Sonnenenergie 23.11.2018, 12:43 Uhr

Konzentrator-Photovoltaik: „All Time High“ beim Wirkungsgrad

Fraunhofer-Wissenschaftler haben ein Photovoltaikmodul entwickelt, das einen Modulwirkungsgrad von 41,4 % erreicht. Das ist der höchste jemals erzielte Wert in der Photovoltaik. Grundlage ist die Konzentrator-Technologie mit Mehrfachsolarzellen.

Das Foto zeigt das neu entwickelte Konzentrator-Photovoltaikmodul

Das von den Fraunhofer-Wissenschaftlern entwickelte Konzentrator-Photovoltaikmodul verwendet eine neue Zellarchitektur und achromatische Linsen.

Foto: Fraunhofer ISE/Alexander Wekkeli

Die sogenannte Konzentrator-Photovoltaik – kurz CPV – erzielt die höchsten Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Sie basiert auf speziellen Mehrfachsolarzellen sowie dem Zusammenspiel der Zelle mit der Optik, die für das Modul verwendet wird. Unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) hat ein Team von Wissenschaftlern Zellen und Optik der Konzentrator-Photovoltaik weiter optimiert. Ergebnis: Die produzierten Module erreichten einen Modulwirkungsgrad von 41,4 %. Das ist der höchste jemals erzielte Wert für Photovoltaikmodule. Zum Vergleich: Für einfache monokristalline Zellen liegen die Modulwirkungsgrade zwischen 20 und 22 %, für polykristalline Module bei 15 bis 20 % und für amorphes Silizium bei 8 %.

Konzentrator-Photovoltaik bei direkter Sonneneinstrahlung

Die Hochkonzentrierende Photovoltaik (HCPV) eignet sich vor allem für Regionen mit viel direkter Solarstrahlung. Hier ist sie in der Lage, regenerativen Strom mit hoher Effizienz und niedrigem Ressourcenaufwand zu erzeugen. Die Module setzen sich aus Mehrfachsolarzellen zusammen, die aus III-V-Halbleiterverbindungen bestehen. Sehr dünne Solarzellen sind hier so geschichtet, dass sie das Sonnenlicht optimal nutzen können. Die Solarzellen werden mit optischen Linsen kombiniert, die die Sonnenstrahlen auf eine kleine Solarzellenfläche fokussieren. Durch zweiachsige Nachführeinheiten folgen die Module kontinuierlich dem Sonnenstand.

Die aktuelle Forschung ist Teil des EU-geförderten Projekts CPVMatch, bestehend aus einem Konsortium von Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus Deutschland, Italien, Spanien und Frankreich.  CPVMatch hat in den vergangenen 3,5 Jahren Lösungsansätze erforscht und entwickelt, die die Potentiale der Hochkonzentrierenden Photovoltaik optimal ausnutzen sollen. Der Fokus hierbei: Die erzielten Modulwirkungsgrade sollten auch industriell umgesetzt, sprich in der Praxis erreicht werden können. Die Forscher wollen die Lücke zwischen Forschungsergebnissen und Produktion verkleinern oder schließen.

Neue Zellarchitektur und achromatische Linsen

„Wir haben uns im Projekt CPVMatch mit allen Schritten des Herstellungsprozesses für Konzentrator-Module befasst, von den eingesetzten Materialien über den Zellfertigungsprozess und die Produktionsanlagen bis hin zu den Herausforderungen, die der Modulfertigungsprozess birgt“, sagt Dr. Gerald Siefer, Leiter des Projekts und Gruppenleiter III-V Zell- und Modulcharakterisierung am Fraunhofer ISE.

Hier haben die Wissenschaftler neuartige Zellarchitekturen für die Mehrfachsolarzellen entwickelt. Zusätzlich setzten sie neue Materialien, Prozesse und neues Produktionsequipment ein, um die Produktion von Vierfachsolarzellen zu optimieren. Das Design der hochkonzentrierenden Module wurde ebenfalls verändert. Außerdem verwendeten sie optische Elemente mit achromatischen Linsen. Durch das Zusammenspiel von hocheffizienten Vierfachsolarzellen mit achromatischen Linsen erreichten sie auf einer Fläche von 122 Quadratzentimetern einen Modulwirkungsgrad von 41,4%.

Die erzielten Ergebnisse ebneten den Weg für die weitere Effizienzsteigerung in der Konzentrator-Technik, erklärt Fraunhofer ISE Institutsleiter Andreas Bett. Da die Photovoltaik weltweit auf dem Vormarsch sei, sieht Bett besonders in effizienten Modultechnologien großes Potenzial. Sie verringerten den Ressourceneinsatz für die Energiewandlung pro Fläche deutlich und würden deswegen zu mehr Nachhaltigkeit beitragen.

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