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Neuer Rekord für Mehrfach-Solarzelle

Doppelte Tandemsolarzelle erreicht 47,6 Prozent Wirkungsgrad in konzentriertem Sonnenlicht

Vierfach-Solarzelle
Dieses kleine Solarmodul besteht aus zwei übereinanderliegenden Tandem-Solarzellen und erreicht einen neuen Wirkungsgrad-Rekord. © Fraunhofer ISE

Mehr Strom aus Licht: Ein deutsches Forschungsteam hat den Wirkungsgrad einer Mehrfachsolarzelle erstmals auf 47,6 Prozent gesteigert – allerdings wird dieser Rekordwert nur bei hochkonzentriertem Sonnenlicht im Labor erreicht. Dennoch ist das aus zwei übereinander geschichteten Tandemsolarzellen bestehende Modul damit die effizienteste Solarzelle weltweit. Einsatzgebiete solcher Mehrfach-Solarzellen sehen die Wissenschaftler unter anderem in Konzentrator-Photovoltaik-Systemen.

Ob klassische Silizium-Solarzelle, organisches Dünnschicht-Modul oder Tandem-Solarzelle: Wenn es um die Leistung eines Photovoltaikmoduls geht, ist der Wirkungsgrad entscheidend. Er gibt an, wie effizient das Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt wird und bestimmt damit die Stromausbeute, die Kosten und auch die Nachhaltigkeit solarer Energieerzeugung. Unter normalen Bedingungen liegt der Wirkungsgrad gängiger Photovoltaikzellen bei unter 30 Prozent – ein Großteil der Sonnenenergie wird demnach nicht genutzt.

Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad der Vierfachsolarzelle steigt mit der Konzentration des Sonnenlichts an und erreicht einen maximalen Wert von 47,6 Prozent.© Fraunhofer ISE

Im Stapel effizienter

Abhilfe schaffen sollen Tandem-Solarzellen: In ihnen werden mehrere Solarzellen aus unterschiedlichen Halbleiter-Materialien übereinander geschichtet. Weil diese Materialien jeweils leicht unterschiedliche Spektralbereiche des Lichts absorbieren und in Strom umwandeln können, ist der Wirkungsgrad solcher Mehrfach-Solarzellen höher. Schon seit zwei Jahren arbeiten Forschende am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE daran, dabei die Marke von 50 Prozent Wirkungsgrad zu knacken.

Im Rahmen des Projekts „50Prozent“ suchen sie dafür nach Möglichkeiten, jede einzelne Schicht der komplexen Mehrfachsolarzellen weiter zu optimieren. Auch an den Metallkontakten und der Antireflexions-Beschichtung der Oberflächen werden Verbesserungen erforscht und getestet. Zudem entwickeln die Wissenschaftler auch die Messtechnik weiter, um die Zellen nach international anerkannten Kalibrierstandards vermessen zu können.

47,6 Prozent Wirkungsgrad

Jetzt ist dem Projektteam ein erster Durchbruch gelungen: Ihre neueste Solarzelle erzielt einen Wirkungsgrad von 47,6 Prozent unter konzentriertem Sonnenlicht. Damit übertrifft ihr Photovoltaik-Modul die Effizienz der bisher besten Vierfachsolarzelle um 1,5 Prozent – neuer Weltrekord. „Wir sind begeistert von diesem Ergebnis“, sagt Frank Dimroth vom Fraunhofer ISE.

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Die neue Rekordzelle besteht aus zwei aufeinanderliegenden Tandemsolarzellen. Die obere ist aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) aufgebaut, die untere aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP) und Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs). Diese Kombination ermöglicht es dem Solarzellenstapel, Licht in einem breiten Spektralbereich von 300 bis 1.780 Nanometern zu absorbieren – herkömmliche Silizium-Solarzellen reichen nur bis etwa 1.200 Nanometer und damit nicht so weit in den infraroten Bereich hinein.

Diese Stapel-Solarzelle haben die Forschenden nun zusätzlich durch verbesserte Kontaktschichten und eine vierlagige Antireflexionsschicht optimiert. Als Folge sinken Widerstandsverluste ebenso wie die Reflexion an der Vorderseite der Zelle.

Geeignet für Konzentrator-Photovoltaik in sonnenreichen Regionen

Nach Ansicht der Wissenschaftler demonstriert die nun erreichte Steigerung des Wirkungsgrads, dass durch Mehrfachsolarzellen noch einiges an Effizienz herausgeholt werden kann. „Mit der Tandemphotovoltaik ist es möglich, die Grenzen von Einfachsolarzellen hinter sich zu lassen und damit letztendlich eine Senkung der Solarstromkosten zu erreichen“, sagt Stefan Glunz vom Fraunhofer ISE. Er und sein Team haben ihre Ergebnisse jetzt auf dem 2. Internationalen TandemPV-Workshop in Freiburg vorgestellt..

„Zu den Anwendungsmöglichkeiten solcher höchsteffizienten Tandemsolarzellen gehören Konzentrator-Photovoltaik-Systeme, die in sonnenreichen Ländern zur effizienten Energieerzeugung beitragen“, erklärt Glunz. Bei diesen Systemen wird das Sonnenlicht zusätzlich durch Linsen stark gebündelt und damit konzentriert.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

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