Weltrekord: 41,1 Prozent Wirkungsgrad bei Solarzellen

Mit einem Wirkungsgrad von 41,1 Prozent hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg nach eigenen Angaben einen Weltrekord bei konzentrierten Mehrfach-Solarzellen aufgestellt.

Den Wert erreichten die Wissenschaftler mit einer 5 mm² großen sogenannten metamorphen Mehrfach-Solarzelle aus den III-V-Halbleitern GaInP/GaInAs/Ge (Gallium-Indium-Phosphid/Gallium-Indium-Arsenid/Germanium), auf die sie das Sonnenlicht 454-fach konzentrierten.

Am Fraunhofer ISE entwickeln Forscher seit 1999 metamorphe Mehrfachsolarzellen, eine spezielle Art der Solarzellen aus III-V-Halbleiterkombinationen. Es handelt sich dabei um Zellen aus Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As auf GaAs- oder Ge-Substraten. Diese Materialien sind nach Angaben der Wissenschaftler besonders gut für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom geeignet.

In ihrer Gitterstruktur unterscheiden sich diese allerdings von herkömmlichen Materialien für Mehrfach-Solarzellen. Bei den GaInP/GaInAs/Ge-Halbleitern ist der Abstand der Atome im Kristall nicht einheitlich, d.h. es gibt keine »Gitterkonstante«. Dies erschwert das Wachstum von III-V-Halbleiterschichten mit hoher Regelmäßigkeit, da sich an den Übergängen von Materialien mit unterschiedlicher Gitterkonstante Spannungen bilden, die zu Kristalldefekten führen.

Deshalb wenden die Freiburger Wissenschaftler einen »Trick« an, um diese Materialien für die Photovoltaik nutzbar zu machen: »Metamorphes Kristallwachstum«. Die Forscher geben an, dass sich die Materialien ausschließlich mithilfe dieser Methode miteinander kombinieren lassen. Dabei werden die Defekte in einem Bereich der Solarzelle angeordnet, der nicht elektrisch aktiv ist. So bleiben die aktiven Bereiche der Solarzelle weitgehend defektfrei – eine Voraussetzung für das Erreichen eines hohen Wirkungsgrads.

Auf diese Weise erhalten die Forscher mehr Kombinationsmöglichkeiten für III-V-Halbleiterverbindungen, die sie für das Schichtwachstum zur Realisierung ihrer Mehrfach-Solarzellen nutzen können. Prof. Eicke Weber, Leiter des Fraunhofer ISE, dazu: »Dies ist ein besonders gutes Beispiel dafür, wie die Kontrolle von Kristalldefekten in Halbleitern zu einem technologischen Durchbruch führt.«

Die Mehrfach-Solarzellen sind aus drei übereinanderliegenden Schichten aufgebaut, die drei unterschiedliche Wellenlängen des Lichts absorbieren und zur Stromerzeugung nutzen, was den Wirkungsgrad erhöht. Durch entsprechende absorbierende Materialien erzeugen die drei Teilzellen im Sonnenspektrum die gleiche Stromstärke.

Durch die Wahl der metamorphen GaInP/GaInAs/Ge-Materialien entwickelten die Freiburger Forscher nach eigenen Angaben erstmals eine Solarzellen-Struktur, die dem terrestrischen Sonnenspektrum exakt stromangepasst ist – einer der Gründe für den hohen Wirkungsgrad. Bei 454-facher Sonnenlicht-Konzentration erreichte das Modul den Weltrekord von 41,1 Prozent Wirkungsgrad. Selbst bei noch höherer, 880-facher Sonnenkonzentration erreichte die Zelle immer noch einen Wirkungsgrad von 40,4 Prozent.

Die Mehrfach-Solarzellen könnten in photovoltaischen Konzentratorsystemen für Solarkraftwerke in Ländern mit viel direktem Sonnenlicht eingesetzt werden. Derzeit existieren die Module nur im Labor. Zusammen mit den Unternehmen Azur Space in Heilbronn und Concentrix Solar in Freiburg arbeit das Fraunhofer ISE daran, die Technik schnell zur Serienreife zu bringen.