Der Clou liegt in einer neuen Antireflex-Schicht. Mit dieser steigerten die Forschenden die Effizienz der bisherigen Weltrekord-Solarzelle von 46,1 auf 47,6 Prozent. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Vierfachsolarzelle. Sie besteht also aus vier verschiedenen Materialschichten, die jeweils unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichtes optimal verwerten. Im Versuch war das Sonnenlicht zudem um den Faktor 665 konzentriert. In Freiburg findet am heutigen Montag der 2. Internationale TandemPV Workshop statt. Dabei geht es darum, die Effizienz von Solarzellen durch mehrere hintereinander liegende Schichten zu steigern.

Das Ziel: Solarzelle mit 50 Prozent Wirkungsgrad

Das Fraunhofer ISE arbeitet seit zwei Jahren an einem Projekt mit dem Titel „50Prozent“. Ziel ist es, die 50-Prozent-Marke beim Solarzellenwirkungsgrad zu knacken. Dafür optimieren die Forschenden an jeder einzelnen Schicht, an den Metallkontakten und an der Antireflexbeschichtung. Letztere besteht mittlerweile aus vier Lagen. Die ausgeklügelte Verfahren hat nun also um ein Drittel des Weges nach vorn befördert. Fördermittel gibt es dafür vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK.

Frank Dimroth, Abteilungsleiter für III-V Photovoltaik und Konzentrator-Technologie am Fraunhofer ISE zeigt sich begeistert. Erst vor einem Jahr hatte das Fraunhofer ISE ein eigenes Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen eröffnet. „Wir wollen mit unserer Arbeit einen Beitrag leisten, um die konzentrierende Photovoltaik noch effizienter und wettbewerbsfähiger zu machen, denn wir glauben, dass dies die nachhaltigste Form der erneuerbaren Stromerzeugung ist“

Die Schichtstruktur der neuen Weltrekord-Solarzelle wurden bereits 2016 gemeinsam mit der französischen Soitec AG entwickelt, einem Designer und Hersteller innovativer Halbleitermaterialien. Sie besteht im Grunde aus zwei Tandemsolarzellen. Die obere Tandemzelle kombiniert Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs). Sointec hat diese mit einer unteren Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP) und Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) verbunden.

Die Schichten nutzen Licht im Spektrum von 300-1780 Nanometern. Zum Vergleich: Herkömmliche Solarzellen aus Silizium absorbieren das Sonnenlicht bis zu einer Wellenlänge von 1200 Nanometern. Die Antireflexschicht für die Vierfachzelle muss also auf ein breiteres Spektrum ausgelegt sein. Dies gelang mit einer Beschichtung in ebenfalls vier Lagen. Außerdem hat das Fraunhofer-Team die Kontaktschichten zwischen den einzelnen Solarzellen verbessert.

Konzentrierende Photovoltaik hat noch Potenzial im Sonnengürtel

Mehrfachsolarzellen aus III-V-Verbindungshalbleitern gehören seit jeher zu den effizientesten Solarzellen der Welt. Sie entfalten ihr höchstes Potenzial, wenn das Sonnenlicht zusätzlich durch Linsen auf wenige Quadratmillimeter kleine Bauelemente gebündelt wird. „Zu den Anwendungsmöglichkeiten solcher höchsteffizienten Tandemsolarzellen gehören Konzentrator-Photovoltaik-Systeme, die in sonnenreichen Ländern zur effizienten Energieerzeugung beitragen,“ sagt Prof. Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik Forschung am Fraunhofer ISE. Nur bei einem hohen Anteil an solarer Direktstrahlung – also weitgehend wolkenlosem Himmel – lässt sich Sonnenlicht gut konzentrieren.

„Mit der Tandemphotovoltaik ist es möglich, die Grenzen von Einfachsolarzellen hinter sich zu lassen und damit letztendlich eine Senkung der Solarstromkosten zu erreichen“, erklärt Glunz weiter. Diese Rechnung geht immer dann auf, wenn die Kosten für das Konzentratorsystem niedriger sind als die Kosten für die Solarzelle. Da die Kosten für Siliziumsolarzellen massiv gesunken sind, müssten die Konzentratorzellen also sowohl sehr hohe Wirkungsgrade als auch eine sehr preiswerte Optik haben, um besser abzuschneiden.

Je nach den kombinierten Zelltechnologien variieren die Wirkungsgrade von Tandemsolarzellen stark. Das Duo Perowskit – Organische Schicht kommt zum Beispiel auf 24 Prozent bei geringem Ressourceneinsatz. Die Kombination von Perowskit und Silizium erreichte Ende 2021 immerhin 29,8 Prozent. Und mit einer Dreifach-Zelle hat das Fraunhofer ISE im April vorigen Jahres einen Wirkungsgrad von 35,9 Prozent erreicht.

30.5.2022 | Quelle: Fraunhofer ISE | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH