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03.04.2018

Mehr Leistung aus Silizium Zellen

Ein Drittel des Sonnenlichts in Strom wandeln. 33,3 Prozent schafft die Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis.

33,3 Prozent des Sonnenlichts wandelt die Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis in Strom ©Fraunhofer ISE / Dirk Mahler

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit der Firma EVG eine neue Mehrfachsolarzelle auf Silicium entwickelt. Die wandelt genau ein Drittel, nämlich 33,3 %, der im Sonnenlicht enthaltenen Energie in elektrischen Strom um.

Die jetzt erzielte Umwandlungsrate einer Mehrfach-Siliciumsolarzelle wurde durch 0.002 mm dünne Halbleiterschichten erreicht. Das ist weniger als ein zwanzigstel der Dicke eines Haars.

Strom aus unterschiedlichen Wellenbereichen des Lichts

Das sichtbare Licht wird in einer ersten Solarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid absorbiert, das nahe Infrarotlicht in Galliumarsenid und längerwelliges Licht schließlich in Silicium. So können die Wirkungsgrade heutiger Siliciumsolarzellen gesteigert werden und dabei gleichzeitig Material gespart werden. Die Rekordzelle mit dem neuen Ansatz gleicht von außen einer herkömmlichen Solarzelle mit zwei Kontakten und kann daher leicht in Standard Photovoltaikmodule übernommen werden.

Die Technologie

Beim der Entwicklung der Mehrfachsolarzellen wurden 1.9 Mikrometer dünne III-V-Halbleiter­schichten auf Silicium verpresst. Die Verbindung gelang mittels dem direkten Waferbonding, bei dem die Oberflächen im Hochvakuum mit Hilfe eines Ionenstrahls deoxidiert und anschließend unter Druck miteinander verpresst werden. Bei diesem verfahren gehen die Atome der III-V Oberfläche Bindungen mit dem Silicium eingehen. Der Solarzelle sieht man die komplexe innere Struktur nicht an, sie besitzt wie herkömmliche Siliciumsolarzellen einen einfachen Vorder- und Rückseitenkontakt und kann wie diese in PV-Module integriert werden.

Zellaufbau

Die Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis weist eine Abfolge von übereinander gestapelten Teilzellen aus Gallium-Indium-Phosphid, Gallium-Arsenid und Silicium auf, die intern durch sogenannte Tunneldioden verschaltet sind. Die oberste Zelle aus Gallium-Indium-Phosphid absorbiert Strahlung zwischen 300 und 670 nm, die Gallium-Arsenid-Zelle Strahlung zwischen 500 und 890 nm und die Siliciumzelle zwischen 650 und 1180 nm.

Industrielle Herstellung

Für eine industrielle Fertigung der Hochleistungssolarzelle müssen die Herstellungskosten der hauchdünnen Schichten und die der Verbindungstechnologie gesenkt werden. Hier liegen große Herausforderungen für die weitere Entwicklung und der Projektförderung. Unterstützt wurde die Forschung durch ein Marie Curie Stipendium, durch die Europäische Union im Rahmen des Projekts NanoTandem und durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi im Rahmen des Projekts PoTaSi.

Ist die Zelle wettbewerbsfähig steigert das die Wettbewerbsfähigkeit von Photovoltaik. Selbst wenn die Zelle teurer wäre als Standardzellen müssen bei der Installation weniger Kabel, Unterkonstruktion und Bauzeit für die gleiche Leistung aufgewendet werden. Ein echter Vorteil. Manfred Gorgus