Höchsteffiziente Mehrfachsolarzellen und Konzentratormodule

Mediendienst / 19.5.2010

Solarenergie wird eine bedeutende Rolle im Energiemix der Zukunft spielen. Denn Sonnenenergie steht unbegrenzt zur Verfügung. Mithilfe einer Konzentrator-Solarzelle lässt sich noch mehr Sonnenlicht in Energie umwandeln.

Bild: Preisträger
© Foto Fraunhofer / Dirk Mahler

Joseph-von-Fraunhofer-Preistraeger 2010 Dr. Andreas Bettt und Dr. Frank Dimroth (v.l.n.r.) Fraunhofer ISE

Klimawandel und versiegende fossile Ressourcen bestimmen den Energiemix der Zukunft. Die Solarenergie wird dabei eine wesentliche Rolle spielen. Dr. Andreas Bett und Dr. Frank Dimroth vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg entwickelten eine metamorphe Dreifachsolarzelle bestehend aus den III-V-Verbindungshalbleitern Galliumindiumphosphid, Galliumindiumarsenid und Germanium. Der spezielle Aufbau ermöglicht es, fast das gesamte Spektrum des Sonnenlichts optimal zur Energieerzeugung zu nutzen. Die Forscher konnten damit mehr Sonnenlicht in Strom umwandeln als je zuvor, bei einem Rekordwirkungsgrad von 41,1 Prozent. Für ihre Arbeiten erhalten sie den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2010.

Der hohe Wirkungsgrad wird möglich, indem mehrere Solarzellen mit einer sehr guten Qualität übereinander gestapelt werden. »Unsere Dreifach-Solarzelle besteht aus mehr als 20 einzelnen Schichten, die wir alle optimiert haben«, sagt Dr. Frank Dimroth. »Wir haben sowohl die Struktur der Halbleiterschicht als auch die Materialqualität, die Metallkontakte, sowie die Antireflexschichten verbessert, um zu diesem Ergebnis zu kommen«. Ursprünglich wurden Mehrfach-Solarzellen für den Weltraum entwickelt, die meisten Satelliten im All sind mit ihnen bestückt. Sie liefern den Strom für den Betrieb. Da das Herstellungsverfahren vergleichsweise teuer ist, kamen diese Zellen auf der Erde bisher nicht zum Einsatz. Die Kombination der hocheffizienten Zellen mit einem Linsen-Verstärker sorgt dafür, dass im Vergleich zu herkömmlichen Solarmodulen nur noch etwa ein Fünfhundertstel der Halbleiterfläche benötigt wird. Die Zellen in den eigens entwickelten Konzentratormodulen sind nur drei Quadratmillimeter groß. Über dieser kleinen Solarzelle liegt in einem Abstand von etwa zehn Zentimetern eine Fresnellinse. Dieser Aufbau konzentriert das Sonnenlicht um den Faktor 400 bis 500. Damit die Zellen nicht überhitzen, sind sie auf einen Kupferträger aufgebracht, der die Wärme ausreichend gut verteilt. So reicht es, die Solarzelle nur passiv zu kühlen. »Dank dieses Aufbaus konnten wir Module mit Wirkungsgraden von über 29 Prozent herstellen«, sagt Dr. Andreas Bett. Unter dem Namen FLATCON® sind diese Module seit 2007 auf dem Markt und beispielsweise in einem spanischen Solarpark im Einsatz.

Damit die Technologie zügig vom Labor in die Industrie gelangt, wurde am Institut ein Demonstrationslabor mit Maschinen aufgebaut, wie sie auch in der Industrie genutzt werden. Hier erarbeiten und testen die Forscher Produktionsprozesse für die Aufbau- und Verbindungstechnik, die Modulintegration und die Qualitätskontrolle. Ein Spin-off aus dem ISE, die Firma Concentrix Solar GmbH, produziert die Konzentratorsysteme, die beispielsweise in einem spanischen Solarpark mit einem Systemwirkungsgrad von 25 Prozent Solarstrom ins Netz speisen. Bei der Entwicklung der metamorphen Mehrfachsolarzellen arbeitet das Team seit Jahren eng mit der Firma AZUR Space Solar Power in Heilbronn zusammen, dem führenden Europäischen Hersteller von Solarzellen für den Weltraum. Dieser Partner will die hocheffizienten Solarzellen 2011 auf den Markt bringen.