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Neuer Rekord-Wirkungsgrad für Tandemzellen mit Silicium

© Fraunhofer ISE / A. Wekkeli© Fraunhofer ISE / A. WekkeliFreiburg - Tandemsolarzellen aus Silicium und III-V-Halbleitern ermöglichen eine deutlich bessere Ausnutzung des Sonnenspektrums als heutige Standardsolarzellen. Fraunhofer ISE-Forscher haben mit Partnern einen neuen Wirkungsgradrekord erzielt.

Siliciumsolarzellen dominieren heute den PV-Markt, aber die Technologie nähert sich dem theoretisch maximalen Wirkungsgrad an, der mit Silicium als alleinigem Absorbermaterial erreicht werden kann. Derzeit läuft die Entwicklung von alternativen Tandemsolarzellen mit verschiedenen Absorbermaterialien auf Hochtouren.

Wirkungsgradrekord bei Tandemsolarzellen mit kostengünstigem Direktwachstum
Mit Kombinationen von unterschiedlichen Halbleitermaterialien versuchen Forscher, den theoretisch bei Siliciumsolarzellen erreichbaren Wirkungsgrad von etwa 30 Prozent zu übertreffen und damit die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom noch effizienter zu gestalten.

Ein vielversprechender Ansatz sind Tandemsolarzellen mit einer Kombination von Siliciummaterial mit III-V-Halbleiterverbindungen wie Galliumarsenid. Eine Realisierungsoption ist es, die III-V Solarzellenstrukturen auf teure Galliumarsenid-Substrate abzuscheiden und diese anschließend auf eine Siliciumsolarzelle zu übertragen. Deutlich kostengünstiger ist ein direktes Wachstum der III-V Schichten auf der Siliciumsolarzelle. Eine Herausforderung dabei ist es, sicherzustellen, dass die Gallium- und Phosphor-Atome die korrekten Gitterplätze einnehmen. Zudem muss der Abstand der Atome im Kristallgitter vergrößert werden, um schließlich das Material Galliumarsenid herzustellen. Fraunhofer ISE-Forschern ist es gemeinsam mit Partnern nun nach mehrjähriger Forschung gelungen, die Defektdichten in den III-V Halbleiterschichten auf Silicium deutlich zu reduzieren und so eine III-V/Si-Tandemsolarzelle mit einem neuen Wirkungsgradrekord von 22,3 Prozent herzustellen.

Der Wert wurde nach Angaben von Fraunhofer ISE am 25. Dezember 2018 in die international anerkannte Tabelle der besten Solarzellen der Welt aufgenommen. „Wir freuen uns sehr über dieses schöne Ergebnis für das Direktwachstum von III-V-Halbleiter auf Silicium, ein sehr wichtiger Forschungsansatz für Tandemsolarzellen“, so Dr. Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE.

Das Projekt MehrSi, in dessen Rahmen die Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis entstand, wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert. Partner im Projekt waren die TU Ilmenau, die Philipps-Universität Marburg sowie der Anlagenhersteller AIXTRON SE.

Perowskit-Solarzellen als weitere Alternative
Eine weitere aussichtsreiche Option für moderne Tandemsolarzellen stellen Solarzellen mit dem Halbleitermaterial Perowskit dar. Erst 2009 gelang Forschern der Nachweis, dass organisch-anorganische Verbindungen mit der speziellen Perowskit-Kristallstruktur gute Absorber sind, um Sonnenlicht effektiv in Strom umzuwandeln. Seitdem wurde der Wirkungsgrad im Labor auf weit über 20 Prozent erhöht. Im letzten Jahr wurden auf einer PV-Konferenz auf Hawai Tandem-Solarzellen mit Perowskit-Schichten vorgestellt, die jeweils einen zertifizierten Wirkungsgrad von 25,2 Prozent erreicht haben.

Bislang gibt es allerdings noch kein etabliertes Verfahren zur großflächigen Herstellung von Perowskiten. Außerdem sind die dünnen Kristallschichten relativ instabil und empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Bei hohen Temperaturen oder Feuchtigkeit zersetzen sich die Perowskite und verlieren so die Fähigkeit, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. An diesem Punkt setzen Forschungsaktivitäten der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) an, die an einem Fertigungsverfahren arbeiten, mit denen sich Perowskit-Schichten erzeugen lassen, die deutlich hitzebeständiger sind. Die bisherigen Ergebnisse deuten nach Einschätzung der Forscher darauf hin, dass das neue Verfahren für die industrielle Umsetzung der Perowskit-Solarzelltechnologie in Frage kommen könnte.

© IWR, 2019


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09.01.2019

 



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