Neuer Weltrekord: Mehrfach-Solarzelle erreicht 47,6 Prozent Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist der entscheidende Faktor, wenn es darum geht, die Leistung eines Fotovoltaik-Moduls zu bewerten. In ihm spiegelt sich die Effizienz wider, mit der das Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Einem deutschen Forschungsteam gelang es nun, den Wirkungsgrad einer Mehrfachsolarzelle erstmals auf einen Wert von 47,6 Prozent zu steigern. Dieser Rekordwert wurde allerdings nur bei hochkonzentriertem Sonnenlicht unter Laborbedingungen erreicht. Dennoch handelt es sich bei den Tandemsolarzellen damit um die effizienteste weltweit.

Mithilfe einer neuen Antireflexbeschichtung ist es gelungen, die Effizienz der bisher besten Vierfachsolarzelle von 46,1 auf 47,6 Prozent zu erhöhen.
Bild: Fraunhofer ISE

Projekt 50Prozent: Auf der Jagd nach mehr Effizienz

Unter normalen Bedingungen liegt der Wirkungsgrad gängiger Photovoltaik-Zellen derzeit bei knapp unter 30 Prozent. Ein großer Teil der Sonnenenergie bleibt also derzeit ungenutzt. Tandem-Solarzellen sollen dabei Abhilfe schaffen: Sie bestehen aus zwei Solarzellen aus unterschiedlichen Halbleiter-Materialien, die übereinander geschichtet werden. Die Materialien absorbieren dabei leicht unterschiedliche Spektralbereiche des Lichts, sodass der Wirkungsgrad solcher Tandem-Solarzellen höher liegt. Seit bereits zwei Jahren arbeiten Forscher:innen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE daran, die Grenze von 50 Prozent Wirkungsgrad zu durchbrechen.

Dafür riefen sie das Projekt „50Prozent“ ins Leben. In dessen Rahmen suchen die Wissenschaftler:innen nach Möglichkeiten, die einzelnen Schichten der komplexen Mehrfachsolarzellen weiter zu optimieren. Auch die Metallkontakte sowie die Antireflexions-Beschichtung der Oberflächen können noch weiter verbessert werden.

Nun gelang dem Team ein erster größerer Erfolg: Die neueste Tandemsolarzelle der Forscher:innen erreicht einen Wirkungsgrad von 47,6 Prozent unter konzentriertem Sonnenlicht. Ihr Photovoltaik-Modul übertrifft die Effizienz der bisherigen Rekordhalter-Vierfachzelle um 1,5 Prozent und stellt somit einen neuen Weltrekord auf. „Wir sind begeistert von diesem Ergebnis“, freut sich Frank Dimroth vom Fraunhofer ISE.

Tandemsolarzellen sollen Effizienz verbessern

Die neue Solarzelle besteht aus zwei aufeinanderliegenden Tandemsolarzellen, von denen die obere aus je einer Schicht Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) besteht. Die Schichten der unteren Zelle bestehen aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP) und Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs). So kann die Vierfachsolarzelle Licht in einem Spektralbereich von 300 bis 1780 Nanometern zu absorbieren. Zum Vergleich: Herkömmliche Siliziumsolarzellen bringen es auf einen Bereich bis 1200 Nanometer und absorbieren so nicht so viel von dem Infrarotbereich.

Die Solarzelle wurde durch die Forscher:innen nun weiter optimiert, indem die Kontaktschichten verbessert sowie eine vierlage Antireflexionsschicht integriert wurde. Die Widerstandsverluste sowie die Reflexion an der Vorderseite der Zelle gingen daraufhin zurück.

Einsatz in Konzentrator-Photovoltaik-Systemen

Die Forscher:innen sind der Ansicht, dass durch Mehrfachsolarzellen noch eine deutliche Effizienzsteigerung möglich sein wird. „Mit der Tandemphotovoltaik ist es möglich, die Grenzen von Einfachsolarzellen hinter sich zu lassen und damit letztendlich eine Senkung der Solarstromkosten zu erreichen„, so Stefan Glunz vom Fraunhofer ISE. „Zu den Anwendungsmöglichkeiten solcher höchsteffizienten Tandemsolarzellen gehören Konzentrator-Photovoltaik-Systeme, die in sonnenreichen Ländern zur effizienten Energieerzeugung beitragen„, erklärt er weiter. In Konzentrator-Photovoltaik-Systemen wird das Sonnenlicht zusätzlich durch Linsen gebündelt und so stark konzentriert.

via Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE