Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) haben mit ihren französischen Kollegen von Soitec und CEA Leti einen neuen Weltrekord in der konzentrierenden Photovoltaik (CPV) aufgestellt. Sie haben eine Mehrfachsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von 46 Prozent entwickelt. Die Zelle erreicht diese Effizienz bei einer Bündelung des einstrahlenden Lichts um das 508fache. So trifft eine Strahlung mit einer Energie von 50,8 Watt auf ein Quadratzentimeter Zellfläche. „Dieser Weltrekord ist ein wichtiger Meilenstein in unserer französisch-deutschen Zusammenarbeit“, betont Frank Dimroth, Projektleiter für die Zellentwicklung am Fraunhofer ISE. „Wir sind sehr froh, dass unser Ergebnis von 46 Prozent jetzt durch eine unabhängige Messung von AIST in Japan bestätigt wurde. Die Konzentratorphotovoltaik ist heute die effizienteste Solartechnologie und eignet sich für alle Länder mit hoher direkter Solarstrahlung.“
Zwei Rekorde in einem Jahr
Damit haben die Freiburger Forscher bereits zum zweiten mal in diesem Jahr den Rekord im Segment der CPV gebrochen. Bereits im Juli dieses Jahres haben sie Vierfachsolarzellen des französischen Herstellers Soitec zu einer Stapelzelle zusammengeschaltet und bei einer 500fachen Konzentration des Sonnenlichts einen Wirkungsgrad von 36,7 Prozent erreicht.
Die neue Zelle mit vier pn-Übergängen haben die Freiburger zusammen mit Entwicklern von Soitec und Wissenschaftlern des französischen Forschungslabors CEA Leti in Grenoble entwickelt. Sie basiert auf III-V-Halbleiterverbindungen. Jeder der vier Teilzellen wandelt exakt ein Viertel der Photonen im Wellenlängenbereich zwischen 200 und 1750 Nanometern in elektrische Energie um. Die hohe Effizienz erreicht sie aber erst, wenn das Sonnenlicht mit einer Fresnellinse auf die Zelloberfläche konzentriert wird. Eine besondere Herausforderung war dabei die gleichmäßige Verteilung der Photonen auf die vier Teilzellen. Dies haben die Forscher durch die genaue Anpassung der Materialzusammensetzung und Dicke jeder einzelnen Halbleiterschicht in der Solarzelle geschafft.
Das nächste Ziel fast erreicht
Die Freiburger haben mit ihrer neuen Entwicklung schon fast ihr Nahziel für die konzentrierende Photovoltaik erreicht. Dieses liegt bei 50 Prozent. Es ist aber noch viel mehr Effizienz bei der CPV drin. „Man kann eine ganz generelle absolute theoretische Obergrenze von 86 Prozent angeben“, weiß Andreas Bett, Geschäftsfeldleiter für konzentrierende Photovoltaik am Fraunhofer ISE. „Für Mehrfachsollen mit sechs pn-Übergängen und unter konzentriertem Licht werden im theoretischen Limit etwa 68 Prozent errechnet. Wir erwarten, dass 70 bis 80 Prozent dieses Wertes in der Praxis erreicht werden können.“
Produktionslinie steht bereits
Jetzt geht es darum, die Zelle auch in die Massenfertigung zu überführen. Denn die Marktaussichten stehen gut für das Segment der CPV. Sie ist zwar nur in Regionen mit direkter Sonneneinstrahlung einsetzbar, doch die Projektpipeline von Soitec und anderen Herstellern wie Suncore Photovoltaics in China oder Arzon Solar aus den USA ist gut gefüllt. Kenner des CPV-Marktes erwarten allein für dieses Jahr erstmals einen Zubau jenseits der 100 Megawatt – Tendenz steigend. „Wir haben für diese neue Zellgeneration bereits eine Linie in Frankreich aufgebaut“, sagt Jocelyne Wasselin, bei Soitec für die Entwicklung von Solarzellen verantwortlich. „Dort sind mehr als 25 Ingenieure und Techniker beschäftigt, die unsere Bonding- und Schichttransfertechnologien zum Einsatz bringen. Ich habe keine Zweifel, dass diese erfolgreiche Zusammenarbeit mit unseren deutschen und französischen Partnern sowohl die Wirkungsgrade der Zellen als auch die Wettbewerbsfähigkeit der CPV-Technologie, weiter voranbringen wird.“ Diese Wettbewerbsfähigkeit liegt vor allem in der hohen Stromausbeute auf einer sehr geringen Fläche. Das spart nicht nur Halbleitermaterial, da das Sonnenlicht auf kleinste Zellen gebündelt wird. Die Technologie verlangt auch weniger Installationsaufwand, was vor allem in Ländern mit hohen Kosten für die Monteure wie in den USA – einer der wichtigsten Zielmärkte für die CPV – ein enormer Vorteil ist. (Sven Ullrich)
