Solarzellen am Zenit

Herkömmliche Silizium-Einfachsolarzellen reichen aus, um Uhren und Taschenrechner zu betreiben, aber bei der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom sie sind nicht sehr leistungsfähig. Diese industriellen Solarzellen wandeln nämlich nur 17 % effizient um, während andere Solarzelltypen aus anderen Bestandteilen bis zu 25 % schaffen.

Weltrekordsolarzelle im Januar 2009: 41,1% Wirkungsgrad

Bildbeschreibung:
Weltrekordsolarzelle im Januar 2009: 41,1% Wirkungsgrad.Das Material ist Ga_0.35In_0.65P/Ga_0.83In_0.17As/Ge mit einer Zellfläche von 5,09 mm². Hergestellt wurde diese Solarzelle im Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme.

Die Forscher konzentrieren sich folglich auf die Entwicklung von Mehrfachsolarzellen. Diese setzen sich aus mehreren Elementen zusammen, wie beispielsweise Galliumarsenid, Galliumindiumphosphid oder Germanium, weshalb sie einen viel größeren Spektralbereich der Sonnenenergie erfassen können. Bei einer Mehrfachstruktur handelt es sich im Prinzip um nichts anderes als übereinander geschichtete Einfachsolarzellen. Da aber unterschiedliche Halbleiter verwendet werden, können auch verschiedene Bereiche des Sonnenspektrums von den einzelnen p-n-Übergängen in elektrischen Strom umgewandelt werden, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Das Fraunhofer-Institut entwickelt seit etwa zehn Jahren metamorphe Mehrfachsolarzellen auf der Grundlage von Halbleitern der Gruppen III-V, die sich hervorragend für die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom eignen.

Für jede Solarzelle wird zunächst ein Halbleiter mit p-n-Übergang verwende. Um eine bessere Konversionsrate zu erzielen, werden Zellen aus verschiedenen Werkstoffen mit jeweils unterschiedlichem p-n-Übergang übereinander gestapelt. Mit einer Zelle aus Germaniumsubstrat, über die Galliumarsenid und dann als dritte Schicht Galliumindiumphosphid aufgetragen wurde, konnte sich das Fraunhofer-Institut Anfang des Jahres den Weltrekord sichern. Für Andreas Bett, Leiter der Solarzellenabteilung, ist die Idee der Wirkungsgradsteigerung durch Stapelung nicht neu, aber der Schlüssel zum Erfolg liegt in der richtigen Technologie und der Verwendung hochwertiger Werkstoffe.

Der Trick: metamorphes Kristallwachstum

Alle Halbleiter bestehen aus kristallinen Stoffen. Diese periodischen Strukturen werden aus Atomschichten gebildet, die durch einen für das verwendete chemische Element spezifischen Abstand, den sogenannten "Gitterparameter", voneinander getrennt sind. Die untere Schicht ist hier Germanium und wenn ein anderer Stoff darüber gelegt wird, muss er im Prinzip mit Germanium kompatibel sein, d. h. den gleichen Gitterparameter aufweisen. Dadurch wird ein hochwertiges Kristall erzielt, das bei der Solarenergieumwandlung keine Probleme verursacht. Wenn aber der Gitterparameter auch nur geringfügig abweicht, können sogenannte Versetzungen den Konversionsgrad deutlich beeinträchtigen.

Hierin liegt der Trick des metamorphen Kristallwachstums, auf den das Fraunhofer-Institut zurückgreift. Sie entwickelten eine spezifische inaktive Solarzellenschicht, eine sogenannte Pufferschicht, in der alle Versetzungen im Kristall eingeschlossen werden. Erst über einer derartigen Pufferschicht werden die einzelnen Werkstoffe mit einem neuen Gitterparameter platziert, was letztendlich ein relativ fehlerfreies Kristall liefert. Alle Kristallgitterstörungen werden nämlich in einem elektrisch inaktiven Teil der Solarzelle gebündelt, sodass die aktiven Teile störungsfrei sind.

Durch metamorphes Kristallwachstum wird ein größerer III-V-Halbleiterbereich in den Mehrfachsolarzellen verwendet. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, wird das Sonnenspektrum durch Stoffe mit den entsprechenden Absorptionseigenschaften in drei gleichgroße Regionen unterteilt. Die Kombination der metamorphen Stoffe Ga0.35In0.65P und Ga0.83In0.17As/Ge eignet sich optimal, da jede der Unterzellen der Dreifachzelle die gleiche Menge elektrischen Stroms erzeugt, was für die Optimierung der Umwandlung von entscheidender Bedeutung ist.

Noch höhere Ziele?

Für die Forscher des Fraunhofer-Instituts war das nicht der erste Versuch. Im vergangenen Jahr hatten sie bereits den europäischen Rekord der Solarenergieumwandlung innerhalb von drei Monaten von 37,6 % auf 39,7 % verbessert. Die Entwicklung von Dreifachzellen erfolgt im Rahmen des 2003 gestarteten Projekts FullSpectrum, das unter dem 6. Rahmenprogramm finanziert wird. Die Wissenschaftler haben ihre Forschungsarbeiten mit einem Wirkungsgrad von 32 % begonnen und hatten im September 2008 zum Ende des Projekts 35 % erreicht.

Anhand dieser Ergebnisse glaubt Andreas Bett, dass ein Wirkungsgrad von 42 % bis 43 % in naher Zukunft durchaus machbar sei. "Der nächste Schritt besteht darin, weitere p-n-Übergänge hinzuzufügen. Wenn wir bis zu 5 oder 6 Übergänge haben, könnten wir vielleicht an die 50 % herankommen. Aber dafür müssen neue Werkstoffe entwickelt werden, was noch eine Weile dauern wird." Außerdem sind die Mehrfachsolarzellen mit III-V-Halbleitern bereits in der industriellen Produktionsphase. Die vom Fraunhofer-Institut entwickelte Technologie wurde nämlich an den Kooperationspartner AZUR Space Solar Power in Heilbronn (DE) übertragen. Das Unternehmen war am Projekt FullSpectrum beteiligt und produziert jetzt diese Solarzellen im großen Maßstab.

"Wir sind davon überzeugt, dass unsere Zellen zur Entwicklung einer wettbewerbsfähigeren Fotovoltaiktechnologie führen und in der Zukunft die Kosten für die Produktion von Solarstrom sinken werden", schließt Andreas Bett.