US-amerikanisches Forscherteam erzielt Weltrekord bei Wirkungsgrad von Solarzellen

Um eine möglichst hohe Stromausbeute bei Photovoltaikanlagen zu erzielen, kommt es auf einen hohen Wirkungsgrad an. US-amerikanischen Forschern vom National Renewable Energy Laboratory in Golden im US-Bundesstaat Colorado ist es jetzt gelungen, einen Wirkungsgrad von 47,1 Prozent mit einer aus mehreren Schichten bestehenden Solarzelle zu erzielen.

Immer höhere Wirkungsgrade bei organischer Photovoltaik

Die Basis einer Photovoltaikanlage bilden Solarzellen, die Sonnenenergie in elektrischen Strom umwandeln. Damit Photovoltaik wirtschaftlich ist, kommt es auf einen hohen Wirkungsgrad an.

Noch vor ungefähr einem Jahr lag der Rekord bei 12,6 Prozent bei organischen Solarzellen mit einer Fläche von mindestens einem Quadratzentimeter. Das Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme ISE konnte in Zusammenarbeit mit der Universität Freiburg die Effizienz auf 14,9 Prozent steigern. Forscher des Helmholtz Zentrums Berlin erzielten mit einer Tandem-Solarzelle einen Spitzen-Wirkungsgrad von 24,16 Prozent.

Noch beachtlicher ist die Leistung des Forscherteams um John Geisz und Ryan France des National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Golden im US-Bundesstaat Colorado.

Den Forschern gelang es, bei einer Solarzelle mit sechs Verbindungsstellen einen Weltrekord mit einem unter konzentriertem Licht gemessenen Wirkungsgrad von 47,1 Prozent zu erzielen. Die Sechsfach-Solarzelle basiert auf Halbleitermaterialien aus den Gruppen III-V des Periodensystems.

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Extrem hoher Wirkungsgrad - wie ist das möglich?

Die Weltrekord-Solarzellen basieren auf verschiedenen Technologien. Der höchste Wirkungsgrad wird mit der III-V-Solarzelle erreicht, doch auch die Tandem-Solarzelle hat bereits einen erstaunlich hohen Wirkungsgrad.

Bei der Solarzellen-Technologie konkurrieren drei Hochtechnologie-Felder miteinander. Kristalline Silizium-Zellen werden bereits häufig angewendet. Auch bei II-V-Halbleitersolarzellen kann ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.

Eine außerordentlich hohe Ausbeute an Energie ist mit den I-III-VI-Halbleiter-Solarzellen als CIS- und CIGS-Solarzellen möglich. Die neue richtungsweisende Solarzelle mit dem Rekord-Wirkungsgrad besteht aus sechs verschiedenen Arten photoaktiver Schichten. Das Material jeder Schicht ist eine Mischung III-V-Solar-Materialien, benannt nach ihrem Platz im Periodensystem.

Für eine hohe Energieausbeute wurden die Schichten aus verschiedenen Teilen des Lichtspektrums konfiguriert. Von den sechs Knotenpunkten einer jeden Zellen ist jeder speziell für die Absorption von Licht aus einem bestimmten Teil des Sonnenspektrums ausgelegt.

Mit ungefähr 140 Schichten aus unterschiedlichen III-V-Materialien ist die neue Solarzelle ungefähr dreimal dünner als ein menschliches Haar.

Weitere Optimierungsmöglichkeiten für einen höheren Wirkungsgrad

Die Herstellung von Solarzellen mit einem so hohen Wirkungsgrad ist kostenintensiv, weshalb III-V-Solarzellen vorrangig für die Stromversorgung von Satelliten genutzt werden. Sechsfach-Solarzellen eignen sich auch für die Konzentrator-Photovoltaik.
Mit einer implementierbaren Linse sehen die Forscher ein weiteres Potenzial für die Optimierung von Solarzellen.

Sonnenlicht könnte mit dieser Technik auf die Solarzelle fokussiert werden. Der Materialverbrauch wäre dann geringer, da weniger Fläche benötigt wird. Forscher am Fraunhofer ISE arbeiten bereits seit 1984 am Einsatz von III-V-Solarzellen in Konzentrator-Systemen. Fresnel-Linsen fokussieren das Solarlicht auf einen mikroskopisch kleinen Brennfleck

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Komprimierte Solarzellen und die Vorteile

In der Stromversorgung können konzentrierte Photovoltaik-Systeme eine Revolution einleiten. Die Kosten könnten durch die konsequente Ausschöpfung der Potenziale beim Wirkungsgrad reduziert werden. Eine Skalierbarkeit bis in den Giga-Watt-Leistungsbereich wird angestrebt. Wichtig ist auch eine Verkürzung der Amortisationszeit.

Erfolge, die sich bisher auf die Nutzung im Weltall beschränkt haben, könnten sich künftig auch auf der Erde bewähren. In absehbarer Zeit könnten sich neue Nutzungsmöglichkeiten in Kraftwerken ergeben.

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