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Solarforscher stellen zwei neue Wirkungsgrad-Weltrekorde auf

© Fraunhofer ISE© Fraunhofer ISEFreiburg - Forschern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE ist es gelungen, den Wirkungsgrad für monolithische Dreifachsolarzellen nochmals zu erhöhen. Dieser Solarzellen-Typ gilt als Hoffnungsträger in der PV-Industrie.

Mehrfachsolarzellen nutzen durch die Kombination von mehreren Absorbermaterialien das Sonnenspektrum energetisch deutlich besser aus als konventionelle Siliciumsolarzellen. Die ISE-Forscher halten Wirkungsgrade von 36 Prozent für möglich.

Steigerung des Weltrekords für Mehrfachsolarzelle auf 34,1 % erhöht
Forscher des Fraunhofer ISE haben den Weltrekord für eine durch Waferbonden hergestellte monolithische Mehrfachsolarzelle auf 34,1 % verbessert. Für eine Siliciumsolarzelle mit direkt abgeschiedenen Halbleiterschichten wurde ein neuer Wirkungsgradrekord von 24,3 % erzielt. »Monolithische Mehrfachsolarzellen gelten als Hoffnungsträger für die Weiterentwicklung der heute dominierenden Siliciumsolarzellen, weil sich mit ihnen deutlich höhere Wirkungsgrade für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom realisieren lassen. Wir halten Wirkungsgrade von 36 % für möglich, womit das physikalische Limit einer reinen Siliciumsolarzelle von 29,4 % deutlich übertroffen wird«, erklärt Dr. Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE. Die hohe Effizienz erlaubt es, mehr Leistung pro Fläche zu generieren und damit Materialien für Solarzellen und Modulmaterialien einzusparen – ein wichtiger Aspekt für die Nachhaltigkeit der Photovoltaik.

Mehrfachsolarzelle und das Schichtprinzip
Für die hocheffiziente Mehrfachsolarzelle werden wenige Mikrometer dünne Schichten aus III-V-Halbleitern auf eine Siliciumsolarzelle aufgebracht. Die unterschiedlichen Schichten absorbieren verschiedene Spektralbereiche des Sonnenlichts, um dieses optimal zu nutzen: Gallium-Indium-Phosphid bspw. zwischen 300 - 660 nm (sichtbares Licht), Aluminium-Gallium-Arsenid zwischen 600 - 840 nm (nahes Infrarotlicht). So können die Wirkungsgrade von Siliciumsolarzellen signifikant gesteigert werden.

Gebondete (34,1%) und direkt abgeschiedene Mehrfachsolarzelle (24,3 % Wirkungsgrad)
Für die monolithische Mehrfachsolarzelle kommt das aus der Mikroelektronik bekannte Verfahren des direkten Waferbondens zum Einsatz. »Gegenüber früheren Ergebnissen wurden die Abscheidebedingungen noch einmal verbessert und eine neue Zellstruktur für die oberste Teilzelle aus Gallium-Indium-Phospid eingeführt, die das sichtbare Licht noch besser wandelt. Mit 34,1 % zeigt die Zelle das enorme Potenzial dieser Technologie«, erklärt Dr. Frank Dimroth, Abteilungsleiter III-V-Photovoltaik und Konzentratortechnologie am Fraunhofer ISE. Der bisherige Weltrekord für diese Zellklasse lag bei 33,3%.

Eine andere Möglichkeit der Realisierung von Mehrfachsolarzellen ist das direkte Abscheiden der III-V-Halbleiterschichten (GaInP/GaAs) auf die Siliciumsolarzelle. Dieses Verfahren erfordert deutlich weniger Prozessschritte als das Waferbonden und vermeidet den Einsatz des teureren GaAs-Substrats. Allerdings können Defekte in den Halbleiterschichten die Effizienz der Solarzellen beeinträchtigen.

»Hier konnten wir einen wichtigen Fortschritt erzielen – die Stromgeneration in den drei Teilzellen leidet kaum noch unter diesen Defekten, sodass wir weltweit erstmals einen Wirkungsgrad von 24,3 % für diese Technologie realisieren konnten«, so Dr. Frank Dimroth. »Das Potenzial entspricht demjenigen der wafergebondeten Zelle und hier haben wir in den nächsten Jahren noch einige Entwicklungsarbeit vor uns, um dies zu demonstrieren«. Im Dezember 2018 hatte das Fraunhofer ISE eine solche Solarzelle mit einem Wirkungsgradrekord von 22,3 % vorgestellt.

Die Arbeiten zu der wafergebondeten Solarzelle werden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Projekt PoTaSi, FKz. 0324247). Die Arbeiten zu der direkt gewachsenen Zelle, an der als Partner Aixtron SE, die TU Ilmenau und die Philipps-Universität Marburg beteiligt waren, wurden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert (Projekt MehrSi, FKz. 03SF0525A).

© IWR, 2019


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30.08.2019

 



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