Weltrekord in der Fotovoltaik: Wirkungsgrad von 43,6 Prozent erreicht
Forschern ist es gelungen, aus Werkstoffen, die sich eigentlich nicht miteinander vertragen, hoch effektive Solarzellen herzustellen.
Solarzellenwafer mit Vierfach-Konzentratorsolarzellen und Teststrukturen.
Foto: Fraunhofer ISE
Solarzellen der Zukunft sollen einen Wirkungsgrad von 50 Prozent erreichen. Das ist das erklärte Ziel von Forschern in Freiburg. Mit 43,6 Prozent haben sie jetzt ein Etappenziel erreicht. Bisheriger Weltrekordhalter war der Heilbronner Spezialist Azur Space Solar Power mit 43,3 Prozent. In beiden Fällen handelt es sich um Konzentrator-Solarzellen. Fresnelllinsen bündeln das Sonnenlicht bis zu 500-fach und leiten es auf die fingernagelgroßen Zellen. Das funktioniert nur in Regionen, in denen der Lichteinfall völlig ungetrübt ist. Selbst leichte Schleierwolken lassen den Wirkungsgrad gegen Null sinken.
Vierfach-Solarzelle produziert
Die Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg haben das Kunststück mit einer Vierfach-Solarzelle geschafft. Dazu ist eine besondere Produktionstechnik nötig. Die Schichten, in denen das Sonnenlicht Elektronen aktiviert, sodass sie sich zu einem elektrischen Strom formieren, werden auf zwei Wafern, hauchdünnen Unterlagen, abgeschieden. Die dazu genutzten Materialien stammen alle aus den Gruppen III und V des Periodensystems der Elemente. Dazu zählen unter anderem Aluminium, Gallium und Yttrium sowie Phosphor, Arsen und Niob. Dann werden die beiden Wafer aufeinandergepresst, sodass sie eine feste Verbindung eingehen. Wafer Bonding nennen das die Fachleute. „Wir kombinieren Kristalle miteinander, die eigentlich nicht zueinander passen und mit herkömmlichen Verfahren nicht mit hoher Qualität direkt aufeinander abgeschieden werden können”, sagt Frank Dimroth, Experte für III-V-Epitaxie und Solarzellen am ISE . Epitaxie ist ein Abscheideverfahren, bei dem hauchdünnen Schichten auf einer Unterlage hergestellt werden.
Es geht noch mehr
Die Bonding-Technik steuert die einstige Concentrix Solar bei, die aus dem ISE hervorgegangen ist und 2009 von der französischen Soitec übernommen wurde. Wichtig ist dabei die Erhaltung der optischen Transparenz, damit das Sonnenlicht alle Schichten erreicht, in denen Elektronen entstehen können. Die ISE-Forscher waren für den Aufbau der Zellen verantwortlich. Sie schieden mehr als 30 Schichten aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien übereinander ab. Dabei galt es, sicherzustellen, dass jede Schicht sich optimal mit der darunter liegenden verband. An der Produktionstechnik lässt sich noch einiges verbessern, glauben die ISE-Forscher, sodass der Wirkungsgrad weiter steigen kann. Das hat hohe wirtschaftliche Bedeutung. Je effektiver Zellen Licht in Strom umwandeln, desto geringer ist der Flächenverbrauch.
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