Sonnenenergie steht unbegrenzt zur Verfügung, doch die Erzeugung von Solarstrom wird durch die noch sehr geringen Wirkungsgrade der Photovoltaik gebremst. Jetzt haben Forscher eine Konzentrator-Solarzelle entwickelt, die eine größere Bandbreite des Lichts ausnutzt und so Rekordwirkungsgrade von mehr als 40 Prozent erreicht.
Klimawandel und versiegende fossile Ressourcen bestimmen den Energiemix der Zukunft. Die Solarenergie wird dabei eine wesentliche Rolle spielen. Andreas Bett und Frank Dimroth vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg entwickelten eine metamorphe Dreifachsolarzelle bestehend aus den III-V-Verbindungshalbleitern Galliumindiumphosphid, Galliumindiumarsenid und Germanium. Der spezielle Aufbau ermöglicht es, fast das gesamte Spektrum des Sonnenlichts optimal zur Energieerzeugung zu nutzen. Die Forscher konnten damit mehr Sonnenlicht in Strom umwandeln als je zuvor, bei einem Rekordwirkungsgrad von 41,1 Prozent. Für ihre Arbeiten erhalten sie den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2010.
20 Schichten übereinander
Der hohe Wirkungsgrad wird möglich, indem mehrere Solarzellen mit einer sehr guten Qualität übereinander gestapelt werden. „Unsere Dreifach-Solarzelle besteht aus mehr als 20 einzelnen Schichten, die wir alle optimiert haben“, erklärt Dimroth. „Wir haben sowohl die Struktur der Halbleiterschicht als auch die Materialqualität, die Metallkontakte, sowie die Antireflexschichten verbessert, um zu diesem Ergebnis zu kommen“. Ursprünglich wurden Mehrfach-Solarzellen für den Weltraum entwickelt, die meisten Satelliten im All sind mit ihnen bestückt. Sie liefern den Strom für den Betrieb. Da das Herstellungsverfahren vergleichsweise teuer ist, kamen diese Zellen auf der Erde bisher nicht zum Einsatz.
Linsen-Verstärker erlaubt Verkleinerung der Zellen
Die Kombination der hocheffizienten Zellen mit einem Linsen-Verstärker sorgt nun dafür, dass im Vergleich zu herkömmlichen Solarmodulen nur noch etwa ein Fünfhundertstel der Halbleiterfläche benötigt wird. Über dieser kleinen Solarzelle liegt in einem Abstand von etwa zehn Zentimetern eine Fresnellinse. Dieser Aufbau konzentriert das Sonnenlicht um den Faktor 400 bis 500. Damit die Zellen nicht überhitzen, sind sie auf einen Kupferträger aufgebracht, der die Wärme ausreichend gut verteilt. So reicht es, die Solarzelle nur passiv zu kühlen. Die Zellen in den eigens entwickelten Konzentratormodulen sind nur drei Quadratmillimeter groß.
„Dank dieses Aufbaus konnten wir Module mit Wirkungsgraden von über 29 Prozent herstellen“, so Bett. Unter dem Namen FLATCON® sind diese Module seit 2007 auf dem Markt und beispielsweise in einem spanischen Solarpark im Einsatz. Bei der Entwicklung der metamorphen Mehrfachsolarzellen arbeitet das Team seit Jahren eng mit der Firma AZUR Space Solar Power in Heilbronn zusammen. Dieser Partner will die hocheffizienten Solarzellen 2011 auf den Markt bringen.
(Fraunhofer Gesellschaft, 26.05.2010 – NPO)
