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Forschenden am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg ist es gelungen, die Effizienz der bisher besten Vierfachsolarzelle von 46,1 auf 47,6 Prozent bei 665-facher Sonnenkonzentration zu erhöhen. Gegenwärtig gibt es keine effizientere Solarzelle auf der Welt, die Entwicklung ist also ein wichtiger Meilenstein für die Gewinnung von solarer Energie. Möglich wurde sie durch verschiedene Optimierungen sowie eine neue Antireflexbeschichtung.

Seit März 2020 wird am Fraunhofer ISE an dem durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK geförderte Projekt 50Prozent gearbeitet. Dessen Ziel ist es, eine Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von – der Name verrät es bereits –50 Prozent zu entwickeln. Zum Vergleich: Herkömmliche Silizium-Solarzellen erreichen üblicherweise einen Wirkungsgrad von 15 bis 22 Prozent, je nach Art und Aufbau.

Optimierung und Neubeschichtung

Die Arbeit der Forschenden konzentrierte sich auf die Optimierung jeder einzelnen Schicht der komplexen Mehrfachsolarzellen, auf prozesstechnologische Verbesserungen an den Metallkontakten sowie den Einbau einer vierlagigen Antireflexionsschicht. Die Schichtstruktur der neuen Solarzelle wurde bereits 2016 gemeinsam mit dem französischen Unternehmen Soitec entwickelt, einem Hersteller innovativer Halbleitermaterialien. Es handelt sich hierbei um eine obere Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), die von Soitec auf eine untere Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP) und Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) gebondet wurde.

Bei der nun entwickelten Solarzelle sinken die Widerstandsverluste ebenso wie die Reflexion an der Vorderseite der Zelle, die in einem breiten Spektralbereich von 300 bis 1.780 Nanometern empfindlich ist. Herkömmliche Solarzellen aus Silicium absorbieren das Sonnenlicht nur bis zu einer Wellenlänge von 1.200 Nanometern und benötigen deshalb keine solch breitbandige Entspiegelung. Somit erzielt die neue Solarzelle unter konzentriertem Sonnenlicht einen Wirkungsgrad von 47,6 Prozent (s. Grafik).

Mehr Effizienz durch Tandem-Technologie

Mehrfachsolarzellen aus III-V-Verbindungshalbleitern gehören seit jeher zu den effizientesten Solarzellen der Welt. Sie entfalten ihr höchstes Potenzial, wenn das Sonnenlicht zusätzlich durch Linsen auf wenige Quadratmillimeter kleine Bauelemente gebündelt wird. „Zu den Anwendungsmöglichkeiten solcher höchsteffizienten Tandemsolarzellen gehören Konzentrator-Photovoltaik-Systeme, die in sonnenreichen Ländern zur effizienten Energieerzeugung beitragen“, sagt Prof. Dr. Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik Forschung am Fraunhofer ISE. „Mit der Tandemphotovoltaik ist es möglich, die Grenzen von Einfachsolarzellen hinter sich zu lassen und damit letztendlich eine Senkung der Solarstromkosten zu erreichen.“

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