III-V Hocheffizienzsolarzellen

Kleine Zellen - große Wirkung: III-V Hocheffizienzsolarzellen

© Foto Fraunhofer ISE / Foto Alexander Wekkeli

III-V Weltrekordsolarzelle (46 Prozent) auf einem 100 mm Wafer mit ungefähr 500 Konzentratorsolarzellen.

Mehrfachsolarzellen werden in der konzentrierenden Photovoltaik (CPV) eingesetzt, die in Regionen mit hohem Direktstrahlungsanteil, z. B. Südafrika, China oder den USA, regenerativen Strom zu günstigen Kosten erzeugt. Sie wird vor allem in großen Kraftwerkparks mit einer Leistung von bis zu 100 Megawatt genutzt. Das Fraunhofer ISE arbeitet seit vielen Jahren gemeinsam mit Partnern daran, den Wirkungsgrad von Mehrfachsolarzellen weiter zu steigern und die Herstellungskosten zu senken. Mehrfachsolarzellen basieren auf einer Kombination verschiedener III-V Halbleiterverbindungen, z. B. Galliumindiumphosphid (GaInP), Galliumindiumarsenid (GaInAs) oder Germanium (Ge). Jeder dieser Halbleiter wandelt einen anderen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts in Strom um. Aus dem Zusammenspiel der Teilsolarzellen ergibt sich der hohe Wirkungsgrad. Ursprünglich wurden III-V Mehrfachsolarzellen in der Stromversorgung von Satelliten eingesetzt, auch für diese Anwendung forscht und entwickelt das Fraunhofer ISE bis heute.

Für die terrestrische Nutzung, den Einsatz in Konzentratorkraftwerken, werden die III-V Mehrfachsolarzellen in Module eingebaut und schließlich in ein vollständiges Konzentratorsystem für Kraftwerke integriert. Dazu werden die III-V Mehrfachsolarzellen in den Brennpunkt von optisch konzentrierenden Linsen – so genannten Fresnel-Linsen – gesetzt, die das Licht bis zu über 500fach konzentrieren. Um das einfallende Sonnenlicht über einen möglichst langen Zeitraum optimal zu nutzen, werden die Konzentratormodule außerdem auf einem zweiachsigen Tracker dem Stand der Sonne nachgeführt.

Die aktuelle Weltrekordsolarzelle des Fraunhofer ISE ist eine Vierfachsolarzelle. Jede der vier Teilzellen wandelt exakt ein Viertel der Photonen im Wellenlängenbereich zwischen 300 und 1750 nm in elektrische Energie um. Eine besondere Herausforderung, die bei dieser Solarzelle erfolgreich gelöst wurde, liegt in der gleichmäßigen Verteilung der Photonen auf die vier Teilzellen. Dies haben die Wissenschaftler des Fraunhofer ISE durch die genaue Anpassung der Materialzusammensetzung und Dicke jeder einzelnen Halbleiterschicht in der Solarzelle erreicht. Der neue Rekordwert wurde bei einer Konzentration von 508 Sonnen, d. h. der 508-fachen Bündelung des einfallenden Lichts, gemessen.

Für die Entwicklung, Markteinführung und Kommerzialisierung der Konzentratorphotovoltaik wurde das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Soitec Solar 2012 von Bundespräsident Joachim Gauck mit dem Deutschen Umweltpreis ausgezeichnet.