Gleich zwei Rekord-Wirkungsgrade am ISE

Heute gibt es gleich zwei Rekord-Meldungen vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Die Freiburger Wissenschaftler schufen mit 37,6% einen neuen Europarekord für den Wirkungsgrad von Solarzellen (Weltrekord liegt bei knapp über 40%). Das Ergebnis wurde auf der Basis so genannter Mehrfach­solarzellen aus III-V Halbleitern erzielt, das sind Solarzellen, die bislang hauptsächlich im Weltraum eingesetzt werden. Auch bei deren Einsatz in der Konzentrator-Photovoltaik wurden Bestwerte gefeiert. So konnten die Solarzellenforscher erstmals 28,5 % Modulwirkungsgrad unter realen Bedingungen am Standort Freiburg messen.

Derzeit laufende Entwicklungen der Fraunhofer Forscher erlauben nun auch den kosteneffizienten Einsatz derartiger Mehrfach­solarzellen aus III-V Halbleitern auf der Erde. Hierfür wird das Sonnenlicht bis zu 2000-fach auf eine nur wenige Quadratmillimeter große Mehrfachsolarzelle gebündelt. Die Konzentrator-Technologie verspricht schon in naher Zukunft die Kosten der Stromerzeugung aus Sonnenlicht deutlich zu senken, insbesondere in Ländern mit viel direkter Sonneneinstrahlung.

Bei Mehrfachsolarzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) und Germanium (Ge) wird das Sonnenspektrum in drei Wellenlängenbereiche aufgeteilt, um es dann besonders effizient in elektrische Energie umwandeln zu können. Den jetzt erreichten Wirkungsgrad von 37,6% erzielten die Fraunhofer Forscher bei sehr hohen Einstrahlungsintensitäten von 1700-facher Sonnenkonzentration.

»Am Fraunhofer ISE arbeiten wir seit mehr als zehn Jahren intensiv an der Entwicklung von Mehrfach­solarzellen für die Anwendung in Konzentratorsystemen, weil diese Technologie die mit Abstand höchsten Effizienzen für die solare Energieumwandlung verspricht« sagt Dr. Frank Dimroth, Leiter der Arbeitsgruppe ‚III-V – Epitaxie und Solarzellen’ am Fraunhofer ISE. Entscheidende Fortschritte in der Material­entwicklung haben zu dem jetzt erreichten Rekordwirkungsgrad geführt. Wichtigstes Ziel dabei war, dass die Solarzellen auch bei höchsten Intensitäten zuverlässig arbeiten. »Insbesondere die Qualität der nur 30 nm dünnen Tunneldioden, mit denen die drei Teilzellen verbunden werden, sind von entscheidender Bedeutung«, so Dimroth. Unterstützt wurden die Arbeiten durch das EU-Forschungsprojekt »Fullspectrum«.

Mehrfachsolarzellen bestehen aus komplexen Strukturen mit etwa 30 Einzelschichten aus III‑V Verbindungshalbleitern, die alle eine sehr hohe Kristallqualität besitzen müssen. Zur Herstellung der Solarzellenstrukturen setzen die Forscher am Fraunhofer ISE eine große Produktionsanlage zur Metallorganischen Gasphasenepitaxie der Firma Aixtron in Aachen ein. »Erstmalig konnten wir zeigen, dass mit Produktions­anlagen von Aixtron Mehrfachsolarzellen mit solch hohen Effizienzen und hoher Ausbeute hergestellt werden können«, freut sich Frank Dimroth. Da wir unsere Forschung auf Produktionsanlagen betreiben, können wir neue Ergebnisse innerhalb weniger Monate mit unserem Kooperationspartner AZUR SPACE in Heilbronn in den Markt bringen.«

In Konzentrator-Photovoltaik steckt noch viel Potenzial

Der Wirkungsgrad der Solarzellen und der Module ist bei der Konzentrator-Photovoltaik der wesentliche Schlüssel zum Erfolg. »Die hohen Zellwirkungsgrade für Solarzellen aus eigener Produktion haben uns beim Erzielen dieses hohen Modulwirkungsgrads sehr geholfen«, sagt Dr. Andreas Bett, Abteilungsleiter ‚Materialien – Solarzellen und Technologie’ am Fraunhofer ISE. »Aber auch die Arbeit an der nächsten Modulgeneration war ausschlaggebend.« Die Wissenschaftler am Fraunhofer ISE haben in der neusten Modulgeneration auf der Zelle einen weiteren optischen Konzentrator eingesetzt. Andreas Bett ist überzeugt, »dass das Potenzial der Konzentrator-Photovoltaik noch lange nicht ausgeschöpft ist. Wir glauben, dass in den kommenden Jahren noch Zellwirkungsgrade bis zu 45 % und Modulwirkungsgrade bis 35 % möglich sind.«

»Ich halte diese Technologie neben der bewährten Silicium-Technologie für besonders erfolgversprechend für Länder mit starker Sonneneinstrahlung«, so Institutsleiter Prof. Eicke Weber. Schon heute erzeugen PV-Konzentrator­systeme in südlichen Ländern wie Spanien doppelt so viel Strom pro Fläche wie konventio­nelle Photovoltaik-Technologien auf der Basis von Silicium. Um wettbewerbsfähig zu sein, müssen die Kosten aber noch weiter sinken. Dies kann unter anderem durch höhere Effizienzen erzielt werden.

Wesentliche Unterstützung erfahren die Arbeiten durch das Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit BMU im Rahmen des Projekts ‚’ProKonPV’ und durch Concentrix Solar.

Concentrix Solar, eine Ausgründung des Fraunhofer ISE in Freiburg und Preisträger des Innovationspreises der Deutschen Wirtschaft 2007 in der Kategorie ‚Start-up’, erstellt seit drei Jahren photovoltaische Kraftwerke, die auf der FlatCon® Konzentratortechnologie des Fraunhofer ISE beruhen. Concentrix wird in Kürze eine erste 25 MW Produktionsanlage für diese Technologie in Betrieb nehmen.

»Wir glauben, dass die Konzentrator-Photovoltaik ein vielversprechender Weg ist, um die Kosten für Strom von der Sonne langfristig zu senken und so einen Beitrag zur Lösung der Energieprobleme auf unserer Erde zu leisten«, so Andreas Bett.