Durch die Konzentration des Lichts sind höhere Wirkungsgrade möglich. Neue Solarzellen und Solarmodule, die deutlich höheren Wirkungsgraden als bisherige Techniken erzielen, stammen aus dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme.
Höhere Wirkungsgrade und niedrigere Kosten versprechen die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) aus Freiburg. Der Kniff: Sie bündeln das Sonnenlicht und konzentrieren seine Wirkung auf kleiner Fläche.
37,6% – europäischer Rekord beim Wirkungsgrad für Solarzellen
Mit einem Wirkungsgrad von 37,6% wandelten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Das ist ein neuer Europarekord. Das Ergebnis wurde mit so genannten Mehrfachsolarzellen aus III-V Halbleitern erreicht.
III-V-Verbindungshalbleiter sind eine Verbindung von Materialien der Hauptgruppe III (Erdmetalle/Bor) und der Hauptgruppe V (Stickstoff-Phosphor) des Periodensystems. Diese haben die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern. Diese Halbleiter werden bisher hauptsächlich im Weltraum eingesetzt. Derzeit laufende Entwicklungen der Fraunhofer Forscher zielen auf den kostengünstigen Einsatz von Solarzellen auf dieser Basis auch auf der Erde.
Viel Material lässt sich sparen, wenn das Sonnenlicht für die Solarzelle konzentriert wird. Bei den Prototypen wird das Sonnenlicht bis zu 2000-fach auf eine nur wenige Quadratmillimeter große Mehrfachsolarzelle gebündelt. Diese Konzentrator-Technologie verspricht schon in naher Zukunft die Kosten der Stromerzeugung aus Sonnenlicht deutlich zu senken.
Bei den Mehrfachsolarzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) und Germanium (Ge) wird das Spektrum des Sonnenlichts in drei Wellenlängenbereiche aufgeteilt. Dadurch kann es dann besonders effizient in elektrische Energie umgewandelt werden. Den als Rekord gemessenen Wirkungsgrad von 37,6% erzielten die Fraunhofer Forscher bei sehr hohen Einstrahlungsintensitäten mit 1700-facher Konzentration des Sonnenlichts.
„Am Fraunhofer ISE arbeiten wir seit mehr als zehn Jahren intensiv an der Entwicklung von Mehrfachsolarzellen für die Anwendung in Konzentratorsystemen, weil diese Technologie die mit Abstand höchsten Effizienzen für die solare Energieumwandlung verspricht“ sagt Dr. Frank Dimroth, Leiter der Arbeitsgruppe ‚III-V – Epitaxie und Solarzellen‘ am Fraunhofer ISE. Spürbare Fortschritte in der Entwicklung der Materialien haben zu dem jetzt erreichten Rekordwirkungsgrad geführt. Wichtigstes Ziel dabei war die Zuverlässigkeit der Solarzellen bei höchsten Intensitäten. „Insbesondere die Qualität der nur 30 Nanometer dünnen Tunneldioden, mit denen die drei Teilzellen verbunden werden, sind von entscheidender Bedeutung“, so Frank Dimroth.
Mehrfachsolarzellen sind komplexe Strukturen aus etwa 30 Schichten aus III-V Verbindungshalbleitern. Die müssen aus Kristallen sehr hoher Qualität produziert werden. Bei der Herstellung der Solarzellenstrukturen setzen die Forscher am Fraunhofer ISE eine Produktionsanlage zur Metallorganischen Gasphasenepitaxie ein. „Erstmalig konnten wir zeigen, dass mit Produktionsanlagen von Aixtron Mehrfachsolarzellen mit solch hohen Effizienzen und hoher Ausbeute hergestellt werden können“, freut sich Frank Dimroth. „Da wir unsere Forschung auf Produktionsanlagen betreiben, können wir neue Ergebnisse innerhalb weniger Monate mit unserem Kooperationspartner AZUR SPACE in Heilbronn in den Markt bringen.“
Verbesserte Module durch Konzentration des Sonnenlichts
Bei dem Einsatz solcher Mehrfachsolarzellen in der Konzentrator-Photovoltaik wurden für Solarmodule Wirkungsgrade der Spitzenklasse erreicht. So konnten die Forscher erstmals am Standort Freiburg unter realen Bedingungen einen Modulwirkungsgrad von 28,5 % messen.
Der Wirkungsgrad der Solarzellen und der Module ist für die Konzentrator-Photovoltaik der Schlüssel zum Erfolg. „Die hohen Zellwirkungsgrade für Solarzellen aus eigener Produktion haben uns beim Erzielen dieses hohen Modulwirkungsgrads sehr geholfen“, sagt Dr. Andreas Bett, Abteilungsleiter ‚Materialien – Solarzellen und Technologie‘ am Fraunhofer ISE. „Aber auch die Arbeit an der nächsten Modulgeneration war ausschlaggebend.“ Die Wissenschaftler am Fraunhofer ISE haben in der neuesten Modulgeneration auf der Zelle einen weiteren optischen Konzentrator eingesetzt. Andreas Bett ist überzeugt, „dass das Potenzial der Konzentrator-Photovoltaik noch lange nicht ausgeschöpft ist. Wir erwarten, dass in den kommenden Jahren noch Zellwirkungsgrade bis zu 45 % und Modulwirkungsgrade bis 35 % erreichbar sind.“
„Ich halte diese Technologie neben der bewährten Silicium-Technologie für besonders erfolgversprechend für Länder mit starker Sonneneinstrahlung“, so Institutsleiter Prof. Eicke Weber. Schon heute erzeugen Konzentratorsysteme der Photovoltaik in südlichen Ländern doppelt so viel Strom pro Fläche wie konventionelle Photovoltaik-Technologien. Um wettbewerbsfähig zu sein, müssen die Kosten aber noch weiter sinken.