgleichwertig und ohne finanziellen Mehrauf-wand die neue EU-Norm erfüllen kann.

Abb. 1: Foto einer Lötstelle auf der Solarzellenrückseite. Inder Mitte sieht man das Gebiet der Energieeinbringung mit-tels Laser. Hierzu wird der Laser mit einem Fokusdurchmesservon 0,4 mm auf einem Quadrat mit 0,3 mm Kantenlänge (rotmarkiert) bewegt. Von diesem Gebiet der Energieeinbringungaus verläuft die Aufschmelzung des Lotes radial nach außen.Durch die Lotaufschmelzung und die damit verbundene Akti-vierung des Flussmittels wird ein mechanischer und elektrisch-er Kontakt zwischen Zellverbinderbändchen und Solarzellehergestellt. So kann mittels einer sehr begrenzten Energieein-bringungsfläche ein großflächiger Lötkontakt realisiert wer-den. (Quelle: Trumpf Laser).

Abb. 2: Querschliff einer lasergelöteten Solarzellenvorderseiteund -rückseite. Die dunkelgrauen Bereiche stellen das Siliciumder Solarzelle dar, welches zur Kontaktierung mit einer metall-haltigen Paste bedruckt wurde. Das hellgraue Lötzinn bildetmit der Vorder- und Rückseitenpaste einen guten elektrischenund mechanischen Kontakt aus. Auf der Rückseite entstehtzusätzlich eine sehr homogene Diffusionszone. Die Lötver-bindung wurde mit Flussmittel hergestellt. (Quelle: DeutscheSolar).

Solarzellen

0,4 m

m

verzinntes Kupferband

Vorderseitenkontakt

Silicium

Silicium

Rückseitenkontaktmit Diffusionszone

verzinntes Kupferband

NetzunabhängigeStromversorgungen

Zwei Milliarden Menschen in ländlichen Regio-nen, unzählige technische Anlagen in der Telekommunikation, Umweltmesstechnik undTelematik sowie vier Milliarden tragbare Elektro-nikgeräte haben eines gemeinsam: Sie alle brau-chen eine netzunabhängige Stromversorgung.Hierfür werden zunehmend regenerative Ener-gien oder innovative Energiewandler eingesetzt.Rund 30% der weltweit verkauften Photovol-taikmodule gehen in diese Märkte, die sich zumTeil bereits ohne Fördermittel ökonomisch selbsttragen. Die Stromversorgung mit der Sonne istheute in vielen Fällen wirtschaftlicher als Einweg-batterien, Netzausbau oder Versorgung mitDieselgeneratoren.

Über eine Milliarde Menschen ohne Zugang zusauberem Trink- und Brauchwasser benötigenzudem Technologien zur dezentralen Wasser-entsalzung und -entkeimung. Wir versorgen sol-che Systeme mit erneuerbaren Energien, verbes-sern ihre Energieeffizienz und reduzieren denWartungsbedarf.

Fraunhofer ISE Jahresbericht 2004 49Stro

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Sowohl in der ländlichen Elektrifizierung als auchbei der Stromversorgung von technischen Anla-gen hat sich die Qualität der Komponenten undder Systeme in den letzten Jahren spürbar ver-bessert, es gibt aber immer noch große Ent-wicklungspotenziale. Deshalb unterstützen wirUnternehmen sowohl bei der Komponentenent-wicklung als auch bei der Systemplanung undder Markterschließung. Unsere Kompetenzfelderumfassen insbesondere hocheffiziente Leistungs-und Regelungselektronik, Batteriemodellierung,Ladestrategien, Anlagenbetriebsführung, Ener-giemanagement und Systemsimulation.

Weiterhin bieten wir auch Analysen und Bera-tungen zu sozialen und ökonomischen Rahmen-und Marktbedingungen für eine erfolgreicheEinführung von Energietechnologien an. Denninsbesondere in der ländlichen Elektrifizierungsind neue Geschäftsmodelle und angepassteStrategien zur Markterschließung wichtig. Nur sokann der nachhaltige Aufbau von Vertrieb undService – und damit der langfristige Betrieb deraufgebauten Systeme – gesichert werden.

Für tragbare Geräte haben insbesondere Mikro-brennstoffzellen ein großes Potenzial. Hierfürentwickeln wir die Technologie einschließlich derzugehörigen Leistungs- und Regelungselektronik.Der Vorteil der Mikrobrennstoffzellen ist diehohe Energiedichte ihres Energiespeichers fürWasserstoff oder Methanol. Dadurch können beigleicher Baugröße oder gleichem Gewicht dieBetriebszeiten der Geräte wesentlich verlängertwerden.

Im Geschäftsfeld »Netzunabhängige Stromver-sorgungen« unterstützen wir Komponenten-hersteller, Systemintegratoren, Planer undDienstleister durch unsere Kompetenzen in denBereichen:

- Elektronikentwicklung- Batteriemodellierung- kleine Brennstoffzellen - Systemauslegung und -optimierung- Systembetriebsführung und

Energiemanagementsysteme- Trink- und Brauchwasser-Aufbereitungssysteme

und entsprechende Technologien- Sozio-Ökonomie

Für unsere Entwicklungsarbeiten stehen unsunter anderem folgende Einrichtungen zurVerfügung:

- Wechselrichterlabor- hochpräzise Leistungsmessgeräte für

Wechselrichter und Laderegler- Präzisionsmessgeräte zur Charakterisierung

von induktiven und kapazitiven Bauelementen - Messkabine für elektromagnetische

Verträglichkeit (EMV)- Burst- und Surge-Generatoren- programmierbare Solarsimulatoren und

elektronische Lasten- Entwicklungsumgebungen für Mikrocontroller

und Digitale Signalprozessoren (DSP)- Lichtmesslabor- Entwicklungsumgebungen für Regelungen auf

der Basis von »embedded systems«- temperierte Teststände für vielzellige Batterien

und Hybridspeicher- Teststände für Brennstoffzellen im Betrieb mit

Wasserstoff und Methanol- ortsaufgelöste Charakterisierung von

Brennstoffzellen - Kalibrierlabor für Solarmodule- Freiland-Testfeld zur Erprobung von

Solarkomponenten- Pumpenteststand- Test- und Entwicklungslabor für

Trinkwasseraufbereitungssysteme.


Diese vielseitig einsetzbare Schnittstelle für das Universal Energy Supply Protocol UESP ent-stand in gemeinsamer Entwicklung mit achtIndustriepartnern. In autarken Photovoltaik-Hybridsystemen können damit die einzelnenKomponenten wie Batterien, Zusatzstrom-erzeuger und Verbraucher miteinander und mitdem zentralen Energiemanagementsystem kom-munizieren. Die Vorteile der Neuentwicklungbestehen in größerer Flexibilität bei derAnlagenauslegung und -erweiterung, höhererBetriebszuverlässigkeit sowie verbesserterWirtschaftlichkeit durch kostenoptimierteBetriebsführung (Beitrag Seite 57).



Ansprechpartner

Systeme zur netzunabhängigen Dipl.-Phys. Felix Holz Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 19Stromversorgung E-Mail: [email protected]

Leistungselektronik und Dr. Bruno Burger Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 37Regelungstechnik E-Mail: [email protected]

Elektrische Speichersysteme Dipl.-Phys. Felix Holz Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 19E-Mail: [email protected]

Brennstoffzellensysteme Dr. Thomas Aicher Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 94E-Mail: [email protected]

Systeme und elektrische Verfahren zur Dipl.-Ing. Ulrike Seibert Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 40Wasserentsalzung und -entkeimung E-Mail: [email protected]

Thermische Solaranlagen, Verfahren zur Dipl.-Phys. Matthias Rommel Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 41Wasserentsalzung und -entkeimung E-Mail: [email protected]

Monokristalline Silicium-Solarzellen Dr. Stefan Glunz Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 91E-Mail: [email protected]

Photovoltaische Module Dr. Helge Schmidhuber Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 93E-Mail: [email protected]

Marketing Dr. Harald Schäffler Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-54 27E-Mail: [email protected]


Netzunabhängige Stromversorgungen Dr. Tim Meyer Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 29E-Mail: [email protected]


Solarzellen Priv. Doz. Dr. Gerhard Willeke Tel.: +49 (0) 7 61/45 088-52 66E-Mail: [email protected]


China will im Rahmen des »Brightness Pro-gramme« bis zum Ende des Jahrzehnts 23 Milli-onen Menschen in netzfernen Regionen mitStrom aus erneuerbaren Energien versorgen.Dazu wurden bis Ende 2004 in den Westprovin-zen rund 1 000 weit abgelegene Dörfer miteiner zentralen Photovoltaikanlage im Leistungs-bereich von 10 bis 40 Kilowatt ausgerüstet. ImRahmen der technischen Zusammenarbeit zwi-schen Deutschland und China wurde dasFraunhofer ISE von der Gesellschaft für techni-sche Zusammenarbeit (GTZ) beauftragt, einMonitoring- und Trainingsprogramm zu ent-wickeln, mit dem Betrieb und Leistungsfähigkeitfür 120 PV-Anlagen in der Provinz Qinghai nach-haltig gesichert werden können.

Auf der Grundlage unserer langjährigen Erfah-rung im Monitoring von PV-Hybridsystemen imAlpenraum sowie unter Anwendung der von unsentwickelten Trainingswerkzeuge veranstaltetenwir im Jahr 2003 einen Kurs »Train the Trainer«für die Anlagenbetreiber und das Wartungsper-sonal vor Ort. Hierfür arbeiteten wir eng mitdem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasser-stoff-Forschung (ZSW) zusammen. 2004 ent-warfen wir nach einer Bestandsaufnahme vorOrt das technische Monitoring sowie ein lang-fristiges Wartungskonzept unter Einbindungortsnaher Firmen. Im Kontext dieser Maßnahmenerstellen wir derzeit ein Wartungshandbuch.

Für das Anlagenmonitoring füllen in allen 120Dörfern die örtlichen Betreiber täglich Daten-blätter mit den Erzeugungs- und Verbrauchs-werten aus. In zwölf Dörfern werden zusätzlichdie Daten mit Hilfe eines Datenloggers erfasstund analysiert. Die Daten werden mit Unter-stützung des Fraunhofer ISE und des ZSW ausge-wertet. Durch diese Analyse können Fehler früherkannt und die Anlagen technisch und ökono-misch optimiert werden.

Monitoring von Dorfstromver-sorgungsanlagen in China

Im Rahmen der technischen Zusammenarbeitzwischen China und Deutschland planen undbegleiten wir das technische Monitoring unddie Wartung für 120 Dorfstromversorgungs-anlagen in der chinesischen Provinz Qinghai.Die Praxiserfahrungen aus dem Projekt fließenin die Beratung weiterer Programme zurDorfstromversorgung ein.

Georg Bopp, Andreas Steinhüser

Abb. 1: Die PV-Wind-Hybridanlage im Dorf Jangkang in derchinesischen Provinz Qinghai ist eine von sieben Dorfstrom-versorgungsanlagen, die vom Fraunhofer ISE begutachtetwurden und die jetzt im Rahmen des Monitoringprogrammsüberwacht wird.

Abb. 2: In fast allen chinesischen Dorfstromversorgungs-anlagen werden wie hier im Dorf Dousong ausschließlichBleivliesbatterien mit einer Systemgleichspannung von220 Volt betrieben. Da bei dieser Batterieart immer wiedereinzelne Zellen unerwartet ausfallen, werden die Anlagendurch Monitoring kontinuierlich überwacht.

Erschließung erneuerbarer Energie-träger als Basis für die regionaleWirtschaftsentwicklung

Im Rahmen unserer interdisziplinären Arbeitenentwickelten wir ein sozialwissenschaftlichesAnalyse- und Beratungsverfahren zur Akzep-tanz von erneuerbaren Energien. Damit kön-nen regionale Behörden und Unternehmenfeststellen, welche Techniken aufgrund ihrerAkzeptanz besonders als Wegbereiter für eineinnovative regionale Energie- und Wirtschafts-strategie geeignet sind.

Sebastian Gölz


In vielen Regionen Europas bieten sich attraktiveChancen, erneuerbare Energien gleichzeitig füreine nachhaltige Energieversorgung wie für dieregionale Wirtschaftsentwicklung zu nutzen.Allerdings ist nicht jede Technik als Wegbereiterfür eine innovative Wirtschaftsstrategie gleichgut geeignet. Erforderlich hierfür ist nebeneinem ausreichenden Energiepotenzial und gün-stigen ökonomischen Rahmenbedingungen auchdie Übereinstimmung mit dem grundlegendenMeinungsbild und dem Selbstverständnis derBevölkerung. Ebenso ist ein ausreichend starkgeknüpftes wirtschaftliches und politischesNetzwerk notwendig.

Im Rahmen unserer interdisziplinären Arbeitenentwickelten wir daher ein sozialwissenschaftli-ches Analyse- und Beratungsverfahren für Regio-nalbehörden und Unternehmen, die erneuerbareEnergien in ihre Entwicklungsstrategie einbezie-hen wollen.

Die Analyse der Region Shannon in Westirlandzeigte zum Beispiel, dass die Erschließung deshohen Windenergiepotenzials auf erheblichenWiderstand in der Bevölkerung stoßen würde.Hingegen kann die Nutzung von Biomasse miteiner relativ hohen Zustimmung rechnen. Zu-sammen mit den lokalen Projektpartnern formu-lierten wir dementsprechend ein Aktions- undKommunikationskonzept, das zunächst denAufbau von Netzwerken zwischen Behörden und Unternehmen sowie die Erschließung des


Biomassepotenzials anhand von Demonstrations-projekten vorbereitet. Durch dieses Vorgehenwird die Akzeptanz gegenüber erneuerbarenEnergien ausgebaut und kann später auf andereTechniken übertragen werden. Das Analyse- undBeratungsverfahren steht als Dienstleistungs-angebot weiteren Regionen zur Verfügung.

Die Arbeiten entstanden im Rahmen des EU-Projekts CORE Business.

Abb. 1: Windenergie hat in der westirischen Region Shannonaufgrund der Küstenlage ein hohes Energiepotenzial. DieBevölkerung steht einer Nutzung jedoch ablehnend gegen-über. Sie fürchtet den Verbau der touristisch attraktiven Land-schaft. Statt Windenergie soll daher zunächst die Biomasse-nutzung ausgebaut werden, um die Akzeptanz gegenübererneuerbaren Energien zu fördern.


DC/DC-Wandler werden eingesetzt, um einevariable Gleichspannung in eine konstante Aus-gangsspannung umzuwandeln. Zur Kopplungvon Brennstoffzellen an Batterien werden spe-zielle DC/DC-Wandler benötigt, die an ihremEingang den Arbeitspunkt der Brennstoffzelleregeln und an ihrem Ausgang die Batterie nachvorgegebenen Strategien laden. In unsereDemonstrationsanlage auf dem RappeneckerHof (siehe Beitrag Seite 56) bauten wir 2003eine Brennstoffzelle mit einem industriell ge-fertigten DC/DC-Wandler ein. Die Messungen an der Anlage zeigten, dass der Wandler dieBrennstoffzelle nur unbefriedigend regelte. Aucherreichte er lediglich einen Wirkungsgrad vonetwa 75%. Daraufhin entwickelten wir für dieseAnlage einen neuen Wandler mit einem wesent-lich höheren Wirkungsgrad, der zugleich kleiner,leichter und billiger herzustellen ist.

Um dieses Ziel zu erreichen, wurde der Wandleraus zwei Hochsetzstellern aufgebaut, die um180 Grad versetzt getaktet werden. Dadurchverringert sich die Spannungswelligkeit am Ein-und Ausgang und es können Folien- statt Elek-trolytkondensatoren verwendet werden. Diesverlängert die Lebensdauer erheblich. BeideHochsetzsteller besitzen einen Synchrongleich-richter. Dadurch steigt der Wirkungsgrad starkan. Die Regelung basiert vollständig auf einemdigitalen Signalprozessor, so dass sie leicht anverschiedene Betriebszustände angepasst wer-den kann. Außerdem sahen wir einen Eingangfür die Fernsteuerung vor. Durch die minimalenelektrischen Verluste kann auch bei einer Wand-lerleistung von bis zu zwei Kilowatt auf einenKühlkörper vollständig verzichtet werden. DieVerwendung von SMD-Transistoren ermöglichteinen einfachen und kostengünstigen Aufbau.Alle Bauteile sind direkt auf der Platine platziert,so dass keine externen Bauteile wie z. B. Dros-seln mehr verdrahtet werden müssen. Der neueWandler wird zur Zeit am Rappenecker Hof ge-testet und steht für weitere Anwendungen zurVerfügung.

Hocheffizente DC/DC-Wandler

Der am Fraunhofer ISE neu entwickelte DC/DC-Wandler für Brennstoffzellen hat einen wesentlich höheren Wirkungsgrad alsherkömmliche Modelle. Er zeichnet sich durchein innovatives Bauteil- und Schaltungskonzeptaus. Gleichzeitig kann er kleiner, leichter undbilliger als konventionelle Modelle hergestelltwerden. Durch den modularen Aufbau kannman den Wandler auch als PV-Laderegler oderzur Speisung von Elektrolyseuren nutzen.

Bruno Burger, Christoph Siedle, Heribert Schmidt

Abb. 1: Der neue DC/DC-Wandler kann aufgrund seinerkleinen Ausmaße zum Beispiel leicht in Brennstoffzellen-systeme integriert werden.

herkömmliches Gerät Neuentwicklung

Gewicht 43 kg 1,5 kg

Maße (mm) 600 x 330 x 600 235 x 200 x 55

Volumen 118,8 dm3 2,5 dm3

Wirkungsgrad 75% 98%

Tabelle: Aus groß mach klein: Der am Fraunhofer ISE entwick-elte DC/DC-Wandler hat nur noch ein Bruchteil der Ausmaßeund des Gewichts des ursprünglichen Geräts. Gleichzeitigwurde der Wirkungsgrad um 23 Prozentpunkte auf 98 Prozentverbessert.

Optimale Batterieauswahl für autarke Stromversorgungssysteme

Autarke Stromversorgungssysteme stellen sehrunterschiedliche Anforderungen an Batterien,je nach Energieangebot, Lastprofil und Um-gebungsbedingungen. Um angepassteLösungen zu erleichtern, entwickelten wir ein internetbasiertes Verfahren, mit demStromversorgungssysteme entsprechend ihresAnforderungsprofils kategorisiert werden kön-nen. Planer sind damit in der Lage, für jedesSystem den optimalen Batterietyp zu bestim-men. Und Batteriehersteller können testen lassen, für welche Systemkategorien ihreBatterien geeignet sind.

Georg Bopp, Rudi Kaiser


Eine Analyse der Anlagen- und Betriebsdatenvon über 140 autarken Stromversorgungssyste-men in Deutschland, Asien und Lateinamerikaergab, dass die Anforderungen an die jeweiligenBatterien sehr unterschiedlich sind. BestimmendeFaktoren sind die klimatischen Bedingungen, dasEnergieangebot und das Lastprofil sowie die ver-wendeten Komponenten.

Batterien wiederum werden diesen Ansprüchen– wie Tiefentladefestigkeit, Zyklenbelastbarkeitoder hoher Wirkungsgrad – je nach Typ undTechnologie unterschiedlich gerecht. Um für einbestimmtes System die optimale Batterie bestim-men zu können definierten wir gemeinsam mitProjektpartnern sechs so genannte Stressfak-toren. Diese beschreiben, wie ein System eineBatterie beansprucht. Mit Hilfe der Stressfak-toren analysierten wir die Anlagen- und Betriebs-daten und zeigten, dass autarke Stromversor-gungssysteme prinzipiell in sechs Gruppen mitjeweils charakteristischen Belastungsprofilen ein-geteilt werden können (Abbildung 1). DiesesVerfahren zur Kategorisierung autarker Strom-versorgungssysteme ist im Internet unterwww.benchmarking.eu.org verfügbar. Es erlaubtPlanern, mit Hilfe der Daten eines Auslegungs-programms den optimalen Batterietyp für ihrautarkes Stromversorgungssystem zu bestim-men. Zudem ermöglicht es die Optimierungbestehender Anlagen.


Parallel zu diesem Kategorisierungsverfahren ent-wickelten wir einen umfangreichen Batterie-prüfzyklus. Batteriehersteller können damit tes-ten lassen, für welche der sechs Systemgruppenihre jeweiligen Batterietypen geeignet sind, unddiese entsprechend kennzeichnen. Auch unter-schiedliche Batterietechnologien können mit demPrüfzyklus verglichen werden. Die Arbeiten ent-standen im Rahmen des EU-Projekts »Develop-ment of test procedures for benchmarking com-ponents in renewable energy systems«.

Abb. 1: Mit Hilfe von sechs sogenannten »Stressfaktoren«wird ermittelt, wie ein autarkes Stromversorgungssystem eineBatterie beansprucht. Das Anspruchsprofil lässt sich danneiner von sechs Gruppen zuordnen. Das Bild zeigt beispielhaftdas normierte Anspruchsprofil der dritten Gruppe G3.

5

4

3

2

1

0

Ladefaktor

Zeit zwischenVollladungen

max- Entladerate

Ah UmsatzTeilzyklen

G3

Zeit bei niedrigemLadezustand


Seit 1987 betreibt das Fraunhofer ISE auf demRappenecker Hof – einer Wandergaststätte aufdem Schauinsland – eine Demonstrationsanlage,um Komponenten und Systemtechnik für autar-ke Photovoltaik-Hybridsysteme unter realenNutzungsbedingungen zu testen und um Praxis-erfahrungen zu sammeln. Im Sommer 2003erweiterten wir die Anlage und bauten eineBrennstoffzelle vom Typ Nexa des HerstellersBallard ein. Sie soll langfristig den Dieselgenera-tor als Zusatzstromerzeuger ersetzen. Damitkann das Verhalten einer serienmäßig gefertig-ten Brennstoffzelle unter Feldbedingungen analysiert werden.

Im realen Betrieb von Systemen treten Phäno-mene auf, die in einem Testlabor nicht zu erken-nen wären. So stellten wir zum Beispiel fest,dass der interne Wasserstoffsensor des Systemsdurch andere, systemfremde Gase aus demBetriebsraum, wie zum Beispiel Lösungsmitteln,gestört wurde. Bei der Analyse der Betriebsweisezeigte sich weiterhin, dass der eingesetzteDC/DC-Spannungswandler die Brennstoffzellenicht im optimalen Arbeitspunkt betreibt undzudem einen relativ niedrigen Wirkungsgrad aufweist. Deshalb entwickelten wir einen speziellan die Erfordernisse angepassten Spannungs-wandler, der außerdem direkt von der Brenn-stoffzelle angesteuert werden kann (sieheBeitrag Seite 54).

Hinsichtlich der Lebensdauer können wir einpositives Ergebnis verzeichnen. Obwohl dieLebensdauer vom Hersteller mit 1 500 Stundenangegeben wird, gelang es uns, die Brennstoff-zelle über 2 000 Stunden mit lediglich einemAusfall zu betreiben. Inzwischen wurde dieBrennstoffzelle durch eine baugleiche Zelleersetzt. Während des weiteren Betriebs wollenwir insbesondere die Abstimmung zwischenBrennstoffzelle und Spannungsaufbereitungsowie die Betriebsführung weiter optimieren.Das Projekt wird finanziell unterstützt durch denInnovationsfonds Klima- und Wasserschutz derbadenova AG & Co. KG, Freiburg sowie durchdie Projektpartner Familie Riesterer, Oberried unddie Firma Phocos AG, Ulm. Der Wasserstoff wirdvon der Firma basi Schöberl GmbH und Co,Rastatt, kostenlos zur Verfügung gestellt.

Langzeiterfahrungen mit Brennstoffzellen im Feldbetrieb

Seit Oktober 2003 wird durch das FraunhoferISE eine Brennstoffzelle mit einer Leistung von1,2 Kilowatt unter Feldbedingungen in einemautarken Stromversorgungssystem ausführlichgetestet. Die Erfahrungen fließen in die Ent-wicklung künftiger PV-Hybridsysteme mitBrennstoffzellen ein. Außerdem liefern sieHerstellern von Brennstoffzellen wichtige Erkenntnisse.

Andreas Steinhüser, Felix Holz

Abb. 1: Von Oktober 2003 bis Juli 2004 wurde diese Poly-mer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (Stapel sind imHintergrund erkennbar) unter realen Nutzungsbedingungengetestet. Sie erreichte eine Betriebsdauer von über 2 000Stunden. Inzwischen befindet sich eine zweite, baugleicheZelle im Einsatz.

Abb. 2: Bei günstigen Witterungsverhältnissen kann diePhotovoltaik – in Kombination mit der Windenergieanlageund der Brennstoffzelle – den Energiebedarf des RappeneckerHofs vollständig abdecken. Im Tagesverlauf übernimmtzunehmend die PV-Anlage die Stromversorgung (gelb). GegenAbend steigt dann wiederum die Stromproduktion aus derWindenergieanlage an (blau). Während der Vormittags- undNachmittagsstunden reichen die Sonnenenergie und dieWindkraft nicht aus, um den Energiebedarf der Gaststättevoll zu decken. Zu diesen Zeiten wird die Brennstoffzellezugeschaltet (rot).

Brennstoffzellen-Stapel

Innovatives Energiemanagementsystem für autarke PV-Hybridsysteme

Um den Aufwand für Planung, Anpassung undWartung autarker Stromversorgungssystemeerheblich reduzieren zu können, entwickelnwir ein universelles EnergiemanagementsystemUESP. Das Kürzel steht für Universal EnergySupply Protocol. Die Arbeiten am Kommu-nikationsprotokoll sowie an den Schnittstellenfür Photovoltaikanlagen, Batterien, Diesel-generatoren und Lasten wurden 2004 abge-schlossen. Ab 2005 werden Prototypen einesUESP-fähigen Hybridsystems erprobt und opti-miert.

Felix Holz, Hans-Georg Puls, Christof Wittwer


In autarken PV-Hybridsystemen steuert einEnergiemanagementsystem (EMS) das Zusam-menspiel von Photovoltaikmodulen, Batterien,Zusatzstromerzeugern und weiteren Kompo-nenten. In der Praxis kommt es jedoch häufigvor, dass die tatsächlichen Leistungsanforde-rungen der Verbraucher oder die Nutzungsbe-dingungen von den geplanten bzw. prognosti-zierten abweichen. Werden Komponenten aus-gewechselt oder erweitert, muss auch das EMSangepasst werden. Deshalb wünschen sichPlaner und Betreiber von einem innovativen EMSmehr Flexibilität in der Systemauslegung und -erweiterung, eine höhere Betriebszuverlässigkeitdurch Fernüberwachung sowie eine höhereWirtschaftlichkeit durch eine kostenoptimierteBetriebsführung.

Um diesen Anforderungen Rechnung zu tragen,entwickeln wir zusammen mit acht Industrie-partnern ein universell einsetzbares Energie-managementsystem, das Universal Energy SupplyProtocol UESP. Nach dem Prinzip »Plug & Play«können mit dem UESP Komponenten im laufen-den Betrieb abgetrennt und neue angeschlossenwerden. Das Managementsystem erkennt dieKomponenten automatisch und passt die Be-triebsführung jeweils an die neue Systemkonfi-guration an.

2004 entwarfen wir das Protokoll selbst sowieintelligente Kommunikationsschnittstellen (UESPInterface Boxes, UIB) für Photovoltaikanlagen,Batterien, Dieselgeneratoren und einen Kühl-schrank als Beispiel für eine steuerbare Last.

2005 wird in einer Demonstrationshalle die ersteUESP-Prototypanlage mit diesen Komponentenbetrieben und optimiert. Weitere Komponentenwerden folgen. Am Ende der Projektlaufzeit wirddas Protokoll veröffentlicht. Komponentenher-steller können dann eigene UIBs und EMS ent-wickeln und am Fraunhofer ISE testen und zerti-fizieren lassen. Das Projekt wird vom Bundes-ministerium für Umwelt, Naturschutz undReaktorsicherheit gefördert.


Abb. 1: Auch »dumme« Komponenten ohne eigene Steue-rungsintelligenz wie Batterien, können in ein UESP-Systemintegriert werden. Hierfür entwickelten wir eine spezielleKommunikationsschnittstelle (UIB), die dem zentralenEnergiemanagement Betriebsdaten, zum Beispiel Ladezustandund Kosten, übermittelt.

Abb. 2: Die UESP-Inferface Box besteht aus zwei Platinen. Die erste (im Bild links) ist für den Datenaustausch mit demEnergiemanagementsystem (EMS) zuständig und ist für alleKomponenten identisch. Der zweite Teil ist komponentenspe-zifisch und beherbergt die Steuerungsverfahren, wie hier zumBeispiel für eine Batterie (im Bild rechts).

RegenerativeStromerzeugung im Netzverbund

Der Bau von netzgekoppelten Anlagen ist heuteder weltweit größte Markt der Photovoltaik-branche. Gut ausgestattete Markteinführungs-programme vor allem in Japan, Deutschlandund einigen Staaten der USA sorgen für hoheWachstumsraten. Um dieses Marktwachstumweiter aufrecht zu erhalten, müssen auch dieKosten für die Systemtechnik – wie Wechsel-richter, Montage- und Verkabelungssysteme –kontinuierlich gesenkt werden. Gleichzeitigsteigt die Erwartung an die Qualität und dieLebensdauer der Komponenten.

Wechselrichter zur Netzeinspeisung erreichenheute bereits eine hohe Qualität. Neue Schal-tungskonzepte, digitale Regelungstechnik,Fortschritte bei Leistungshalbleitern sowie beipassiven Bauelementen bieten jedoch weitereerhebliche Verbesserungspotenziale, die ausge-schöpft werden können. Hierzu bieten wir spezi-fisches Know-how an, insbesondere in den Be-reichen Schaltungsdesign und -auslegung sowieDimensionierung und Implementierung von analogen und digitalen Reglern.


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Die Qualitätssicherung und die Betriebsüber-wachung von PV-Anlagen spielen eine immerwichtigere Rolle. Vor allem bei großen, kommerziellen PV-Anlagen müssen Projektiererdie Rendite-Erwartungen erfüllen und kritischeFragen von Investoren hinsichtlich der Zuverläs-sigkeit von Ertragsprognosen, der Systempla-nung sowie der Qualität der eingesetzten Kom-ponenten beantworten. Deshalb entwickeln wirverbesserte Messverfahren und leistungsfähigereSimulations- und Informationstechnologien, dieeine Qualitäts-und Ertragssicherung auf allenEbenen ermöglichen. Dazu beraten wir bei derAnlagenplanung, charakterisieren Solarmoduleund führen die technische Bewertung und Leis-tungsprüfung von PV-Anlagen durch. UnsereErtragsprognosen bieten mit die höchste Ge-nauigkeit und gelten als Referenz.

Neben den photovoltaischen können mittelfristigauch solarthermische Kraftwerke einen wichti-gen Beitrag zur umweltfreundlichen Stromer-zeugung leisten. Hierfür forschen wir an verbes-serten Materialien, optimieren die Regelung undführen Systemsimulationen durch.

Daneben können auch optisch konzentrierendePV-Systeme die Kosten von Solarstrom senken.So entwickeln wir neben Hochleistungssolar-zellen ein preisgünstiges Verfahren zur Her-stellung von Fresnellinsen in Konzentratormo-dulen und testen Module im Feldeinsatz.

Wegen der Liberalisierung der Strommärkte undder Markteinführung klimaschonender Energie-technologien steigt der Anteil von PV-Anlagenund anderer dezentraler Stromerzeuger wieBlockheizkraftwerke an der Stromerzeugungkontinuierlich an. Viele kleine Erzeuger undbeeinflussbare Lasten agieren miteinander undzum Teil auch mit den Gebäuden, in die sie integriert werden. Dies führt zu völlig neuenAnforderungen an Regelung, Betriebsführung,Kommunikation und Datenmanagement vonStromnetzen und von Gebäuden. Wir arbeitenan Steuerungs- und Regelungskonzepten, neuenSimulations- und Managementtechnologien

sowie an Planungswerkzeugen für diese Syste-me. Fragen der Kosten, der Betriebs- und Ver-sorgungssicherheit sowie der Spannungsqualitätstehen dabei im Vordergrund.

Im Geschäftsfeld »Regenerative Stromerzeugungim Netzverbund« unterstützen wir Kompo-nentenhersteller, Anlagenplaner und -betreibersowie Energieversorger bei der

- Wechselrichterentwicklung- Qualitätssicherung und Monitoring von

Komponenten und Anlagen - Untersuchung von Konzepten der verteilten

Erzeugung- Integration von Strom- und Wärmeerzeugern

und Speichern in Netze und Gebäude zur Optimierung von Lastflüssen und Verbesserungvon Versorgungs- und Spannungsqualität

- Konzeption und Technologieentwicklung für photovoltaische und solarthermische Kraftwerke.

Dabei greifen wir unter anderem auf folgendeAusstattung zurück:

- Wechselrichterlabor - hochpräzise Leistungsmessgeräte für

Wechselrichter und Laderegler - Präzisionsmessgeräte zur Charakterisierung

von induktiven und kapazitiven Bauelementen - Messkabine für elektromagnetische

Verträglichkeit (EMV)- Burst- und Surge-Generatoren- programmierbare Solarsimulatoren und

elektronische Lasten- Entwicklungsumgebungen für Mikrocontroller

und Digitale Signalprozessoren (DSP)- Kalibrierlabor für Solarmodule- Freiland-Testfeld zur Erprobung von

Solarkomponenten - Entwicklungsumgebungen für Regelungen auf

der Basis von »embedded systems« - Labor zur Entwicklung von Lade- und

Betriebsstrategien für Batterien- Prüfeinrichtungen für Batterien in weitem

Strom-, Spannungs- und Temperaturbereich


Immer häufiger wird Strom in dezentralen Kraftwerken auf Mittel- und Niederspannungs-ebene nah am Verbraucher erzeugt. Dadurch stellen sich Netzbetreibern vielfältige Qualitäts-und Managementfragen. In der »Solarsiedlung Schlierberg« in Freiburg untersucht dasFraunhofer ISE die Auswirkung einer hohen Dichte von Photovoltaikanlagen in einem Nieder-spannungsnetz. Im Bild zu sehen ist das 400 V Verteilerfeld der Transformatorstation, wo ca.130 Wechselrichter den Strom von etwa 330 kWp Photovoltaik einspeisen (zum Thema Ein-speisung in Niederspannungsnetze s. auch Beitrag Seite 63).


Ansprechpartner

Verteilte Erzeugung Dr. Thomas Erge Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-53 37E-Mail: [email protected]

Leistungselektronik und Dr. Bruno Burger Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 37Regelungstechnik E-Mail: [email protected]

Elektrische Speichersysteme Dipl.-Phys. Felix Holz Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 19E-Mail: [email protected]

Monitoring und Dipl.-Ing. Klaus Kiefer Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 18Demonstrationsprojekte E-Mail: [email protected]

Solare Kraftwerke Dipl.-Phys. Tel.: +49 (0) 7 61/40166-91Hansjörg Lerchenmüller E-Mail: Hansjoerg.Lerchenmueller

@ise.fraunhofer.de

Marketing Dr. Harald Schäffler Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-54 27E-Mail: [email protected]


Regenerative Stromerzeugung Dr. Tim Meyer Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 29im Netzverbund E-Mail: [email protected]

Solarzellen Priv. Doz. Dr. Gerhard Willeke Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 66E-Mail: [email protected]




Bei der Auslegung von Photovoltaikanlagenwurde bisher in der Regel eine um 20 bis 35%höhere Modulleistung im Vergleich zur Wechsel-richterleistung gewählt. Dies war wirtschaftlichsinnvoll, weil eine Photovoltaikanlage erstens nurselten die volle Nennleistung liefert und zweitensWechselrichter mit einem schlechten Wirkungs-grad im unteren Leistungsbereich dadurch häufi-ger in höheren Leistungsbereichen mit besserenWirkungsgraden arbeiten. Der Nachteil einer solchen Auslegung ist allerdings, dass derWechselrichter bei hoher Sonneneinstrahlungfrüher überlastet wird. Aufgrund der internenLeistungsbegrenzung wird dann Energie ver-schenkt.

Vor dem Hintergrund des verbesserten Wir-kungsgradverlaufs moderner Wechselrichtersowie der gestiegenen Qualität der Moduleüberprüften wir diese Auslegungspraxis. In einerSimulationsreihe zogen wir hierfür neben denüblichen 8 760 Stundenmittelwerten auch rund3,1 Millionen im Zehn-Sekundenabstand gemes-sene Momentanwerte der Solarstrahlung heran.Wie in Abbildung 1 und 2 dargestellt, ändernsich dadurch deutlich die Häufigkeitsverteilungsowie der energetische Anteil verschiedenerEinstrahlungsklassen. Kurzzeitige Strahlungs-spitzen werden bei der Rechnung mit Momen-tanwerten nicht mehr herausgemittelt, sondernkönnen jetzt bei der Dimensionierung desWechselrichters mit berücksichtigt werden.

Dies führte zu einer deutlich korrigierten Aus-legungsempfehlung. Unter der Annahme, dassmaximal 0,5% der erzeugten Energiemengedurch Leistungsbegrenzung des Wechselrichtersverloren gehen darf, sollte der Solargeneratorum nicht mehr als 20% – statt wie bisher bis zu35% – überdimensioniert werden (Abbildung 3).Dies gilt für mitteleuropäische Anlagen mit einerAusrichtung des Modulfelds im Bereich zwischenplusminus 60 Grad vom Süden und einer Neigung im Bereich zwischen 15 und 60 Grad.Zahlreiche Wechselrichterhersteller haben dieseEmpfehlung übernommen und in ihre Aus-legungsprogramme integriert.

Höhere Erträge durch verbesserte Auslegung der Wechselrichterleistung

Wechselrichter für Photovoltaikanlagen wur-den in der Vergangenheit oft zu klein ausge-legt. Dadurch ging ein Teil des Ertrags unnöti-gerweise verloren. Dies ist das Ergebnis vonSimulationsrechnungen auf der Basis vonMomentanwerten – statt Stundenmittel-werten. Statt bis zu 35% sollte die Modul-leistung bei gut ausgerichteten Anlagen nurnoch 15 bis 20% über der Wechselrichter-leistung liegen. Diese Empfehlung desFraunhofer ISE wurde bereits von zahlreichenWechselrichterherstellern übernommen.

Bruno Burger

Abb. 1: Jährliche Häufigkeitsverteilung (grün) und Energie-gehalt verschiedener Einstrahlungsklassen bei einerBerechnung mit 8 760 Stundenmittelwerten.

Abb. 2: Werden statt Stundenmittelwerten ca. 3,1 MillionenMomentanwerte für die Simulation herangezogen, zeigt dasErgebnis eine deutlich andere Häufigkeitsverteilung (grün).

Abb. 3: Nach der neuen Auslegungsempfehlung desFraunhofer ISE sollte das Verhältnis von Solargenerator- zuWechselrichterleistung bei gut ausgerichteten Anlagen(dunkelblaue und violette Fläche) nur noch 1,15 bis 1,2betragen. Berechnet mit Stundenmittelwerten ergibt sichhingegen ein Verhältnis von 1,3 bis 1,35.

1200 W/m2100080060040020000

3

6

9

12

15

W/m21200100080060040020000

3

6

9

12

15

Nei

gung

270°West

240°210°180°Süd

150°120°90°Ost

0°

15°

30°

45°

60°

75°

90°

1.15

1.21.25 1.3

1.35 1.4 1.45 1.51.551.6

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[%]

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[%]

PoMS – ein Energiemanagementsystem für Niederspannungsnetze mit dezentralerStromerzeugung

Um den Betrieb von Niederspannungsnetzentechnisch und ökonomisch optimieren zu kön-nen entwickeln wir das Energiemanagement-system PoMS. PoMS steht für Power and Power Quality Management System und wirdim Rahmen des EU-Projekts DISPOWER in vierlokalen Netzen in Deutschland, Italien undSpanien in der Praxis getestet. Damit werdenwichtige Voraussetzungen geschaffen füreinen Übergang zu einer dezentralen Strom-versorgung.

Rainer Becker, Thomas Erge, Thomas Klose,Anselm Kröger-Vodde*, Hermann Laukamp,Hans-Georg Puls, Malte Thoma, Rico Werner,Christof Wittwer



Angetrieben durch die Liberalisierung und Har-monisierung des europäischen Strommarktessowie durch den zunehmenden Einsatz dezen-traler Solar-, Wind- und Kraft-Wärme-Kopplungs(KWK)-Anlagen zeichnet sich in der Stromver-sorgung in den kommenden Jahren ein grundle-gender Strukturwandel ab. Statt ausschließlich in wenigen Großkraftwerken wird künftig derStrom immer mehr auch in dezentralen Kraft-werken auf Mittel- und Niederspannungsebenenah am Verbraucher erzeugt. Dadurch ergebensich für die Netzbetreiber vielfältige Qualitäts-und Managementprobleme, aber auch Chancen.So können beispielsweise durch dezentralePhotovoltaik- und KWK-Anlagen die Versor-gungssicherheit und die Netzqualität verbessertwerden. Bei entsprechenden Tarifmodellen kannlokal erzeugter Strom nicht nur für die Anlagen-betreiber, sondern auch für die Netzbetreiberökonomisch attraktiv sein. Um diese Chancen zunutzen, benötigen wir aber ein intelligentes undauf Niederspannungsnetze zugeschnittenesdezentrales Energiemanagementsystem, daserlaubt, den Netzbetrieb anhand technischer und ökonomischer Ziele zu optimieren.

Zusammen mit unseren Projektpartnern ent-wickeln wir derzeit ein solches »Power andPower Quality Management System«, kurzPoMS. Nach Labortests wird PoMS ab Ende 2004in Testnetzen des Energieversorgers MVV Energiein Mannheim, der Stadtwerke Karlsruhe sowieweiterer Energieversorgungsunternehmen einge-setzt. Damit können wir in der Praxis untersu-chen, wie dezentral organisierte Niederspan-nungsnetze mit einem großen Anteil fluktuieren-der Erzeuger, zum Beispiel Solarstrom, ökono-misch und technisch optimal betrieben werdenkönnen. Die Optimierungskriterien werden dabeivom jeweiligen Netzbetreiber vorgegeben. Beiden Demonstrationsanlagen in Mannheim undKarlsruhe sollen zum Beispiel Netz, Zusatzstrom-


Abb. 1: Mit Hilfe von PoMS können einzelne Niederspan-nungsnetzabschnitte (230/400 Volt) nach technischen oderökonomischen Kriterien optimal betrieben werden. Hierfürsteuert ein zentrales Managementsystem (PCU) über eineigenes Kommunikationsnetz (grüne Linien) Netzkompo-nenten wie zum Beispiel Photovoltaikanlage, Brennstoffzellen,BHKWs, Batterien sowie steuerbare Lasten.

Management

VorhersagenLeitzentrale

10 kV

400 V

PV + Last Last Brenn- Betrieb BHKW Batteriestoffzelle


erzeuger und Lasten auf den Betrieb von Photo-voltaikanlagen und größeren Batteriespeichernabgestimmt werden. Hierfür entwickelten wirgeeignete Last- und Erzeugungsprognosever-fahren, die es PoMS ermöglichen, die Netzkom-ponenten über flexible Betriebsfahrpläne optimalzu steuern. Berücksichtigt werden dabei auchlokale Strompreisangaben sowie die Zustands-parameter der jeweiligen Komponenten.

Technisch besteht das PoMS aus einer zentralenSteuerungseinheit PCU (PoMS Central Unit)sowie komponentenspezifischen, dezentralinstallierten intelligenten Kommunikationsein-heiten, sogenannten PoMS Interface Boxes (PIB,Abbildung 2). Die PCU und die PIBs sind überein eigenes Kommunikationsnetz verbunden. Dievon uns mit Hilfe von integrierten Mikrocon-trollern (embedded systems) entwickelten, flexi-bel programmierbaren PIBs bieten universelleund innovative Möglichkeiten zur Steuerung von dezentralen Erzeugern, Speichern und vonLasten. Sie stellen dem Energiemanagementneben einer einheitlichen Kommunikations-schnittstelle standardisierte Parameter zur Ver-fügung. Damit eignen sich diese Boxen auch zurintelligenten Kommunikation und Betriebs-führung in anderen Anwendungen. Realisiert ineinem »schlanken« Hardware-Design bieten wirdamit für Anwender im Energiebereich kosten-günstige Systemlösungen für die Steuerung vonKomponenten an.

Die Arbeiten werden im Rahmen des ProjektsDISPOWER von der EU gefördert.

Abb. 2: Der Dialog zwischen dem zentralen Energiemanage-mentsystem und den Komponenten läuft über die am Fraun-hofer ISE entwickelten »PoMS Interface Boxen«. Durch siewerden Vorgaben des zentralen Managements umgesetztsowie Erzeugungsprognosen für bestimmte Komponenten-typen wie zum Beispiel Photovoltaikanlagen erstellt.

Abb. 3: Die Graphik zeigt beispielhaft für drei Tage, wie durcheine Verschiebung der Betriebszeiten eines Blockheizkraft-werks (BHKW, grüne statt lilafarbene Linie) die Spitzenlast am Mittelspannungstrafo der Siedlung (schwarze Linie) um 30 Kilowatt reduziert werden konnte (rote Linie). Durch eineoptimierte Betriebsführung mit PoMS können so teureSpitzenlastbezüge vermindert werden.

Spitzenlastreduzierung in Stutensee

0 24 48 72Stunden

125

100

75

50

25

Leis

tung

[kw

]

Garantierte Erträge bei solaren Großkraftwerken

Bei steigender Größe von Photovoltaikanlagenspielt die Qualitätssicherung eine zunehmendwichtige Rolle, denn jeder Prozentpunkt Leis-tungseinbuße wirkt sich unmittelbar auf dieRendite der oft knapp kalkulierten Projekteaus. Für Investoren und Anlagenbetreiber haben wir deshalb ein Bündel von Verfahrenentwickelt, mit denen die Qualität der Pla-nung, der Komponenten, des Baus und desBetriebs gesichert werden kann.

Thomas Erge, Wolfgang Heydenreich, Klaus Kiefer, Hermann Laukamp, Frank Neuberger, Christian Reise, Christof Wittwer


Durch die zunehmende Anlagengröße und durchden Einstieg von kapitalkräftigen Investment-gesellschaften in den Photovoltaikmarkt stellensich erhöhte Anforderungen an die Qualitäts-sicherung von Photovoltaikkraftwerken. Auf derBasis unserer Erfahrungen aus langjährigenMonitoring-Programmen entwickelten wir einPaket von Qualitätssicherungsmaßnahmen, mitdenen Planer und Anlagenbetreiber diesenAnforderungen gerecht werden können. DieMaßnahmen reichen von der professionellenErtragsprognose bis zum Monitoring desAnlagenbetriebs.

Ertragsprognosen werden in der Regel mit relativpräzisen Simulationsmodellen erstellt, die denErtrag mit einer Gesamtunsicherheit von ± 4%angeben können. Die Hauptquelle der verblei-benden Unsicherheit sind die Genauigkeit derEinstrahlungswerte und die Umrechnung auf diegeneigte Fläche. Eine Ursache für vermeidbareQualitätseinbußen sind unbeachtete Verschat-tungsprobleme. Nicht nur bei Dachanlagen, son-dern auch bei Freiflächenanlagen werden immerwieder Schattenquellen, wie zum Beispiel Strom-masten, übersehen oder als nicht relevant einge-schätzt. Ebenso wird die gegenseitige Verschat-tung der Modulreihen, vor allem bei nachgeführ-ten Anlagen, häufig unterschätzt. In unsererErtragsprognose-Berechnung werden deshalbModelle eingesetzt, die Verschattungen sehrgenau simulieren können. Dadurch erreichen wir eine höhere Ertragssicherheit.


Abb. 1: Über 57 000 Solarmodule wurden für den 10-Mega-watt-Solarpark Bavaria auf einachsigen Nachführungssystemeninstalliert. Der amerikanische Projektierer PowerLight Corp.beauftragte das Fraunhofer ISE mit allen Stufen der Quali-tätssicherung – von der Ertragsprognose bis zum Monitoring.


Die Ertragsprognosen stützen sich auf die An-gaben der Hersteller von Solarmodulen. In ver-schiedenen Testreihen in unserem Kalibrierlaborkonnten wir feststellen, dass die Modulleis-tungen sich zwar meistens innerhalb der garan-tierten Toleranzen bewegten, aber bei mehr alsder Hälfte der getesteten Module lagen sie deut-lich unter dem vom Hersteller angegebenenNennwert. Für Investoren und Betreiber bietenwir daher eine statistisch repräsentative Prüfungder Solarmodule in unserem Kalibrierlabor an.Damit kann sichergestellt werden, dass die gelie-ferten Module im Durchschnitt tatsächlich dieLeistung liefern, mit der die Rendite berechnetwurde. Denn über eine Betriebszeit von20 Jahren bedeutet 1% geringere Modulleistungbei einer Megawattanlage bereits einen Verlustvon rund 100 000 Euro.

Zur Qualitätssicherung der Bauleistungen alsGanzes führen wir eine Abnahme des Solar-kraftwerks durch. Dabei prüfen wir neben derfach- und normenkonformen Ausführung derAnlage auch die Kennlinien der Einzelstränge.Dadurch können Fehler in der Verschaltung, feh-lerhafte Module und auch zu große Leistungs-abweichungen der Einzelstränge identifiziertwerden.

Um sicher zu stellen, dass die Anlage über dengeplanten Zeitraum von 20 Jahren die garantier-ten Erträge liefert, ist schließlich eine Betriebs-überwachung notwendig, die eine Anlagen-störung zeitnah erkennen kann. Hierfür ent-wickelten wir ein Monitoring-Verfahren, dasinnerhalb von 24 Stunden nicht nur die Ab-weichungen des Anlagenertrags von den pro-gnostizierten Werten, sondern auch die Fehler-ursache, wie zum Beispiel Wechselrichter-probleme oder Verschattungen, erkennen kann.Dieses Verfahren wird zur Zeit weiter optimiert,um mit Hilfe von anlagenintegrierten Mikrocon-trollern (»embedded systems«) in Echtzeit Ab-weichungen erkennen und über einen Internet-Anschluss an den Betreiber melden zu können.

Abb. 2: Das neue Solarkraftwerk mit 90 Kilowatt Leistung auf der Nordtribüne des Freiburger badenova-Stadions ist die erste Anlage des 1-Megawatt-Projekts »Regiosonne«.Auch hier übernahm das Fraunhofer ISE das gesamteQualitätsmanagement.

Abb. 3: Das am Fraunhofer ISE entwickelte Monitoringpro-gramm überprüft bei einer Photovoltaikanlage laufend, ob die gemessene Leistung (Pmess) den simulierten Wertenentspricht (simulierte Leistung Psim / Pmess gleich 1). BeiAbweichungen, die größer sind als der Messfehler (blauerBalken) – hier im Beispiel vor 9 Uhr sowie nach 17 Uhr – ver-gleicht das Programm die Abweichungen mit einer Reihe vonStörungsmustern. In diesem Beispiel liegt eine Störung vor, dieauf eine Abschattung am Morgen und am Abend hindeutet.

Störungsmuster Normierte Anlagenleistung

Psim / Pmess

Tageszeit Tageszeit

ja

nein

6 9 12 15 18 6 9 12 15 18

Geometrieoptimierung von solarthermi-schen Fresnel-Kollektoren

Fresnel-Kollektoren haben das Potenzial, dieKosten für Strom aus solarthermischen Kraft-werken zu reduzieren. Die geometrischenEigenschaften solarthermischer Fresnel-Kollek-toren können in weitem Umfang variiert wer-den. Alle Variationen wirken sich sowohl aufdie Kollektorkosten als auch auf die Strom-erträge aus. Wir entwickelten ein Simulations-verfahren, das eine kostenoptimale Auslegungdes Kollektors und damit eine Minimierung derStromgestehungskosten ermöglicht.

Hansjörg Lerchenmüller, Max Mertins*,Gabriel Morin, Andreas Häberle**

* Universität Karlsruhe** PSE GmbH Forschung Entwicklung Marketing, Freiburg


Der Fresnel-Kollektor ist ein viel versprechendesKonzept, um die Stromgestehungskosten vonsolarthermischen Kraftwerken zu senken. ImRahmen einer Machbarkeitsstudie zu linearfokussierenden Fresnel-Kollektoren konnten wirtechnische und wirtschaftliche Aspekte diesesKollektortyps analysieren. Im Vergleich mit Para-bolrinnen-Kraftwerken haben Fresnel-Kollektoreneinen auf die Spiegelfläche bezogenen geringe-ren optischen Wirkungsgrad. Wegen der einfa-cheren Bauweise und den damit plausibel anzu-nehmenden geringeren Kollektorkosten werdendennoch geringere Stromgestehungskosten er-wartet. Dies gilt insbesondere dann, wenn dasPotenzial, das in der Optimierung der Kollektor-geometrie liegt, voll ausgeschöpft wird.

Wir führten detaillierte Systemsimulationendurch, um den Stromertrag von Fresnel-Kraft-werken in Abhängigkeit von den optischenEigenschaften der Kollektoren zu bestimmen.Eine Vielzahl geometrischer Parameter, wie zumBeispiel die Absorberhöhe sowie Anzahl, Größeund Abstand der Primärspiegel, beeinflussen dieoptischen Verluste durch wechselseitige Spiegel-abschattungen (Abbildung 2). Auch das Ab-blocken von reflektierten Sonnenstrahlen durchbenachbarte Spiegel sowie der Anteil der Solar-strahlung, der den Absorber verfehlt, wird durchgeometrische Parameter bestimmt. Die optischeLeistungsfähigkeit eines Kollektors ermitteltenwir über Jahressimulationen auf der Basis vonstündlichen Wetterdaten. Um die Kostenunter-schiede verschiedener Kollektor-Auslegungen zu bestimmen, wurden den geometrischen

Parametern Kostenfaktoren zugewiesen. Auf derBasis dieser Kostenfaktoren und der Jahres-simulationen entwickelten wir ein Verfahren, umden Kollektor in Bezug auf die Stromgeste-hungskosten zu optimieren. Verglichen miteiner herkömmlichen Kollektorauslegung aufeinen einzelnen Betriebspunkt lassen sich mitunserem Verfahren Kostenvorteile von bis zu15% erzielen.


Abb. 1: Visualisierung eines Fresnel-Kollektor-Solarfelds. In der horizontalen Ebene ist das facettierte Spiegelfeld zusehen. Die Spiegel werden einzeln der Sonne nachgeführt,so dass die Solarstrahlung auf dem linearen Absorberrohroben gebündelt wird.

Abb. 2: Prinzipskizze eines solarthermischen Fresnel-Kollektors. Durch Variation der Kollektorbreite W, desSpiegelabstandes D, der Spiegelbreite B und der Höhe H des Absorberrohres über dem Primärspiegelfeld lässt sich die Kollektorgeometrie so optimieren, dass die Stromge-stehungskosten über Jahressimulationen minimiert werden.

Wasserstoff-technologie

Wasserstoff setzt bei der kontrollierten Reaktionmit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle nutzbareEnergie in Form von Strom und Wärme frei. DaWasserstoff in der Natur nicht in Reinform vor-liegt, muss er jedoch aus seinen vielfältigen che-mischen Verbindungen gewonnen werden. Dasgeschieht unter Einsatz von Energie, im Idealfallerneuerbarer Energie, z. B. durch Elektrolysever-fahren mit regenerativ erzeugtem Strom oderdurch Reformierung von gasförmigen oder flüssi-gen Brennstoffen.

So ist Wasserstoff zwar keine Energiequelle, als universeller Energieträger wird er aber einwichtiger Baustein einer künftigen nachhaltigenEnergiewirtschaft sein. Dabei wird Wasserstoffzeitlich fluktuierende erneuerbare Energie soaufbereiten, dass alle gewünschten Energie-dienstleistungen mit der gewohnten Zuverläs-sigkeit bereit gestellt werden. Forscher undTechnologen arbeiten mit Hochdruck an derRealisierung dieser Vision. Das Anwendungs-potenzial von Wasserstoff ist gewaltig: In der


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dezentralen Energieversorgung können Brenn-stoffzellen Wärme und Strom aus Erdgas mit biszu 80% Gesamtwirkungsgrad erzeugen. Brenn-stoffzellen dienen in mobilen Anwendungenzusammen mit Elektromotoren als schadstoff-freie Antriebsaggregate für Automobile, LKWsund Busse. Außerdem können Brennstoffzellenin Auxiliary Power Units (APU) für die Bordnetz-Stromversorgung sorgen. Schließlich eignen sichMikrobrennstoffzellen-Systeme wegen der hohenEnergiedichte der Brennstoffe hervorragend alsErgänzung oder Alternative zu Batterien undAkkus in der netzfernen Stromversorgung oderin Elektrogeräten.

Im Geschäftsfeld Wasserstofftechnologie erfor-schen wir innovative Technologien zur Gewin-nung und hocheffizienten Umwandlung vonWasserstoff in Strom und Wärme. Zusammenmit unseren Partnern aus Industrie und Wissen-schaft entwickeln wir Komponenten und kom-plette Wasserstoffanlagen für eine kostengünsti-ge und umweltfreundliche Energiewirtschaft.

Wir entwickeln Reformersysteme zur Umwand-lung flüssiger Brennstoffe. Die Anlagen umfas-sen den eigentichen Reformierreaktor und, ab-hängig vom Typ der nachgeschalteten Brenn-stoffzelle, auch eine Gasaufbereitung zur Erhö-hung der Wasserstoffausbeute und Reduzierungdes Kohlenmonoxidanteils im Produktgas. DieEinsatzgebiete dieser Systeme reichen von statio-närer Kraft-Wärme-Kopplung über Bordstrom-versorgung bis hin zur portablen Energiever-sorgung.

Für die Wasserstoffgewinnung aus Wasser reali-sieren wir geregelte Membran-Elektrolyseure mitLeistungen von wenigen Watt bis 2 kW. Zumvertieften Verständnis der Vorgänge an denElektroden setzen wir unterschiediche Charak-terisierungsmethoden wie Rasterelektronenmi-kroskop oder Zyklovoltammetrie ein.

Als effiziente, umweltfreundliche, geräusch- und wartungsarme Energiewandler im Leistungs-bereich von mW bis ca. 300 W setzen wir aufMembranbrennstoffzellen für den Betrieb mitWasserstoff oder Methanol.

Neben der Komponenten- und Anlagenent-wicklung arbeiten wir an der Integration vonBrennstoffzellen-Systemen in übergeordneteSysteme. Wir konzipieren und realisieren dieelektrische Auslegung inklusive Spannungsauf-bereitung und Sicherheitstechnik. Damit schaffenwir die Grundlagen für eine marktfähige Wasser-stoffwirtschaft. Unser Angebot umfasst dezen-trale Brennstoffzellen-Kraftwerke zur kombinier-ten Strom- und Wärmeerzeugung ebenso wieBrennstoffzellen-Systeme zur Bordnetzversor-gung in Lastkraftwagen, auf Schiffen oder inFlugzeugen sowie autonome Stromversorgungenfür netzferne Anwendungen und Kleinsystemezur portablen Energieversorgung.


Die Erweiterung des Betriebstemperaturbereichs von Mikro-Brennstoffzellen auf Außentem-peraturen unter dem Gefrierpunkt bzw. auf hochsommerliche 40 °C stellt eine neuartigeHerausforderung dar. Im Bild zu sehen ist ein Brennstoffzellenstapel beim Tieftemperaturtest.Dieser wird in ein außentaugliches, seriennahes Brennstoffzellensystem für den Temperatur-bereich von -20 °C bis +40 °C integriert. Ein möglicher Anwendungsbereich ist die Mess- undRegelungstechnik. Die Tendenz zur dezentralen, netzunabhängigen Energieversorgung vonSystemkomponenten wie Sensoren und Aktoren birgt den Vorteil größerer Flexibilität und dasPotenzial zur Kostensenkung (Beitrag Seite 74).



Ansprechpartner

Brennstoffzellensysteme Dr. Thomas Aicher Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 94E-Mail: [email protected]

Elektrolyse Dipl.-Ing. Ursula Wittstadt Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 04E-Mail: [email protected]

Membranbrennstoffzellen Dipl.-Ing. Mario Zedda Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 07 E-Mail: [email protected]

Integration von Brennstoffzellen Dipl.-Phys. Felix Holz Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 19in autonome Stromversorgungen E-Mail: [email protected]

Leistungs- und Regelungs- Dr. Bruno Burger Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 37elektronik für Brennstoffzellen E-Mail: [email protected]

Regelungsstrategien von Dr. Christof Wittwer Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 15Brennstoffzellen-Blockheiz- E-Mail: [email protected] in Gebäuden

Marketing Dipl.-Ing. Ulf Groos Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 02E-Mail: [email protected]



Netzunabhängige Stromversorgungen Dr. Tim Meyer Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 29und Integration von BHKW in Stromnetze E-Mail: [email protected]



Es gelang uns, die Temperaturverteilung, dieStromverteilung sowie die Wasserentstehung in einer Test-Brennstoffzelle zu bestimmen. Wir konnten die elektrische Impedanz zeitgleichauf den Segmenten einer Test-Brennstoffzellemessen.

Mit dem Messverfahren finden wir heraus, inwelchen Betriebszuständen der Testzelle dieBildung von flüssigem Wasser erfolgt und wiesich die Wasserentstehung auf die Leistung derZelle auswirkt. Kritische Betriebszustände derTestzelle können in Bezug auf die Wärme- undWasserentstehung analysiert werden. Aus denortsaufgelösten in-situ Impedanzmessungenerhalten wir die protonische Leitfähigkeit derMembran als ein Maß für deren ortsabhängigeBefeuchtung.

Für unsere Kunden entwickeln wir Test-Brenn-stoffzellen und wir entwerfen Messeinrichtungenfür die ortsaufgelöste Charakterisierung. AlsDienstleistung führen wir die Messung undAnalyse des Betriebsverhaltens von Brenn-stoffzellen und Brennstoffzellenstapeln durch.Darüber hinaus validieren wir ortsaufgelösteBrennstoffzellenmodelle.

Charakterisierung von Brennstoffzellen

Wir charakterisieren Polymer-Elektrolyt-Mem-bran (PEM)-Brennstoffzellen durch ortsaufge-löste Messmethoden. Hierfür messen wir ansegmentierten Test-Brennstoffzellen die Ver-teilung des Stroms und der Temperatur. Desweiteren visualisieren wir die Wasserproduk-tion in den Gasverteilerkanälen. Im Rahmenunserer Entwicklung mathematischer Modellegelang es uns, die Verteilung von flüssigemWasser unter dynamischen Betriebsbedin-gungen in der Brennstoffzelle zu berechnen.

Dietmar Gerteisen, Alexander Hakenjos, Christopher Hebling, Karsten Kühn, Mario Ohlberger*, Jürgen Schumacher,Christoph Ziegler

* Abteilung für Angewandte Mathematik, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

600

500

400

300

200

100

0

Stro

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[m

A/c

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403938373635343332 Te

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°C]

Abb. 1: Simultane Messung der Stromdichte (linkes Teilbild)und der Temperaturverteilung (Mitte) in einer Brennstoffzellemit mäanderförmigem Gaskanal. Im Foto rechts ist die Bil-dung von Wasser in den Gaskanälen zu erkennen. Die Kon-densationswärme des Wassers hat einen entscheidenden Ein-fluss auf die Temperaturverteilung in der Testzelle.

Ortsaufgelöste MessungFür die Analyse des Betriebsverhaltens vonBrennstoffzellen messen wir die Verteilung derortsabhängigen Stromproduktion und der Tem-peraturverteilung in Testzellen. Damit erhalten wirAufschluss über die Kopplung des Wasser- undWärmehaushalts in Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Wir untersuchen den Einflussverschiedener Materialen der Brennstoffzellen-komponenten auf das Betriebsverhalten. Außer-dem dienen die Messergebnisse zur Validierungeines ortsaufgelösten mathematischen Modells.


Dynamische zweiphasige BZ-SimulationWir modellieren das zeitabhängige Verhalten vonPEM-Brennstoffzellen. Mit unseren mathemati-schen Modellen berechnen wir den Einfluss vonWasserproduktion und -transport auf das dyna-mische Verhalten der Brennstoffzelle. Dabeiberechnen wir ihre elektrischen und thermischenEigenschaften.

Zwei Zielsetzungen sind es, die wir mit unserenArbeiten verfolgen: Einerseits entwickeln wir effi-ziente vereinfachte Brennstoffzellenmodelle fürdie Systemsimulation. Andererseits arbeiten wiran einem ortsaufgelösten dynamischen Strö-mungsmodell zur detaillierten Analyse und zumDesign von Brennstoffzellen. Zum Beispiel habenwir ein eindimensionales dynamisches Brenn-stoffzellenmodell entwickelt, das den Transportvon flüssigem und gasförmigem Wasser in denporösen Schichten einer PEM-Brennstoffzelleberücksichtigt. In Abbildung 2 ist die mit demModell berechnete zeitliche Entwicklung vonStrom und Spannung dargestellt. Die Rechnungwurde mit einer zeitabhängigen Randbedingungfür das elektrische Potenzial an der Kathodedurchgeführt. Die instationäre Strom-Spannungs-kurve zeigt eine Hystereseform, die durch Mes-sungen bestätigt wurde. Darüber hinaus liefertdas Modell die orts- und zeitabhängige Vertei-lung von flüssigem Wasser in der Membran-Elektrodeneinheit (Abbildung 3). Das Modell bil-det die Basis für Systemsimulationen, bei denendie Bildung und der Transport von flüssigemWasser in der PEM-Brennstoffzelle berücksichtigtwerden.

Für unsere Kunden entwickeln wir mathemati-sche Modelle beispielsweise für die am Marktetablierten Simulationsumgebungen Matlab undFemlab. Wir führen stationäre und zeitabhängigeSimulationsrechnungen für PEM-Brennstoffzellendurch und bieten dynamische Systemsimula-tionen mit vereinfachten Modellen der Brenn-stoffzelle an. Stationäre Strömungssimulationenin Brennstoffzellen zählen des weiteren zu unse-ren Dienstleistungen. Ebenso charakterisieren wirBetriebszustände von Brennstoffzellen durch eineKombination von Messung und Simulation.


Abb. 2: Zeitabhängige Simulation von Strom und Span-nung einer PEM-Brennstoffzelle. Es wurde eine zeitlichveränderliche Spannung (4,5 mV/s) an die Brennstoffzelleangelegt. Die Zyklusdauer beträgt 400 s. Die Punkte 1, 2und 3 liegen auf der Vorwärtskennlinie, Punkt 4 liegt aufder Rückwärtskennlinie des ersten Zyklus (blau). Punkt 5liegt auf der Kennlinie des zweiten Zyklus (rot). Durch dasflüssige Wasser tritt ein Hystereseeffekt auf.

Abb. 3: Orts- und zeitaufgelöste Sättigung mit flüssigemWasser. Die Sättigung beschreibt den relativen mit Wassergefüllten Anteil des Porenraums. Die mit 1 bis 5 bezeich-neten Kurven gehören zu den in Abbildung 2 durch Kreisemarkierten Betriebspunkten. Ein Vergleich zwischen denBetriebspunkten 1 und 5 zeigt einen Anstieg der Sättigungmit flüssigem Wasser. (KS: Katalysatorschicht, GDM: Gasdif-fusionsmedium)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4Stromdichte [ A/cm2]

Span

nung

[V

]

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

0 1 2 3 4 5Skalierte Ortskoordinate

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

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1,2

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Anode Membran Kathode

GDM KS KS GDM

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21

54

31

2


Die Regelung des Wasser- und Wärmehaushaltsunserer Brennstoffzellensysteme ermöglicht unseine stabile und zuverlässige Versorgung elektri-scher Verbraucher. Durch die Erweiterung desBetriebstemperaturbereiches auf Außentempera-turen unter dem Gefrierpunkt bzw. hochsom-merliche 40 °C entsteht eine neuartige Heraus-forderung. Bei tiefen Temperaturen gefriert dasProduktwasser in der Brennstoffzelle, währendbei hohen Temperaturen die Membran-Elektro-den-Einheit austrocknet. In beiden Fällen warbisher ein Betrieb der Brennstoffzelle nicht mög-lich. Diese extremen Betriebsbedingungen kön-nen wir mit Hilfe eines vollautomatisiertenBrennstoffzellen-Teststands mit integrierterKlimakammer nachbilden (Abbildung 1).

Mit unseren Brennstoffzellenstapeln ist ein reinpassiver, also nicht durch Fremdenergie erwirkterKaltstart bei -20 °C bereits möglich. Zur Be-schleunigung des Kaltstarts arbeiten wir aneinem neuartigen Heizkonzept, das ohne zusätz-liche verfahrenstechnische Komponenten aus-kommt. So können wir die Kaltstartstrategie inEffizienz und Dauer an die Erfordernisse derAnwendung anpassen.

Mikro-Brennstoffzellensystem für einen breiten Temperaturbereich

In der Mess- und Regelungstechnik beobach-ten wir einen Trend zur dezentralen Energie-versorgung von Systemkomponenten. DieNetzunabhängigkeit von Sensoren und Akto-ren schafft Flexibilität und birgt ein Potenzialzur Kostensenkung. Für dieses Anwendungs-feld entwickeln wir ein außentaugliches, seriennahes Brennstoffzellensystem für denTemperaturbereich von -20 °C bis +40 °C.Unsere Arbeitsschwerpunkte sind die Untersu-chung von Heiz- und Kühlstrategien sowie diedetaillierte Analyse des Kaltstartvorgangs vonportablen Brennstoffzellensystemen.

Dietmar Geckeler, Jan Hesselmann, Michael Junghardt, Michael Oszcipok, Dirk Riemann, Maik Wodrich, Mario Zedda

Abb. 1: Ein Brennstoffzellenstapel bei -20 °C in der Klima-kammer. Wird er in diesem Zustand definiert belastet, so erreicht er ohne jegliche Fremdheizung innerhalb von 15 Minuten die 0 °C-Marke. Bei einer Außentemperatur von -20 °C beträgt die Temperatur im Betriebspunkt 50 °C.

Abb. 2: Mikroskopische Aufnahme von Korrosion auf einermetallischen Bipolarplatte. Die nur 0,1 mm dünnen Plattenermöglichen eine rasche Aufheizung des Brennstoffzellen-stapels und reduzieren dessen Gewicht. An der Entwicklungkorrosionsbeständiger Materialien wird noch gearbeitet.


Den Betrieb unseres Brennstoffzellensystems bei+40 °C haben wir in der Klimakammer erfolg-reich getestet. Ein von uns entwickelter Mem-branbefeuchter nutzt das an der Kathode anfal-lende Produktwasser zur anodenseitigen Be-feuchtung des Wasserstoffs. Gleichzeitig begren-zen wir die Temperatur des Zellstapels durch eineelektronisch geregelte Lüfterkühlung. Durch diegeschickte Führung der kalten und warmenLuftströme unterstützt unser innovatives Ge-häusekonzept passiv die Heizung bzw. Kühlungdes Systems.

Um Eisbildung und Austrocknung zu vermeiden,beeinflussen wir den Wasserhaushalt unsererBrennstoffzellen sowohl durch die Regelung derSystemperipherie als auch durch die Optimierungder Materialeigenschaften der Brennstoffzellen-Komponenten. Hauchdünne metallische Bipolar-platten ermöglichen uns aufgrund der geringenWärmekapazität und der guten Wärmeleitfähig-keit eine rasche Aufheizung des Zellstapels.Gleichzeitig kann die Wärme bei hohen Außen-temperaturen effizient über die Bipolarplattenabgeführt werden. Da metallische Bipolarplattenim Brennstoffzellenstapel korrodieren können(Abbildung 2), testen wir verschiedene Träger-und Beschichtungsmaterialien.

Unsere Kaltstartstrategien für Brennstoffzellen-systeme basieren auf Ergebnissen aus derGrundlagenforschung zum Verhalten einzelligerBrennstoffzellen bei isothermen Bedingungen.Durch statistisch basierte, empirische Modellesowie impedanzspektroskopische Unter-suchungen wissen wir, welche Vorgänge inner-halb einer Zelle ablaufen, wo Wasser entsteht, in welchen Schichten es zu Eisbildung kommenkann und wie Degradationseffekten begegnetwerden muss.

Es ist uns gelungen, die entscheidenden Be-triebsparameter herauszufinden, mit denen esmöglich ist, Kaltstarts zu optimieren. DiesesWissen übertragen wir auf unsere portablenBrennstoffzellensysteme und optimieren soderen Startverhalten. Thermische Modelle be-schreiben das dynamische Aufheizverhalten vonBrennstoffzellenstapeln und dienen als Grund-lage zur Erstellung von Effizienzanalysen ver-schiedener Startstrategien.


Abb. 3: Verfall der Stromdichte i bei isothermem Kaltstart,aufgetragen über der kumulierten Ladungsmenge Sq,cum.Statistische Regressionsmodelle beschreiben die Vorgänge ineinzelligen Brennstoffzellen während eines Kaltstarts bei -10 °C. Dadurch wissen wir welche Betriebsparameter fürTieftemperaturstarts entscheidend sind und können optimaleStartstrategien entwickeln.

Abb. 4: Experimenteller Versuch und thermische Simulationdes Kaltstarts eines sechszelligen Brennstoffzellenstapels(15 W) in einer Klimakammer bei -10 °C. Nach vier Minutenerreicht die Temperatur 0 °C bei einer mittleren Abwärme des Zellstapels von 22 W während des Betriebs.

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60 70

S q,cum / Ccm-2

27 - 400 / 747 / 78 / 20 / 290

20 - 600 / 150 / 32 / 31 / 342

23 - 200 / 747 / 78 / 50 / 337

14 - 600 / 747 / 158 / 11 / 277

Index - V / u air / uH2 / ZStart / p450

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30Zeit / min

gemesseneTemperatur

berechneteTemperatur

thermischeLeistung BZ-Stapel


Mit dem Ziel eines verbesserten Betriebsver-haltens bei verringerten Material- und Kosten-aufwendungen entwickeln wir Membran-Elek-troden-Anordnungen (MEAs) für die Wasser-elektrolyse. Dabei beschichten wir protonenlei-tende Membranen mit Katalysatoren wie Platinoder Iridium. Für die Weiterentwicklung derBeschichtungsmethoden stehen uns umfangrei-che Charakterisierungsmöglichkeiten zur Ver-fügung.

Im Elektrolysebetrieb charakterisieren wir dieMEAs in einer eigens hierfür entwickeltenLaborzelle. Diese ist über einen weiten Bereichtemperierbar (5–100 °C). Während einer Mes-sung nehmen wir nicht nur Spannungs- undStromkennwerte auf, sondern erfassen auch dieproduzierte Gasmenge sowie deren Reinheit inEchtzeit. Zusammen mit der Stromstärke bestim-men wir so den Wirkungsgrad der Wasserstoff-produktion. Mit Hilfe der Impedanzspektroskopieist es uns möglich, unterschiedliche Einfluss-faktoren auf die Leistungscharakterisik (z. B. desMassentransports oder der kinetischen Hem-mung) getrennt zu untersuchen.

Weiteren Aufschluss über das Verhalten vonMEAs erhalten wir über ex-situ Analysemetho-den. Bei der Variation im Beschichtungsverfah-ren wird mittels Raster-Elektronen-Mikroskopie(REM) die Struktur der Elektroden untersucht.Die Methode der Zyklovoltammetrie verwendenwir, um in elektrochemischen Halbzellen die aktive Katalysatorfläche der auf die Membranaufgebrachten Elektroden zu charakterisieren.

Mit diesen Werkzeugen sowie der Methode derstatistischen Versuchsplanung können wir neueKatalysatoren und geänderte Herstellungsver-fahren schnell und unkompliziert auf ihre Eig-nung hin untersuchen.

Technische Lebensdauermessungen in realenElektrolyse-Zellen ergänzen die detailliertenUntersuchungen und erlauben uns zusätzlicheAussagen über die Einsetzbarkeit der MEAs inder Praxis.

Optimierung von Membran-Elektroden-Einheiten für die Elektrolyse

Hohe Wirkungsgrade bei niedrigen Kosten zu erreichen, ist das Ziel der Entwicklung von Membran-Elektroden-Anordungen für die Wasserelektrolyse. Eine weit gefächerteCharakterisierung erlaubt es uns, durch ge-zielte Änderungen im Herstellungsprozess dieElektroden zu verbessern. Dabei wenden wirdie Methode der statistischen Versuchsplanungan.

José Roberto Flores Hernandez, Stefan Klinke,Susanne Lehmberg, Ursula Wittstadt

Abb. 2: Zyklovoltammo-gramm der Platinka-thode einer Membran-Elektroden-Anordnung.Aus der schraffiertenFläche lässt sich die kat-alytisch aktive Ober-fläche des Platins be-rechnen.

Abb. 3: Rasterelektro-nenmikroskop-Auf-nahme: Querschnitteiner Membran-Elek-troden-Anordnung; zusehen sind oben dieKathodenseite mitPlatin als Katalysator,unten die mit Iridiumbeschichtete Anode.Mit Hilfe dieser Auf-nahmen können wirdie Schichtdicke derElektroden bestimmen.

Abb. 1: Elektro-chemische Halbzellefür zyklovoltam-metrische Messungen.Damit bestimmen wirdie aktive Oberflächeder auf die Membranaufgebrachten Elek-troden. Als Referenzdient eine Silber/Silber-chlorid-Elektrode.

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

Spannung [V]

Stromdichte [mA/cm2]

Elektroden Membran

Stromdichte [mA/cm2]

1,5

1,0

0,5

0,0

-0,5

-1,0

-1,5

-2,00,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

Spannung [V]

Neues Verfahren zur Verdampfung von Diesel

Da sich Diesel nicht ohne Bildung von Krustenund anderen Rückständen verdampfen lässt,muss er in flüssiger Form mit Hilfe von Düsenin Reformierreaktoren eingebracht werden,was eine gleichmäßige Gemischbildung sehrschwierig gestaltet.

In Zusammenarbeit mit einem SchweizerIngenieurbüro entwickelten und untersuchtenwir ein neues Verfahren, mit dem es möglichist, Diesel rückstandsfrei zu verdampfen.Dieses Verfahren bietet große Vorteile bei derReformierung von Diesel.

Thomas Aicher


Die partielle Oxidation ist das bevorzugte Re-formierverfahren für viele Brennstoffzellen-basierte APU (Auxiliary Power Unit)-Systeme, weilsich dadurch das Mitführen von Wasser oder dieaufwändige Rückgewinnung von Wasser ausdem Produktgas der Brennstoffzelle an Bord desFahrzeugs vermeiden lässt. Allerdings ist die par-tielle Oxidation ein Reformierverfahren, das sehrleicht zur Rußbildung führt, besonders wenn derBrennstoff ein höherer Kohlenwasserstoff ist under beim Eintritt in den Reaktor nicht ausreichendgut mit der Reaktionsluft vermischt wird. Dies istbesonders kritisch bei Diesel, weil er – imGegensatz zu anderen flüssigenKohlenwasserstoffen – bei der VerdampfungRückstände bildet. Daher musste Diesel bislangin flüssiger Form mit Hilfe von Einspritzdüsen inden Reaktionsraum eines Reformers eingesprühtwerden. Dies macht allerdings eine gleichmäßigeGemischbildung über einen großen Lastbereichsehr unsicher.

Genau an dieser Stelle setzt ein neuartiges Ver-fahren ein, das wir 2004 in Zusammenarbeit miteinem Schweizer Ingenieurbüro entwickeltenund untersuchten. Dieses patentierte Verfahrenüberführt Diesel in die Gasphase ohne dieBildung von Ruß oder Rückständen. Dabei läuftder Diesel am Boden eines leicht geneigtenZylinders entlang und verdampft dadurch, dasser von oben durch die Wärmestrahlung einesheißen Katalysatornetzes erhitzt wird. Das Netzwird aufgeheizt, indem ein kleiner Teil desDiesels an der Katalysatoroberfläche mit einerganz geringen Menge Luft verbrannt wird.


In den Messungen variierten wir die Betriebs-parameter Luft- und Diesel-Durchsatz und unter-suchten so deren Einfluss auf die Katalysator-Temperatur und die Zusammensetzung desProduktgases. Typische Ergebnisse sind in Ab-bildung 2 gezeigt. Die flüchtigen Kohlenwasser-stoffe Methan, Ethen und Propen sind Crack-Produkte, die bei der partiellen Oxidation desDiesels im Verdampfer entstehen, weil die länger-kettigen Kohlenwasserstoffe, aus denen Dieselbesteht, schon zum Teil aufgebrochen werden.

Abb. 1: Neuer Verdampfer im Betrieb; durch den geöffnetenAustritt entweicht der »gasförmige« Diesel, zu erkennen anden weißen Nebelschwaden.

Abb. 2: Zusammensetzung des Verdampfer-Produktgases,experimentell bestimmt durch Gaschromatographie. Nichtanalysiert wurden die höheren Kohlenwasserstoffe (ab Hexan),die ebenfalls im Produktgas vorhanden sind. Die Konzentra-tionen von Stickstoff (N2) sind bei 12% abgeschnitten wordenund liegen in der Größenordnung von 74 vol-%.

12

10

8

6

4

2

0R4

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H20 O2

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Das vom Fraunhofer ISE und vom Zentrum fürSonnenenergie und Wasserstofftechnik (ZSW)entwickelte Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk(BZ-BHKW) befindet sich in einem Laborprüf-stand am Institut für Werkstoffe der Elektro-technik (IWE) der Universität Karlsruhe. Es wirdüber eine Siemens SPS (speicherprogrammierba-re Steuerung) vollautomatisch gesteuert undgeregelt. Über das Programm ProTool könnenalle prozessrelevanten Größen beobachtet undverändert werden, somit ist eine variable Be-triebsführung – beispielsweise die Variation derReformiertemperatur, das molare Verhältnis vonWasserdampf zu Kohlenstoff – möglich. BeiÜber- bzw. Unterschreitung bestimmter Para-meter – zu wenig Prozesswasser, zu hoher Druck– wird die Anlage vollautomatisch in einen siche-ren Betriebszustand gebracht.

Der Reformer ist im Bereich von 21,5 bis33 Nl/min Wasserstoff stufenlos regelbar. DerKohlenmonoxidgehalt wird dabei in einer Gas-reinigungstufe auf kleiner 0,3 Vol-% (bezogenauf den trockenen Gasstrom) reduziert. Hierfürhaben wir ein System entwickelt, in dem daswasserstoffreiche Produktgas vor der Gasreini-gung mit Wasser angereichert wird. Wir konntenzeigen, dass die Kohlenmonoxidkonzentrationum das 10fache gesenkt wurde. Die bei der Gas-reinigung anfallende Wärme wird über einenLuftkühler abgeführt. Das Verdampfen undÜberhitzen des für den Prozess notwendigenWassers findet über integrierte Wärmetauscherstatt. Dabei wird das Brennerabgas und das was-serstoffreiche Produktgas abgekühlt. Die gemes-sene Gaszusammensetzung nach dem Reformerund nach der Gasreinigung entspricht dem ther-modynamischen Gleichgewicht. Der Erdgas-Dampfreformer verbrennt neben dem zugeführ-ten Erdgas auch den nicht umgesetzten Wasser-stoff (plus Restmethan und Spuren von Kohlen-monoxid) aus der Brennstoffzellen-Anode. Da-durch wird der Gesamtwirkungsgrad im Systemdeutlich verbessert.

Integration eines Erdgas-Dampfreformersin ein Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk

Im März 2004 konnte ein am Fraunhofer ISEentwickelter Erdgas-Dampfreformer erfolgreichin ein vollautomatisch gesteuertes und gere-geltes Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk (BZ-BHKW) integriert werden. Ein Wechsel-richter wandelt den von der Membranbrenn-stoffzelle (PEM-BZ) produzierten Gleichstrom inWechselstrom um und speist ihn in das Haus-netz ein. Die von Reformer und BZ produziertethermische Energie wird über einen Kühl-wasserkreislauf abgeführt. Das BZ-BHKWwurde seitdem einer Reihe von Betriebstests inBezug auf Lastwechsel und Gesamtverhaltenunterzogen.

Thomas Aicher, Robert Szolak

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Abb. 1: Die Wasserstoffleistung im Erdgas-Dampfreformerwurde zwischen 21,5 Nl/min und 28,4 Nl/min variiert. Dieelektrische Leistung im System folgt ohne Zeitverzögerung. Die maximale gemessene elektrische Leistung beträgt bei28,4 Nl/min Wasserstoff 1,7 kWel. Die dabei gewonnene thermische Leistung aus Reformer und Brennstoffzelle be-trägt 3,3 kW.

Abb. 2: Zeitlicher Verlauf der gemessenen Temperaturen (Aus-tritt Reformierreaktor und Austritt Shiftstufe) und der pro-duzierten Leistungen (elektrisch und thermisch). Die Last-sprünge wurden in Zehn-Minuten-Schritten durchgeführt.Auch hier ist keine Verzögerung der elektrischen Leistungerkennbar. Der Reformer reagiert sehr schnell auf Lastände-rungen und stellt den Wasserstoff in ausreichender Gas-qualität (CO-Gehalt < 0,3 Vol-%) zur Verfügung. Das BZ-BHKW besitzt ein gutes dynamisches Verhalten. (Die elek-trische Leistung brach in dem dargestellten Zeitbereich aufGrund zweier kurzer Störungen des Wechselrichters ein.)

Wasserstofferzeugung aus Diesel für dieStromversorgung an Bord von Schiffen

Für die Dauer von über 500 Stunden betriebenwir einen Dieselreformer, der Synthesegas füreine Hochtemperatur-Brennstoffzelle erzeugt.Die Anlage wurde im letzten Jahr entwickeltund in Betrieb genommen. Mit dem Dauer-versuch testeten wir das Zeitstandverhaltenzweier Katalysatoren. Messungen des Refor-mers bezüglich der Zusammensetzung desProduktgases ergaben keine nennenswerteDegradation der Katalysatoren. Auch dieBildung von Ruß und höheren Kohlenwasser-stoffen konnte durch geeignete Betriebspara-meter sicher unterdrückt werden.

Thomas Aicher, Christian Siegel


Zur Stromversorgung an Bord von Schiffen (APU = auxiliary power unit) bieten Reformer/Brennstoffzellen-Systeme einige Vorteile gegen-über konventionellen Verbrennungsmotor/Generator-Systemen. Vor allem geringeEmissionen und niedrige Lärmpegel stellen einenbedeutenden Vorteil dar, besonders wenn dasSchiff im Hafen liegt. Ein weiterer wichtiger Vor-teil der Brennstoffzellen-basierten Bordstromver-sorgung ist der höhere elektrische Wirkungs-grad. Da der eigentliche Schiffsmotor mit Dieselbetrieben wird, ist dieser Kraftstoff auch derBrennstoff für die APU. Da sich Diesel nichtdirekt in einer Brennstoffzelle umsetzen lässt,muss er zuvor in einem Reformer in ein wasser-stoffreiches Gasgemisch umgewandelt werden.

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit der italie-nischen Firma Ansaldo Fuel Cell SpA (AFCo) inGenova entwickelten wir am Fraunhofer ISE einesolche Reformer-Anlage, die Diesel durch auto-therme Reformierung in ein Synthesegas um-wandelt. Diese Pilotanlage besitzt eine Leistungvon 100 kW, bezogen auf den Heizwert vonDiesel. Das produzierte Synthesegas, ein Ge-misch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid,kann in einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle(MCFC) verstromt werden.

Nach erfolgreicher Inbetriebnahme der Refor-mer-Pilotanlage untersuchten wir das Zeitstand-verhalten zweier unterschiedlicher kommerziellerKatalysatoren in Dauerversuchen. Dazu musstedie Sicherheitstechnik der Anlage erweitert werden, um sie unbeaufsichtigt betreiben zukönnen. Im Dauerbetrieb beobachteten wir denTemperaturverlauf innerhalb der Katalysatorwabe

und die zeitliche Veränderung der Produktgas-zusammensetzung. Die Ergebnisse sind in Abbil-dung 1 und 2 dargestellt. Wir konnten feststel-len, dass sich im Zeitraum von 150 bis 300 Stun-den (Katalysator A und B) keine wesentlichenVerschlechterungen beobachten lassen. Außer-dem konnte festgestellt werden, dass bei dengewählten Betriebsparametern kein Ruß imReaktor gebildet wird und der Anteil an höherenKohlenwasserstoffen (C6+) im Produktgas unter10 ppm liegt. Letzteres ist ein Wert, der für eineMCFC völlig unbedenklich ist.

Derzeit wird von einer Anlagenbaufirma in Zu-sammenarbeit mit unseren Ingenieuren einTechnologie-Demonstrator aufgebaut, der imLaufe das Jahres 2005 mit einer 350 kWel MCFCvon AFCo kombiniert werden wird.

Abb. 1: Gemessener Temperaturverlauf im Reaktor für einenKatalysator. Im rechten Teil der Abbildung ist eine Skizze desReformierreaktors mit den unterschiedlichen Temperaturmess-stellen gezeigt. Während der ersten 100 Stunden wurden dieBetriebsparameter variiert, um den Prozess zu optimieren. Dieserklärt die starke Streuung der Temperaturen zu Beginn desDauerversuchs.

Abb. 2: Gemessene Gaszusammensetzung am Reaktor-ausgang (trocken) für zwei unterschiedliche Katalysatoren im Dauerversuch. Gezeigt sind Messwerte für Wasserstoff,Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Methan.


0 100 200 300Zeit [h]

0 50 100 150 200 250 300 350Zeit [h]

Die Symbolekennzeichnen

die Lage der Thermoelemente

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Zusätzlich zu den in den Geschäftsfeldern be-schriebenen Arbeiten betreibt das Fraunhofer ISEauch Forschung und Entwicklung in Bereichen,die nicht der Solarenergienutzung zuzurechnensind bzw. in solartechnischen Feldern, die nichtunter einem der Geschäftsfelder zu subsumierensind. Mit diesen Arbeiten eröffnet sich dasInstitut strategisch neue Felder. Die bereits seitlängerem am Fraunhofer ISE etablierte Entwick-lung mikrostrukturierter funktionaler Oberflä-chen zählt hierzu ebenso wie die etwas jüngerenGebiete der Meerwasserentsalzung und derTrinkwasseraufbereitung.

Im Bereich der thermischen Verfahren zur Meer-wasserentsalzung haben wir erfolgreich einekleine kompakte, vollständig solar betriebeneVersuchsanlage aufgebaut. Für dezentral undsolar betriebene Trinkwasseraufbereitungsanla-gen entwickeln wir wartungsarme Desinfektions-verfahren. Die dabei eingesetzten Membranenwerden mit Ultraschall gereinigt.

Aus dem Bereich mikrostrukturierter funktionalerOberflächen stellen wir ein Verfahren vor, mitdessen Hilfe die optische Modellierung der gewünschten Eigenschaften optimiert werdenkann. Dies geschieht auf der Basis schnellerRechenmethoden, bei denen geometrisch-optische Modellansätze genutzt und diffraktiveEffekte berücksichtigt werden.

Millionen von Menschen in abgelegenen Regionen habenweder Zugang zu hygienisch einwandfreiem Trinkwassernoch Anschluss an eine Stromversorgung. Ihre Lebensquali-tät kann durch dezentrale und wartungsarme Trinkwasser-aufbereitungsanlagen erheblich verbessert werden. Für klei-ne Anlagen ist es besonders wichtig, Rohwasser wie zumBeispiel Meerwasser, Brackwasser oder mikrobiell verunrei-nigtes Oberflächenwasser in möglichst wenigen Prozess-schritten aufzubereiten. Im Bild zu sehen ist eine Flach-membranzelle zur chemikalienfreien Wasseraufbereitung mitin-situ Ultraschallreinigungsverfahren (Beitrag Seite 86).


Arbeiten in besonderenKompetenzbereichen

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Mikrostrukturierte Oberflächen bieten eine Viel-zahl optischer Funktionen für unterschiedlicheAnwendungen. In Abhängigkeit von den Mate-rialeigenschaften der Oberfläche sowie derGröße und Form der Strukturen können wirdiese Funktionen kontrollieren. Anwendungs-beispiele sind Antireflex- und Antiglare-Ober-flächen für Displays, Diffusoren für Beleuch-tungen, lichtlenkende Oberflächen für Gebäude-verglasungen und thermische Strahlungsemitterfür die Thermophotovoltaik.

Mit dem Ziel, kleinste Strukturen auf großenOberflächen kostengünstig herstellen zu kön-nen, arbeiten wir an der Weiterentwicklung derInterferenzlithographie. Derzeit stellen wir aufFlächen bis zu 1,2x1,2 m2 Strukturen zwischen200 Nanometern und 50 Mikrometern her.Durch den lithographischen Prozess erhalten wirsogenannte Master-Strukturen. Davon werdendurch Galvanisierung Kopien in Metall angefer-tigt. Diese Kopien dienen als Prägestempel fürdie großtechnische Abformung der Strukturen inKunststoffplatten, Folien oder Schichten auf Glas.

Bei der Umsetzung innovativer Anwendungenauf der Basis von mikrostrukturierten Ober-flächen erstellen wir für unsere IndustriepartnerModellrechnungen. Mit Hilfe dieser Modellrech-nungen können wir die gewünschten Eigen-schaften der Oberfläche optimal einstellen.

Ein aktuelles Forschungsgebiet sind lichtlenkendeStrukturen wie z.B. Mikroprismen (Abbildung 1).Diese Oberflächenstrukturen haben Perioden vonmehreren Mikrometern. Sie sind so klein, dassihre Struktur mit dem bloßen Auge nicht mehraufgelöst werden kann. Da die Abmessungen

Optische Modellierung mikrostrukturierterOberflächen im refraktiv-diffraktiven Übergangsbereich

Das Mikrostrukturieren von Oberflächen er-laubt die gezielte Beeinflussung ihrer opti-schen Eigenschaften. Wir entwerfen Mikro-strukturen für großflächige Anwendungen undstellen Prototypen her. Für das Design und dieOptimierung der Strukturen entwickeln wirschnelle Rechenmethoden, bei denen geome-trisch-optische Modellansätze genutzt und diffraktive Effekte berücksichtigt werden.

Andreas Gombert, Wolfgang Hoßfeld, Peter Nitz

Abb. 1: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer prismatisch strukturierten Oberfläche. Die Strukturen sind so klein, dass sie vom Auge nicht mehr aufgelöst werden können. Die Periode der Struktur beträgt 17 µm. Sie ist damit etwa 30fach größer als die Wellenlänge desLichts. Ihre optische Funktion ist daher im Wesentlichenrefraktiv.


aber noch deutlich größer als die Wellenlängedes Lichts sind, kann ihre Wirkungsweise imWesentlichen durch die Strahlenoptik verstandenwerden. Dennoch spielen diffraktive Effekte wiedie Beugung an den Prismenkanten eine wichti-ge Rolle und müssen beim Design der Strukturenberücksichtigt werden. Hierfür untersuchten wirgeeignete Modellierungs-Methoden. Mit soge-nannten rigorosen Lösungsmethoden, die dieMaxwell-Gleichungen der Elektrodynamik nume-risch lösen, können die optischen Eigenschaftensehr genau berechnet werden. RigoroseMethoden benötigen jedoch viel Rechenzeit.Außerdem geben sie keine direkte Antwort aufdie Frage, welche Beugungs- oder Interferenz-effekte dafür verantwortlich sind, dass die opti-sche Funktionalität unter Umständen deutlichvom strahlenoptisch vorhergesagten Verhaltenabweicht. Um ein quantitatives Verständnis fürdiese Effekte zu bekommen, sind approximativeMethoden besser geeignet. Sie erlauben einegetrennte Analyse verschiedener Beugungs- undInterferenzeffekte, die für die Optimierung derStrukturen verwendet werden kann.

Im Rahmen des vom Bundeswirtschaftsminis-terium geförderten Projekts MIKROFUN II ver-folgten wir einen neuen Ansatz zur Modellie-rung periodischer Oberflächen im diffraktiv-refraktiven Übergangsbereich. Dabei werden dieWellenfelder durch eine Überlagerung von anden Grenzflächen gebrochenen oder reflektier-ten ebenen Wellen dargestellt (Abbildung 2) mitvon den Kanten ausgehenden Zylinderwellen(Abbildung 3). Dieser additive Ansatz erlaubtdurch ein besseres Verständnis die gezielteOptimierung der Mikrostrukturen.


Abb. 2: In einer neu entwickelten Näherungsmethodewerden winkelabhängig gewichtete Zylinderwellen, dievon den Kanten ausgehen, zu den ebenen Wellen dergeometrischen Optik addiert. Dadurch können Beu-gungseffekte auf einfache Weise berücksichtigt und ihrEinfluss auf die optische Wirkungsweise der Oberflächeabgeschätzt werden.

Abb. 3: Vergleich der berechneten Feldverteilung an einer prismatischen Oberfläche nach (a) der neu entwickeltenNäherungsmethode und (b) einer rigorosen Methode, bei der die Maxwell-Gleichungen numerisch gelöst werden. Die schachbrettartigen Muster innerhalb der Prismen ent-stehen durch Überlagerung der einfallenden Welle und der an der senkrechten Flanke totalreflektierten Welle. DurchBeugung an der oberen Prismenspitze wird die schräg vonoben links einfallende Welle in den Schattenbereich gebeugt.Beide Phänomene werden durch die Näherungs-Methode ausreichend beschrieben.

ebene Welle Zylinderwelle

(a) (b)


Für die dezentrale Anwendung in infrastruktur-schwachen Gebieten entwickeln wir Entsalzungs-einheiten auf der Basis des Membrandestilla-tions-Verfahrens (Schema, Abbildung 2). Dies istein thermisch getriebenes Verfahren, das sichbesonders gut für die solarthermische Wasser-entsalzung eignet. Es ermöglicht einen beson-ders einfachen Systemaufbau aus nur wenigenKomponenten und ohne großen Regelaufwand.Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keinhoher Aufwand der Wasservorbehandlung not-wendig ist. Dies sind wichtige Voraussetzungensolar betriebener Wasserentsalzungsanlagen für den dezentralen Einsatz in Gebieten mitschwach ausgebildeter Infrastruktur. Die Anlagenmüssen netzfern betrieben werden können. DerKapazitätsbereich, in dem diese Technik voraus-sichtlich sinnvoll eingesetzt werden kann, liegtzwischen Anlagen für 100 Liter pro Tag bis etwa20 m3 pro Tag.

Für die Entwicklung von Membrandestillations-Wickelmodulen, in Kooperation mit einemIndustriepartner, konstruierten wir eine Wickel-maschine (Abbildung 1). Diese ist sehr flexibeleinsetzbar und eignet sich für die Fertigung vonPrototypen oder auch Kleinserien von Modulen.Mit Hilfe dieser Anlage erstellten wir für dieerste kompakte Versuchsanlage ein Entsalzungs-modul mit interner Wärmerückgewinnung.Dabei erreichten wir einen spezifischen Energie-bedarf von nur 100 kWth pro m3 entsalztemWasser. Das bedeutet, dass durch die Wärme-rückgewinnung des Entsalzungsmoduls nur etwa

Entwicklung kleiner kompakterMeerwasserentsalzungssysteme

Mit dem Aufbau der ersten Versuchsanlageeiner kleinen kompakten, vollständig solarbetriebenen Meerwasserentsalzungsanlageerreichten wir einen Meilenstein im Rahmenunserer Aktivitäten zur solarthermischenMeerwasserentsalzung. Die Anlage kann alsautarkes System betrieben werden. Thermi-sche Solarkollektoren liefern die Energie für die Entsalzung nach dem Membrandestillati-onsverfahren. Die Pumpe und die Steuerungs-komponenten werden über ein Photovoltaik-Modul versorgt.

Robert Anti, Sebastian Basel, Joachim Koschikowski, Heiko Rebmann,Matthias Rommel, Marcel Wieghaus

Abb. 2: Prinzipskizze zur Membrandestillation:Das zu entsalzende Meerwasser befindet sich inder Abbildung auf der oberen Seite der Membran.Auf der unteren Seite fließt im Gegenstrom daskalte Meerwasser. Durch den Temperaturgradien-ten besteht eine Differenz der Wasserdampf-partialdrücke. Diese bildet den Antrieb dafür, dassWasserdampf durch die Membran diffundiert undan der kalten Seite kondensiert. Dabei wird dieKondensationsenergie an das kalte Speisewasserübertragen und wärmt dieses vor. Diese Wärme-rückgewinnung reduziert den Energiebedarfwesentlich.

Mikroporöse PTFEMembran (mittlererPorendurchmesser 0,2 µm)

Kondensatorkanal

Kondensationsfolie

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Heißes Meerwasser

Kaltes Meerwasser

Abb. 1: Am Fraunhofer ISE konstruierte und gebauteWickelmaschine für die Herstellung von Prototypen vonMembrandestillations-Wickelmodulen.


ein Siebtel der Energie aufgebracht werdenmuss, die für die Verdampfung des Wassersbenötigt wird. Gleichzeitig kommt es bei unsererEntwicklung darauf an, dass der Druckverlustdes Entsalzungsmoduls nicht zu groß wird, damitder Hilfsenergiebedarf für den Antrieb derSystempumpe durch die PV-Module möglichstgering ist. Um diese Aufgaben bearbeiten zukönnen, bauten wir verschiedene Teststände imLabor auf. Mit einem Leistungsteststand könnenwir unsere Membrandestillationsmodule oderauch andere thermisch angetriebene Ent-salzungseinheiten charakterisieren. Mit demSalzwasserteststand lassen sich sämtlicheSystemkomponenten wie Pumpen, Ventile,Entgaser oder das Verrohrungsmaterial auf dieEignung für den Betrieb mit Meerwasser testen.Für Untersuchungen zur thermodynamischenVerbesserung der Membrandestillationsmodulebauten wir den in Abbildung 5 dargestelltenTeststand, um zum Beispiel verschiedene Ab-standshalter und Membranen bewerten zu kön-nen. Diese Einrichtungen können auch für ande-re Entwicklungsaufgaben von interessiertenIndustrie- und Forschungspartnern eingesetztwerden.

Abbildung 3 zeigt unsere erste Versuchsanlageder vollständig durch Solarenergie betriebenenkompakten Meerwasserentsalzungsanlage. Miteinem weiteren Industriepartner entwickeltenwir die hier verwendeten Kollektoren speziell fürhöhere Betriebstemperaturen bis 90 °C. Sie sindzweifach verglast, wobei Glasscheiben mit Anti-reflex-Beschichtung eingesetzt werden. DieseKollektoren sind auch für andere Prozesswärme-Anwendungen bis 120 ºC geeignet.

Abbildung 4 zeigt das Membranmodul der Ver-suchsanlage, die für eine Kapazität von100 Litern Destillat pro Tag ausgelegt ist. ImDezember 2004 wurde sie auf dem Testgeländeunseres Projektpartners in Gran Canaria aufge-baut. Danach werden wir drei weitere Anlagenbei unseren Projektpartnern in Marokko, Ägyp-ten und Jordanien installieren. Die Projekte wer-den von der EU gefördert.


Abb. 3: Erster Versuchsaufbau der vollständig durch Solar-energie autark betriebenen kompakten Meerwasserent-salzungsanlage, wie sie im Oktober 2004 auf dem Dach desFraunhofer ISE aufgestellt wurde. Die thermische Energie fürdie Membrandestillation wird durch drei Solarkollektoren be-reitgestellt. Die Pumpe und die Steuerungskomponenten werden über ein Photovoltaik-Modul versorgt.

Abb. 4: Dieses aufgeschnittene Modul gibt einen Eindruckvom inneren Aufbau der Membrandestillationsmodule mit dendurch Spacer getrennten Membran- und Kondensationsfolien.Die Module haben typischerweise einen Durchmesser vonetwa 30 cm und eine Höhe von 40 bis 100 cm.

Abb. 5: Fraunhofer ISE Teststand für Untersuchungen zur thermodynamischen Verbesserung von Membrandestillations-modulen (Schema Abbildung 2). Er ermöglicht z. B. die Be-wertung verschiedener Spacer (Abstandshalter) und Mem-branen. Zu sehen sind eingesteckte Thermoelemente zurTemperaturmessung.


Eine Milliarde Menschen leben sowohl ohneZugang zu elektrischem Strom als auch ohneZugang zu hygienisch einwandfreiem Trink-wasser. Um eine zuverlässige Versorgung dieserMenschen mit Trinkwasser zu gewährleisten,müssen Technologien und Nutzungskonzepte zurTrinkwasseraufbereitung an die Bedingungen innetzfernen Regionen angepasst werden. Fürdiese Regionen sind insbesondere solar betrie-bene Kleinanlagen mit einer Tagesleistung imBereich 0,1 bis 10 Kubikmetern vielverspre-chend.

TechnologieentwicklungFür kleine Anlagen ist es besonders wichtig,Rohwasser wie zum Beispiel Meerwasser, Brack-wasser oder mikrobiell verunreinigtes Ober-flächenwasser in möglichst wenigen Prozess-schritten aufzubereiten. Nur so können dieAnlagen kompakt, einfach sowie kostengünstiggebaut werden. Weniger Anlagenkomponentenbedeuten auch einen geringeren Wartungs- undPlanungsaufwand, denn es müssen nur nochwenige Komponenten auf die Eigenschaften des zu reinigenden Wassers ausgelegt werden.Allerdings nimmt mit der Reduktion von Vor-reinigungsstufen die Belagbildung (Fouling) aufder Haupttrennstufe, dem Membranmodul, zu.Deshalb sind Verfahren zur Belagvermeidung ins-besondere für dezentrale, kleine Trinkwasser-aufbereitungsanlagen eine wichtige Voraus-setzung für die Markteinführung. In dem ProjektISUS (In-situ Ultraschallabreinigung für Klein-membransysteme in der Trinkwasseraufberei-tung) untersuchen wir den Einsatz von Ultra-schall zur Reinigung von Membranen. Durcheine neue physikalische Reinigungsmethode wollen wir eine wartungsarme Anlage entwi-ckeln, in der Ablagerungen auf den Membranenim laufenden Betrieb (in-situ) entfernt werdenund die ohne den Zusatz von Chemikalien aus-kommt.

Dezentrale Trinkwasserversorgung in netzfernen Regionen

Für eine sichere und zuverlässige Wasserver-sorgung von Menschen in abgelegenen Regio-nen ohne Zugang zu Strom haben insbeson-dere kleine, solar betriebene Trinkwasserauf-bereitungsanlagen ein hohes Marktpotenzial.Wir entwickeln hierfür wartungsarme Desin-fektionsverfahren, deren Membranen mit Ultraschall gereinigt werden. Im Rahmen einesEU-Projekts koordinieren wir ein Programm zurImplementierung von lokal angepasstenEntsalzungsanlagen im Mittelmeerraum.

Ulrike Seibert, Gisela Vogt, Joachim Went,Felix Holz

Abb. 1: Um die Wirkung der Prozessparameter von Ultra-schallreinigungsverfahren wie zum Beispiel Frequenz, Be-schallungszeit und Anordnung untersuchen zu können, wird auf dem Versuchsstand ein Verfahren entwickelt, mitdem in einer transparenten Flachmembranzelle reproduzier-bare Beläge mit definierten Eigenschaften aufgebaut werdenkönnen.

Abb. 2: Millionen von Menschen in abgelegenen Regionenwie hier in Marokko haben weder Zugang zu hygienisch einwandfreiem Trinkwasser noch Anschluss an eine Strom-versorgung. Ihre Lebensqualität kann durch dezentrale Trink-wasseraufbereitungsanlagen erheblich verbessert werden.


Hierzu untersuchen wir verschiedene Mechanis-men einer ultraschallbasierten Belagvermeidung.Mit Hilfe einer am Fraunhofer ISE weiterent-wickelten transparenten Flachmembrantestzelle(Abbildung 1) können wir die Anlagerung unddie anschließende Abreinigung der Deckschichtuntersuchen. Das Projekt wird im Rahmen desProgramms Innonet vom Bundesministerium fürWirtschaft und Arbeit gefördert.

FelderprobungIm Rahmen des Projekts ADIRA entwickeln wirmultidisziplinäre Konzepte zur nachhaltigenTrinkwasserversorgung ländlicher Regionen. DieAbkürzung steht für »Autonomous desalinationsystem concepts for sea water and brackishwater in rural areas with renewable energies -Potentials, Technologies, Field Experience, Socio-technical and Socio-economic Impacts«. ImRahmen einer interdisziplinären Analyse untersu-chen wir, welche technischen, ökonomischen,umweltrelevanten, organisatorischen, rechtlichenund sozio-ökonomischen Aspekte wichtig sind,um eine zuverlässige dezentrale Wasserversor-gung zu gewährleisten. Durch die Planung undden Aufbau von Demonstrationsanlagen inÄgypten, Jordanien, Marokko, Zypern und derTürkei entwickeln wir praxisrelevante Strategienfür Regionen mit unterschiedlichen Voraus-setzungen und Rahmenbedingungen. Hierfürpassen wir bereits marktverfügbare Wasserauf-bereitungssysteme unterschiedlicher Hersteller soan, dass sie mit regenerativen Energien betrie-ben werden können. Die Ergebnisse des Projektsfließen unter anderem in einen Planungsleit-faden ein, der Behörden, Unternehmen undinteressierte Privatpersonen bei der Auswahl, der Auslegung und dem Bau eines geeignetenWasseraufbereitungssystems unterstützt. DasProjekt wird von Europe Aid gefördert.


Abb. 3: Für den erfolgreichen Aufbau einer nachhaltigendezentralen Trinkwasserversorgung werden im Projekt ADIRAvielfältige technische, ökologische und sozio-ökonomischeFaktoren berücksichtigt. Mit Hilfe von Demonstrationsanlagenin beteiligten Ländern werden unterschiedliche Aufbau-strategien entwickelt und erprobt.

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Umwelt

Feld-installationen

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TürkeiZypern

Marokko Jordanien

Energie

Sozio-Ökonomie

Servicebereiche

Qualitätssicherung wird in allen Bereichen solarerEnergiesysteme großgeschrieben. Nur dadurchkann dauerhaftes Vertrauen in eine nachhaltigeTechnologie geweckt und gestärkt werden. AmFraunhofer ISE unterstützen wir unsere Kundendurch die Bewertung von Produkten nach verein-barten Qualitätskriterien.

Wir tun dies sowohl durch Messen, Prüfen und Beurteilen als auch durch Kalibrieren undZertifizieren der Leistungsdaten. Das reicht von einzelnen Komponenten bis zu komplettenSystemen und richtet sich nach nationalen undinternationalen Normen und Verfahren. UnsereMess- und Prüflabors sind unabhängig und inter-national anerkannt. Wir können Ihre Produktesowohl wetterunabhängig im Labor unterStandardbedingungen testen als auch unter realistischen Einsatzbedingungen im Freiland.Das geht schnell, zuverlässig, kostengünstig undist vertraulich. In einigen Bereichen geben wirunser Wissen zu Prüfung und Qualifizierung inForm von Schulungen weiter.

Zu unserer Servicepalette gehören ein Kalibrier-labor für Solarzellen und -module, ein Prüfzen-trum für thermische Solaranlagen, ein Prüfstandfür Lüftungs-Kompaktgeräte, ein Thermisch-Optisches Prüflabor, ein Fassadenprüfstand,Tageslichtmessräume, eine Wechselrichtercharak-terisierung, ein Batterieprüflabor, ein DC-Prüf-und Entwicklungslabor sowie ein Licht-Messlabor.

Fraunhofer ISE Jahresbericht 2004 89Qu

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Ansprechpartner

ISE CalLabZellkalibrierung Dr. Wilhelm Warta Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 92

E-Mail: [email protected]. Britta Hund Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 46

E-Mail: [email protected]

Modulkalibrierung Dipl.-Ing. Klaus Kiefer Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 18E-Mail: [email protected]

Dipl.-Ing. Frank Neuberger Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 80E-Mail: [email protected]

Prüfzentrum für Thermische Solaranlagen (PZTS)Innen- und Außen-Test- Dipl.-Phys. Matthias Rommel Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 41stand für Solarkollektoren E-Mail: [email protected]

Dipl.-Ing. Arim Schäfer Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-53 54E-Mail: [email protected]

Solarkollektor- Dipl.-Ing. Carsten Hindenburg Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-53 53Teststand E-Mail: [email protected]

Vermessung von Fassaden und transparenten BauteilenThermisch-Optisches Dipl.-Ing. Tilmann Kuhn Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 97Prüflabor E-Mail: [email protected](TOPLAB)

Tageslicht- Dipl.-Ing. Jan Wienold Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 33messräume E-Mail: [email protected]

Fassadenprüfstand Dr. Werner Platzer Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-51 31(FASTEST) E-Mail: [email protected]

Gebäudekonzepte und Simulation

Prüfstand für Lüftungs- Dr. Andreas Bühring Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 88Kompaktgeräte E-Mail: [email protected]

Photovoltaik-SystemkomponentenCharakterisierung von Dr. Bruno Burger Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 37Wechselrichtern E-Mail: [email protected]

Qualifizieren und Optimieren von DC-Komponenten für PV-SystemeDC-Prüf- und Dipl.-Ing. Norbert Pfanner Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 24Entwicklungslabor E-Mail: [email protected]

Licht-Messlabor Dipl.-Ing. Norbert Pfanner Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 24E-Mail: [email protected]

Batterie-Prüflabor Dipl.-Ing. Rudi Kaiser Tel.: +49 (0) 7 61/45 88-52 28E-Mail: [email protected]


Das Fraunhofer ISE CalLab ist eines der weltweit führenden Kalibrierlabore für Solarzellen undPV-Module. Für Hersteller und Investoren wird die Aussage über den möglichen Stromertrageiner Solarstromanlage jetzt noch präziser. Mit dem im Bild zu sehenden neuen Flasher könnenfür PV-Module präzise Messungen auf einer Fläche von 4 m2 vorgenommen werden. DieHomogenität der Ausleuchtung ist besser als ±1%. Die Messgenauigkeit des Flashers liegt fürPräzisionsmessungen auf 4 m2 Fläche unter ±2,5%.

Servicebereiche


ISE CalLab: Kalibrieren von Solarzellen und Modulen

Die Charakterisierung von Solarzellen undModulen spielt sowohl in Forschung undEntwicklung als auch bei der Produktion einebedeutende Rolle. Sie ist unverzichtbar fürProduktvergleiche sowie bei der Qualitäts-sicherung von Photovoltaikanlagen.

Britta Hund, Klaus Kiefer, Frank Neuberger, Wilhelm Warta

Das ISE CalLab zählt zu den weltweit führendenPhotovoltaik-Kalibrierlabors. Forscher aus allerWelt kommen mit ihren Neuentwicklungen nachFreiburg. Auch international renommierte Her-steller sowie der TÜV Rheinland lassen ihre Re-ferenzzellen vom ISE CalLab vermessen. UnsereKunden erhalten in punkto Sicherheit undService außergewöhnliche Leistungen, denn - wir garantieren die Zuverlässigkeit der Er-

gebnisse durch regelmäßige Messvergleiche mit anderen international anerkannten Laboratorien

- wir erfüllen internationale Standards in allen Kalibrierschritten sowie bei der Verwendung von Referenzelementen und Messeinrichtungen

- und wir bearbeiten Kundenanfragen schnell, unbürokratisch und vertraulich.

Zellkalibrierung – Referenz für Industrie und ForschungFür die Zellkalibrierung übernehmen wir diekomplette Charakterisierung von Solarzellen undDetektoren bis 15x15 cm2. Unser Leistungs-angebot umfasst:- Kalibrierung von Referenzzellen, Standard-

solarzellen, Konzentratorzellen sowie Tandem-zellen

- Messung der spektralen Empfindlichkeit- Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der

Leistung.

Modulkalibrierung – eine effiziente Methode zur QualitätssicherungFür PV-Module bis zu einer Größe von 2x2 m2

umfasst unser Leistungsangebot:- Modulpräzisionsmessung mittels Flasher- Modulmessung im Freiland- Bestimmung der NOCT Temperatur

und Leistung- Messung der Winkel- und Temperaturab-

hängigkeit der Modulparameter.

Unter www.callab.de erhalten Sie detaillierteInformationen zu unserem Dienstleistungs-angebot.

Abb. 1: Seit Juli 2004 kann am Fraunhofer ISE die Leistungvon Photovoltaik-Modulen mit einem neuen Präzisionsflasherauf einer Fläche von 4 m2 vermessen werden (Seite 91). DieMessgenauigkeit ist besser als ±2,5% für Präzisionsmessungenund besser als ±4% für Standardmessungen. Eine Reihen-messung über 100 PV-Module zeigt, Qualitätssicherung istwichtig. Denn viele Module erreichen nicht die angegebeneNennleistung und liegen sogar außerhalb des Toleranzbereichsvon minus fünf Prozent. Im Durchschnitt lag die Modulleistungmit 3,4% im Minus.

Prüfzentrum für Thermische Solaranlagen (PZTS)

Wir betreiben einen Freilandteststand für ther-mische Sonnenkollektoren. Das PZTS ist einedurch DIN CERTCO anerkannte Prüfstelle undist durch das DAP (Deutsches Akkreditierungs-system Prüfwesen) voll akkreditiert. Wir zertifi-zieren Sonnenkollektoren und unterstützenunsere Kunden bei der Entwicklung von solarthermischen Anlagenkomponenten. DerInnenteststand mit großem Solarsimulator hatsich für Prüfungs- und Entwicklungsarbeitensehr bewährt.

Carsten Hindenburg, Joachim Koschikowski,Matthias Rommel, Arim Schäfer, Thorsten Siems


Zertifizierung von SonnenkollektorenWir prüfen Sonnenkollektoren und Gesamt-systeme nach nationalen oder internationalenNormen und Standardverfahren:- Kollektorprüfung nach

DIN EN 12975 Teil 1 und 2 - alle relevanten Funktionsprüfungen- Bestimmung der Wärmeleistung- Berechnung des Jahresenergieertrags- direkte Messung des Einstrahlwinkel-

Korrekturfaktors (IAM) mit einem Tracker.- SOLARKEYMARK Label

Kollektor- und SystementwicklungWir arbeiten eng mit Herstellern von Solar-anlagen zusammen. Dies geschieht im Rahmenvon Projektarbeit oder bei individueller Produkt-entwicklung. Wir bieten an:- Thermographische Detailuntersuchungen

(z. B. Wärmebrücken)- Bestimmung des Kollektorwirkungs-

gradfaktors F‘ von Absorbern- Optimierung und Berechnung der Spiegel-

geometrie von Kollektoren mit Reflektoren- Identifikation von Kollektor-Wärmekapa-

zitäten durch Messung von Sprungantworten- Charakterisierung des dynamischen

Verhaltens von Kollektoren (low-flow, high-flow, matched-flow)

- Parameteridentifikationen mit dem von uns entwickelten Simulationsprogramm ColSim.

Innen-Teststand für Kollektoren Wir betreiben einen Innen-Teststand mitSolarsimulator. Wir haben ihn so konstruiert,dass er den Freilandbedingungen so nah wiemöglich kommt. Sein großer Vorteil – speziell für

die Entwicklung von Kollektoren – ist die hoheWiederholgenauigkeit der Messbedingungen.Dadurch können wir in kurzer Zeit und sehr effi-zient gezielte Entwicklungsarbeiten zur Verbes-serung von Kollektorkonstruktionen durchführen.Die wichtigsten technischen Daten:- Größe der Prüffläche 2,4x2,0 m2; andere

Geometrien der Prüffläche sind möglich (maximal 3,5x3,0 m2)

- Bestrahlungsintensität 1 200 W/m2

ohne künstlichen Himmel, 1 000 W/m2 mit künstlichem Himmel

- Homogenität dabei ±10%- Neigungswinkel des Lampenfeldes 0° bis 90°

Solarluftkollektor-TeststandSeit letztem Sommer betreiben wir einenTeststand für Solarluftkollektoren. Er ist in denInnen-Teststand Solarsimulator integriert. Daher können wir wetterunabhängig kurze Messzeitengarantieren. Die Solarluftkollektoren werden inAnlehnung an DIN EN 12975 geprüft. Es könnenLuftvolumenströme von 50 m3/h bis 1 000 m3/hmit einer Messunsicherheit von maximal ±1%bestimmt werden.

Unsere Dienstleistungen:- Messung des Druckverlustes von Solarluft-

kollektoren als Funktion der Durchflussmenge- Bestimmung von Leckluftraten- Unterstützung von Herstellern bei der

Produktneu- und Weiterentwicklung- Berechnung von Jahresenergieerträgen für

unterschiedliche Solarluftkollektor-Systeme- Entwicklung von kundenspezifischer

Auslegungssoftware für Solarluftkollektor-Systeme.

Servicebereiche

Innen-Teststand mitSolarsimulator.


Prüfstand für Lüftungs-KompaktgeräteIm Kundenauftrag unterstützen wir bei der Ent-wicklung von Lüftungs-Kompaktgeräten mitintegrierter Abluftwärmepumpe. Auf unseremTeststand messen wir die Energieeffizienz sowohlder Gesamtgeräte als auch ihrer Komponenten.Dabei können wir die Prüfbedingungen in einergroßen Bandbreite stationär wählen. Der auto-matisierte Teststand erlaubt das Einstellen dyna-misch veränderlicher Bedingungen, z. B. entspre-chend der Norm EN 255-3. Aus den Messungenleiten wir Empfehlungen ab für das Optimierender Komponenten und ihres Zusammenwirkens.Wir unterstützen unsere Kunden bei der Um-setzung von Neuentwicklungen, z. B. auch durchden Austausch von Komponenten. GeschultesPersonal mit Know-how in der Kältetechniksowie die notwendigen technischen Hilfsmittelstehen zur Verfügung.

MonitoringIn zahlreichen bewohnten Solar-Passivhäusernmessen wir die Leistungsfähigkeit von Lüftungs-Kompaktgeräten unterschiedlicher Hersteller imPraxistest. Über tägliche Datenauswertungengeben wir unmittelbar Empfehlungen, um ihrenBetrieb zu optimieren. Mögliche Störungsur-sachen werden identifiziert und behoben. Ausden Messungen erarbeiten wir Vorschläge fürdie Optimierung von Geräten und Regelung.

Luftdichtigkeitsmessungen undLuftwechselbestimmungDie Luftdichtigkeit von Lüftungsgeräten messenwir mit Hilfe eines Tracergas-Chromatographennach der Konstant-Injektionsmethode im realenBetriebszustand. Dies kann sowohl auf demTeststand durchgeführt werden als auch – beigroßen Zentralanlagen – im Betrieb vor Ort. Mitder gleichen Apparatur bestimmen wir die Luft-wechselrate im Gebäude nach der Konzentra-tionsabfallmethode. Unsere Messmethode erfülltdie Bedingungen nach VDI 4300, Blatt 7. Siegestattet SF6 als Tracergas auch in bewohntenGebäuden, bei Analyse mit einem Gaschroma-tographen mit Electron Capture Detektor.

Messen und Prüfen von Lüftungsgeräten

Für Hersteller und Entwickler von Lüftungs-Kompaktgeräten mit integrierter Wärme-pumpe führen wir Messungen auf unseremTeststand und im Feldversuch durch.

Andreas Bühring, Martina Jäschke*, Christian Bichler*, Michael Schossow,Sebastian Herkel


Abb. 1: Automatisier-ter Teststand mit zwei Testplätzen zur Messung von Lüftungsgeräten mitAbluftwärmepumpe.

Abb. 2: Konditionier-einheit für die Außen-luft (Dämmung teil-weise entfernt): DieAußenluft strömt vonunten links durch denVorkühler/Entfeuchterund den Tiefkühlernach oben zum Ultra-schallbefeuchter undLufterhitzer. Zwei Luft-ströme können ge-trennt koordiniertwerden als Zuluft undals zweite Wärme-quelle.

Abb. 3: Auf dem Teststandvermessenes Lüftungs-Kom-paktgerät. Das Gerät istspeziell für den Einsatz imMehrfamilien-Passivhausentwickelt worden und hateinen kleinen, integriertenSpeicher von 240 Litern.

Vermessung von Fassaden und transparenten Bauteilen

Entwicklern und Planern bieten wir ein umfas-sendes Angebot zur detaillierten und präzisenCharakterisierung von innovativen Bauteilenoder Materialien. Für transparente Bauteileund Sonnenschutzsysteme steht ein Spezial-labor zur Bestimmung der optischen und ther-mischen Eigenschaften zur Verfügung. Außer-dem verfügen wir über einen Tageslicht-Con-tainer und einen Außenprüfstand.

Ulrich Amann, Angelika Helde, Tilmann Kuhn,Werner Platzer, Jan Wienold


Das Labor darf baurechtlich bei der Bestimmungdes bauphysikalischen Kennwertes g (Gesamt-energiedurchlassgrad) einbezogen werden. DieEntwicklung der Prüfverfahren wurde teilweiseöffentlich gefördert.

TageslichtmessräumeDie Tageslichtmessräume bestehen aus zweiidentischen Büroräumen. Sie sind drehbar undermöglichen beliebige Fassadenorientierungen.Wir erfassen über eine Wetterstation die Außen-bedingungen und an der Fassade die globale,vertikale Beleuchtungsstärke. In den Mess-räumen werden folgende Untersuchungendurchgeführt:- Blendschutzprüfungen- Nutzerakzeptanzuntersuchungen- Vergleich der Beleuchtungssituation

hinter zwei Fassadensystemen.

Fassadenprüfstand FASTESTZusätzlich zu Kennwerten bei definiertenRandbedingungen im Labor vermessen wir kom-plette Fassaden unter realen Klimabedingungen.Dafür stehen uns acht Testräume mit gleicherFassadenorientierung zur Verfügung. Dort unter-suchen wir das dynamische Verhalten der Test-fassaden und erfassen dazu Temperaturen imInnenraum, am Bauteil, Komforttemperatur,solare und visuelle Transmission, Heizverbrauchder Testräume und andere bauphysikalischeDaten in minütlichem Zeitraster.

Langzeituntersuchungen ermöglichen Aussagenüber Stabilität, Schaltverhalten und Belastungender Fassade. Die Optimierung von Reglern kannexperimentell validiert werden. Im Zusammen-hang mit der Gebäudesimulation dienen dieMessdaten zur Validierung von Fassadenmo-dellen in Programmen wie ESP-r und TRNSYS.

Thermisch-Optisches Prüflabor TOPLABDie Eigenschaften von Verglasungen undFassadenaufbauten mit komplexer Funktionalitätkönnen mit bestehenden Messverfahren wie DINEN 410 nicht ausreichend gut bestimmt werden.Deshalb haben wir Prüfverfahren entwickelt, mitdenen wir energetische und lichttechnischeEffekte exakt charakterisieren können. UnsereApparaturen ermöglichen Messungen an Ele-menten bis über 1 m2 mit:- Lichtstreuung und Lichtumlenkung- makroskopischer Strukturierung und Mustern- winkelselektiven Eigenschaften- zeitveränderlichen Eigenschaften z. B. Photo-

chromie, Thermotropie oder Elektrochromie- Luftführung in der Fassade- integrierter Photovoltaik.

Beispiele der Apparaturen:- Solarkalorimeter zur Bestimmung des

Gesamtenergiedurchlassgrades von trans-parenten Bauteilen und Sonnenschutz

- winkelabhängige Transmissions- und Reflexionsmessungen mit großen Ulbrichtkugeln

- Wärmewiderstandmessungen an Verglasungen nach DIN 52612

- Messung der Winkelverteilung des trans-mittierten und reflektierten Lichts mit dem Photogoniometer.

Standardprüfverfahren ergänzen unserLeistungsangebot. Spektrale Eigenschaften vonGläsern, Folien und Oberflächen bestimmen wirfür Sie mit UV-VIS-NIR-Spektrometern.

Im Rahmen der ISO 9001:2000 Zertifizierungwarten und kalibrieren wir unsere Messgeräteregelmäßig und stellen so die hohe Genauigkeitsicher.

Abb. 1: ThermographischeAufnahme eines raumhohenFassadenmoduls in einemTestraum (Aufnahme voninnen).

Servicebereiche


WechselrichterlaborWir charakterisieren Wechselrichter bezüglichWirkungsgrad, MPP-Regelverhalten, elektro-magnetischer Verträglichkeit (EMV), Burst-undSurge-Störungen, Einhaltung der relevantenNormen sowie Benutzerfreundlichkeit. ZurCharakterisierung des EMV-Verhaltens steht eineEMV-Messkammer zur Verfügung. Unsere Mit-arbeiter, die selbst in Normungsgremien mitwir-ken, beraten bei technischen Fragen und beiUnsicherheiten bezüglich der einzuhaltendenNormen.

Batterie-PrüflaborHersteller, Systemintegratoren und Anwenderkönnen Batterien aller gängigen Technologienbei uns testen und qualifizieren lassen. Hierzustehen frei programmierbare Anlagen zurVerfügung, mit denen beliebige Lade- undLastgänge gefahren werden können. Auchmehrmonatige Langzeittests im Labor und inrealen Anlagen bieten wir an. Entwickler vonLadereglern können ihre Geräte testen und opti-mieren lassen.

DC-Prüf- und EntwicklungslaborWir vermessen, prüfen und beurteilen Kom-ponenten hinsichtlich Energieverbrauch undWirkungsgrad, Betriebsführungsverhalten,Fehlerverhalten, Schutz gegen Fehlbedienungsowie elektromagnetische Verträglichkeit. Dauer-und Stress-Tests erlauben praxisnahe Aussagenbezüglich der Lebensdauer und der Zuverlässig-keit. Ergänzend bieten wir Schulung und Aus-bildung von Technikern und Ingenieuren imBereich Prüfung und Qualifizierung an.

Licht-MesslaborLeuchtmittel und Leuchten für Photovoltaik-systeme untersuchen wir auf elektrische Eigen-schaften wie Wirkungsgrad, Betriebsführungs-verhalten, Fehlerverhalten und auf dieLebensdauer. Ebenso führen wir präzise Mes-sungen lichttechnischer Größen wie Lichtstromund Lichtausbeute, Leuchtdichte und lichttechni-sches Betriebsverhalten durch.

Charakterisierung und Qualifizierung von elektrischen Komponenten

Neben Photovoltaikzellen und -modulen ver-messen, prüfen und beurteilen wir komplettePV-Systeme sowie einzelne Systemkompo-nenten. Hierzu gehören neben Wechselrich-tern auch Gleichspannungskomponenten wieLeuchten, Batterien oder Fernsehgeräte.

Rudi Kaiser, Norbert Pfanner, Bruno Burger,Jürgen Ketterer, Heribert Schmidt

Abb. 1: Neben Wirkungsgrad und Kapazität kann auchdie Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften wieAlterungs- und Ladeverhalten von Batteriespeichernuntersucht werden – hier im Bild die Klimakammer desBatterie-Prüflabors am Fraunhofer ISE.

Abb. 2: Kugel-Photometer zur Lichtstrommessung an DC-Lampen und -Leuchten.

Gastwissenschaftler

Mitarbeit in Gremien

Kongresse, Tagungen und Seminare

Vorlesungen und Seminare

Messebeteiligungen

Patente

Promotionen

Pressearbeit

Vorträge

Veröffentlichungen

AbkürzungenFakt

en i

m Ü

ber

blic

k



Gastwissenschaftler

Dipl-Phys. Benjamin Diaz Universidad de La LagunaTeneriffa, Spanien15.7.2004–31.1.2005Arbeitsgebiet: Poröses Silicium undSiliciumnitrid, Antireflexschichten für dieSolarzellentechnologie

Prof. Abdelmajid El BouardiUniversité Abdelmalek EssadiTétouan, Marokko1.7.–30.8.2004Arbeitsgebiet: Kollektoren undKollektorsysteme, natürliche Baustoffe fürWärmespeicherung in Gebäuden

Prof. Dr. Ashok GopinathNaval Postgraduate SchoolMonterey, CA – USA1.7.2003–30.6.2004Arbeitsgebiet: TPV-Generator

José Roberto Flores HernándezInstituto de Investigaciones Electricas (IEE)Puebla, Mexiko1.10.2001–30.9.2005Arbeitsgebiet: Elektrolyse

Gorka Bueno MendietaEscuela de Ingenieros de BilbaoInstituto de Tecnología MicroelectrónicaBilbao, SpanienArbeitsgebiet: Charakterisierung von mulitkri-stallinem Silicium mit CDI-Technik1.7.–30.7.2004

Prof. Ricardo RütherLABSOLAR, UFSCFlorianopolis-SC, Brasilien28.5.–3.7.2004Arbeitsgebiet: Vergleich der Erträge von PV-Anlagen in Brasilien und Deutschland

Dr. Nikolay SadchikovA.S. Ioffe-Physico-Technical InstituteSt. Petersburg, Russland29.8.–23.11.2004Arbeitsgebiet: Herstellung und Entwicklung vonFLATCONTM-Modulen

Prof. Dr. Hongmei YuDalian Institute of Chemical PhysicsChinese Academy of ScienceDalian, China1.7.2003–31.12.2004Arbeitsgebiet: Untersuchung von Membran-Elektrodeneinheiten für Brennstoffzellen

Club zur Ländlichen Elektrifizierung C.L.E.- Mitglied im Vorstand

Deutsche Elektrotechnische Kommission (DKE)- Komitee 373: »Photovoltaische

Solarenergiesysteme«

Deutsche Physikalische Gesellschaft- Arbeitskreis »Energie«

Deutsches Institut für Normung DIN,FachnormenausschussLichttechnik (FNL 6) »Innenraumbeleuchtungmit Tageslicht«- Mitglied

Deutsches Institut für Normung DIN,FachnormenausschussHeiz- und Raumlufttechnik (NHRS AA1.56)»Solaranlagen«- Mitglied

Deutsches Institut für Normung DIN,Normenausschuss Bau NABau 00.82.00 »Energetische Bewertung vonGebäuden«- Mitglied

Europäisches Komitee für Normung CEN TC33 /WG3 / TG5- Mitglied

European Photovoltaic Industry Association(EPIA)- assoziiertes Mitglied

European Solar Thermal Industry Federation(ESTIF)- Mitglied

Fachinstitut Gebäude-Klima (FGK)- Arbeitskreis »Sorptionsgestützte

Klimatisierung«

Fachverband Transparente Wärmedämmung- Fachausschuss »Produktkennwerte«

FitLicht – Fördergemeinschaft innovativeTageslichtnutzung- Mitglied

Förderprogramm »Haus der Zukunft« desÖsterreichischen Bundesministeriums fürVerkehr, Innovation und Technologie- Mitglied in der Jury

Forschungsverbund Sonnenenergie (FVS)- Mitglied, Tagungsbeirat

Fraunhofer-Gesellschaft- Senat

Fraunhofer-Verbund Energie- Geschäftsführung

Global Network on Energy for SustainableDevelopment (GNESD)- Mitglied

Global Research Alliance (GRA)- Koordination Schwerpunktbereich Energie

Hahn-Meitner-Institut (HMI)- Wissenschaftlicher Beirat

Hauptkommission des Wissenschaftlich-Technischen Rates der Fraunhofer-Gesellschaft- Mitglied

Institut für Solare Energieversorgungstechnik(ISET)- Wissenschaftlicher Beirat

International Energy Agency IEA, Paris,Frankreich:Solar Heating & Cooling Programme SHCP- Task 25: »Solar Assisted Air-Conditioning of

Buildings«- Task 27: »Performance of Solar Facade

Components«- Task 28: »Sustainable Solar Housing«- Task 33/4 »Solar Heat for Industrial

Processes«- Energy Conservation in Buildings and

Community Systems ECBCS

Symposium Photovoltaische Solarenergie- Wissenschaftlicher Beirat

Verein Deutscher Ingenieure (VDI)VDI-Gesellschaft Energietechnik- Fachausschuss »Regenerative Energien«

(VDI-FARE)VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung- Richtlinienausschuss 6018

VMPA – Verband der Materialprüfämter e.V.- Sektorgruppe »Türen, Fenster und

Glasprodukte«

Wissenschaftlicher Beirat der BundesregierungGlobale Umweltveränderungen (WBGU)- Mitglied

World Technology Network (WTN)- Mitglied

Zeitschrift »Physik Journal«, Wiley-VCH- Sprecher des Kuratoriums

Zentrum für Solarenergie und Wasserstoff(ZSW)- Kuratorium

Mitarbeit in Gremien



7. Fachforum Innovative Lüftung in GebäudenRegensburg, 27./28.1.2004

OTTI-Energie-Kolleg10. Symposium Innovative Lichttechnik inGebäudenBad Staffelstein, Kloster Banz, 29./30.1.2004

SOLTRAIN Train-the-Trainer WorkshopFreiburg, 1.–13.2.2004

OTTI-Energie-Kolleg19. Symposium Photovoltaische SolarenergieBad Staffelstein, Kloster Banz, 10.–12.3.2004

Fraunhofer-Forum Südlicher OberrheinPhotovoltaik-MonitoringFreiburg, 15.3.2004

Freiburger ISR und InWEntNetzferne PV-Energieversorgung inEntwicklungsländernFreiburg, 5.–16.4.2004

8. Europäische Passivhaustagung Krems, 16./17.4.2004

15. Symposium Thermische SolarenergieBad Staffelstein, Kloster Banz, 27.–29.4.2004

OTTI-ProfiforumWiederaufladbare BatterienUlm, 5./6.5.2004

7. Deutsches WeltbankforumGemeinschaftsstand mit Fraunhofer IML, IGB, IPKMünchen, 12.5.–10.8.2004

Hyforum 2004Peking, China, 25.–28.5.2004

TPV 6th Conference on ThermophotovoltaicGeneration of ElectricitiyFreiburg, 14.–16.6.2004

EuroSun2004 – 5th ISES Europe SolarConference14. Internationales Sonnenforum der DGS e.V.Freiburg, 20.–23.6.2004

Intersolar Kompaktseminar Photovoltaik-TechnologieFreiburg, 25.6.2004

2. Symposium Forschungsallianz KristallineSilicium-Solarzellentechnologie (FAKT)Freiburg, 26.6.2004

OTTI-Energie-KollegKompaktseminar Solaranlagen erfolgreich verkaufen Freiburg, 26.6.2004

European Fuel Cell ForumLuzern, Schweiz, 28.6.–2.7.2004

Fraunhofer Solar Building Innovation CenterSOBIC*Qualitätssicherung bei der Finanzierung vonSolarstromanlagenFreiburg, 6.7.2004

Fraunhofer Solar Building Innovation CenterSOBIC*Qualitätssicherung bei der Finanzierung vonSolarstromanlagenFreiburg, 21.9.2004

Fraunhofer Solar Building Innovation CenterSOBIC*Wärmeversorgung von PassivhäusernFreiburg, 19.10.2004

2. Forum WärmepumpeBerlin, 21./22.10.2004

14th Marie Curie Sustainable Energy FellowsConferenceFreiburg/ Stuttgart, 23.–28.10.2004

Fraunhofer Solar Building Innovation CenterSOBIC*Sommerlicher Wärmeschutz, Blendschutz undTageslichtnutzung im Verwaltungsbau –Grundlagen Freiburg, 2./3.11.2004

Fraunhofer Solar Building Innovation CenterSOBIC* und OTTI ProfiforumFachseminar EMV und Blitzschutz inPhotovoltaik-AnlagenFreiburg, 24./25.11.2004

Jahrestagung ForschungsverbundSonnenenergie (FVS)Berlin, 25./26.11.2004

Fraunhofer Solar Building Innovation CenterSOBIC*Wärmeversorgung von PassivhäusernOsnabrück, 8.12.2004

Fraunhofer Solar Building Innovation CenterSOBIC*Nachhaltige Energieversorgung inKrankenhäusern Freiburg, 9.12.2004

Workshop Deutsche Gesellschaft fürKristallwachstum und Kristallzüchtung e.V.(DGKK)Freiburg, 9./10.12.2004

* Fraunhofer SOBIC ist das gemeinsameDemonstrationszentrum des Fraunhofer IBPund Fraunhofer ISE.

Dr. Dietmar BorchertPhotovoltaikVorlesung SS 04Technische Fachhochschule Georg AgricolaBochum

Dr. Bruno BurgerLeistungselektronische Systeme für regenerativeEnergiequellenVorlesung WS 04/05Fakultät für Elektrotechnik undInformationstechnikUniversität Karlsruhe

Dr. Andreas GombertMikrostrukturierte Oberflächen mit optischenFunktionenVorlesung SS 04 und WS 04/05Fakultät für Angewandte WissenschaftenAlbert-Ludwigs-Universität Freiburg

Sebastian HerkelBauökologie und Solare EnergiesystemeVorlesung SS 04Staatliche Akademie der Bildenden KünsteStuttgart

Prof. Joachim LutherPhotovoltaische Energiekonversion Vorlesung SS 04Thermische SolarenergiewandlungVorlesung WS 04/05Solare EnergiekonversionOberseminar SS 04 und WS 04/05Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Jens PfafferottKlimagerechtes Bauen – Passive KühlungVorlesung WS 04/05Fachhochschule Biberach

Prof. Roland SchindlerHalbleitertechnologie II (Bauelemente)Vorlesung SS 04Photovoltaik IIVorlesung SS 04Hableitertechnologie I (Technologie),Vorlesung WS 04/05Photovoltaik IVorlesung WS 04/05Fernuniversität Hagen

Dr. Heribert SchmidtPhotovoltaik SystemtechnikVorlesung SS 04Fakultät für Elektrotechnik undInformationstechnikUniversität Karlsruhe

Dr. Jürgen O. SchumacherBrennstoffzellen: Grundlagen und AnwendungVorlesung SS 04Interdisziplinäres SeminarAlbert-Ludwigs-Universität Freiburg

Vom Institut (mit-)organisierteKongresse, Tagungen und Seminare

Vorlesungen und Seminare



Eingereichte Patente Erteilte Patente

Priv. Doz. Dr. Gerhard WillekeHalbleitertechnologie und Physik der SolarzelleVorlesung SS 04 Universität Konstanz

Priv. Doz. Dr. Volker WittwerEnergieversorgung für MikrosystemeVorlesung SS 04 und WS 04/05Fakultät für Angewandte WissenschaftenAlbert-Ludwigs-Universität Freiburg

Andreas Hinsch, Udo Belledin, RonaldSastrawan, Andreas Georg»Anordnung und Verfahren zur Herstellungeiner Photoelektrochemischen Solarzelle«

Michael Oszcipok, Peter Schossig»Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle«

Lisbeth Rochlitz, Jörg Martin»Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugungeines teerfreien Schwachgases durch Vergasungvon Biomasse«

Felix Holz»Verfahren zur Verringerung und Vermeidungder Ausbildung von biologischem Bewuchs(Biofouling) in Membrananlagen für dieBehandlung wässriger Lösungen«

Eric Schneiderlöchner, Jochen Rentsch, RalfPreu»Verfahren zur flächigen Strukturierung einerHalbleiteroberfläche zur Verringerung der opti-schen Reflexion«

Peter Nitz»Solarkollektor mit transluzenter Abdeckung«

Alexander Disch, Claas Müller, Benedikt Bläsi,Jörg Mick»Flächensubstrat mit einer Makro- undMikrostrukturen aufweisendenSubstratoberfläche sowie Verfahren zurHerstellung eines derartigen Flächensubstrates«

Daniel Biro, Josef Gentischer»Transporteinrichtung mit speziellenKettengliedern zum Transport von prozessieren-den Elementen durch eine Temperaturzone«

Rüdiger Löckenhoff»Halbleiterbauelement mit hoherStrombelastbarkeit und Verfahren zu seinerHerstellung«

Axel Maurer, Christian Siegel, Klaus Wanninger»Verfahren und Reaktor zur Reformierung«

Frank Dimroth»Transparenter Kontakt und Verfahren zu des-sen Herstellung«

Stefan Reber»Verfahren zur gleichzeitigen Rekristallisierungund Dotierung von Halbleiterschichten undnach diesem Verfahren hergestellteHalbleiterschichtsysteme«

Stefan Glunz, Ansgar Mette, Ralf Preu,Christian Schetter»Halbleiterbauelement mit einem auf minde-stens einer Oberfläche angeordneten elektri-schen Kontakt«

Andreas Georg»Gaschromes Verglasungselement mitZusatzschicht«

Messebeteiligungen

34. Convegno Mostra Expo Comfort,Gemeinsam mit Associazione ItalianaCondizionamento dell'Aria Riscaldamento eRefrigerazione (AICARR) Mailand, Italien, 2.–6.3.2004

1st ClimaMed Trade Fair and Conference,Gemeinsam mit Associação Portuguesa daIndústria de Refrigeração e Ar Condicionado(APIRAC)Lissabon, Portugal, 16.–20.4.2004

Hannover Messe Industrie, HMI 2004Hannover, 19.–24.4.2004

Weltkonferenz »renewables 2004«»Woche der Umwelt« im Park der VillaHammerschmidtBonn, 1.–5.6.2004

Optatec Frankfurt/Main, 22.–25.6.2004

19th European Photovoltaic Solar EnergyConference and ExhibitionParis, 7.–11.6.2004

Intersolar 2004Internationale Fachmesse und Kongress fürSolartechnikFreiburg, 24.–26.6.2004

5th Annual Staff Exchange Program &Knowledge Sharing Conference and ExpoGemeinschaftsstand Fraunhofer-Gesellschaftund Freistaat BayernWashington D.C., U.S.A. 28./29.6.2004

f-cell 2004Stuttgart, 27./28.9.2004

Andreas Georg, Anneke Hauch »Photovoltaisch selbstladendesSpeichersystem«

Benedikt Bläsi, Volkmar Boerner, AndreasGombert, Michael Niggemann»Vorrichtung zur anisotropen Lichtstreuungsowie Verfahren zur Herstellung derVorrichtung«

Andreas Georg, Wolfgang Graf, Volker Wittwer»Verglasungselement«

Harry Wirth, Volker Wittwer»Lichtumlenkelement zur Tageslichtnutzung«

Ralf Lüdemann»Dünnschichtsolarzellenanordnung sowieVerfahren zur Herstellung derselben«

Andreas Bühring»Wärmepumpen-Kompaktvorrichtung mit inte-grierter Primärenergie-Wärmequelle zur kon-trollierten Lüftung undWärmeenergieversorgung von Niedrig-Energie-Gebäuden oder Passivhäusern«

Daniel Biro»Transportvorrichtung und Verfahren zumTransport von zu prozessierenden Elementendurch eine Hochtemperaturzone«

Jörg Jungjohann»Sonnenschutzvorrichtung aus einem fürSonnenlicht transparenten Material«

Andreas Bühring, Pedro da Silva»Lüftungsanordnung für Gebäude«

Andreas Georg»Optisches Bauelement«

Daniel Kray, Gerhard Willeke»Verfahren und Vorrichtung zum Zerteilen vonKörpern«

Heribert Schmidt»Strahlungssensor mit reduzierterStörsignalempfindlichkeit«

Dominik Marin Huljic»Verfahren zur temperaturgeregeltenProzessierung von Substraten«

Adolf Goetzberger»Verfahren und Vorrichtung zur großflächigenHerstellung von Solarzellen«

Bruno Burger, Robert Hahn, ChristopherHebling, Andreas Schmitz»Brennstoffzellen-System inLeiterplattenbauweise und Verfahren zu dessenHerstellung«

Konstantin Ledjeff, Roland Nolte»Polymer-Brennstoffzelle«



Jörg Isenberg»Neue Infrarotmesstechniken für diePhotovoltaik«Dissertation Universität KonstanzKonstanz, 2004

Stefan Peters»Rapid Thermal Processing of Crystalline SiliconMaterials and Solar Cells«Dissertation Universität KonstanzKonstanz, 2004

Jens Pfafferott»Enhancing the Design and the Operation ofPassive Cooling Concepts«Dissertation Universität Karlsruhe (T.H.)Karlsruhe, 2004

Thomas Rampe»Experimentelle Untersuchung derBioethanolreformierung – Entwicklung einesallothermen Reformers«Dissertation Universität EssenEssen, 2004

Stefan Rein»Lifetime Spectroscopy - a Method of DefectCharacterization in Siliconfor Photovoltaic Applications«Dissertation Universität KonstanzKonstanz, 2004

Helge Schmidhuber»Neue Materialien in der Photovoltaikmodul-Produktion und ihr Einsatz in hocheffizientenKleinmodulen«Dissertation Universität BremenBremen, 2004

Ferdinand Schmidt»Optimizing Adsorbents for Heat StorageApplications: Estimation of Thermo-dynamicLimits and Monte Carlo Simulations of WaterAdsorption in Nanopores«Dissertation Albert-Ludwigs-Universität FreiburgFreiburg, 2004

Eric Schneiderlöchner»Laserstrahlverfahren zur Fertigung kristallinerSilizium-Solarzellen«Dissertation Albert-Ludwigs-Universität FreiburgFreiburg, 2004

Roland Schregle»Daylight Simulation with Photon Maps«Dissertation Universität SaarbrückenSaarbrücken, 2004

Benoit Sicre»Energieversorgung von Niedrigstenergie- undPassivhäusern mittels erneuerbarer Energie,Wärmepumpen und Kraft-Wärmekopplung imKleinstleistungsbereich«Dissertation TU Chemnitz, Fakultät fürMaschinenbau und VerfahrenstechnikChemnitz, 2004

Klaus Tüber»Experimentelle Untersuchung und numerischeSimulation von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen für portable, elektrischeVerbraucher im Leistungsbereich bis 50 Watt imHinblick auf den Wasser- und Wärmehaushalt«Dissertation Universität DuisburgDuisburg, 2004

Matthias Vetter»Modellbildung und Regelstrategien für Erdgasbetriebene Brennstoffzellen BHKWs auf PEM-Basis«Dissertation Universität KarlsruheKarlsruhe, 2004

Jochen Wagner»Modellierung von Farbstoffsolarzellen mitpolymerem Lochleiter«Dissertation Albert-Ludwigs-Universität FreiburgFreiburg, 2004

20.2.2004Neue Einspeisevergütungen machen Solarstromfür Investoren interessant – Geld verdienen mitPhotovoltaik

20.4.2004Neue Wege zur erfolgreichen Integration sozia-ler Aspekte in ländliche Elektrifizierung mitPhotovoltaik – Training für Projektleiter undExportunternehmen

8.3.2004Fraunhofer SOBICVon Forschung profitieren: FraunhoferDemonstrationszentrum für Solares Baueneröffnet

30.3.2004Umweltfreundliche Energieversorgung mitWasserstoff – Fraunhofer ISE präsentiert inHannover Entwicklungen für den Markt

26.5.2004Maßgeschneidertes Lichtmanagement: KleineStrukturen ganz groß – Britisches Unternehmeninvestiert in Fraunhofer ISE-AusgründungHolotools

30.6.2004Freiburger Forscher erzielen Solarzellen-Weltrekord – Multikristalline Silicium-Solarzellemit 20,3% Wirkungsgrad

30.7.2004Enormes Potenzial für Passivhäuser undNiedrigstenergie-Häuser – Fraunhofer ISE stelltMarktstudie vor

21.9.2004Fraunhofer ISE und badenovaEnergiezukunft zum Anfassen: Tag der offenenTür am Rappenecker Hof – Projekt aus dembadenova-Innovationsfonds

Promotionen Pressearbeit

Presseinformationenwww.ise.fraunhofer.de/german/press



Vorträge

Agert, C.»Erneuerbare Energien im Vergleich«,Erneuerbare Energien für Entwicklung, Potsdam,Germany, 29.3.2004

Agert, C.»Energiewende zur Nachhaltigkeit«,Umweltforum RWTH Aachen, Aachen, Germany,15.7.2004

Aicher, T.; Siegel, C.; Federici, F.1; Parodi, L.1;Caprile, L.1

»Design and Operation of a 20 kWel

Autothermal Diesel Reformer«, InternationalSymposium & Workshop on Fuel Cells andHydrogen for Aerospace & MaritimeApplications, Hamburg, Germany, 16./17.9.2004(1: Ansaldo Fuel Cells S.p.A, Italy)

Aicher, T. »Grundlagen der Reformierung«, Gast-Vortragim Rahmen der Vorlesung »Brennstoffzellen undBatterien« von Prof. Ivers-Tiffee an der TUKarlsruhe, Germany, 15.12.2003

Aicher, T.; Lenz, B.; Gschnell, F., Groos, U.,Federici, F.; Caprile, L.; Parodi, L.»Fuel Processors for FC AOU Applications«, 9thUlm Electrochemical Talks, Ulm 17./18.5.2005

Aicher, T.»Erdgasreformer für BZ-BHKWs – Stand derEntwicklungen und Aussichten«, Gastvortrag amEngler-Bunte-Institute der Universität Karlsruhe,Germany, 21.6.2004

Aicher, T.; Kästner, P.; Mittermaier, M.; Gopinath,A.; Bett, A. W.; Schlegl, T.; Gombert, A.;Hebling, C.; Luther, J.»Development of a Novel TPV Power System«,6th Conference on ThermophotovoltaicGeneration of Electricity TPV6, 14.6.2004,Freiburg, Germany

Aicher, T.; Specht, M.1; Höhlein, D.2

»Wasserstoffgewinnung aus Erdgas –Anlagenentwicklung und Systemtechnik kleinerWasserstofferzeuger«, in: Tagungsband,Jahrestagung Forschungsverbund SonnenenergieFVS, Berlin, Germany, 25./26.11.2004, (1: Zentrum für Sonnenenergie und Wasser-stoffforschung ZSW Stuttgart, Germany) (2: Forschungszentrum Jülich FZ, Germany)

Bett, A.W.»III-V Solar Cells: Their Technologies andApplications«, Seminar of Physics Department,University of Ferrara, Italy, 3.2.2004

Bopp, G.; Dohlen, K. v.1

»Blitzschutz ohne Beeinträchtigung der PV«,OTTI-Energie-Kolleg 19. SymposiumPhotovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein,Germany, 10.–12.3.2004(1: Erhardt + Leimer Elektroanlangen GmbH,Augsburg, Germany)

Bopp, G.»Electrical Safety, Lightning Protection, EMC«,SOLTRAIN Train-the-Trainer Workshop, Freiburg,Germany, 1.–13.2.2004

Bopp, G.»Elektrische Lastbestimmung für SHS und PVHybrid Systeme«, Seminar Netzferne PV-Energieversorgung in Entwicklungsländern,Freiburg, Germany, 5.–16.4.2004

Bopp, G.»DC/AC Wechselrichter: Funktionsweise,Wirkungsgrad, Anforderungen«, Seminar Netzferne PV-Energieversorgung inEntwicklungsländern, Freiburg, Germany,5.–16.4.2004

Bopp, G.»Inwieweit tragen PV-Anlagen zum Elektrosmogbei«, Otti-Profiforum EMV und Blitzschutz fürSolaranlagen, Freiburg, Germany,24./25.11.2004

Bopp, G.»Welche EMV Normen und Grenzwerte sind fürSolaranlagen relevant?«, Otti-Profiforum EMVund Blitzschutz für Solaranlagen, Freiburg,Germany, 24./25.11.2004

Bopp, G.; Dohlen, K. v.1

»Beispielhaft ausgeführter Blitzschutz beiKollektor- und PV-Anlagen«, Otti-ProfiforumEMV und Blitzschutz für Solaranlagen, Freiburg,Germany, 24./25.11.2004(1: Erhardt + Leimer Elektroanlangen GmbH,Augsburg, Germany)

Borchert, D.1

»Multikristalline Silicium-Solarzellen«, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Jena, Germany,30.4.2004(1: Fraunhofer ISE Labor- und ServicecenterGelsenkirchen, Germany)

Borchert, D.1

»Characterization Methods for Solar Cells«,University of La Laguna, Tenerife, Spain,21.10.2004(1: Fraunhofer ISE Labor- und ServicecenterGelsenkirchen, Germany)

Borchert, D. 1

»Multicrystalline Silicon Solar Cells«, Universityof La Laguna, Tenerife, Spain, 25.10.2004(1: Fraunhofer ISE Labor- und ServicecenterGelsenkirchen, Germany)

Borchert, D. 1

»Silicon Heterojunction Solar Cells on P-TypeSilicon: Present Status of Technology«, Universityof La Laguna, Tenerife, Spain, 28.10.2004(1: Fraunhofer ISE Labor- und ServicecenterGelsenkirchen, Germany)

Borchert, D.1; Brammer, T.2; Stiebig, H.2; Voigt, O.3; Gronbach, A.; Rinio, M.; Kenanoglu, A.1; Willeke, G.1; Nositschka, A.4;Kurz, H.4

»Large Area (N) A-SI:H/(P) C-SI HeterojunctionSolar Cells With Low Temperature Screen PrintedContacts«, 19th European Photovoltaic SolarEnergy Conference and Exhibition, Paris, France,7.–11.6.2004(1: Fraunhofer ISE Labor- und ServicecenterGelsenkirchen, Germany) (2: Institute ofPhotovoltaics, Jülich, Germany) (3: Shell Solar,Gelsenkirchen, Germany) (4: RWTH Aachen,Chair and Institute of Semiconductor Electronics,Aachen, Germany)

Bühring, A.»Messung an Lüftungs-Kompaktgeräten:Ergebnisse«, 8th Europäische Passivhaustagung,Krems, Austria, 16./17.4.2004

Bühring, A. »Teststand – und Feldmessungen mit Lüftungs-Kompaktgeräten mit Abluftwärmepumpe undderen Weiterentwicklung«, 2. Forum Wärme-pumpe, Berlin, Germany, 21./22.10.2004

Bühring, A.»Messergebnisse und neue Entwicklungen zuPassivhaus-Kompaktgeräten mit Abluftwärme-pumpe«, in: Protokollband der 26. Sitzung desArbeitskreises Kostengünstiges Passivhaus,Darmstadt, Germany, 17.3.2004

Bühring A.»Mini-KWK-Anlagen im Wohnungsbereich:Umweltpotenziale, Marktfähigkeit und Zu-sammenwirken mit thermischen Solaranlagen«,OTTI-Energie-Kolleg 14. Symposium ThermischeSolarenergie, Bad Staffelstein, Germany,12.–14.5.2004

Bühring, A.»Forschungsergebnisse für Lüftungs-Kompakt-geräte mit Abluftwärmepumpe – Messergeb-nisse, Marktübersicht, Vergleich», Fachtagung»Haustechnik im Passivhaus«, Linz, Austria,7.10.2004

Diez, S.; Vedde, J.1; Shoulga, Y. G. 2; Vlasenko, T. V.2; Glunz, S. W.; Warta, W.;Willeke, G.»Alternatives to Boron-Doped Czochralski forSilicon Solar Cell Processing«, 19th EuropeanPhotovoltaic Solar Energy Conference andExhibition, Paris, France, 7.–11.6.2004 (1: Topsil Semiconductor Materials A/S,Frederikssund, Denmark) (2: Pillar Joint StockCompany, Kiev, Ukraine)

Dimroth, F.; Baur, C.; Bett, A. W.; Volz, K.1;Stolz, W. 1

»Comparison of Dilute Nitride Growth on aSingle- and 8x4-inch Multiwafer MOVPESystem«, 12th International Conference onMetal Organic Vapor Phase Epitaxy, Lahaina,Maui, Hawaii, 30.5.–4.6.2004(1: Materials Sciences Center and Department ofPhysics, Philipps-University Marburg, Marburg,Germany)


Ell, J.; Georg, Andreas; Graf, W.; Wittwer, V.»Switching Mechanism and Kinetics ofMagnesium-Nickel Switchable Mirrors«, 6th

International Meeting on Electrochromism, Brno,Czechia, 29.8–2.9.2004

Georg, Andreas; Georg, Anneke; Krasovec, U. O.1

»Optical, Structural and Kinetic Properties of aNew Photoelectrochromic Device«, EuroSun2004, Freiburg, Germany, 20.–23.6.2004(1: Faculty of Electrical Engineering, University ofLjubljana, Ljubljana, Slovenia)


»New Photoelectrochromic Window«, 5th

International Conference on Coatings on Glass,Saarbrücken, Germany, 4.–8.7.2004(1: Faculty of Electrical Engineering, University ofLjubljana, Ljubljana, Slovenia)

Georg, Andreas; Georg, Anneke»Optisch schaltbare Schichten – ein Ausblick«,BMWA-Statusseminar, Statusbericht ENOPT,Freiburg, Germany, 5./6.5.2004

Glatthaar, M.1; Hinsch, A.; Luther, J.;Niggemann, M.; Riede, M.; Sastrawan, R.1;Wagner, J.1; Zimmermann, B.»The Wrap Through Electrode Concept forOrganic Solar Cells«, EuroSun 2004, Freiburg,Germany, 20.–23.6.2004(1: Freiburger Materialforschungszentrum FMF,Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Germany)

Glunz, S. W.»New Concepts for High-Efficiency Silicon SolarCells«, 14th International Photovoltaic Scienceand Engineering, Chulalongkorn University,Bangkok, Thailand, 26.–30.1.2004

Glunz, S. W.; Schneiderlöchner, E.; Kray, D.;Grohe, A.; Hermle, M.; Kampwerth, H.; Preu, R.;Willeke, G.»Laser-Fired Contact Silicon Solar Cells on p- andn-Substrates«, 19th European Photovoltaic SolarEnergy Conference and Exhibition, Paris, France,7.–11.6.2004

Glunz, S. W.»Stand und Perspektiven der Photovoltaik für dieStromerzeugung«, Frühjahrssitzung des Arbeits-kreises Energie (AKE) der Deutschen Physika-lischen Gesellschaft (DPG), Bad Honnef,Germany, 15./16.4.2004

Gölz, S.; Vogt, G.; Bopp, G.; Fleißner, D.; Roth, W.»Bedarfsorientiertes Trainingsangebot im BereichPhotovoltaik – Vermittllung sozialer, technischerund betriebswirtschaflicher Kompetenzen«,OTTI-Energie-Kolleg 19. SymposiumPhotovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein,Germany, 10.–12.3.2004

Gölz, S.; Wienold, J.; Schüler, K.; Christoffersen, J.1

»A New Perspective for the Concept ofDiscomfort Glare Index«, EuroSun 2004,Freiburg, Germany, 20.–23.6.2004(1: Danish Building and Urban Research, Energyand Indoor Climate Division, Hoersholm,Denmark)

Gölz, S.; Vogt, G.; Bopp, G.; Roth, W.; Holz, F.»Closing the Experience Gap in the Field of PVEnergy with Training of Social, Technical,Financial and Business Management Skills«,EuroSun 2004, Freiburg, Germany,20.–23.6.2004

Gölz, S.»German Experiences with RenewableEnergies«, Workshop Internazionale Statodell´arte e prospettive delle energie rinnovabili inEuropa, Polaris, Sardinia, Italy, 24.9.2004

Gölz, S»Socio-Economic Misconceptions, Barriers andOpportunities. Overcome Missing Acceptanceand Objection of PV«, SOLTRAIN Train-the-Trainer Workshop, Freiburg, 1.–13.2.2004

Goetzberger, A.; Walze, G.»Application of Bifacial Modules«, 14th Inter-national Photovoltaic Science and Engineering,Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand,26.–30.1.2004

Gombert, A.»Mikrostrukturen auf transparenten Ober-flächen«, Jahrestagung Spritzgießen, Baden-Baden, Germany, 11.–12.2.2004

Gombert, A.; Forberich, K.; Bläsi, B.; Mick, J.1;Hoßfeld, W.; Kübler, V.; Boerner, V.»Large-Area Origination and Replication ofMicrostructures with Optical Functions«,Photonics Europe, Strasbourg, France,26.–30.4.2004(1: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institutfür Mikrosystemtechnologie, Freiburg, Germany)

Gombert, A.; Bläsi, B.; Hoßfeld, W.; Kübler, V.;Niggemann, M.; Nitz, P.; Walze, G.; Mick, J.1

»Micro-Structured Surfaces for Solar Applica-tions – an Overview«, EuroSun 2004, Freiburg,Germany, 20.–23.6.2004(1: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institutfür Mikrosystemtechnologie, Freiburg, Germany)

Gombert, A.»On the Suitability of Diffractive OpticalElements in Solar Applications«, DOMO –Diffractive Optics and Micro Optics, Rochester,USA, 9.–13.10.2004

Groos, U.»Portable Brennstoffzellen – Entwicklungsstand,Aussichten«, Weiterbildungszentrum Brenn-stoffzelle Ulm: »Portable Brennstoffzellen – dieBatterie der Zukunft?«, Ulm, Germany,20.2.2004

Groos, U.»Mikrobrennstoffzellen und Solarzellen alsBatterieersatz?«, Hannover Messe Industrie HMI,ZVEI-Workshop: »Life Needs Power – Perspek-tiven für Energienutzung«, Hannover, Germany,19.–24.4.2004

Groos, U.»Mikroenergietechnik am Fraunhofer ISE,Mikrobrennstoffzellen – innovative Technik imSpannungsfeld zwischen Solarzellen undBatterien«, Kompetenz + InnovationszentrumBrennstoffzelle KIBZ, Treffpunkt Brennstoffzelle,Stuttgart, Germany, 13.7.2004

Groos, U.»Mikroenergietechnik für die energieautarkeSensorik – Energieversorgung mit miniaturisier-ten Brennstoffzellen und Solarmodulen«,VDE/VDI Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro-und Feinwerktechnik GMM, GMM-Workshop:»Energieautarke Sensorik«, Kassel, Germany,16./17.9.2004

Hakenjos, A.; Hebling, C.»Spatially Resolved Measurement of PEM FuelCells«, Scientific Advances in Fuel Cell Systems,Munich, Germany, 6.–7.10.2004

Hebling, C.»Micro Fuel Cells as a Supplement or a Sub-stitute to Batteries«, MRS Frontiers of MaterialsResearch, Boston, USA, 1.–4.12.2004

Hebling, C.»Micro Fuel Cells as a Power Supply for PortableElectronic Devices«, Hyforum, Peking, China,2004

Hebling, C.»Micro Fuel Cell Systems from Simulation toProduction Technology«, SME – AdvancedEnergy and Fuel Cell Technologies Conference,Livonia, USA, 2004

Hebling, C.»Spatially Resolved In-Situ Measurements ofPEM Fuel Cells«, German-Japanese Meeting ofElectrochemists, Toray Human ResourcesDevelopment Center, Mishima, Japan,29.11.2004

Hebling, C.»Micro Energy Technology by Means of MicroFuel Cells, Thermophotovoltaics and DeviceIntergrated Solar Cells«, University of Tokyo,Tokyo, Japan, 1.12.2004

Henning, H.-M.»Wirtschaftlichkeitsanalyse solarthermischerKühlung«, 3. Symposium »Solares Kühlen in derPraxis«, Stuttgart, Germany, 26./27.4.2004

Henning, H.-M.»Solare Kühlung«, 1. Aachener Solarenergie –Symposium: Schwerpunkt Solare Prozesswärmeund KWK, Aachen, Germany, 12.11.2004

Henning, H. M.»Techniken zur Solaren Kühlung«, SolaresHeizen und Kühlen, Intersolar 2004, Freiburg,Germany, 25.6.2004

Henning, H.-M.»Realisierte solare Kühlanlagen und Nutzungs-potentiale«, Tagung »Solares Kühlen«, Vienna,Austria, 7.5.2004

Henning, H.-M.»Solare Klimatisierung – Stand der Entwick-lung«, Tagung »Solares Kühlen«, Vienna,Austria, 7.5.2004

Henning, H.-M.»Solar Assisted Air-Conditioning of Buildings«,EuroSun 2004, Freiburg, Germany,20.6.–23.6.2004



Henning, H.-M.»Solar Assisted Air-Conditioning of Buildings«,National Seminar on Renewable Energy Use inCosta Rica«, San Jose, Costa Rica, 15.11.2004

Henning, H.-M.»Focus R&D sur la Climatisation Solaire – LesTechnologies Existantes sur le Marché et leursDifférentes Performances (MarktverfügbareTechnologien und Einsatzgebiete)», »CongrèsEnergie Solaire et Bâtiment«, Paris, France,14./15.10.2004

Henning, H.-M.»Trends and Developments Under SpecialConsideration of Material Properties in SolarCooling«, Deutsches Kunstoff Institut DKI,Workshop on »Materials in Solar ThermalSystems«, Freiburg, Germany, 23.6.2004

Henning, H. M.»Design and Performance of a New ThermallyDriven Air-Conditioning System for Medi-terranean Climates«, Conferenza InternazionaleEuromediterranea »Local Utilities and Sustain-able Development in the Mediterranean Area«,Palermo, Italy, 3.–5.6.2004

Herkel, S.»Solarbau Monitor: Geplant, Gebaut, Geprüft«,Gebäudeforum Biberach, Biberach, Germany,29.1.2004

Hermann, M.»FracTherm – Fraktale Hydraulikstrukturen fürenergieeffiziente Wärmetauscher», InterneArbeitssitzung des GVC-Fachausschusses»Wärme- und Stoffübertragung«, SchwäbischHall, Germany, 22./23.3.2004

Hindenburg, C.; Schnabel, L.; Geucke, T.»Solare Sorptionsgestützte Klimatisierung –Erfahrungen mit einer Pilotanlage mit Solarluft-kollektoren«, VDI-Tagung Kältetechnik in derTechnischen Gebäudeausrüstung 4, Dortmund,Germany, 6.11.2003

Hinsch, A.; Niggemann, M.; Gombert, A.«Micro- and Nano-Patterned Electrodes forOrganic Solar Cells and other Interface Domi-nated Solar Cells«, 16th Workshop on QuantumSolar Energy Conversion, Bad Gastein, Austria,14.–20.3.2004

Hinsch, A.; Niggemann, M.; Gombert, A.«Farbstoff- und Organische Solarzellen – hohesAnwendungspotential in der Zukunft«,Workshop Europäische ForschungsgesellschaftDünne Schichten e.V. , Frankfurt, Germany,1.4.2004

Hinsch, A.«Neue Potenziale in der Solarenergieforschungdurch Nanotechnologie», Symposium «Nanomeets Umwelttechnik», Fraunhofer IAO,Stuttgart, Germany, 2.7.2004

Holz, F..»Deployment Concepts for Rural Electrification –Technical Financial and Social Aspects«, Fach-forum der Exportinitiative Erneuerbare Energien»Photovoltaics for Rural Electrification«,Intersolar 2004, Freiburg, Germany, 24.6.2004

Hurrle, A.; Reber, S.; Schillinger, N.; Haase, J.1;Reichart, J. G.1

»High-Throughput Continuous CVD Reactor forSilicon Deposition«, 19th European PhotovoltaicSolar Energy Conference and Exhibition, Paris,France, 7.–11.6.2004 (1: centrotherm GmbH & Co., Blaubeuren,Germany)

Isenberg, J.; Warta, W.; Riepe, S.;Schubert, M. C.; Glunz, S. W.»Spatially Resolved Ir-Measurement Techniquesfor Solar Cells«, 19th European PhotovoltaicSolar Energy Conference and Exhibition, Paris,France, 7.–11.6.2004

Kiefer, K.; Hoffmann, V.»Betriebserfahrungen und Messergebnisse vonnetzgekoppelten Photovoltaik-Anlagen inDeutschland – eine Langzeitstudie«, OTTI-Energie-Kolleg, 19. Symposium PhotovoltaischeSolarenergie, Bad Staffelstein, Germany,10.–12.3.2004

Kiefer, K»Quality Control of Grid Connected PVSystems« , SOLTRAIN Train-the-Trainer Work-shop, Freiburg, Germany, 1.–13.2.2004

Kiefer, K.»Mit der Zukunft Geld verdienen – neueEinspeisevergütungen machen Solarstrom fürInvestoren interessant«, Fraunhofer-ForumSüdlicher Oberrhein, IHK Südlicher Oberrhein,Freiburg, Germany, 15.3.2004

Kiefer, K.»Photovoltaik-Anlagen Erfahrungsbericht, Ener-gieausbeutung Einspeisevergütung«, StadtwerkeKarlsruhe, Regenerative Energie – Sonne,Karlsruhe, Germany, 6.4.2004

Kiefer, K.»Qualitätsmerkmale bei Solarmodulen«,Partnertag der Solar-Fabrik Freiburg, Freiburg,Germany, 14.5.2004

Kiefer, K.»Langzeiterfahrungen mit netzgekoppeltenPhotovoltaik-Anlagen«, Fraunhofer ISEKompaktseminar Photovoltaik-Technologie,Intersolar 2004, Freiburg, Germany, 25.6.2004

Kiefer, K.»Garantierte Erträge von netzgekoppeltenPhotovoltaik-Anlagen«, OTTI-Profiseminar,Freiburg, Germany, 23.6.2004

Kiefer, K.»Konzepte und Komponenten: Stand derTechnik bei Solarstromanlagen«, FraunhoferSolar Building Innovation Center SOBIC,Fachseminar Qualitätssicherung bei derFinanzierung von Solarstromanlagen, Freiburg,Germany, 21.9.2004

Kiefer, K.»Betriebserfahrungen 1993 bis 2003 undBewertungsgrößen für Solarstromanlagen«,Fraunhofer Solar Building Innovation CenterSOBIC, Fachseminar Qualitätssicherung bei derFinanzierung von Solarstromanlagen, Freiburg,Germany, 21.9.2004

Kiefer, K.»Qualitätskontrolle bei Bau und Betrieb vonSolarstromanlagen«, Fraunhofer Solar BuildingInnovation Center SOBIC, Fachseminar Qualitäts-sicherung bei der Finanzierung von Solarstrom-anlagen, Freiburg, Germany, 21.9.2004

Kiefer, K.»Leistung und Haltbarkeit von Solarmodulen«,Freiburger Forum Solarfonds, Freiburg, Germany,10.11.2004

Köhl, M.»Spectal Measurements in the Mid-Infrared«,Kolloquiumsvortrag an der Universität Malaga,Spain, 5.12.2003

Köhl, M.; Heck, M.; Kübler, V.»Optimisation of the Micro-Climate in SolarCollectors«, EuroSun 2004, Freiburg, Germany,20.–23.6.2004

Köhl, M.; Heck, M.; Kübler, V.»Prüfung und Optimierung des Mikroklimas inSolarkollektoren«, OTTI-Energie-Kolleg 14. Sym-posium Thermische Solarenergie, Bad Staffel-stein, Germany, 12.5.–14.5.2004

Koschikowski, J.; Rommel, M.; Wieghaus, M.»Solar Thermal-Driven Membrane Distillation forSmall-Scale Desalination Plants«, EuroSun,Freiburg, Germany, 20.–23.6.2004

Kray, D.; Kampwerth, H.; Schneiderlöchner, E;Grohe, A.; Kamerewerd, F. J.; Leimenstoll, A.;Osswald, D.; Schäffer, E.; Seitz, S.; Wassie, S.;Glunz, S. W.; Willeke G. P.»Comprehensive Experimental Study on thePerformance of Very Thin Laser-Fired SolarCells«, 19th European Photovoltaic Solar EnergyConference and Exhibition, Paris, France,7.–11.6.2004

Kuhn, T.»Sommerlicher Wärmeschutz – Bewertung unterBerücksichtigung der Nutzung«, EMPAAkademie, Tagung »Innovative Fassaden –Planung und Umsetzung«, Dübendorf,Switzerland, 18.11.2004

Kuhn, T.»Sonnenschutz im Verwaltungsbau«, Seminar»Glas im konstruktiven Ingenieurbau«, FHMünchen, Munich, Germany, 16.9.2004

Kuhn, T.»Stand der Technik bei Sonnen- und Blend-schutzsystemen«, Fraunhofer Solar BuildingInnovation Center SOBIC Sonnenschutzseminar,Freiburg, Germany, 2.11.2004

Kuhn, T.»Ermittlung der Sonnenschutzwirkung«,Fraunhofer Solar Building Innovation CenterSOBIC Sonnenschutzseminar, Freiburg, Germany,3.11.2004



Kuhn, T.»Stand der Normung beiSonnenschutzsystemen«, Fraunhofer SolarBuilding Innovation Center SOBICSonnenschutzseminar, Freiburg, Germany,3.11.2004

Laukamp, H.; Erge, T.; Meyer, T.; Thoma, M.»Stromüberschüsse aus Photovoltaik im Nieder-spannungsnetz – ein technisches Problem?«,OTTI-Energie-Kolleg 19. Symposium Photo-voltaische Solarenergie, Bad Staffelstein,Germany, 10.–12.3.2004

Lenz, B.»Performance of a Combined Reformer/SOFCSystem for Aircraft Application«, ConferenceThe Fuel Cell World, Lucerne, Switzerland,28.6.–2.7.2004

Lenz, B.; Aicher, T. «Catalytic Autothermal Reforming for AerospaceApplications«, International Symposium &Workshop on Fuel Cells and Hydrogen forAerospace & Maritime Applications, Hamburg,Germany, 16./17.9.2004

Lerchenmüller, H.; Mertins, M.; Morin, G.;Häberle, A.1; Fruth, M.2; Ewert, M.2; Griestop, T.2; Dersch, J.3

»Technische und wirtschaftliche Machbarkeits-Studie zu horizontalen Fresnel-Kollektoren«,Abschluss-Seminar Solarthermische Stromer-zeugung«, Berlin, Germany, 10.5.2004(1: PSE GmbH, Freiburg, Germany) (2: E.ONEnergie AG, Munich, Germany) (3: German aero-space Centre (DLR), Cologne, Germany)

Lerchenmüller, H.; Mertins, M.; Morin, G.;Häberle, A.1; Bockamp, S.2; Ewert, M.2; Fruth, M.2; Griestop, T.2; Dersch, J.3

»Fresnel-Collectors in Solar Thermal PowerPlants with High Solar Shares», EuroSun 2004,Freiburg, Germany, 20.–23.6.2004, (1: PSE GmbH, Freiburg, Germany) (2: E.ONEnergie AG, Munich, Germany) (3: GermanAerospace Centre (DLR), Cologne, Germany)

Luther, J.«Welt im Wandel: Energiewende zu Nachhaltig-keit«, Sitzung «Arbeitskreis Energie derDeutschen Physikalischen Gesellschaft», (AKE)Frühjahr 2004, Bad Honnef, Germany,15./16.4.2004

Luther, J.»Global Research and Development onRenewables – Needs, Contexts and Structures»,Science Forum im Rahmen der Konferenz»Renewables 2004«, Bonn, Germany,1.–4.6.2004

Luther, J.»Research and Development on Photovoltaics inGermany - Main Emphasis and Approach» imRahmen der Konferenz »Renewables 2004«,Bonn, Germany, 1.–4.6.2004

Luther, J.»Status und globale Perspektive der technischenSonnenenergienutzung«, Einweihung»SolarZentrum des CiS Institut für Mikro-sensorik», Erfurt, Germany, 13.5.2004

Luther, J.»Research and Development on Renewables inGermany«, Sino–European Bilateral MeetingEuropean Materials Research Society (E–MRS),Nice, France, 6.–8.12.2004

Meusel, M.1; Dimroth, F.; Baur, C.; Siefer, G.;Bett, A. W.; Volz–Koch, K.2; Stolz, W.2; Strobl, G.3; Signorini, C.4; Hey, G.5

»European Roadmap for the Development of III-V Multi-Junction Space Solar Cells«,19th Euro-pean Photovoltaic Solar Energy Conference andExhibition, Paris, France, 7.–11.6.2004(3: Freiburger Materialforschungszentrum FMF,Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Germany)(2: Philipps-Universität, Marburg, Germany) (3:RWE Space Solar Power GmbH, Heilbronn,Germany) (4: European Space Research &Technology Centre ESTEC, Noordwijk, TheNetherlands) (5: German Aerospace Center DLR,Bonn, Germany)

Meusel, M.; Baur, C.; Siefer, G.; Dimroth, F.;Bett, A. W.; Warta, W.»Characterization of Monolithic III-V Multi-Junction Solar Cells – Challenges andApplication«, 14th International PhotovoltaicScience and Engineering, ChulalongkornUniversity, Bangkok, Thailand, 26.–30.1.2004

Meyer, T.»Dezentrale Stromerzeugung und ihre Einbin-dung in die Elektrizitätsversorgung«,Fachhochschule Mannheim, Mannheim,Germany, 13.5.2004

Meyer, T., Laukamp, H.; Thomas, M.; Erge, T.»Impact of a Large Capacity of Distributed PVProduction on the Low Voltage Grid«, 19th

European Photovoltaic Solar Energy Conferenceand Exhibition, Paris, France, 7.–11.6.2004

Meyer, T.»Wasserstofftechnik in stationären autonomenStromversorgungen«, Jahrestagung Forschungs-verbund Sonnenenergie FVS 2004, Berlin,Germany, 25./26.11.2004

Morin, G.; Lerchenmüller, H.; Mertins, M.; Ewert, M.1; Fruth, M.2; Bockamp, S.2; Griestop, T.2; Häberle, A.3

»Plug-In Strategy for Market Introduction ofFresnel-Collectors«, 12th SolarPACES Inter-nationales Symposium, Oaxaca, Mexico,6.–8.10.2004, (1: E.ON Energie AG, Munich, Germany) (2: E.ONEngineering GmbH, Gelsenkirchen, Germany) (3: PSE GmbH, Freiburg, Germany)

Niggemann, M.; Glatthaar, M.; Gombert, A.;Hinsch, A.; Wittwer, V:; Zimmermann, B.»Micro Prisms and Buried Nano-Electrodes – CellArchitectures for Organic Solar Cells«, EuroSun2004, Freiburg, Germany, 20.–23.6.2004

Niggemann, M.; Glatthaar, M.; Gombert, A.;Hinsch, A.; Riede, M.; Wittwer, V.; Zimmermann, B.»Investigation of Device Architectures forOrganic Solar Cells Based on MicrostructuredSubstrates«, SCELL-2004, Badajoz, Spain,13.–15.5.2004

Nitz, P.»Sonnenschutz und Lichtlenkung durch mikro-strukturierte Oberflächen«, Glasforum der deut-schen Glastechnischen Gesellschaft, FraunhoferISC, Würzburg, Germany, 16.3.2004

Nitz, P.; Gombert, A.; Bläsi, B.; Georg, A.; Walze, G.; Hoßfeld, W.»Lichtlenkende Mikrostrukturen mit optisch-funktionalen Beschichtungen«, 10. SymposiumInnovative Lichttechnik in Gebäuden, BadStaffelstein, Germany, 29./30.1.2004

Nitz, P.; Gombert, A.; Georg, A.; Mick, J.;Hossfeld, W.; Walze, G.»Verbundprojekt MIKROFUN 2 – Teilprojekt»Optimierung der Strukturen und Beschich-tungen und Entwicklung von Produktions-techniken««, BMWA-Statusseminar Energie-optimiertes Bauen ENOB, Freiburg, Germany,5./6.5.04

Núnez, T.; Mittelbach, W.1; Henning, H.-M.»Entwicklung und Nutzungspotential einesSorptionsreaktors zur solaren Heizung undKühlung«, Gleisdorf Solar 2004, Gleisdorf,Austria, 8.–11.9.2004(1: SorTech AG, Freiburg, Germany)

Oedegaard, A.; Hebling, C.»Development and Characterisation of a DMFCStack and a Methanol Feeding Concept«,Scientific Advances in Fuel Cell Systems, Munich,Germany, 6./7.10.2004

Oszcipok, M.»Low Temperature Operation and InfluenceParameters on the Cold Start Ability of PortablesPEMFCs«, 9th Ulm Electrochemical Talks, Neu-Ulm, Germany, 17./18.5.2004

Pfafferott, J.»Geplant – Gebaut – Geprüft. Passive Kühlungim Fraunhofer Haus München«, IHK München,»Energieeffiziente Büro- und Verwaltungsge-bäude«, Munich, Germany, 15.6.2004

Pfafferott, J.»Welche Energie für welches Gebäude? Überdas Zusammenspiel von Architektur undEnergieversorgungstechnik«, Energiemanage-ment in Gebäuden, EMiG 2004, Aachen,Germany, 23.9.2004

Pfanner, N.»Leuchtdioden (LED) als innovatives Leuchtmittel– Ein Überblick zum Stand der Technik und denChancen der neuen Technologie«, ZehntesSymposium Innovative Lichttechnik in Gebäu-den, Kloster Banz, Bad Staffelstein, Germany,29./30.1.2004

Pfanner, N.; W. Roth»Qualität in photovoltaischen Systemen«,Seminar Netzferne PV-Energieversorgung inEntwicklungsländern, Freiburg, Germany,5.–16.4.2004

Pfanner, N.»Pre-Payment Solar-Home-Systeme mitDatenerfassung«, Seminar Netzferne PV –Energieversorgung in Entwicklungsländern,Freiburg, Germany, 5.–16.4.2004



Pfanner, N.»Photovoltaisch versorgte Beleuchtungs-systeme«, Seminar Netzferne PV – Energiever-sorgung in Entwicklungsländern, Freiburg,Germany, 5.–16.4.2004

Pfanner, N.»Laderegler – Funktionsprinzipien und Anfor-derungen«, Seminar Netzferne PV-Energiever-sorgung in Entwicklungsländern, Freiburg,Germany, 5.–16.4.2004

Puls, H.G.»Computer-Aided Design and Simulation of PVSystems«, SOLTRAIN Train-the-Trainer Workshop,Freiburg, Germany, 1.–13.2.2004

Reber, S.»Kristalline Silicium-Dünnschichtsolarzellen – derHochtemperaturansatz«, Workshop »Materialienund Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-solarzellen« der Europäischen Forschungsgesell-schaft Dünne Schichten e.V., Frankfurt,Germany, 1.4.2004

Reber, S.; Bau, S.; Waldenmayer, B.; Schillinger, N.»Progress in High-Temperature Silicon EpitaxyUsing the RTCVD160 Processor«, 19th EuropeanPhotovoltaic Solar Energy Conference andExhibition, Paris, France, 7.–11.6.2004

Rein, S.; Glunz, S. W.»Advanced Lifetime Spectroscopy –Methodology and Experimental Proof«, 19thEuropean Photovoltaic Solar Energy Conferenceand Exhibition, Paris, France, 7.–11.6.2004

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Veröffentlichungen



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Borchert, D.1; Brammer, T.2; Stiebig, H.2; Voigt, O.3; Gronbach, A.; Rinio, M.; Kenanoglu, A.1; Willeke, G.1; Nositschka, A.4;Kurz, H.4

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Köhl, M.; Heck, M.; Brunold, S.1; Frei, U.1;Carlsson, B.2; Kenneth, M.2

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Luque, A.1; Martí, A.1; Cuadra, L.1; Algora, C.1; Wahnon, P.1; Sala, G.1; Benítez, P.1; Bett, A. W.; Gombert, A.; Andreev, V. M.2; Jaussaud, C.3; van Roosmalen, J.4; Alonso, J.5; Räuber, A.6;Stroble, G.7; Stolz, W.8; Bitnar, B.9; Stanley, C.10; Conesa, J. C.11; Van Sark, W.12;Barnham, K.13; Danz, R.14; Meyer, T.15; Luque-Heredia, I.16; Kenny, R.17; Christofides, C.18

»FULLSPECTRUM: A New PV Wave of MoreEfficient Use of the Solar Spectrum«, in:Proceedings, 19th European Photovoltaic SolarEnergy Conference and Exhibition, Paris,France, 7.–11.6.2004, im Druck(1: Universidad Politécnica de Madrid IES-UPM,Madrid, Spain) (2: Ioffe PhysicotechnicalInstitute, St Petersburg, Russia) (3: CEA Dep.pour les Technologies des Energies Nouvelles,Grenoble, France) (4: ECN, Petten, TheNetherlands) (5: Isofotón, Málaga, Spain) (6: Projektgesellschaft Solare Energiesysteme,Freiburg, Germany) (7: RWE Solar Space Power,Heilbronn, Germany) (8: Philipps-UniversitätMarburg, Germany) (9: PSI, Villigen,Switzerland) (10: University of Glasgow,Glasgow, Scottland) (11: ICP-CSIC, Madrid,Spain) (12: University of Utrecht, Utrecht, TheNetherlands) (13: Imperial College, London, UK)(14: Fraunhofer-Institut für AngewandtePolymerforschung IAP, Golm, Germany) (15: Solaronix, Aubonne, France) (16: Inspira, Las Rozas, Madrid, Spain) (17: EuropeanCommission, DG JRC, Ispra, Italy) (18: Universityof Cyprus, Nicosia, Cyprus)

Mertins, M.1; Häberle, A.2; Lerchenmüller, H.»Geometry Optimization of Fresnel-Collectorswith Economic Assessment», in: Proceedings,EuroSun 2004, Freiburg, Germany,20.–23.6.2004, pp. 1/918–1/925(1: Universität Karlsruhe, Germany) (2: PSEGmbH, Freiburg, Germany)

Meusel, M.1; Dimroth, F.; Baur, C.; Siefer, G.;Bett, A. W.; Volz-Koch, K.2; Stolz, W.2; Strobl, G.3; Signorini, C.4; Hey, G.5

»European Roadmap for the Development ofIII-V Multi-Junction Space Solar Cells«, in:Proceedings, 19th European Photovoltaic SolarEnergy Conference and Exhibition, Paris,France, 7.–11.6.2004, im Druck(1: Freiburger Materialforschungszentrum FMF,Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Germany)(2: Philipps-Universität, Marburg, Germany) (3:RWE Space Solar Power GmbH, Heilbronn,Germany) (4: European Space Research &Technology Centre ESTEC, Noordwijk, TheNetherlands) (5: German Aerospace CenterDLR, Bonn, Germany)

Meusel, M.; Baur, C.; Siefer, G.; Dimroth, F.;Bett, A. W.; Warta, W.»Characterization of Monolithic III-V Multi-Junction Solar Cells – Challenges andApplication«, in: Proceedings, 14th Inter-national Photovoltaic Science and Engineering,Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand,26.–30.1.2004, pp.113–116

Meyer, T.; Wittwer, C.»Dezentralisierung der Energieversorgung:Herausforderungen und Chancen verteilterErzeugung in Niederspannungsnetzen undGebäuden«, in: Verein Beratende Ingenieure,Juli/Aug.2004, pp. 37–40

Mohr, A.; Hermle, M.; Roth, T.; Glunz, S. W.»Influence of Grid Finger and Bus Bar Structureon the Performance of Rear-Line-ContactedSilicon Concentrator Cells«, in: Proceedings,19th European Photovoltaic Solar EnergyConference and Exhibition, Paris, France,7.–11.6.2004, im Druck

Mohr, A.; Roth, T.; Glunz, S. W.»Silicon Concentrator Cells with CompoundParabolic Concentrators«, in: Proceedings, 19thEuropean Photovoltaic Solar Energy Conferenceand Exhibition, Paris, France, 7.–11.6.2004, imDruck

Morin, G.; Lerchenmüller, H.; Mertins, M.;Ewert, M.1; Fruth, M.2; Bockamp, S.2; Griestop, T.2; Häberle, A.3

»Plug-In Strategy for Market Introduction ofFresnel-Collectors«, in: Proceedings, 12th

SolarPACES Internationales Symposium,Oaxaca, Mexico, 6.–8.10.2004, im Druck(1: E.ON Energie AG, Munich, Germany) (2: E.ON Engineering GmbH, Gelsenkirchen,Germany) (3: PSE GmbH, Freiburg, Germany)

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Rommel, M.»Overview on New Developments of SolarThermal Collectors for the Temperature Rangeof 80° to 250°«, in: Proceedings, EuroSun2004, Freiburg, Germany, 20.–23.6.2004, pp. 1/617–1/625

Rommel, M.»Neue Kollektorentwicklung für denMitteltemperaturbereich bis 250°C«, in:Tagungsband, Gleisdorf Solar 2004, Gleisdorf,Austria, 8.–11.9.2004, pp.167–175

Roth, K.1; Rentsch, J.; Binaie, F.; Schetter, C.;Preu, R.; Schlemm, H.1

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Russ, C.; Hastings, R.1

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Russ, C.; Voss, K.; Hastings, R.»Zukunft für Zuhause – Effiziente Wohnge-bäude mit solar unterstützter Energiever-sorgung«, in: Sonnenenergie 2, 3/2004, pp. 31–35

Russ, C.»Solares Bauen – Mehr Marktnähe für Ergeb-nisse aus Forschung und Entwicklung«, in:Sonderheft Solares Bauen, oct. 2004, pp. 90–92

Schlegl, T.1; Dimroth, F.; Ohm, A.; Bett, A. W.»TPV Modules Based on GaSb Structures«, in:AIP Conference Proceedings, 6th Conferenceon Thermophotovoltaic Generation ofElectricity TPV 6, Freiburg, Germany, 2004, imDruck(1: Freiburger Materialforschungszentrum FMF,Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Germany)

Schlegl, T.1; Abbott, P.; van Riesen, S.; Bett, A. W.»Degradation Study of MOVPE-Grown andZinc-Diffused GaSb Cells for Thermophoto-voltaic Applications«, in: AIP ConferenceProceedings, 6th Conference on Thermo-photovoltaic Generation of Electricity TPV 6,Freiburg, Germany, 2004, im Druck(1: Freiburger Materialforschungszentrum FMF,Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Germany)

Schlegl, T1.; Sulima, O. V.; Bett, A. W.»The Influence of Surface Preparation on Zn-Diffusion Processes in GaSb«, in: AIPConference Proceedings, 6th Conference onThermophotovoltaic Generation of ElectricityTPV 6, Freiburg, Germany, 2004, im Druck(1: Freiburger Materialforschungszentrum FMF,Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Germany)

Schmidhuber, H.; Hebling, C.»A Novel Module Concept for High EfficientDevice Integrated Solar Cells«, in: Proceedings,EuroSun 2004, Freiburg, Germany,20.–23.6.2004, pp. 3/300–3/307

Schnabel, L.; Hindenburg, C.; Geucke, T.»Detailed Monitoring Results of the FirstThermally Solar Autonomous Air ConditioningSystem in Germany«, in: Proceedings, EuroSun2004, Freiburg, Germany, 20.–23.6.2004, pp.2/113–2/122

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Schneiderlöchner, E.; Glunz, S. W.; Kray, D.;Preu, R.; Willeke, G.»Laser-Fired Contacts – Technologie zurHerstellung von hocheffizienten Solarzellen aufultradünnen Siliciumscheiben«, in: Proceedings,Materialien und Verfahren zur Herstellung vonSolarzellen, Frankfurt am Main, Germany,1.4.2004

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Schultz, O.; Riepe, S.; Glunz, S. W.»Thermal Degradation and Gettering of SolarGrade Multicrystalline Silicon«, in: Proceedings,19th European Photovoltaic Solar EnergyConference and Exhibition, Paris, France,7.–11.6.2004, im Druck

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Sicre, B.; Bühring, A.; Vetter, M.»CHP Plants in Residential Buildings:Environmental Potential and EconomicFeasibility when Combined with Thermal SolarSystems«, in: Proceedings, EuroSun 2004,Freiburg, Germany, 20.–23.6.2004, pp.3/620–3/627

Sicre, B.; Ullah, S.; Bühring, A.»Energy Economic Assessment of Solid OxideFuel Cell Applications in Residential Buildings«,in: Proceedings, TRNSYS Usertag 2004,Stuttgart, Germany, 26.3.2004

Siefer, G.; Bett, A. W.; Emery, K.1

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Steinhüser, A.; Kaiser, R.; Kosack, F.; Reich, N.;Adelmann, P.1

»Photovoltaics and Fuel Cells for aDecentralised Power Supply at the RappeneckerHof«, in: Proceedings, 19th European Photo-voltaic Solar Energy Conference and Exhibition,Paris, France, 7.–11.6.2004, im Druck(1: Phocos AG, Ulm, Germany)

Steinhüser, A.; Kaiser, R.; Kosack, F.; Reich, N.;Adelmann, P.1

»Fuel Cells for Distributed Power Supply at theRappenecker Hof«, in: Proceedings, EuroSun2004, Freiburg, Germany, 20.–23.6.2004, pp. 3/324–3/329(1: Phocos AG, Ulm, Germany)

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Strobl, G.1; Dietrich, R.1, Köstler, W.1; Kern, R.1; Hilgarth, J.1; LaRoche, G.1; Nell, M.1;Rothenbacher, S.1; Zimmermann, W.1; Bett, A.W.; Dimroth, F.; Meusel, M.; Taylor, S.2;Signorini, C.2; Hey, G.3

»Development and Qualification Status ofEuropean Triple Junction Solar Cells for SpaceApplications«, in: Proceedings, 19th EuropeanPhotovoltaic Solar Energy Conference andExhibition, Paris, France, 7.–11.6.2004, imDruck(1: RWE Space Solar Power GmbH, Heilbronn,Germany) (2: ESA/ESTEC, Noordwijk, TheNetherlands) (3: DLR, Bonn, Germany)

Susdorf, A.; Chigapov, A. N.1

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Van Riesen, S.1; Löckenhoff, R.; Bett, A. W.;Dimroth, F.»GaAs-Monolithically Interconnected Modules(MIMs) with an Efficiency above 20%«, in:Proceedings, 19th European Photovoltaic SolarEnergy Conference and Exhibition, Paris,France, 7.–11.6.2004, im Druck(1: Freiburger Materialforschungszentrum FMF,Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Germany)

Van Roekel, G.1; Gölz, S.; Westra, C.1; Gomez, V.2; Montero, M.2; Ramirez, E.;Vogt, G.

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Vogt, G; Bopp, G.; Fleißner, D.; Gölz, S.; Roth, W.; Sauer, D. U.»Bedarfsorientiertes Trainingsangebot imBereich Photovoltaik – Vermittlung sozialer,technischer und betriebswirtschaftlicherKompetenzen«, in: Tagungsband, OTTI-Energie-Kolleg 19. Symposium PhotovoltaischeSolarenergie, Bad Staffelstein, Germany,10.–12.3.2004, pp. 163–168

Voyer, C.; Biro, D.; Emanuel, G.; Preu, R.;Koriath, J.1; Wanka, H.1

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Warta, W.; Sala, G.1; Kenny, R.2; Siefer, G.;Kern, R.3; Spiess, F. P.4; Linares, A.4

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Warta, W.; Isenberg, J.»Illuminated Lock-In Thermography (ILT) – NewMethod for Spatially Resolved Assessment ofPower Losses in Solar Cells«, in: Proceedings,19th European Photovoltaic Solar EnergyConference and Exhibition, Paris, France,7.–11.6.2004, im Druck

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Wolke, W.; Preu, R.; Wieder, S.; Ruske, M.»SiN: H Anti-Reflection Coatings for C-Si SolarCells by Large Scale Inline Sputtering«, in:Proceedings, 19th European Photovoltaic SolarEnergy Conference and Exhibition, Paris,France, 7.–11.6.2004, im Druck

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Carlsson, B.1; Möller, K.1; Köhl, M.; Heck, M.;Brunold, S.2; Frei, U.2; Marechal, J.-C.3;Jorgensen, G.4

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Dimroth, F.; Bett, A. W.; Giesen, C.1; Heuken, M.1

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Dimroth, F.; Baur, C.; Bett, A. W.; Volz, K.1;Stolz, W.1

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Gombert, A.; Bühler, C.; Hoßfeld, W.; Mick, J.1;Bläsi, B.; Walze, G.; Nitz, P.»A Rigorous Study of Diffraction Effects on theTransmission of Linear Dielectric Micro ReflectorArrays«, in: Journal of Optics A: Pure andApplied Optics, 6/2004, pp. 952–960(1: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institutfür Mikrosystemtechnologie, Freiburg,Germany)

Hakenjos, A.; Tüber, K.; Schumacher, J. O.;Hebling, C.»Characterising PEM Fuel Cell PerformanceUsing Current Distribution Measurement inComparison with a CFD Model«, in: Fuel Cells,vol. 3, 8/2004, pp.185–189

Hakenjos, A.; Muenter, H.; Wittstadt, U.;Hebling, C.»A PEM Fuel Cell for Combined Measurementof Current and Temperature Distribution, andFlow Field Flooding«, in: Journal of PowerSources, vol. 131, 14.5.2004, pp. 213–216

Hinsch, A.; Niggemann, M.; Gombert, A.»Micro- and Nano-Patterned Electrodes forOrganic Solar Cells and other InterfaceDominated Solar Cells», in: Thin Solid Films,vol. 619–623 (2004), pp. 451–452

Veröffentlichungen in rezensierten Zeitschriften



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Isenberg, J.1; Warta, W.»Spatiallay Resolved Evaluation of Power Lossesin Industrial Solar Cells by Illuminated Lock-InThermography«, in: Progress in Photovoltaics,vol. 12 (5), (2004) pp.339–353(1: Freiburger Materialforschungszentrum FMF,Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Germany)

Isenberg, J.1; Biro, D.; Warta, W.»Fast and Spatially Resolved Measurement ofSheet Resistance by Infrared Method«, in:Progress in Photovoltaics, vol. 12 (7), (2004)pp. 539–552(1: Freiburger Materialforschungszentrum FMF,Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Germany)

Isenberg, J.1; Warta, W.»Free Carrier Absorption in Heavily DopedSilicon Layers«, in: Applied Physics Letters, vol. 84(13), (2004) pp. 2265–2267(1: Freiburger Materialforschungszentrum FMF,Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Germany)

Köhl, M.; Heck, M.; Brunold, S.1; Frei, U.1;Carlsson, B.2; Kenneth, M.2

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Reufer, M.1; Riechel, S.1; Lupton, J. M.1;Feldmann, J.1; Lemmer, U.2; Schneider, D.3;Benstem, T.3; Dobbertin, T.3; Kowalsky, W.3;Gombert, A.; Forberich, K.; Wittwer, U.; Scherf, U.4

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Schmitz, A.; Wagner, S.1; Hahn, R.1; Uzun, H.1;Hebling, C.»Stability of Planar PEMFC in Printed CircuitBoard Technology«, in: Journal of PowerSources, vol. 127 (2004), pp. 197–205(1: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit undMikrointegration IZM, Berlin, Germany)

Schmitz, A.; Hahn, R.1; Wagner, S.1; Reichl, H.1

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Schmitz, A.; Wagner, S.1; Hahn, R.1; Weil, A.;Schneiderlöchner, E.; Tranitz, M.; Hebling, C.»MEA Segmentation Using LASER Ablation«,in: Journal of Fuel Cells, 4/2004, vol. 3, pp.190–195(1: Fraunhofer Institute for Reliability and MicroIntegration IZM, Berlin, Germany)

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Schubert, M. C.; Isenberg, J.; Riepe, S.; Warta, W.;»Thermographic Imaging of Free CarrierDensity in Silicon«, in: Proceedings Qirt 2004,Belgium, vol. 1, no. 1, 6/2004, pp. 89–98

Schultz, O.; Glunz, S.W.; Willeke, G. P.»Multicrystalline Silicon Solar Cells Exceeding20% Efficiency«, in: Progress in Photovoltaics,Res. Appl. 2004; vol. 12, pp. 553–558

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Bücher und Beiträge zu Büchern



Abkürzungen

AC Alternating CurrentADIRA Autonomous Desalination System

Concepts for Sea Water and Brackish Water in Rural Areas with Renewable Energies

AFCo Ansaldo Fuel Cell SpAAg SilberAl AluminiumAlGaAs AluminiumgalliumarsenidAIN Aluminium-NitritAM Air MassAPCVD Atmospheric Pressure Chemical

Vapour DepositionAPU Auxiliary Power UnitASTM American Society for Testing

and MaterialsBi WismutBFC Bifacial CellBHKW BlockheizkraftwerkBMU Bundesministerium für Umwelt,

Naturschutz und ReaktorsicherheitBSF Back Surface FieldBZ BrennstoffzelleCalLab KalibrierlaborCDI Carrier Density ImagingCFD Computational Fluid DynamicsCIS Copper Indium DiselenideCNRS Centre Nationale de la

Recherche ScientifiqueCO KohlenmonoxidCO2 KohlendioxidCPC Compound Parabolic Concentratorc-Si Kristallines SiliciumCV Capacitance/VoltageCVD Chemical Vapour DepositionCz CzochralskiDAP Deutsches Akkreditierungssystem

PrüfwesenDC Direct CurrentDIN Deutsches Institut für NormungDLTS Deep Level Transient SpectroscopyDMFC Direct Methanol Fuel CellEBIC Electron Beam Induced CurrentEBR Etchback RegrowthECR Electron Cyclotron ResonanceEFG Edge-Defined Film-Fed GrowthEMC Electromagnetic CompatibilityEMS EnergiemanagementsystemEMV Elektromagnetische VerträglichkeitEN Europäische NormERS Elektrische ReflexionsspektroskopieEU Europäische UnionFASTEST FassadenprüfstandFCKW Fluor-Chlor-KohlenwasserstoffeFLATCON Fresnel Lense All-Glass Tandem Cell

ConcentratorFF FüllfaktorFhG Fraunhofer-GesellschaftFZ Floating ZoneGaAs GalliumarsenidGaInP GalliumindiumphosphidGaSb GalliumantimonidGDM GasdiffusionsmediumGe GermaniumGSM Global System for Mobile

Communication

GTZ Gesellschaft für technische Zusammenarbeit

IAM EinstrahlwinkelkorrekturfaktorIEA International Energy Agencyin-situ im laufenden BetriebITO Indium-ZinnoxidIR InfrarotK KelvinKMU Kleine und Mittlere UnternehmenKS KatalysatorschichtKWK Kraft-Wärme-KopplungkWp Kilowatt Peak (Spitzenleistung)LBIC Light Beam Induced CurrentLBSF Local Back Surface FieldLED Light Emitting DiodeLFC Laser Fired ContactLPE Liquid Phase Epitaxymc MultikristallinMCFC Molten Carbonate Fuel Cellmc-Si Multikristallines SiliciumMEA Membran-Elektroden-AnordnungMFCA Modulated Free Carrier

AbsorptionMgF2 MagnesiumfluoridMIM Monolithically Integrated ModuleMOCVD Metal Organic Chemical

Vapour DepositionMOVPE Metal Organic Vapour

Phase EpitaxyMPP Maximum Power PointMSC Miniature Solar Cell MappingMW-PCD Microwave-detected

Photoconductance Decay PointN2 StickstoffNOCT Nominal Operating

Cell TemperaturePCM Phase Change MaterialPCS Phase Change SlurriesPCU PoMS Central UnitPCVD Photocurrent and Voltage DecayPd PalladiumPDA Personal Digital AssistantPECVD Plasma Enhanced Chemical Vapour

DepositionPEM PolymermembranPEMFC Proton Exchange Membrane

Fuel CellPERC Passivated Emitter and Rear CellPIB PoMS Interface BoxPOA Power Optimised AircraftPoMS Power and Power Quality

Management SystemPt PlatinPV PhotovoltaikPV-TEC Photovoltaik Technologie Evaluations-

CenterPZTS Prüfzentrum für Thermische

SolaranlagenRCC Rear Contacted CellRCWA Rigorous Coupled Wave AnalysisRIE Reactive Ion EtchingREM RasterelektronenmikroskopRPHP Remote Plasma Hydrogen

Passivation (Wasserstoffpassivierung)RP-PERC Random Pyramid, Passivated

Emitter and Rear Cell

RRC Realistic Reporting ConditionsRTCVD Rapid Thermal Chemical

Vapour DepositionRTP Rapid Thermal ProcessingS/C Steam/Carbon-Ratio

Dampf-/KohlenstoffverhältnisSFG Solare Fassaden und

GebrauchsdaueranalyseSGK Sorptionsgestützte KlimatisierungSi SiliciumSIMOX Separation by IMplanted

OXygenSiNx SiliciumnitridSiO2 SiliciumdioxidSMD Surface Mounted DeviceSn ZinnsSOFC Solid Oxide Fuel CellSPS speicherprogrammierbare SteuerungSPV Surface PhotovoltageSSP Silicon Sheets from PowderSR Spectral ResponseSR-LBIC Spatially Resolved Light

Beam Induced CurrentTCO Transparent Conducting OxideTDLS Temperature Dependent Lifetime

SpectroscopyTDI Thermal Defect ImagingTi TitanTiO2 TitandioxidTOPLAB Thermisch-Optisches PrüflaborTPV ThermophotovoltaikTWD Transparente WärmedämmungUESP Universal Energy Supply ProtocolUIB UESP-Interface BoxUV Ultraviolette StrahlungVoc LeerlaufspannungWO3 WolframoxidWPVS World Photovoltaic ScaleZMR Zone Melting RecrystallisationZn ZinkZSW Zentrum für Sonnenenergie- und

Wasserstoff-Forschungη Wirkungsgrad


Fakten im ÜberblickDie Fraunhofer Gesellschaft

Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt anwendungsorientierteForschung zum direkten Nutzen für Unternehmen und zum Vor-teil der Gesellschaft. Vertragspartner und Auftraggeber sindIndustrie- und Dienstleistungsunternehmen sowie die öffentlicheHand. Im Auftrag und mit Förderung durch Ministerien undBehörden des Bundes und der Länder werden zukunftsrelevanteForschungsprojekte durchgeführt, die zu Innovationen im öffent-lichen Nachfragebereich und in der Wirtschaft beitragen.

Mit technologie- und systemorientierten Innovationen für ihreKunden tragen die Fraunhofer-Institute zur Wettbewerbsfähig-keit der Region, Deutschlands und Europas bei. Dabei zielen sieauf eine wirtschaftlich erfolgreiche, sozial gerechte und umwelt-verträgliche Entwicklung der Gesellschaft.

Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bietet die Fraunhofer-Gesellschaft die Möglichkeit zur fachlichen und persönlichenEntwicklung für anspruchsvolle Positionen in ihren Instituten, in anderen Bereichen der Wissenschaft, in Wirtschaft undGesellschaft.

Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt derzeit rund 80 Forschungs-einrichtungen, davon 57 Institute, an über 40 Standorten inganz Deutschland. Rund 12 700 Mitarbeiterinnen und Mit-arbeiter, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaft-licher Ausbildung, bearbeiten das jährliche Forschungsvolumenvon über 1 Milliarde €. Davon fallen mehr als 900 Millionen €auf den Leistungsbereich Vertragsforschung. Rund zwei Dritteldieses Leistungsbereichs erwirtschaftet die Fraunhofer-Gesell-schaft mit Aufträgen aus der Industrie und mit öffentlich finanzierten Forschungsprojekten. Ein Drittel wird von Bund und Ländern beigesteuert, auch um damit den Instituten dieMöglichkeit zu geben, Problemlösungen vorzubereiten, die infünf oder zehn Jahren für Wirtschaft und Gesellschaft aktuellwerden.

Niederlassungen in Europa, in den USA und in Asien sorgen fürKontakt zu den wichtigsten gegenwärtigen und zukünftigenWissenschafts- und Wirtschaftsräumen.

Mitglieder der 1949 gegründeten und als gemeinnützig aner-kannten Fraunhofer-Gesellschaft sind namhafte Unternehmenund private Förderer. Von ihnen wird die bedarfsorientierteEntwicklung der Fraunhofer-Gesellschaft mitgestaltet.

Namensgeber der Gesellschaft ist der als Forscher, Erfinder undUnternehmer gleichermaßen erfolgreiche Münchner GelehrteJoseph von Fraunhofer (1787-1826).

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©Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISEFreiburg, 2005

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2004JahresberichtLeistungen und Ergebnisse

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Fraunhofer ISE - Jahresbericht 2004 · links Oberflächentextur der multikristallinen Weltrekord-Solarzelle mit 20,3% Wirkungsgrad. Die Textur führt zu einer starken Verbesserung