Rekord! Wirkungsgrad von fast 69 Prozent für Dünnschicht-Photovoltaik
Deutsche Wissenschaftler reizen die Grenzen der Dünnschicht-Photovoltaik immer weiter aus. Mithilfe einer Laserleistungszelle haben sie neue Maßstäbe gesetzt. Das zeigt: Das Potenzial der Solarenergie ist noch lange nicht ausgeschöpft.
Die Sonne verspricht schier endlose Energie. Wenn man sie denn nutzen kann.
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Auf die Sonne ist Verlass. Sie geht jeden Tag auf, auch wenn der Himmel natürlich oftmals bedeckt ist. Solaranlagen könnten eine viel größere Stellung im Strommix einnehmen, aber einige technische Herausforderungen stehen dem im Wege. Neben den noch unzureichenden Möglichkeiten zur Langzeit-Speicherung der Solarenergie ist auch die Ausbeute eher gering. In der Praxis liegt der Wirkungsgrad der Module selten weit über 20%, auch wenn einige Entwicklungen der jüngeren Zeit Optimismus verbreiten.
Bei Dünnschicht-Photovoltaik sieht es noch schlechter aus. Dabei könnte gerade sie sich zum Hoffnungsträger entwickeln. Denn beispielsweise ganze Fassaden ließen sich ohne Probleme mit der Statik verkleiden. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben jetzt ein neues Konzept vorgestellt, das ein großer Schritt in die richtige Richtung sein könnte: Mit einer Laserleistungszelle haben sie unter monochromatischem Licht einen Wirkungsgrad von 68,9% erzielt. Das ist nach eigenen Angaben ein neuer Rekord!
2019 erreichten Forschende aus Estland eine Erhöhung des Wirkungsgrads bei Dünnschicht-Photovoltaik. Materialforscher der Technischen Universität Tallinn optimierten die Effizienz von Solarzellen, indem sie bei Halbleitern Kupfer teilweise durch Silber ersetzen. Doch den Fraunhofer-Wissenschaftlern ist nun noch viel Größeres gelungen.
Was sind Dünnschicht Solarzellen?
Unter einem Dünnschichtmodul versteht man ein hauchdünnes Photovoltaikmodul. Dieses lässt sich deutlich einfacher produzieren ist als ein übliches kristallines Photovoltaikmodul. Die Materialien werden auf ein Trägermaterial aufgedampft, sodass Dünnschichtmodule günstiger angeboten werden können. Dünnschichtmodule kommen in der Regel nicht bei Privathäusern zum Einsatz, da der Wirkungsgrad von Dünnschichtzellen bislang zu niedrig war. Doch die Fraunhofer-Forschenden konnten dies nun ändern.
Strom aus Schwefel mit solarer Hilfe
Grundlage: Photovoltaik-Zelle aus Galliumarsenid
Die Wissenschaftler haben für das innovative System eine dünne Solarzelle aus Galliumarsenid verwendet. Diese haben sie zusätzlich mit einem hochreflektierenden, leitfähigen Rückseitenspiegel ausgestattet. Um zu verstehen, was das bewirkt, ist ein wenig Hintergrundwissen gefragt: Wenn die Photovoltaik-Zellen das Sonnenlicht in elektrischen Strom umwandeln, wird die Lichtenergie in einer Halbleiterstruktur absorbiert. Die dabei entstehenden positiven und negativen Ladungen werden zu zwei Kontakten auf der Vorder- und Rückseite der Zelle geleitet.
Mit dieser Photovoltaik-Dünnschichtzelle erzielte das Forschungsteam einen Wirkungsgrad von 68,9%.
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Die größten Batteriespeicher der Welt
Wie groß dieser Effekt, also faktisch die Stromausbeute ist, hängt davon ab, in welchem Energiebereich sich das einfallende Licht bewegt. Optimal ist ein Bereich knapp oberhalb der Bandlückenenergie des Materials. Die Bandlücke ist wichtig für die Leitfähigkeit. Mit einem Laser lässt sich dieser Energiebereich gezielter steuern, und sehr hohe Wirkungsgrade wären möglich.
Perfekt abgestimmt: Laser und Photovoltaik-Zelle
Diese Form der Energieübertragung wird als Power-by-Light-Technologie bezeichnet. Sie ist nicht neu, sondern wird bereits in verschiedenen Verfahren angewendet, zum Teil eingekoppelt in Glasfaser.
Der Laserstrahl trifft dabei auf eine Photovoltaik-Zelle. Beide sind in Bezug auf Leistung und Wellenlänge perfekt aufeinander abgestimmt. Das ist die Voraussetzung dafür, dass diese Systeme ihre Vorteile gegenüber Kupferkabeln voll ausspielen können. Und die liegen nicht nur bei einer möglichen Steigerung des Wirkungsgrads. Power-by-Light kann beispielsweise eine drahtlose Energieübertragung bereitstellen. Die elektromagnetische Verträglichkeit ist gut, und auch bei Blitz- und Explosionsschutzaspekten schneidet diese Technologie besser ab als herkömmliche Kupferkabel. Durch einen hohen Wirkungsgrad könnte diese Form der Photovoltaik in den Mittelpunkt des Interesses rücken.
In kleinen Schritten zu höheren Wirkungsgraden
Spezielle Dünnschichttechnologie als Schlüssel
Genau das wollen die Wissenschaftler des Fraunhofer ISE erreichen. Die Zahlen sind erstaunlich. Mit ihrer Galliumarsenid-basierten III-V-Photovoltaik-Zelle konnten sie einen Wirkungsgrad von 68,9% für Laserlicht mit einer Wellenlänge von 858 Nanometern umsetzen. Nach Angaben der Forschenden hat es nie höhere Werte für die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom gegeben.
Wie hat das Fraunhofer-Team das geschafft? Die Ingenieure und Ingenieurinnen haben eine spezielle Dünnschichttechnologie eingesetzt, bei der die Solarzellenschichten zunächst auf einem Substrat aus Galliumarsenid aufgebracht werden. Dieses Substrat entfernen sie im nächsten Arbeitsschritt und stellen so eine Halbleiterstruktur her, die nur wenige Mikrometer dünn ist. Sie wird zusätzlich mit einem hoch reflektierenden Rückseitenspiegel versehen.
Wie berechnet man den Wirkungsgrad einer Solarzelle?
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ergibt sich aus einer simplen Rechnung: Die nutzbare Energie – das wäre im Fall der Photovoltaik Module der Solarstrom – wird durch die zugeführte Energie dividiert. Das bedeutet auch, dass der Wirkungsgrad nie bei 1 oder bei 100 % liegen kann. Durch Reibung oder Wärme entstehen immer Verluste. Je geringer die Verluste, umso höher wird der Wirkungsgrad der Solarmodule.
Zahlreiche Anwendungsbereiche für neues Photovoltaik-System
Für die Rückseitenspiegel hat das Team verschiedene Materialien getestet, zum einen Gold sowie eine Kombination aus Keramik und Silber, die sich schließlich als vorteilhafter herausstellte. Für die Absorber wurde eine spezielle Heterostruktur (n-GaAs/p-AlGaAs) verwendet, bei der die Verluste an Ladungsträgern äußerst gering seien. Institutsleiter Andreas Bett sieht in diesem System eine Chance, der Photovoltaik ein größeres Potenzial für industrielle Anwendungen zu verschaffen. Als Beispiele nennt er die Strukturüberwachung von Windkraftanlagen, die Überwachung von Hochspannungsleitungen oder die Treibstoffsensorik in Flugzeugtanks. Auch die kabellose Energieversorgung fürs Internet der Dinge (Inernet of Things, IoT) sei denkbar.
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