Entwicklung von Solarzellen lässt Weltrekorde purzeln
Deutsche Forschergruppen stellen Solarzellen vor, die deutlich mehr Strom erzeugen als die, die heute auf den Dächern glänzen. Die 30-%-Marke beim Wirkungsgradpotenzial wurde geknackt.
Dreifachsolarzelle auf Siliziumbasis.
Foto: Fraunhofer ISE
Auch wenn in Deutschland keine Solarzellen mehr in Serie produziert werden, geht die Forschung auf hohem Niveau weiter. Innerhalb von wenigen Tagen meldeten jetzt gleich 3 Gruppen neue Erfolge. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg setzt mit einem Wirkungsgradpotenzial von 35,1 % neue Maßstäbe für monolithische Mehrfachsolarzelle. Bisher lag er bei 33,3 %.
Ein anderes ISE-Team stellte ebenfalls einen Weltrekord auf. Eine Siliziumsolarzelle mit direkt abgeschiedenen Halbleiterschichten kam auf 24,3 % Wirkungsgrad. Damit knackten die Forscher ihren eigenen Rekord von 22,3 %, den sie im Dezember 2018 erzielt hatten.
Tandemsolarzelle mit Wirkungsgradpotenzial von über 30 %
Dritte im Bunde sind Wissenschaftler des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Stuttgart. Projektpartner sind das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Unternehmen NICE Solar Energy in Schwäbisch Hall.
Die Forscher präsentieren eine Tandemsolarzelle, die ein Wirkungsgradpotenzial von mehr als 30 % aufweist. Dieser Durchbruch gelang letztlich an der Nice-Forschungsfabrik, die der China Energy Group, der Shanghai Electric Group, der ebenfalls chinesischen Future Science City und der Manz AG aus Reutlingen gehört, einem Unternehmen, das Maschinen für die Herstellung von Solarzellen produziert. Letztlich könnte es also China sein, das von der deutschen Forschung profitiert.
Im Projekt „Capitano“ entwickeln die Forscherinnen und Forscher ein Tandemsolarmodul aus Perowskit und CIGS.
Foto: Markus Breig/KIT
Mehrfachsolarzelle: 3 Spektralbereiche lassen sich nutzen
Für die Mehrfachsolarzelle werden wenige Mikrometer dünne Schichten aus III-V-Halbleitern auf eine Siliziumsolarzelle aufgebracht. Es werden gewissermaßen 2 weitere transparente Zellen draufgepackt. Jede dieser Zellen absorbiert verschiedene Spektralbereiche des Sonnenlichts, um dieses optimal zu nutzen.
- Gallium-Indium-Phosphid wandelt sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 300 bis 660 Nanometern in Strom um
- Aluminium-Gallium-Arsenid schluckt Nahinfrarotlicht mit einer Wellenlänge von 600 bis 840 Nanometer
- Silizium absorbiert Licht mit einer Wellenlänge von 800 bis 1.200 Nanometern.
„Wir halten Wirkungsgrade von 36 % für möglich, womit das physikalische Limit einer reinen Siliziumsolarzelle von 29,4 % deutlich übertroffen wird“, so Andreas Bett, Institutsleiter am ISE.
Nachteile der Technik
Sie benötigt teures Galliumarsenid und die Herstellung durch sogenanntes Waferbonden ist teuer. Die oberen Zellen entstehen aus einem Galliumarsenid-Substrat. Dieses wird mit hohem Druck auf die Siliziumzelle gepresst. Dabei gehen die Zellen eine innige Verbindung ein. Das Galliumarsenid muss zum Schluss weggeätzt werden, da es nur für den Aufbau der Zelle vonnöten ist, nicht jedoch für den Betrieb.
Alternative Siliziumsolarzelle
Die beiden oberen Zellen können auch direkt auf der Siliziumzelle abgeschieden werden. Das reduziert die Zahl der Prozessschritte und benötigt kein Galliumarsenid. Dann wäre die Herstellung deutlich günstiger. Das erkaufen sich die Forscher jedoch mit einem geringeren Wirkungsgrad. Das liegt an Defekten in der Struktur, die die Umwandlung von Licht in Strom stellenweise reduziert. „Hier konnten wir einen wichtigen Fortschritt erzielen – die Stromgeneration in den 3 Teilzellen leidet kaum noch unter diesen Defekten, sodass wir weltweit erstmals einen Wirkungsgrad von 24,3 % für diese Technologie realisieren konnten“, so Frank Dimroth, der die Forschergruppe leitet. Das Potenzial dieser Technologie entspreche dem der wafergebondeten Zelle. Allerdings sieht er auf dem Weg dahin noch eine Menge an Forschungsarbeit.
Das Kooperationsprojekt „Capitano“ im Fokus
Die Gruppe, die vom ZSW koordiniert wird, setzt im Projekt „Capitano“ auf Dünnschichtsolarmodule auf Basis von Perowskit-Halbleitern, kombiniert mit Halbleitern aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS). Es handelt sich also um Tandemzellen, wobei die Perowskit-Zelle auf der CIGS-Zelle sitzt. Perowskit ist ein natürlich vorkommendes Mineral, das auch synthetisch hergestellt werden kann. Jede dieser Zellen kann, wie die Entwicklungen aus Freiburg, unterschiedliche Spektren des Solarlichts absorbieren und in Strom umwandeln. Die Zellen werden auf quadratmetergroßen Unterlagen hergestellt, was die Kosten senkt.
Das ZSW stellt die Zellen her, das KIT neue Materialien und Prozesse bereit, die die Zellenherstellung verbessern. Außerdem fertigt es Anlagen, mit denen die Perowskit-Schichten hergestellt werden. In der Nice-Fabrik, die früher unter dem Namen Würth Solar serienmäßig CIGS-Zellen herstellte, werden die Produktionstechniken getestet und weiterentwickelt. Manz schließlich will die Produktionsanlagen bauen. Die Kooperationspartner eint die Hoffnung, dass mit dieser Technik die Solarzellen-Serienproduktion nach Deutschland zurückkehren könnte.
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