Solarzelle mit 44,7 Prozent Wirkungsgrad

Solarzelle mit 44,7 % Wirkungsgrad, bestehend aus vier Teilsolarzellen auf Basis von III-V Halbleitern, für die Anwendung in der Konzentrator-Photovoltaik / Bildquelle: Fraunhofer ISE

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE erzielte gemeinsam mit Soitec, CEA-Leti und dem Helmholtz Zentrum Berlin einen neuen Weltrekord für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Die Rekordsolarzelle basiert auf einer neuen Solarzellenstruktur mit vier Teilsolarzellen. Nach kaum mehr als drei Jahren Forschung konnte ein neuer Rekordwirkungsgrad von 44,7 % bei einer 297-fachen Konzentration des Sonnenlichts gemessen werden. Dies bedeutet, dass 44,7 % der gesamten Energie im Sonnenspektrum, vom ultravioletten Licht bis hin zu langwelliger Wärmestrahlung, in elektrische Energie umgewandelt wird. Ein bedeutender Schritt hin zu einer weiteren Kostensenkung für Solarstrom und auf dem Weg zur 50 %-Solarzelle.

Bereits im Mai 2013 hatte das deutsch-französische Team aus Fraunhofer ISE, Soitec, CEA-Leti und Helmholtz Zentrum Berlin eine Solarzelle mit
43,6 % Wirkungsgrad veröffentlicht. Daran anknüpfend führten weitere intensive Forschungsarbeit und Optimierungsschritte zum heutigen Ergebnis.

Derartige Solarzellen werden in der Konzentrator-Photovoltaik (CPV) eingesetzt, einer Technologie, die an den sonnenreichen Standorten der Welt doppelt so hohe Wirkungsgrade wie konventionelle Solarkraftwerke ermöglicht. Aus der Weltraumtechnologie kommend, hat sich der Einsatz von so genannten III-V Mehrfachsolarzellen durchgesetzt, um höchste Wirkungsgrade bei der Umwandlung des Sonnenlichts in Strom zu realisieren. Bei Mehrfachsolarzellen werden mehrere Zellen aus unterschiedlichen III-V-Halbleitermaterialien übereinander gestapelt. Die einzelnen Teilsolarzellen absorbieren unterschiedliche Spektralbereiche des Sonnenlichts.

Nach Dr. Frank Dimroth, Abteilungs- und Projektleiter für das Entwicklungsvorhaben am Fraunhofer ISE, spielt neben verbessertem Material und optimierter Struktur vor allem ein neues Verfahren, das Wafer-Bonden, eine zentrale Rolle. Mit diesem Verfahren werden zwei Halbleiterkristalle miteinander verbunden, die aufgrund unterschiedlicher Kristallgitter nicht aufeinander passen. So kann die optimale Halbleiterkombination für höchsteffiziente Solarzellen hergestellt werden.

Diese Entwicklung, mit dem die Partner in weniger als vier Monaten den Wert um einen Prozentpunkt erhöhen konnten zeigt das ungeheure Potenzial des Vierfachsolarzellendesigns, das auf der Bondingtechnik und der Erfahrung von Soitec basiert, so André Auberton-Hervé, Vorstandsvorsitzender und Geschäftsführer von Soitec. Er bestätigt die Beschleunigung der Roadmap hin zu höheren Wirkungsgraden, ein Schlüsselfaktor für die Wettbewerbsfähigkeit des eigenen CPV-Systeme. Konzentratormodule werden von der Firma Soitec (gestartet in 2005 unter dem Namen Concentrix Solar als Ausgründung des Fraunhofer ISE) produziert. Diese besonders effiziente Technologie wird in solaren Kraftwerken in sonnenreichen Gebieten der Erde mit hoher Direktstrahlung eingesetzt. Soitec hat Konzentratorphotovoltaik-Kraftwerke in 18 Ländern gebaut, unter anderen in Italien, Frankreich, Südafrika, und Kalifornien.

Leti ist ein Institut des CEA, einer französischen Forschungs- und Technologieorganisation mit Aktivitäten im Bereich Energie, IT, Gesundheitswesen, Verteidigung und Sicherheit. Der Schwerpunkt des Instituts liegt auf Innovationen und Technologietransfer an die Industrie. Leti ist spezialisiert auf Nanotechnologien und deren Anwendung, von drahtloser Kommunikation über Biologie und Gesundheitswesen bis zur Photonik. NEMS und MEMS stehen im Mittelpunkt der Arbeit. Als zentrale Einrichtung auf dem MINATEC Campus verfügt CEA-Leti über 8000 m² modernster Reinraumfläche für 200 mm und 300 mm Wafer. Das Institut beschäftigt 1700 Wissenschaftler und Ingenieure, einschließlich 320 Doktoranden und 200 Mitarbeitern aus Partnerfirmen. CEA-Leti verfügt über mehr als 2200 Patentfamilien.

Ein Teil der Zellentechnologie wurde am Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) in der Arbeitsgruppe um Prof. Thomas Hannappel, heute TU Ilmenau, entwickelt. Das HZB besitzt große Expertise im Bereich der Dünnschicht-Photovoltaik, Solaren Brennstoffe sowie in der materialwissenschaftlichen Grundlagenforschung mit Energiebezug. Das HZB betreibt dafür die Neutronenquelle BER II und die Synchrotronquelle BESSY II, die auch von jährlich rund 3000 Gästen genutzt werden. Aktuell entsteht an BESSY II das Energy Materials In-Situ Laboratory (EMIL), das ab 2015 einzigartige Möglichkeiten bietet, um Solarzellen der nächsten und übernächsten Generation zu entwickeln. Um den Technologietransfer im Bereich der Photovoltaik zu beschleunigen, gründete das HZB gemeinsam mit Partnern das PVcomB. 

www.ise.fraunhofer.de