Weltrekord in Freiburg 25.08.2020, 10:48 Uhr

Fraunhofer steigert Wirkungsgrad von Tandemsolarzelle

Am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ist es gelungen den Wirkungsgrad einer Tandemsolarzelle auf einen weltweit neuen Bestwert zu heben: Die auf einem kostengünstigen Siliziumsubstrat basierende Zelle erzielt einen Wirkungsgrad von 25,9 %.

Mehrere III-V Tandemsolarzellen auf einem Silicium Substrat mit 10 cm Durchmesser. Foto: Fraunhofer ISE/Markus Feifel

Mehrere III-V Tandemsolarzellen auf einem Silicium Substrat mit 10 cm Durchmesser.

Foto: Fraunhofer ISE/Markus Feifel

Die Solarwirtschaft boomt. Nach Zahlen des Bundesverbandes Solarwirtschaft nutzen in Deutschland derzeit rund 2,5 Millionen Haushalte Solarthermie-Anlagen für die Erzeugung von Raumwärme oder zur Brauchwasser-Erwärmung. Durch das zu Jahresbeginn gestartete Marktanreizprogramm der Bundesregierung könnten es bald noch deutlich mehr werden: Die Zahl der Förderanträge für Solarthermie-Anlagen ist im ersten Halbjahr 2020 massiv angestiegen: Im Vergleich zum Vorjahreszeitraum verzeichnet das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle ein Plus von 200 %. Entsprechend arbeitet die Photovoltaikforschung seit Jahren mit Hochdruck daran, die technischen Voraussetzungen für die Nutzung von Sonnenenergie weiter zu verbessern. Wertvolle Ansätze dazu liefert die so genannte Tandem-Photovoltaik. Dabei werden verschiedene leistungsstarke Solarzellenmaterialien kombiniert, um unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts für eine Umwandlung in elektrische Energie nutzen zu können.

Wirkungsgrad in weniger als einem Jahr um 1,6 Prozentpunkte gesteigert

Seit vielen Jahren arbeiten die Freiburger an einem Herstellungsverfahren, bei dem Schichten aus III-V-Halbleitern direkt auf eine Siliziumsolarzelle abgeschieden werden. Bei den Halbleitern handelt es sich um Materialien aus den Gruppen III und V des Periodensystems, die das ultraviolette, sichtbare und nahe infrarote Licht effizienter in Strom wandeln. Bei der Herstellung ist entscheidend, eine hohe Kristallqualität aller Schichten zu erhalten. Für eine solche, direkt auf Silizium gewachsene III-V/Si-Tandemsolarzelle, wurde jetzt ein neuer Weltrekord-Wirkungsgrad erzielt. In weniger als einem Jahr war es Markus Feifel vom Fraunhofer ISE gelungen, den Wirkungsgrad von 24,3 auf 25,9 % zu verbessern. Für die Ergebnisse seiner Arbeit wurde der junge Solarforscher vor kurzem auf der 47. IEEE Photovoltaic Specialists Conference mit dem Student Award in der Kategorie „Hybrid Tandemsolarzellen“ ausgezeichnet.

Silizium-Wafer liefert die Verbindung

In kleinen Schritten haben die Fraunhofer Forscher die Technologie seit 2007 gemeinsam mit der TU Ilmenau, der Philipps Universität Marburg und dem Elektronikunternehmen Aixtron weiterentwickelt. Eine maßgebliche Besonderheit der neuen Tandemsolarzelle: Die III-V-Schichten wurden nicht wie bisher üblich auf einem chemisch-mechanisch polierten Substrat gewachsen, sondern auf einem Silizium-Wafer, der nach dem Sägen des Kristalls in einem einfachen Verfahren mittels kostengünstiger Schleif- und Ätzprozesse behandelt wird.

Tandemsolarzelle zur Gewinnung von Wasserstoff einsetzbar

Zukünftig möchten die Forscher die Effizienz der Tandemzelle weiter erhöhen und die Abscheidung der Schichten mit einem höheren Durchsatz und somit kostengünstiger realisieren. „Die europäische Photovoltaik-Forschung hat zahlreiche Konzepte in Arbeit, um die Effizienz dieser Schlüsseltechnologie für die Energiewende noch weiter zu entwickeln“, berichtet Professor Dr. Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik-Forschung am Fraunhofer ISE. Aufgrund ihrer höheren Spannung eigne sich diese Solarzelle auch hervorragend für die Elektrolyse, die direkte Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, so der Experte. Somit leiste die Technologie auch einen wichtigen Beitrag zur Gewinnung von Wasserstoff als Energiespeicher und sei somit ein maßgeblicher Baustein für das Gelingen der Energiewende.

 

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