(openPR) Freiburg (Fraunhofer ISE / Strom-Prinz.de) - Den Wert erreichten die Wissenschaftler mit einer 5 mm² großen sogenannten metamorphen Mehrfach-Solarzelle aus den III-V-Halbleitern GaInP/GaInAs/Ge (Gallium-Indium-Phosphid/Gallium-Indium-Arsenid/Germanium), auf die sie das Sonnenlicht 454-fach konzentrierten. Selbst bei noch höherer, 880-facher Sonnenkonzentration konnten sie immer noch eine Effizienz von 40,4 Prozent messen. Zum Vergleich: Der Wirkungsgrad kommerzieller Zellen liegt heute bei ca. 20 Prozent. Damit hergestellte Solarmodule erreichen einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 17 Prozent.
Metamorphe Mehrfachsolarzellen
Am Fraunhofer ISE entwickeln Forscher seit 1999 metamorphe Mehrfachsolarzellen, eine spezielle Art der Solarzellen aus III-V-Halbleiterkombinationen. Es handelt sich dabei um Zellen aus Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As auf GaAs- oder Ge-Substraten. Diese Materialien sind nach Angaben der Wissenschaftler besonders gut für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom geeignet. In ihrer Gitterstruktur unterscheiden sich diese allerdings von herkömmlichen Materialien für Mehrfach-Solarzellen.
Forscher tricksen beim Kristallwachstum
Bei den GaInP/GaInAs/Ge-Halbleitern ist der Abstand der Atome im Kristall nicht einheitlich, d.h. es gibt keine »Gitterkonstante«. Dies erschwert das Wachstum von III-V-Halbleiterschichten mit hoher Regelmäßigkeit, da sich an den Übergängen von Materialien mit unterschiedlicher Gitterkonstante Spannungen bilden, die zu Kristalldefekten führen. Deshalb wenden die Freiburger Wissenschaftler einen »Trick« an, um diese Materialien für die Photovoltaik nutzbar zu machen: »Metamorphes Kristallwachstum«. Die Forscher geben an, dass sich die Materialien ausschließlich mithilfe dieser Methode miteinander kombinieren lassen. Dabei werden die Defekte in einem Bereich der Solarzelle angeordnet, der nicht elektrisch aktiv ist. So bleiben die aktiven Bereiche der Solarzelle weitgehend defektfrei – eine Voraussetzung für das Erreichen eines hohen Wirkungsgrads.
Einsatz in Solarkraftwerken
Die hocheffizienten Mehrfachsolarzellen finden ihren Einsatz in photovoltaischen Konzentratorsystemen für Solarkraftwerke in Ländern mit viel direktem Sonnenlicht. Bei Konzentratorzellen wird Halbleiterfläche eingespart, indem das Sonnenlicht auf einen kleinen Bereich konzentriert wird. Dies erreicht man gewöhnlich durch Linsen, die im Vergleich zu Halbleitern in der Herstellung sehr billig sind. Sie arbeiten noch zuverlässig bei mehr als dem 500-fachen der Sonnenintensität. Konzentratorsolarzellen müssen jedoch dem Sonnenstand nachgeführt werden damit ihre Optik die Sonnenstrahlung auf die Zellen bündeln kann.
Schnelle Marktreife angestrebt
Das Fraunhofer ISE arbeitet zusammen mit den Firmen Azur Space in Heilbronn sowie Concentrix Solar GmbH in Freiburg, um die neue Technik so schnell wie möglich konkurrenzfähig zu machen. »Die hohen Wirkungsgrade unserer Solarzellen sind der effektivste Weg, die Stromgestehungskosten für konzentrierende Photovoltaiksysteme zu senken« so Dr. Andreas Bett, Abteilungsleiter am Fraunhofer ISE »Wir wollen erreichen, dass die Photovoltaik so schnell wie möglich mit herkömmlichen Verfahren der Stromerzeugung konkurrieren kann – hier sind wir mit unseren neuen Ergebnissen einen guten Schritt voran gekommen!«
Bundesministerien unterstützen Forschung
Die Forschung an III-V Mehrfachsolarzellen für die konzentrierende Photovoltaik wurde am Fraunhofer ISE in den vergangenen 15 Jahren zunächst durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dann auch durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) finanziell unterstützt. Auch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) trug mit mehreren Doktoranden-Stipendien zum Erfolg bei.
