Technologie

Sonnenenergie geschickt anzapfen

26.04.2021 - Tandem-Solarzelle erreicht Rekord-Wirkungsgrad von 35,9 Prozent.

Seit vierzig Jahren betreibt das Fraunhofer ISE Spitzen­forschung in der Photovoltaik, mit immer wieder neuen Rekord­wirkungs­graden in unterschiedlichen Material­klassen und wichtigen Beiträgen zur Kosten­reduzierung von Solar­strom, der heute die günstigste Form der Energie­bereitstellung ist. Photovoltaik ist neben Windenergie die zentrale Säule der Energie­wende. Mit dem Ziel, den Flächen­bedarf und den Material­einsatz von Solar­modulen noch weiter zu reduzieren, legt das Institut aktuell einen Fokus auf die Tandem-Photo­voltaik, bei der durch die Verbindung unterschiedlicher Solarzellen­materialien bisherige Effizienz­grenzen durchbrochen werden können.

So gelang es den Freiburger Forschern jetzt, mit einer mono­lithischen Tandem­zelle bestehend aus III-V-Halbleitern und Silizium einen neuen Weltrekord aufzustellen. Die neue monolithische Dreifachsolarzelle – oder III-V//Si Tandem­solarzelle – wandelt 35,9 Prozent des Sonnenlichts in elektrische Energie. Gemessen wurde dieser Wert unter dem terrestrischen AM1.5g Spektrum und stellt damit einen neuen Welt­rekord dar. Und es ist nicht nur der hohe Wirkungs­grad, der diese Solarzelle auszeichnet, sie zeigt gleichzeitig, welches Potenzial in der Tandem­photovoltaik aufbauend auf Silizium steckt.

In der neuen Rekordzelle sind alle Schichten aus III-V-Halbleitern direkt mit der Silizium-Unterzelle auf atomare Ebene verbunden, sie gleicht von außen gesehen einer herkömmlichen Solar­zelle mit zwei Kontakten. Mit dieser Bauweise erreicht die Zelle denselben Wirkungs­grad wie die beste mechanisch gestapelte Struktur mit vier Kontakten, die 2017 von NREL, CSEM und EPFL gemeinsam publiziert wurde. „Ein wesentlicher Schritt, mit dem wir die Verbesserung erreicht haben, ist der Einsatz eines neuen Verbindungs­halbleiters (GaInAsP) in der Mittelzelle“, sagt Patrick Schygulla, Doktorand in der Abteilung III-V Photovoltaik und Konzentrator­technologie am Fraunhofer ISE. „Durch das neue Material konnten wir die Lebensdauer der Ladungsträger noch einmal weiter verbessern und damit eine höhere Spannung der Zellen erreichen. Es ist toll zu sehen, dass unsere Material­entwicklung nun auch in den III-V//Si Dreifach­solarzellen erfolgreich war.“

Die III-V//Si Tandemzellen adressieren zunächst Anwendungen, bei denen eine hohe Leistung pro Fläche besonders vorteilhaft ist, wie in elektrisch betriebenen Flugzeugen und Drohnen. Die Produktions­kosten der Zellen liegen heute noch deutlich über denjenigen klassischer Silizium-Einfachsolarzellen. Dies liegt an der aufwändigen Epitaxie der III-V Schichten und den vielen zusätzlichen Halbleiter­prozessen, die bei der Herstellung der Zellen notwendig sind. Die Forscher am Fraunhofer ISE arbeiten intensiv daran, die Herstellung in Zukunft kostengünstiger zu machen und damit auch den terrestrischen Photo­voltaik­markt zu adressieren.

„III-V-Halbleitermaterialien auf Silizium ist einer unserer Ansätze, um über Tandem-Strukturen – also die Verbindung unterschiedlicher leistungs­starker Materialien – zu noch höheren Solarzellen-Wirkungsgraden zu kommen“, sagt Institutsleiter Andreas Bett. „Es wird zwar noch ein paar Jahre dauern, bis Module aus der hier gezeigten Solarzelle auf dem Markt verfügbar sind, aber mit Blick auf den notwendigen Ausbau der Photovoltaik für eine nachhaltige Energie­versorgung ist dies ein wichtiger zukunftsweisender Pfad.“

Fh.-ISE / DE

 

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