Photovoltaikunternehmen treibt Effizienz von Solarzellen voran

Eine neue Solarzellenvariante mit dem Rekord-Wirkungsgrad von 44,7 Prozent unterstreicht die Ambitionen des Photovoltaikunternehmens Soitec, in den nächsten Jahren ein ganzes Solarmodul mit einem Wirkungsgrad von 50 Prozent zu verwirklichen.

Entwickelt wurde die neue Zelle in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg, dem Helmholtz-Zentrum in Berlin und dem französischen Forschungsinstitut CEA-leti.

Die Effizienz ist unter anderem davon abhängig, welchen Teil des Sonnenlichtspektrums eine Solarzelle zur Energieumwandlung verwenden kann. Die entscheidende Komponente dafür ist der sogenannte pn-Übergang. Da alle entwickelten pn-Übergänge nur einen bestimmten Teil des Sonnenlichts „einfangen“ können und den restlichen Teil weitestgehend ungehindert passieren lassen, wurde bereits die Stapelung von bis zu drei Übergängen in einer Solarzelle erfolgreich etabliert.

„Wir fangen jetzt erstmals an vier statt drei pn-Übergänge zu nutzen“, sagt Dr. Frank Dimroth, Projektleiter am ISE in Freiburg. Damit können die neuen Zellen einen zusätzlichen Ausschnitt des Sonnenlichtspektrums in elektrische Energie umwandeln. Somit „haben wir eine höhere theoretische Effizienz von 50 Prozent und nun erstmals die beste Zelle insgesamt mit der neuen Zellarchitektur realisiert. Es sind sehr komplexe Bauelemente mit etwa 40 Einzelschichten, die alle gut kontrolliert werden müssen“, führt Dimroth weiter aus.

Eine Solarzelle mit 50 Prozent Wirkungsgrad könnte innerhalb der nächsten Jahre erreicht sein. Gelänge es, sogar ganze Solarmodule auf dieses Niveau zu bringen, ist Soitec optimistisch, in sonnenreichen Gebieten (Chile, Ägypten, Israel) Anlagen installieren zu können, deren Stromentstehungskosten 80$ pro Megawattstunde betragen. Zur Zeit liegen sie für Photovoltaikanlagen bei 144$, für Kohlkraftwerke bei ca. 100$ und 108$ für moderne Atomkraftwerke.

Die heute am meisten verwendeten, auf Silizium basierenden Solarzellen mit nur einem p-n-Übergang erreichen Wirkungsgrade von 15 bis 20 Prozent. Die Herstellungskosten betragen zwar nur etwa ein zehntel der Kosten für die neuen Zellen, „dies relativiert sich aber, weil die Solarzellen untern hoher Konzentration des Sonnenlichts von typischerweise 300-500 Sonnen eingesetzt werden.“ Das Sonnenlicht wird mit einer günstig zu produzierenden Linse auf ein dreihunderstel bis ein fünfhundertstel der Fläche fokussiert, sodass entsprechend kleine Solarzellen verwendet werden können. „Damit sind die Kosten der Zelle weniger relevant. Das ganze System profitiert hingegen von den hohen Wirkungsgraden“, fasst Dimroth die Vorteile zusammen.

Die modernsten bisherigen Solarzellen mit 3 pn-Übergängen (3-J-Typ) erreichen einen Wirkungsgrad von ca. 44 Prozent und stehen dem neuen Typ also nicht viel nach – noch. Was die Entwickler optimistisch stimmt, ist zum einen der hohe Wirkungsgrad von 43,6 Prozent, den die erste Version des 4-J-Typs auf anhieb erreichte (Mai 2013) und zum anderen die jetzt, nur vier Monaten später, erreichte Verbesserung um 1,1 Prozent.

 

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