Strom erzeugen im Weltraum - mit Silizium-Photovoltaik
Das amerikanische Unternehmen Source Energy und die Forschungsorganisation Fraunhofer-Institut für Solare Energiesystem ISE haben gemeinsam eine neue Produktreihe für Weltraum-Satelliten basierend auf Silizium-Solarzellen entwickelt. Die Photovoltaik-Module und -Flügel nutzen eine besondere Verschaltung für die Solarzellen. In Kombination mit kostengünstigen Silizium-Solarzellen können die Module zu deutlich geringeren Kosten gefertigt werden, als es mit der momentan im Weltraumsektor vorherrschenden III-V-Standardtechnologie möglich ist. Die automatisierte Fertigung mit einem Schindel-Matrix-Stringer der Firma M10 Solar Equipment GmbH ermöglicht Source Energy eine Produktlieferung in weniger als sechs Monaten ab Bestellung.
Solarzellen basierend auf III-V Materialien sind derzeit der Standard für die Stromproduktion im Weltraum. Ihre hohen Kosten und ihre begrenzte Verfügbarkeit stellen jedoch erhebliche Einschränkungen für kommerzielle Missionen dar, insbesondere für Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn (LEO). "Gemeinsam mit Source Energy haben wir daher Silizium-basierte Solarmodule für Weltraumanwendungen entwickelt, ähnlich denen, die auf der Erde bereits erfolgreich und kosteneffizient eingesetzt werden", erläutert Dr. Achim Kraft, Abteilungsleiter PV-Modultechnologien am Fraunhofer ISE.
Die so entstandenen Solarmodule sind kompakt und leicht: Sie wiegen 64 Gramm und haben eine Fläche von 629 Quadratzentimetern (321 mal 209 Millimeter). Die durchschnittliche Leistung der Prototypen betrug 15,6 Watt – einzelne Module erreichten 16,1 Watt– bei einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 18,8 Prozent (AM0 bei 25 °C). Mit einer spezifischen Leistung von 252 Watt pro Kilogramm ist das Modul damit wettbewerbsfähig mit anderen Siliziummodulen seiner Klasse.
Automatisierte Fertigung mit einem Schindel-Matrix-Stringer
Verschaltet werden die Silizium-Solarzellen mit der Schindel-Matrix-Technologie. Die einzelnen Solarzellen werden in Streifen geschnitten und leicht überlappend sowie versetzt zueinander wie in einem Mauerwerk angeordnet. Ein elektrisch leitfähiger Klebstoff verbindet die Solarzellen.
Der Maschinenbauer M10 Solar Equipment GmbH hat einen industriellen Stringer für die Schindel-Matrix-Technologie entwickelt. Nach erfolgreicher Prototypenphase im Module-TEC des Fraunhofer ISE in Freiburg installierte Source Energy die Anlage im Juni 2026 in der eigenen Fertigung in Colorado. "Als Herzstück der Produktion ermöglicht sie uns PV-Module für unter 5 Dollar pro Watt herzustellen", sagt Bryan Mazor, CTO bei Source Energy. "Der automatisierte Fertigungsprozess macht uns nicht nur kostengünstiger, sondern auch deutlich schneller als dies derzeit bei III-V-PV-Produkten für den Weltraum der Fall ist."
Schindel-Matrix-Design macht Solarmodule robust für den Weltraum
"Drei Eigenschaften machen die Schindel-Matrix Verschaltung perfekt für den Weltraum", erklärt Najwa Abdel Latif, Projektleiterin am Fraunhofer ISE. "Die Resilienz gegenüber punktuellen Schäden durch Einschläge kleiner Objekte im Weltraum, die Flexibilität im Layout und die Toleranz gegenüber extremen Temperaturunterschieden."
Wird das Solarmodul beschädigt – beispielsweise durch einen kleinen Meteoriten oder Weltraummüll –, ermöglicht die Matrixanordnung der Solarzellen, dass der Strom einfach um den beschädigten Bereich herumfließt. Gleichzeitig lassen sich die Reihen und Spalten der Solarzellen im Layout je nach Spannungs- und Strombedarf des Satelliten flexibel anpassen.
"Die Schindel-Matrix -Technologie ist mit Wafer-basierten Solarzellen mit Vorder- und Rückseitenkontakt, wie beispielsweise PERC oder Silizium-Heterojunction kompatibel, ohne dass die Produktionslinie angepasst werden muss", sagt Abdel Latif. "Dank des Niedertemperatur-Verbindungsverfahrens wird es auch mit der Zukunftstechnologie Silizium-Perowskit-Tandem keine Probleme geben."
Testresultate bestätigen die Weltraum-Tauglichkeit
Erst einmal auf Mission ist für die Solarpanele eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen große Temperaturunterschiede entscheidend. Das Forschungsteam am Fraunhofer ISE wählte daher für die Modulentwicklung Werkstoffe aus, die ihre Leistung unter diesen Bedingungen erfolgreich aufrechterhalten können. Source Energy unterzog die neu entwickelten Module umfassenden Weltraumqualifikationstests und bestätigte, dass es die 25-Prozent-Qualifikationsschwelle für Weltraumanwendungen einhält: Nach sieben Jahren Betrieb im Weltraum können für die Module 76 Prozent ihrer ursprünglichen Leistungsabgabe erwartet werden.
