Artikel vom 07.07.2008, Druckdatum 24.10.2020

Europäischer Rekord-Wirkungsgrad für Solarzellen am Fraunhofer ISE

Mit 37,6 Prozent Wirkungsgrad wandelten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Die Freiburger Wissenschaftler schufen damit einen neuen Europarekord. Das Ergebnis wurde auf der Basis so genannter Mehrfach Solarzellen aus III-V Halbleitern erzielt. Dabei wird Sonnenlicht bis zu 2.000-fach auf eine nur wenige Quadratmillimeter große Mehrfach-Solarzelle gebündelt. Die Konzentrator Fotovoltaik verspreche schon in naher Zukunft die Kosten der Stromerzeugung aus Sonnenlicht deutlich zu senken, insbesondere in Ländern mit viel direkter Sonneneinstrahlung, heißt es in einer Pressemitteilung.

Mehrfach Solarzellen aus III-V Halbleitern sind Solarzellen die bislang hauptsächlich im Weltraum eingesetzt werden. Derzeit laufende Entwicklungen erlauben nun auch den kosteneffizienten Einsatz derartiger Solarzellen auf der Erde.

Bei Mehrfachsolarzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) und Germanium (Ge) wird das Sonnenspektrum in drei Wellenlängenbereiche aufgeteilt, um es dann besonders effizient in elektrische Energie umwandeln zu können. Den jetzt erreichten Wirkungsgrad von 37,6 Prozent erzielten die Fraunhofer Forscher/innen bei sehr hohen Einstrahlungsintensitäten von 1.700-facher Sonnenkonzentration. 

„Am Fraunhofer ISE arbeiten wir seit mehr als zehn Jahren intensiv an der Entwicklung von Mehrfach Solarzellen für die Anwendung in Konzentrator-Systemen, 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.

Entscheidende Fortschritte in der Materialentwicklung hätten zu dem jetzt erreichten Rekordwirkungsgrad geführt. Wichtigstes Ziel dabei war, dass die Solarzellen auch bei höchsten Intensitäten zuverlässig arbeiten. „Insbesondere die Qualität der nur 30 nm dünnen Tunneldioden, mit denen die drei Teilzellen verbunden werden, sind von entscheidender Bedeutung“, so Dimroth. Unterstützt wurden die Arbeiten durch das EU-Forschungsprojekt „Fullspectrum“. 

Mehrfachsolarzellen bestehen aus komplexen Strukturen mit etwa 30 Einzelschichten aus III V Verbindungshalbleitern, die alle eine sehr hohe Kristallqualität besitzen müssen, erläutert das Fraunhofer ISE in seiner Pressemitteilung. Zur Herstellung der Solarzellenstrukturen setzen die Forscherinnen und Forscher eine große Produktionsanlage zur Metallorganischen Gasphasenepitaxie der Firma Aixtron in Aachen ein. „Erstmalig konnten wir zeigen, dass mit Produktionsanlagen von Aixtron Mehrfach Solarzellen 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.“ 

Der Wirkungsgrad der Solarzellen und der Module ist bei der Konzentrator Fotovoltaik der wesentliche Schlüssel zum Erfolg, so das Forschungsinstitut. „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.“ 

„Ich halte diese Technologie neben der bewährten Silizium-Technologie für besonders erfolgversprechend für Länder mit starker Sonneneinstrahlung“, so Institutsleiter Prof. Eicke Weber. Schon heute erzeugten Fotovoltaik Konzentratorsysteme in südlichen Ländern wie Spanien doppelt so viel Strom pro Fläche wie konventionelle Fotovoltaik Technologien auf der Basis von Silizium. Um wettbewerbsfähig zu sein, müssten die Kosten aber noch weiter sinken. Dies könne unter anderem durch höhere Effizienzen erzielt werden, so das Fraunhofer ISE.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
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