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Fast die Hälfte der Sonnenenergie wird Strom Solarzelle – neue Entwicklung bricht Weltrekord beim Wirkungsgrad

Die effektivste Solarzelle der Welt haben deutsche und französische Forscher entwickelt. Die Vierfach-Solarzelle wandelt 46 Prozent des Sonnenlichts in Strom um. Den Rekord-Wirkungsgrad ermöglicht eine Optik, die das Licht um das 508-fache konzentriert.

Die Forscherteam vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, vom Halbleiterspezialisten Soitec und der französischen Technologieforschungseinrichtung CEA Leti haben den Wirkungsgrad einer von ihnen entwickelten Vierfach-Solarzelle innerhalb des letzten Jahres von 44,7 auf 46 Prozent verbessert. Das Ergebnis sei ein klarer Indikator dafür, „dass wir in naher Zukunft die 50 Prozentmarke erreichen können“, sagte Dr. Jocelyne Wasselin, Vizepräsidentin der Solarzellen-Produktentwicklung bei Soitec.

Vier Teilzellen bündeln Sonnenstrahlung

Die Herstellung von Mehrfach-Solarzellen ist zwar teuer und aufwendig. Doch reicht eine sehr kleine Solarzellenfläche, auf der die Konzentrator-Optik die Strahlung bündelt, meldet der Brancheninformationsdienst Bine. Für die Vierfach-Zellen würden unterschiedliche Halbleitermaterialien wie Gallium-Indium-Phosphid, Gallium-Indium-Arsenid und Germanium kombiniert. Jeder der vier gestapelten Halbleiter setzt sich aus mehreren funktionalen Einzelschichten zusammen. Und jeder nutzt einen anderen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts, um Strom zu erzeugen.

Um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, werden die vier übereinander liegenden Teilzellen so aufeinander abgestimmt, dass in jeder jeweils genau dieselbe Stromstärke erzeugt wird. Somit gibt es kein schwächstes Glied, das den Ertrag begrenzen könnte.

Jede Teilzelle wandelt ein Viertel der Photonen im Wellenlängenbereich zwischen 200 und 1.750 Nanometer in elektrische Energie um. Für diese gleichmäßige Verteilung der Lichtenergie auf die vier Teilzellen mussten die Forscher laut Bine die Material-Zusammensetzung und Dicke jeder einzelnen Halbleiterschicht in der Solarzelle in einem aufwendigen Verfahren genau anpassen.

Konzentrierte Energie von mehr als 500 Sonnen

Mehrfach-Solarzellen werden mit Konzentrator-Systemen zu Modulen kombiniert. Bei dieser sogenannten konzentrierenden Photovoltaik lenkt die Optik auf jede stecknadelkopfgroße Solarzelle einen 100- bis 1.000-fach konzentrierten Lichtstrahl. Ein Tracker führt das Modul exakt der Sonne nach.

Der neue Rekordwert wurde bei einer 508-fachen Konzentration des einfallenden Lichts gemessen. Dementsprechend ist auch die Fläche der Solarzellen 500 bis 800 Mal kleiner als bei der Standard-Photovoltaik. Konzentrator-Module eignen sich für Gegenden mit einem hohen Anteil direkter Sonnenstrahlung, wie etwa Südeuropa. Dort können sie kostengünstig regenerativen Strom erzeugen

Australier erreichen über 40 Prozent Wirkungsgrad

Mit einem anderen Zellaufbau erreichten laut dem Informationsdienst Bine Forscher der australischen Universität von New South Wales bei Feldtests einen Wirkungsgrad von über 40 Prozent. Sie kombinierten auf einem Germanium-Substrat moderne Dreifach-Solarzellen mit günstig herstellbaren Silizium-Solarzellen. Licht, das von den Dreifachzellen nicht genutzt wird, spalten sie in verschiedene Spektralbereiche und leiten es auf die Siliziumzelle.

Die australischen Forscher wollen die neuen Rekordzellen in einem Turmkraftwerk einsetzen. Bei diesem vom Solarkraftwerkhersteller RayGen Resources entwickelten Konzept lenkt eine Vielzahl von Spiegeln – sogenannte Heliostaten – die der Sonne nachgeführt werden, die Strahlung und konzentriert sie auf die Receiver mit Solarzellen im Turm. bine

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