Deutsche Forscher haben für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom erstmals einen Wirkungsgrad von 41,1 Prozent erzielt. Das ist ein neuer Weltrekord. Die Wissenschaftler konzentrierten dazu das Sonnenlicht 454-fach auf eine fünf Quadratmillimeter kleine, so genannte Mehrfachsolarzelle aus speziellen Halbleitern.
Am Fraunhofer-Institut für Solar Energiesysteme ISE werden seit 1999 so genannte metamorphe Mehrfachsolarzellen, eine spezielle Art der Solarzellen aus III-V-Halbleiterkombinationen, entwickelt. Es handelt sich dabei um Zellen aus Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As auf Galliumarsenid oder Germanium-Substraten. Diese Materialien sind besonders optimal für die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom geeignet.
Allerdings lassen sie sich nur mit Hilfe eines Tricks – des metamorphen Wachstums – miteinander kombinieren. Der Grund ist, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Mehrfachsolarzellen ihre Struktur so beschaffen ist, dass die Halbleiter nicht denselben Abstand der Atome im Kristall, die so genannte Gitterkonstante, besitzen. Dies erschwert das Wachstum von III-V Halbleiterschichten mit hoher Kristallqualität, da sich an den Übergängen von Materialien mit unterschiedlicher Gitterkonstante Spannung bildet, die zur Ausbildung von Versetzungen und anderen Kristalldefekten führt.
Weniger Defekte im aktiven Bereich der Zellen
Den Forschern am Fraunhofer ISE ist es jetzt gelungen, dieses Hindernis zu überwinden. Sie konnten die Defekte in einem Bereich der Solarzelle lokalisieren, der nicht elektrisch aktiv ist. So bleiben die aktiven Bereiche der Solarzelle weitgehend defektfrei – eine Voraussetzung für das Erreichen höchster Wirkungsgrade. Prof. Eicke R. Weber, Leiter des Fraunhofer ISE, meint dazu: „Dies ist ein besonders gutes Beispiel dafür, wie die Kontrolle von Kristalldefekten in Halbleitern zu einem Durchbruch in der Technologie führt.“
Dieses metamorphe Kristallwachstum erlaubt es den Forschern nun, einen weitaus größeren Bereich an III-V Halbleiterverbindungen für das Wachstum ihrer Mehrfachsolarzellen zu nutzen. Bei diesen höchsteffizienten Strukturen ist es entscheidend, das Sonnenspektrum durch eine geeignete Wahl der das Sonnenlicht absorbierenden Materialien in drei gleich große Spektralbereiche aufzuteilen. So generieren alle Teilzellen den gleichen Strom. Dies ist ein wichtiges Argument für eine seriell verschaltete Solarzelle, in der der Strom des Bauelements letztlich immer durch den kleinsten Strom einer Teilzelle limitiert wird.
Perfekte Anpassung an Sonnenspektrum
Durch die Wahl der speziellen Materialien konnte erstmals eine Solarzellenstruktur gewählt werden, welche unter dem terrestrischen Sonnenspektrum exakt stromangepasst ist. Dies macht die Struktur für die solare Energieumwandlung so effizient – ein wichtiger Grund für das Erreichen der hohen Wirkungsgrade. Bei 454-facher Sonnenlichtkonzentration erreichten die Freiburger Forscher den Weltrekord von 41,1 Prozent Wirkungsgrad. Selbst bei noch höherer, 880-facher Sonnenkonzentration konnten sie immer noch eine Effizienz von 40,4 Prozent messen.
Die hocheffizienten Mehrfachsolarzellen finden ihren Einsatz in photovoltaischen Konzentratorsystemen für Solarkraftwerke in Ländern mit viel direktem Sonnenlicht. Das Fraunhofer ISE arbeitet zusammen mit den Firmen Azur Space in Heilbronn sowie Concentrix Solar GmbH in Freiburg, um die neue Technik so schnell wie möglich konkurrenzfähig zu machen. „Die hohen
Wirkungsgrade unserer Solarzellen sind der effektivste Weg, die Stromgestehungskosten für konzentrierende Photovoltaiksysteme zu senken“ so Andreas Bett, Abteilungsleiter am Fraunhofer ISE „Wir wollen erreichen, dass die Photovoltaik so schnell wie möglich mit herkömmlichen Verfahren der Stromerzeugung konkurrieren kann – hier sind wir mit unseren neuen Ergebnissen einen guten Schritt voran gekommen!“
(Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, 16.01.2009 – NPO)
