NREL-Solarzelle – immer höherer Wirkungsgrad von Solarzellen

In den National Renewable Energy Laboratories (NREL) in Golden im US-Bundesstaat Colorado haben Forscher eine einzigartige Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von fast 50 Prozent entwickelt. Diese NREL Solarzelle ist deutlich dünner als herkömmliche Solarzellen, trotzdem sie aus ungefähr 140 Schichten von Halbleitermaterialien besteht. Bis zur Marktreife wird es jedoch noch eine Weile dauern, da die Herstellung teuer ist.

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Außerordentlich hoher Wirkungsgrad der NREL-Solarzelle

Noch nie zuvor war es Forschern gelungen, mit einer Solarzelle einen so hohen Wirkungsgrad wie mit der NREL-Solarzelle zu erzielen. Bei der neuartigen Solarzelle liegt er bei 47,1 Prozent. Der Wirkungsgrad informiert darüber, wie viel Prozent der Energie der Sonneneinstrahlung in Strom umgewandelt werden können.

Noch bis vor wenigen Jahren glaubten Forscher, dass ein Wirkungsgrad von 30 Prozent nicht überschritten werden kann. Das Geheimnis für den hohen Wirkungsgrad besteht darin, dass monokristallines Silizium verwendet wurde. Da die Solarzelle nur aus einem einzigen Kristall besteht, geht zwischen einzelnen Kristallen keine Energie verloren. Um eine noch größere Ausbeute an Strom zu erzielen, wurde die NREL-Solarzelle als Mehrfachsolarzelle hergestellt. Die verschiedenen Halbleitermaterialien reagieren auf unterschiedlichen Wellenlängen des Lichtes.

Daher wurden für die neuartige Solarzelle mehr als 140 verschiedene Schichten aus Halbleitermaterialien verwendet. Die einzelnen Schichten wurden zu insgesamt sechs Schichten zusammengefasst, weshalb auch von einer Sechsfach-Solarzelle die Rede ist. Dennoch ist die neue Solarzelle nur etwa ein Drittel so dick wie ein menschliches Haar.

Wirkungsgrad bislang nur im Labor erzielt

Der Wirkungsgrad von fast 50 Prozent konnte bei der NREL-Solarzelle bislang nur im Labor erzielt werden. Unter Laborbedingungen wurde die Solarzelle mit der Lichtintensität von 143 Sonnen bestrahlt. Allerdings liegt der Wirkungsgrad auch bei normaler Sonneneinstrahlung noch bei 39,2 Prozent.

Der Forscher Ryan France, der an der Entwicklung beteiligt war, geht sogar davon aus, dass der Wirkungsgrad noch über 50 Prozent gesteigert werden kann. Dafür müssen die Widerstandsbarrieren innerhalb der Zelle reduziert werden, damit der Stromfluss nicht behindert wird. Aufgrund thermodynamischer Grenzen kann allerdings kein Wirkungsgrad von 100 erreicht werden.

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Vor- und Nachteile der NREL-Solarzelle

Die neuartige Solarzelle hat eine Reihe von Vorteilen:

  • nur wenig Material erforderlich
  • künftig könnten Kosten eingespart werden, da sich mit weniger Materialeinsatz eine höhere Leistung erzielen lässt
  • geringer Platzbedarf, da das Sonnenlicht konzentriert genutzt werden kan
  • auch dann, wenn die Sonneneinstrahlung nur gering ist, könnte eine gute Stromausbeute erzielt werden.

Nachteile bestehen darin, dass die neue NREL-Solarzelle in der Herstellung teuer ist und dass es bis zur Marktreife noch eine Weile dauern wird.

Einsatzmöglichkeiten für die neue NREL-Solarzelle

Einsatzmöglichkeiten für die neue Solarzelle ergeben sich zunächst vorwiegend im Weltraum zur Stromversorgung von Satelliten. Bei der Herstellung der Solarzellen könnte künftig die Menge des Halbleitermaterials pro Watt Leistung immer geringer werden, wenn das Licht konzentriert wird. Auf der Erde könnten die neuen Sechsfach-Solarzellen für die Konzentrator-Photovoltaik verwendet werden.

Aufgrund des geringeren Platzbedarfs sehen die Forscher Einsatzmöglichkeiten der NREL-Solarzelle in Regionen mit hohen Grundstückspreisen, um auf engem Raum Photovoltaik-Strom zu erzeugen. Mit Spiegeln könnte die Fläche weiter reduziert werden. Die Möglichkeiten, um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen, sind noch längst nicht erschöpft.

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