Robert Klatt
Herkömmliche Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von etwa 30 Prozent. Eine neu entwickelte Solarzelle aus Deutschland wandelt Sonnenlicht deutlich effizienter in Strom um.
Freiburg im Breisgau (Deutschland). Laut dem Koalitionsvertrag von SPD, Grünen und FDP soll in Deutschland bis zum Jahr 2030 80 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Quellen stammen. Im Jahr 2020 lag der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromproduktion erstmals bei über 50 Prozent. Im Jahr 2021 konnten die Wind- und Wasserkraftwerke sowie die Photovoltaikanlagen in privaten Haushalten und kommerziellen Parks wegen der schlechteren Sonnen- und Windverhältnisse nur knapp unter 50 Prozent des gesamten Stroms erzeugen.
Neben der Intensität und Anzahl der Sonnenstunden ist bei Photovoltaikmodulen primär der Wirkungsgrad entscheidend. Dieser gibt an, wie effizient eine Photovoltaikanlage das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln kann. Bei gängigen Photovoltaikzellen liegt der Wirkungsgrad bei weniger als einem Drittel. Ein Großteil der Sonnenenergie wird also nicht in Strom umgewandelt. Würde man diesen Wirkungsgrad erhöhen, könnte man also mit derselben Fläche an Photovoltaikmodulen die Stromausbeute stark erhöhen.
Helfen sollen hier sogenannte Tandem-Solarzellen, bei denen mehrere Solarzellen aus unterschiedlichen Halbleitern übereinander geschichtet sind. Weil diese Materialien jeweils andere Spektralbereiche des Sonnenlichts zur Stromproduktion nutzen können, erreichen diese Mehrfachsolarzellen einen deutlich höheren Wirkungsgrad.
Bisher lag der Rekord bei 46,1 Prozent. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE arbeiten im Rahmen des Projekts 50Prozent jedoch seit mehreren Jahren daran, den Wirkungsgrad von Tandem-Solarzellen auf mindestens 50 Prozent zu erhöhen.
Sie suchen dazu nach neuen Möglichkeiten, die einzelnen Schichten der Mehrfachsolarzellen weiter zu optimieren. Zudem werden auch die Antireflexionsbeschichtung der Oberflächen und die Metallkontakte durch die Wissenschaftler des Projekts verbessert. Um die Auswirkungen ihrer Optimierungsmaßnahmen erfassen zu können, entwickelt das Projektteam überdies die Messtechnik weiter, mit der die Effizienz von Solarzellen nach international anerkannten Kalibrierstandards erfasst wird.
Laut einer Mitteilung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE ist dem Projektteam um Frank Dimroth nun ein erster Durchbruch gelungen. Die Wissenschaftler konnte eine neue Solarzelle herstellen, die unter konzentriertem Sonnenlicht einen Wirkungsgrad von 47,6 Prozent erzielt. Damit übertrifft das Photovoltaikmodul die Effizienz des bisherigen Rekordhalters um 1,5 Prozent. „Wir sind begeistert von diesem Ergebnis“, kommentiert Dimroth.
Das neue Modul besteht aus zwei aufeinanderliegenden Tandem-Solarzellen. Die obere Tandem-Solarzelle besteht aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), die unter Tandem-Solarzelle aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP) und Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs). Dank dieser Materialkombination kann das Solarmodul den Spektralbereich von 300 bis 1.780 Nanometern absorbieren. Herkömmliche Silizium-Solarzellen können den Spektralbereich bis etwa 1.200 Nanometer nutzen.
Laut den Entwickler zeigt der neue Rekordwirkungsgrad, dass bei Mehrfachsolarzellen die Effizienz noch erhöht werden kann. „Mit der Tandemphotovoltaik ist es möglich, die Grenzen von Einfachsolarzellen hinter sich zu lassen und damit letztendlich eine Senkung der Solarstromkosten zu erreichen“, so Stefan Glunz.
„Zu den Anwendungsmöglichkeiten solcher höchsteffizienten Tandem-Solarzellen gehören Konzentrator-Photovoltaik-Systeme, die in sonnenreichen Ländern zur effizienten Energieerzeugung beitragen“, erklärt Glunz. Es handelt sich dabei um Systeme, bei denen das eintreffende Sonnenlicht durch Linsen stark konzentriert wird.
