Neuer Solarzellentyp bricht Rekorde beim Wirkungsgrad

Solarzellen bilden die Basis einer Photovoltaik-Anlage. Sie wandeln Sonnenenergie in elektrischen Strom um und zählen zu den zukunftsträchtigen Grundelementen der regenerativen Energie. Entscheidend für den wirtschaftlichen Einsatz der Solarzellen ist ihr Wirkungsgrad. Neue Technologien bei der Konzeption leistungsstarker Solarzellen lassen aufhorchen. Die neue Höchstmarke beim „unter konzentriertem Licht gemessenen Wirkungsgrad“ liegt aktuell bei 47,1 %.

Zwei neue Solarzellen brechen Rekorde

Die beiden hier vorgestellten Solarzellen basieren auf unterschiedlichen Technologien. Die Spitzen-Technologien verdeutlichen auch, dass photovoltaische Forschung einen globalen Charakter hat. Des Weiteren wird deutlich, wie hochkarätige Grundlagenforschung zu unterschiedlichen technischen Lösungen führen kann. Das Produkt mit dem höchsten Wirkungsgrad basiert auf der Technologie der sogenannten III-V-Solarzelle. Ein weiteres Produkt mit hohem Wirkungsgrad-Potential fußt auf dem neuen Typ der Tandem-Solarzelle.

Konkurrierende Hochtechnologie-Felder

Seit den 1970er Jahren werden mehr Solarzellen für terrestrische, das heißt an die Erde gebundene Zwecke, als für den Einsatz in der Raumfahrt hergestellt. Es sind im Wesentlichen drei konkurrierende Hochtechnologie-Felder der Solarzellen-Technologie, die für Rekorde sorgen:

1. Kristalline Silicium-Zellen
2. II-V-Halbleiter-Solarzellen
3. I-III-VI-Halbleiter-Solarzellen (CIS-, CIGS-Solarzellen).

Die Solarzelle mit dem höchsten Wirkungsgrad

Für ihre richtungweisende Entwicklung einer neuen Solarzelle erhielten die Forscher John Geisz und Ryan France des National Renewable Energy Laboratory (NREL) eine besondere Auszeichnung. Das im Jahr 1974 gegründete Labor mit Sitz in Golden, Colorado/USA gilt als das wichtigste US-Labor für Forschung und Entwicklungen auf dem Sektor der erneuerbaren Energien und der Energieeffizienz.

Die neue Solarzelle erreicht einen unter konzentriertem Licht gemessenen Gesamt-Wirkungsgrad von 47,1 %. Technologische Basis bildet die III-V-Solarzelle. Die Neuentwicklung verfügt über 6 verschiedene Arten photoaktiver Schichten. Jedes der für diese Schichten verwendeten Materialien besteht aus einem Mix bestehender III-V-Solar-Materialien, die nach ihrem Platz im Periodensystem benannt sind. Die Auswahl der Schichten ist im Sinne einer optimalen Energie-Ausbeute aus den verschiedenen Teilen des Licht-Spektrums konfiguriert. Beeindruckend ist die Komprimierung: Die Solarzelle ist dünner als ein menschliches Haar. Darin sorgen 140 Schichten dicht gepackt für die Energiegewinnung.

Die Forscher sehen weitere Optimierungsmöglichkeiten mit Hilfe einer zu implementierenden Linse. Mit Hilfe dieser Technik ließe sich das Sonnenlicht auf der Solarzelle fokussieren. Diese Einschätzung teilen die US-Forscher offensichtlich mit Forschern am Fraunhofer ISE. Dort wird seit 1984 der Einsatz von III-V-Solarzellen in sogenannten Konzentrator-Systemen erforscht. Dabei wird Sonnenlicht mittels Fresnel-Linsen um eine Faktor-Spanne 300-1.000 auf einen mikroskopisch kleinen Brennfleck fokussiert.

HZB Berlin: Rekord bei Tandem-Solarzellen

Für einen weiteren Rekord sorgen Forscher am Helmholtz Zentrum Berlin (HZB). Die Wissenschaftler präsentieren einen neuen Typ aus der Technologie-Spezies der Tandem-Solarzelle. Wie die Bezeichnung „Tandem“ vermuten lässt, besteht dieser Solarzellentyp aus zwei unterschiedlichen Arten photoaktiver Schichten. Für den Wirkungsgrad-Rekord in Berlin setzten die Forscher am HZB eine Solarzelle ein, deren eine Schicht aus dem Werkstoff Perowskit besteht. Die zweite Tandemschicht besteht aus einem Mix von Kupfer, Gallium, Indium und Selen. Das unter Forschern gebräuchliche Kürzel für diesen Material-Mix ist CIGS.

Die Tandem-Solarzelle verfügt über eine 3 bis 4 Mikrometer dicke CIGS-Schicht. Auf der Oberseite wird ein 0,5 Mikrometer dicker Layer aus Perowskit aufgebracht. Das mit diesem Tandem erzielte Resultat arbeitet als dualer Energie-Kollektor. Der Perowskit Layer sammelt sichtbares Licht. Für den Infrarot-Bereich ist die CIGS-Schicht der Tandem-Zelle zuständig. Um den Kontakt zwischen den beiden Layern zu optimieren, implementierte das HRB-Team eine Schicht, bestehend aus Rubidium-Atomen.

Dank dieser Architektur erzielte die Berliner Forscher einen für die Tandem-Solarzelle neuen Spitzen-Wirkungsgrad von 24,16 %. Damit wurde der Höchstwert der Silizium-Perowskit-Tandem Solarzelle noch nicht ganz geknackt. Für die noch junge Technologie in Form der ersten Perowskit-CIGS-Tandem Solarzelle ist der vom HZB erzielte Wirkungsgrad jedoch ein beachtlicher Anfangserfolg. Die am HRB vorangetriebene Technologie könnte als Grundlage für die Herstellung neuer, flexibler Solarmodule dienen. Aufgrund ihres geringen Gewichts in Verbindung mit einer hohen Bestrahlungsstabilität ist diese Technologie für Anwendungen im Weltraum prädestiniert.

Vorteile hoch konzentrierter und komprimierter Solarzellen

Hoch konzentrierte und komprimierte Systeme auf photovoltaischer Basis werden neue Akzente in der Stromerzeugung setzen. Für die Stromerzeugung im Rahmen einer großflächigen Nutzung treten die Vorteile im Konkurrenzumfeld noch deutlicher in den Vordergrund. Wesentlich für die Kosten-Nutzen-Betrachtung sind die Aspekte:

• Kostenreduktion durch Ausschöpfung der Potentiale beim Wirkungsgrad
• Reduzierung der Amortisationszeit
• Skalierbarkeit, bis hoch in den Giga-Watt Leistungsbereich.

Auf diesem Wege wird es der Forschung gelingen, der Industrie Photovoltaik-Bausteine für weitere terrestrische Anwendungsfelder an die Hand zu geben. So ließen sich nachweisbare, bisher auf Weltraumanwendungen begrenzte Erfolge auch auf unserer Erde wirtschaftlich nutzen. Selbst Einsätze in Kraftwerken könnten in absehbarer Zukunft in den Bereich des wirtschaftlich und technologisch Möglichen rücken. Für die Weltraumtechnik ergeben sich weitere Vorteile in der Energie-Performance.

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