Die Jagd nach dem Wirkungsgrad

Herkömmliche Silizium-Solarzellen für terrestrische Anwendungen erreichen im Labor Wirkungsgrade von 10 bis 24 Prozent. Aufsehen erregte daher das kürzlich veröffentliche Ergebnis der amerikanischen Firma Spectrolab, die mit so genannten „Triple-junction“-Zellen den weltweit höchsten Laborwert für eine Solarzelle von 36,9 Prozent erzielte.

Die Funktionsweise von Solarzellen beruht darauf, dass die Ladungsträger in dem Halbleiterkristall durch den Lichteinfall genügend Energie erhalten, um die Energielücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband zu überwinden. Solarzellen aus einem einzigen Material können das Sonnenlicht nicht optimal ausnutzen: Licht, d.h. Photonen mit Energien, die kleiner als die Bandlücke sind, passieren die Halbleiterschicht und gehen somit „verloren“, während sehr energiereiche Photonen nur zu einer Erwärmung des Materials führen. Tandem- und Triple-Solarzellen bestehen aus zwei bzw. drei aufeinander gestapelten Zellen aus unterschiedlichen Halbleitern. Die oberste Zelle hat die größte Bandlücke: sie absorbiert das energiereiche blaue Licht und lässt das rote durch. Die unteren Zellen nehmen dagegen die langwelligeren Anteile des Sonnenspektrums auf. Als besonders günstig erweist es sich, die unterschiedlichen Schichten in einem einzigen Herstellungsprozess auf einem gemeinsamen Substrat „monolithisch“ übereinander abzuscheiden.

Schema einer Tandemsolarzelle.

Als Materialien eignen sich die sogenannten III-V-Halbleiter, Verbindungen aus Elementen der III. Gruppe des Periodensystems wie z.B. Aluminium, Gallium und Indium, und Elementen der V. Gruppe wie Phosphor, Arsen oder Antimon. Durch gezielte Kombination dieser Stoffe lassen sich Absorptionskanten zwischen 500 Nanometern (blau) und 6000 Nanometern (infrarot) einstellen.

1984 wurden erstmals am NREL (National Renewable Energy Laboratory) in Golden, Colorado, monolithische Stapelzellen aus GaInP und GaAs untersucht. 1996 stellten die US-Firmen Tecstar und Spectrolab Triple-Zellen her, indem sie eine Infrarot absorbierende Germaniumzelle hinzufügten. Mit Solarzellen dieser Art werden zur Zeit Satelliten mit Strom versorgt. Für terrestrische Anwendung in konventionellen Flachmodulen sind diese Zellen jedoch zu teuer. Lohnen würden sie sich indes in Systemen, die das Sonnenlicht konzentrieren und deshalb viel weniger Halbleitermaterial verbrauchen. Für diesen Zweck ist auch die eingangs erwähnte Rekord-Triple-Zelle von Spectrolab konzipiert.

Ein FLATCON- Konzentrator-Modul, bestehend aus 48 Tandem-Einheiten (Foto: Fraunhofer ISE, Freiburg)

In Deutschland verfolgen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg das Ziel, die Erfolge der Weltraumsolartechnik auf Erden nutzbar zu machen. Sie entwickelten für die 300 bis 1200fache Konzentrationen der Sonnenstrahlung eine Tandem-Solarzelle aus GaInP (300 bis 740 Nanometer) und GaInAs (740 bis 1050 Nanometer), die einen Wirkungsgrad von ca. 30 Prozent erreicht. Dies stellt einen europäischen Spitzenwert dar. In Zusammenarbeit mit dem Ioffe-Institut in St. Petersburg bauten die ISE-Wissenschaftler zu Testzwecken sogenannte „FLATCON-Module“ (Fresnel All-glass Tandem-cell Concentrator). Ein Modul besteht aus 48 Tandem-Konzentratoreinheiten, bei denen flache Fresnellinsen das Licht auf 500 Sonnen bündeln und auf die nur wenige Quadratmillimeter großen Solarzellen lenken. Ein Glasgehäuse dichtet diese Anordnung hermetisch ab. Die einzelnen Module haben eine Leistung von ca. 5 Kilowatt, der Wirkungsgrad des besten Testmoduls liegt bei etwa 24,8 Prozent. Derzeit wird eine Testanlage aus mehreren Modulen errichtet, wobei ein Tracker mit 30 Quadratmetern installiert wird. Daneben führt das ISE-Institut eine Studie durch, um die Kosten für FLATCON-Module mit Triple-Solarzellen abzuschätzen.

Konzentratorsysteme mit Solarzellen aus III-V-Halbleitern könnten die Basis solarer Kraftwerke bilden. Da nur wenig Halbleitermaterial benötigt wird, sind hier hohe Modulzahlen mit Leistungen bis in den Gigawattbereich zu realisieren – allerdings nicht in unseren Breiten, den diese Solarzellen können lediglich direkte, nicht aber diffuse Sonnenstrahlung nutzen.

Olivia Meyer