Weltrekord für Mehrfachsolarzelle

Für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg erstmals einen Wirkungsgrad von 41 Prozent erzielt. Hierzu wurde das Sonnenlicht 454-fach auf eine nur fünf Quadratmillimeter kleine Dreifach-Solarzelle aus den Halbleitern Gallium-Indium-Phosphid, Gallium-Indium-Arsenid und Germanium konzentriert.

Nur fünf Quadratmillimeter groß ist die neue Solarzelle (Foto: ISE)

Am ISE werden seit 1999 so genannte metamorphe Mehrfach-Solarzellen entwickelt, eine spezielle Art der Solarzellen aus III-V-Halbleiterkombinationen, d.h. Verbindungen von chemischen Elementen der Hauptgruppen III und V des Periodensystems. Sie bestehen aus speziell  aufeinander gewachsenen Schichten unterschiedlicher Halbleiter. Anders als Solarzellen, die nur aus einem einzigen Material – zum Beispiel Silizium – bestehen, können Mehrfachzellen das Spektrum des Sonnenlichts in einem viel größeren Wellenlängenbereich ausnutzen (siehe Energie-Perspektiven 1/04). Sie lassen sich aber nur mit Hilfe eines Tricks – des metamorphen Wachstums – gut miteinander kombinieren. Denn die Atome im Kristallgitter der verschiedenen Halbleiter besitzen nicht denselben Abstand; die so genannte „Gitterkonstante“ ist unterschiedlich groß. An den Übergängen bilden sich daher Spannungen beim Wachstum der Halbleiterschichten, die zu Versetzungen und anderen Kristallfehlern führen.

Durch Umwandeln des Kristallgefüges in eine neue stabile Ordnung ist es den Forschern jetzt gelungen, die Defekte in einem Bereich der Solarzelle zu lokalisieren, der nicht elektrisch aktiv ist. So bleiben die aktiven Teile der Zelle weitgehend fehlerfrei – eine Voraussetzung für hohe Wirkungsgrade. Damit lässt sich eine weitaus größere Anzahl an Halbleiterverbindungen für das Wachstum der Mehrfach-Solarzellen nutzen. Für höchste Effizienz ist es nämlich entscheidend, das Sonnenspektrum – durch geeignete Wahl der das Sonnenlicht absorbierenden Materialien – in gleich große Spektralbereiche aufzuteilen. So erzeugen alle Teilzellen den gleichen Strom – wichtig für eine seriell verschaltete Solarzelle, deren Gesamtstrom letztlich immer durch den kleinsten Strom einer Teilzelle begrenzt wird. Mit den Materialien Gallium-Indium-Phosphid, Gallium-Indium-Arsenid und Germanium konnte erstmals eine Solarzellenstruktur gewählt werden, die dem Sonnenspektrum exakt angepasst ist. Bei 454-facher Sonnenlichtkonzentration erreichten die Freiburger Forscher so Weltrekord: 41,1 Prozent Wirkungsgrad.

Die hocheffizienten Mehrfachsolarzellen sollen – wegen der hohen Material- und Herstellungskosten – in photovoltaischen Konzentratorsystemen für Solarkraftwerke in Ländern mit viel direktem Sonnenlicht eingesetzt werden. Das ISE arbeitet nun mit Industriefirmen zusammen, die neue Technik konkurrenzfähig zu machen .

ise/bal