Weltraum-Photovoltaik Silizium-Solarzellen sollen Satellitenstrom günstiger machen

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Das Fraunhofer ISE und Source Energy haben Solarmodule für Satelliten auf Basis kostengünstiger Silizium-Solarzellen entwickelt. Eine Schindel-Matrix-Verschaltung und automatisierte Fertigung sollen die Module günstiger, robuster und schneller verfügbar machen.

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und das US-amerikanische Unternehmen Source Energy haben eine Produktreihe von Solarmodulen und Solarflügeln für Weltraumanwendungen entwickelt. Die Module basieren auf Silizium-Solarzellen und nutzen eine Schindel-Matrix-Verschaltung. In Kombination mit einer automatisierten Fertigung sollen sie deutlich kostengünstiger hergestellt werden können als Raumfahrtsolarmodule auf Basis der derzeit verbreiteten III-V-Technologie. Die Fertigung soll zudem eine Auslieferung innerhalb von sechs Monaten nach der Bestellung ermöglichen.

Silizium statt III-V-Solarzellen

Solarzellen aus III-V-Halbleitermaterialien gelten derzeit als Standard für die Stromversorgung von Satelliten. Ihre Herstellung ist jedoch teuer, und die Materialien sind nur begrenzt verfügbar. Das erschwert insbesondere kommerzielle Missionen in der erdnahen Umlaufbahn, kurz 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“, sagt Dr. Achim Kraft, Abteilungsleiter für PV-Modultechnologien am Fraunhofer ISE.

Die Prototypen sind 321 Millimeter lang, 209 Millimeter breit und wiegen 64 Gramm. Ihre Fläche beträgt 629 Quadratzentimeter. Die durchschnittliche Leistung lag bei 15,6 Watt, einzelne Module erreichten 16,1 Watt. Unter den Testbedingungen AM0 bei 25 Grad Celsius lag der durchschnittliche Wirkungsgrad bei 18,8 Prozent. Mit einer spezifischen Leistung von 252 Watt pro Kilogramm sind die Module nach Angaben des Forschungsteams mit anderen Siliziummodulen ihrer Klasse vergleichbar.

Solarzellen wie Mauersteine verschaltet

Bei der Schindel-Matrix-Technologie werden die Solarzellen in schmale Streifen geschnitten. Diese werden leicht überlappend und versetzt zueinander angeordnet, ähnlich wie die Steine in einem Mauerwerk. Ein elektrisch leitfähiger Klebstoff verbindet die einzelnen Zellstreifen.

Für dieses Verfahren entwickelte die M10 Solar Equipment GmbH einen industriellen Stringer. Die Anlage verbindet die Zellstreifen automatisiert zu Modulen. Nach einer Prototypenphase im Module-TEC des Fraunhofer ISE in Freiburg installierte Source Energy die Fertigungsanlage im Juni 2026 am eigenen Standort in Colorado.

„Als Herzstück der Produktion ermöglicht sie uns, PV-Module für unter 5 Dollar pro Watt herzustellen“, sagt Bryan Mazor, Chief Technology Officer von Source Energy. Der automatisierte Fertigungsprozess soll die Herstellung zudem beschleunigen. Nach Angaben des Unternehmens können die Module dadurch schneller gefertigt werden als vergleichbare Produkte auf III-V-Basis.

Robust gegenüber Schäden

Die Schindel-Matrix-Verschaltung soll nicht nur die Herstellung vereinfachen, sondern auch Vorteile im Weltraum bieten. „Drei Eigenschaften machen die Schindel-Matrix Verschaltung perfekt für den Weltraum: Die Resilienz gegenüber punktuellen Schäden durch Einschläge kleiner Objekte im Weltraum, die Flexibilität im Layout und die Toleranz gegenüber extremen Temperaturunterschieden“, erklärt Najwa Abdel Latif, Projektleiterin am Fraunhofer ISE.

Wird ein Modul beispielsweise durch einen kleinen Meteoriten oder Weltraummüll beschädigt, kann der Strom über die benachbarten Zellstreifen um den beschädigten Bereich herumfließen. Dadurch soll der Ausfall einzelner Bereiche die Leistung des gesamten Moduls weniger stark beeinträchtigen.

Flexibles Layout für verschiedene Zelltypen

Auch das elektrische Layout lässt sich anpassen. Reihen und Spalten der Solarzellen können je nach Spannungs- und Strombedarf des jeweiligen Satelliten angeordnet werden. Die Technologie ist außerdem mit waferbasierten Solarzellen mit Vorder- und Rückseitenkontakten kompatibel. Dazu zählen PERC-Zellen und Silizium-Heterojunction-Zellen.

„Die Schindel-Matrix-Technologie ist mit waferbasierten Solarzellen mit Vorder- und Rückseitenkontakt kompatibel, ohne dass die Produktionslinie angepasst werden muss“, sagt Abdel Latif. Nach Einschätzung der Projektleiterin eignet sich das Niedertemperatur-Verbindungsverfahren zudem für künftige Silizium-Perowskit-Tandemzellen.

Tests für den Einsatz im Weltraum

Für den Einsatz in Satelliten müssen Solarmodule große Temperaturunterschiede aushalten und ihre Leistung über viele Jahre hinweg möglichst stabil halten. Das Forschungsteam wählte deshalb Materialien aus, die ihre Eigenschaften auch unter diesen Bedingungen beibehalten sollen.

Source Energy unterzog die entwickelten Module umfassenden Weltraumqualifikationstests. Dabei bestätigten die Module nach Angaben des Unternehmens die Qualifikationsanforderungen für Weltraumanwendungen. Für einen siebenjährigen Betrieb im Weltraum wird eine Leistungsabgabe von 76 Prozent der ursprünglichen Leistung erwartet.

Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die geplante Produktreihe von Source Energy. Neben einer kostengünstigeren Herstellung soll die Schindel-Matrix-Technologie dabei helfen, Silizium-Photovoltaik für kommerzielle Satellitenmissionen und weitere Anwendungen im niedrigen Erdorbit verfügbar zu machen.