Aktuell / 13.01.2015

Vierfach-Solarzelle erreicht Rekord-Wirkungsgrad

Prüfung der neuen Weltrekordsolarzelle. Auf dem 100 mm Wafer sitzen ungefähr 500 Konzentratorzellen. Diese werden vereinzelt, mit der Konzentratoroptik verbunden und in CPV-Module eingebaut. © Fraunhofer ISE/Foto Alexander Wekkeli
Funktionsprinzip von Mehrfachsolarzellen: die jeweils auf einen Bereich des Sonnenspektrums spezialisierten Teilzellen einer Dreifachsolarzelle ergänzen sich. Dadurch nutzen Mehrfachzellen einen deutlich größeren Anteil des Sonnenspektrums als Silizium-Zellen. © Fraunhofer ISE

Forscher konnten den Wirkungsgrad von Mehrfachsolarzellen weiter steigern: Eine neue Vierfach-Solarzelle wandelt 46 Prozent des 508-fach konzentrierten einfallenden Sonnenlichts in elektrischen Strom um. Eingebaut in Konzentratormodule lässt sich mit diesen Zellen in sonnenintensiven Regionen Strom noch wirtschaftlicher erzeugen.

Innerhalb eines Jahres haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, vom Halbleiter- und CPV-Spezialisten Soitec und der französischen Technologieforschungseinrichtung CEA Leti ihren eigenen Rekord gebrochen. Sie verbesserten den Wirkungsgrad einer Vierfachzelle von 44,7 auf 46 Prozent. Jocelyne Wasselin, Vice President Solar Cell Product Development bei Soitec, betont: „Wir sind sehr stolz auf diesen neuen Weltrekord. Er bestätigt uns in der Wahl der Technologie für die Entwicklung dieser Vierfachsolarzelle und ist gleichzeitig ein klarer Indikator dafür, dass wir in naher Zukunft die 50 Prozentmarke erreichen können“.

Mehrfachzellen: aufwendig und leistungsstark

Die Herstellung von Mehrfach-Solarzellen ist teuer und aufwendig, doch dank Konzentrator ist nur sehr geringe Halbleitermeng erforderlich.

Für die Vierfach-Zellen werden unterschiedliche Halbleitermaterialien der Gruppen III und V des Periodensystems kombiniert. Eingesetzt werden zum Beispiel Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) und Germanium (Ge). Jeder der vier gestapelten Halbleiter setzt sich aus mehreren funktionalen Einzelschichten zusammen. Und jeder nutzt einen anderen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts, um Strom zu erzeugen (vgl. Grafik). Um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen werden die vier übereinander liegenden Teilzellen so aufeinander abgestimmt, dass in jeder jeweils genau dieselbe Stromstärke erzeugt wird – somit gibt es kein schwächstes Glied, das den Ertrag begrenzen könnte. Jede Teilzelle wandelt ein Viertel der Photonen im Wellenlängenbereich zwischen 200 und 1750 nm in elektrische Energie um. Für diese gleichmäßige Verteilung der Lichtenergie auf die vier Teilzellen mussten die Forscher die Materialzusammensetzung und Dicke jeder einzelnen Halbleiterschicht in der Solarzelle in einem aufwendigen Verfahren genau anpassen.

Von der Zelle zum Modul – Die konzentrierte Energie von fünfhundert Sonnen

Mehrfachsolarzellen werden für die terrestrische Nutzung sie mit Konzentratorsystemen zu Modulen kombiniert. Bei dieser sogenannten konzentrierenden Photovoltaik (CPV) lenkt die Optik auf jede stecknadelkopfgroße Solarzelle einen hundert- bis tausendfach konzentrierten Lichtstrahl. Ein Tracker führt das Modul exakt der Sonne nach. Der neue Rekordwert wurde bei einer Konzentration von 508 Sonnen, d. h. der 508-fachen Bündelung des einfallenden Lichts, gemessen. Dementsprechend ist auch die Fläche der hochwertigen Solarzellen um den Faktor 500 bis 800 kleiner als bei der Standard-Photovoltaik.
Konzentratormodule können in Regionen mit einem hohen Anteil direkter Sonnenstrahlung wie etwa Südeuropa kostengünstig regenerativen Strom erzeugen. „Die Konzentrator-Photovoltaik ist heute die effizienteste Solartechnologie und eignet sich für alle Länder mit hoher direkter Solarstrahlung“, erklärt Dr. Frank Dimroth, Projektleiter für die Zellentwicklung am Fraunhofer ISE.

Australier schaffen über 40 Prozent Wirkungsgrad

Mit einem anderen Zellaufbau erreichten Forscher der australischen Universität von New South Wales bei Feldtests einen Wirkungsgrad von über 40 Prozent: Sie kombinierten auf einem Germaniumsubstrat moderne Dreifachsolarzellen mit günstig herstellbaren Siliziumsolarzellen. Licht, das von den Dreifachzellen nicht genutzt wird, spalten sie in verschiedene Spektralbereiche und leiten es auf die Siliziumzelle. Die australischen Forscher wollen die neuen Rekordzellen in einem Turmkraftwerk einsetzen. Bei diesem vom Solarkraftwerkhersteller RayGen Resources entwickelten Konzept lenkt eine Vielzahl von Heliostaten (Spiegel die der Sonne nachgeführt werden) die Strahlung konzentriert auf die Solarzellen im Turm.

Der Wirkungsgrad der Photovoltaik steigt weiter. Während vor einem Jahr der BINE-Informationsdienst im Projektinfo 02/2014 über die CPV-Technologie noch einen Spitzen- Wirkungsgrad von über 44 Prozent vorstellte, werden inzwischen bereits 46 Prozent erreicht.

Verknüpfte Projekte

  • Mehrfach-Solarzellen erreichen unter konzentriertem Sonnenlicht eine enorm hohe Leistung, allerdings ist ihre Herstellung aufwendig. Wie in einem Brennglas fokussieren diese einen hundert- bis tausendfach konzentrierten Lichtstrahl auf die stecknadelkopfgroßen Solarzellen. Eine in einem Forschungsprojekt nun entwickelte Solarzelle erreicht einen Wirkungsgrad von über 44 Prozent. ... mehr

Weitere Informationen

Zellentwicklung
Fraunhofer ISE

Entwicklung und CPV
Soitec Solar

Entwicklung und Technologie
CEA / Leti

Kontakt:
Dr. Frank Dimroth, Projektleiter für die Zellentwicklung
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
infoatise.fraunhofer.de
Telefon +49 761 4588-0


Raygen Resources
Australian Renewable Energy Agency
Innovationsallianz Photovoltaik
CPV Consortium

Service

Energie von tausend Sonnen
BINE-Projektinfo 02/2014, PDF, 4 Seiten, 1,3 MB

Photovoltaik-Innovationen
BINE-Themeninfo II/2011, PDF, 20 Seiten, 1,5 MB

Forschungsprojekte

Fkz.: 0325125 Wirtschaftliche Fertigungsfähigkeit für III-V Konzentratorsolarzellen (WiFerKon)
Weblink zum Download des Schlussberichts

Fkz.: 0327567 Produktionstechnologien für die optisch konzentrierende Photovoltaik : ProKonPV

Fkz.: 0327662 Begleitforschung zur industriellen Umsetzung der FLATCON(R)-Technologie in großen Konzentrator-Photovoltaik-Kraftwerken

Fkz. 0325379A-E: Verbundprojekt: Entwicklung innovativer und kostengünstiger Technologien für höchsteffiziente Solarzellenbaugruppen... (InKoTek)