Neuer Europarekord bei Solarzellen - Fraunhofer-Forscher erreichen 39,7 Prozent Wirkungsgrad bei Mehrfachsolarzellen - scinexx.de
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Neuer Europarekord bei Solarzellen

Fraunhofer-Forscher erreichen 39,7 Prozent Wirkungsgrad bei Mehrfachsolarzellen

Bild der typischen Metall-Fingerstruktur auf der Vorderseite einer GaInP/GaInAs/Ge Konzentratorsolarzelle mit einem Durchmesser von zwei Millimetern. © Fraunhofer ISE

39,7 Prozent – mit diesem Wirkungsgrad für eine Mehrfachsolarzelle haben Fraunhofer-Forscher ihren erst kürzlich erreichten europäischen Rekord von 37,6 Prozent noch einmal gesteigert. Die Produkte aus Halbleitern werden in der Photovoltaik-Konzentratortechnologie für Solarstromkraftwerke eingesetzt.

„Wir haben die Kontaktstrukturen unserer Solarzellen noch einmal optimiert“, erklärt Frank Dimroth vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. „Dadurch erreichen wir mit den gleichen Halbleiterstrukturen nun eine noch höhere Umwandlungseffizienz von Sonnenlicht in elektrischen Strom.“

Netzwerk aus dünnen Metalladern

Für die Anwendung in Photovoltaik-Konzentratorsystemen müssen die Mehrfachzellen bei 300 bis 600 Sonnen, das heißt bei 300 bis 600-facher Konzentration des Sonnenlichts ihre optimale Leistung erbringen. Hierfür haben die ISE-Wissenschaftler ihre Zellen weiter optimiert. Wurden bislang maximale Effizienzen bei 1.700-facher Konzentration erzielt, so sind es jetzt bei den neuen Zellen nur noch knapp 300 Sonnen. Der wesentliche Unterschied liegt in der Metallisierung der Vorderseiten.

Hier leitet ein Netzwerk aus dünnen Metalladern den Strom von der Mitte der Solarzelle bis hin zum Rand, wo er dann von einem 50 Mikrometer (µm) dicken Golddraht abgegriffen wird. Gerade unter konzentriertem Sonnenlicht ist die Struktur dieses Metall-Netzwerks entscheidend. Zum Einen müssen die Metalladern groß genug sein, um die hohen Ströme unter konzentriertem Licht mit geringem Widerstand zu transportieren. Zum Anderen müssen sie möglichst klein sein, da das Sonnenlicht das Metall nicht durchdringen kann. Damit ist die metallisierte Fläche für die Umwandlung in der Solarzelle verloren.

Bild eines Solarzellenwafers mit verschiedenen Konzentrator-Solarzellenstrukturen. © Fraunhofer ISE

Berechnung der optimalen Kontaktstruktur

Am Fraunhofer ISE wurde seit zwei Jahren an einem neuen Programm zur theoretischen Berechnung der optimalen Kontaktstruktur gearbeitet. Auf der Basis dieser Arbeiten, die durch das EU Projekt Fullspectrum (SES6-CT-2003-502620) gefördert wurden, entstanden die jüngsten Rekord-Solarzellen, die sich speziell für den Einsatz unter inhomogener Beleuchtung – wie sie bei der Konzentration des Sonnenlichts vorliegt – eignen.

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„Wir sind sehr froh, dass wir in so kurzer Zeit einen weiteren entscheidenden Schritt voran gekommen sind“, so Andreas Bett, Abteilungsleiter am Fraunhofer ISE. „Höchste Umwandlungseffizienzen helfen die junge Technologie der konzentrierenden Photovoltaik wettbewerbsfähig zu machen und in Zukunft die Kosten für Strom aus Sonnenlicht weiter zu senken“.

Mehrfachsolarzellen mit höchsten Wirkungsgraden

Die Forscher am Fraunhofer ISE entwickeln seit mehr als zehn Jahren Mehrfachsolarzellen mit höchsten Wirkungsgraden. Ein Fokus liegt dabei auf sogenannten metamorphen (gitterfehl-angepassten) Dreifachsolarzellen aus Ga0.35In0.65P, Ga0.83In0.17As und Ge, die ein besonders hohes theoretisches Wirkungsgradpotenzial haben.

Die Solarzellenstrukturen bestehen aus mehr als 30 Einzelschichten, welche mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) auf einem Germanium-Substrat abgeschieden werden. Solche Mehrfachsolarzellen aus III-V Halbleitern erreichen heute weltweit mit Abstand die höchsten Umwandlungseffizienzen, werden aber aufgrund der hohen Material- und Herstellungskosten nur in konzentrierenden PV-Systemen und im Weltraum eingesetzt.

(idw – Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, 24.09.2008 – DLO)

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