Dreifach gestapelt und hocheffizient

  • 01. September 2017

Dreifachstapel-Solarzelle erreicht bestätigte Energieumwandlungseffizienz von 35,4 Prozent.

Das Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) und das National Renewable Energy Laboratory (NREL) erreichen in Zusammen­arbeit eine bestätigte Energie­umwandlungs­effizienz von 35,4 Prozent für eine mechanisch gestapelte GaInP/GaAs/Si-Dreifach­stapelzelle. Die Si-Bottom­zelle mit passivierenden POLO (poly-Si on oxide)-Kontakten wurde am ISFH und die monolithische GaInP/GaAs-Topsolar­zelle am NREL hergestellt.

Abb.: Mechanisch gestapelte GaInP/GaAs//Si-Dreifachstapelzelle mit einem Wirkungsgrad von 35,4 Prozent (Bild: M. Schnabel, NREL)

Abb.: Mechanisch gestapelte GaInP/GaAs/Si-Dreifachstapelzelle mit einem Wirkungsgrad von 35,4 Prozent (Bild: M. Schnabel, NREL)

Dieses exzellente Ergebnis stellt die zweithöchste Effizienz für III-V/Si-Mehrfach­solarzellen dar und liegt damit knapp unter dem kürzlich veröffentlichten Weltrekord von 35,9 Prozent. Bemerkenswert ist der hohe Wirkungsgrad dieser Mehrfach­stapelzelle auch deshalb, weil die verwendete POLO-Bottomzelle bisher nicht für Tandem­anwendung, sondern alleine für die Umwandlung des vollen Sonnen­spektrums optimiert wurde. Unter Bestrahlung mit dem vollen Sonnen­spektrum wurde kürzlich eine Effizienz von 25 Prozent erreicht. Damit steigert die Kombination aus der GaInP/GaAs-Top­solar­zelle und der POLO-Bottom­solarzelle die Effizienz der POLO-Solarzelle um rund zehn Prozent absolut.

Die Effizienz der GaInP/GaAs/Si-Stapelsolarzelle ist sogar nahe an dem aktuellen Weltrekord von 37,9 Prozent für eine reine III-V-Dreifach­stapel­solarzelle. Dieser Vergleich verdeutlicht die Eignung von waferbasierten Silizium­solarzellen, welche die ausgereifte und kosten­günstige Basis für über 90 Prozent der heutigen Photo­voltaik bilden, für Tandem-Anwendungen. Um die Zellverschaltung im Modul einfach zu gestalten, ist ein monolithisches Bauelement wünschenswert. Die Effizienz der serien­verschalteten Dreifach­stapel­solarzelle aus GaInP/GaAs und Si, welche auch als Zwei-Terminal-Verschaltung bezeichnet wird und ein mono­lithisches Bauelement nachahmt, beträgt 31,1 Prozent.

Obwohl dieses Ergebnis bereits exzellent ist, weist die serien­verschaltete Stapel­solarzelle eine um 4,3 Prozent absolut verminderte Effizienz gegenüber der Messung ohne Serien­verschaltung auf. Der Unterschied resultiert aus einer Stromfehl­anpassung der Subzellen untereinander, da bei serien­verschalteten Stapel­solarzellen alle Subzellen denselben Strom führen müssen und somit die Subzelle mit dem geringsten Strom den Strom der Stapelzelle limitiert. Vor dieser grundsätzlichen Heraus­forderung stehen alle serien­verschalteten Stapel­solarzellen, unabhängig vom Absorber­material der Subzellen (Perowskite, Verbindungshalbleiter etc.) mit lediglich zwei Kontakten.

Ein vielversprechender Ansatz, diese Zwangsbedingung auch bei monolithischen Stapelsolarzellen zu umgehen, ist die Verwendung einer rückkontaktierten POLO-IBC-Solarzelle (engl.: ineinander­greifende Rück­kontakte) mit zusätzlichem Front­kontakt als Bottomzelle. Der rückseitige Basiskontakt dient dann als drittes Terminal zum Einsammeln überschüssiger oder zur Injektion fehlender Ladungs­träger. Weitere Einblicke in dieses Konzept werden in einem Plenarvortrag über gemeinsame Arbeiten des ISFH und des NREL auf der kommenden European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition in Amsterdam vorgestellt.

Für das ISFH ist die bemerkenswerte Effizienz von 35,4 Prozent ein schönes Geburtstagsgeschenk zum dreißig­jährigen Jubiläum, welches am 31. August 2017 in Emmerthal gefeiert wird.

ISFH / DE

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