Made in Germany: Effizienteste Solarzelle der Welt

09. Juni 2022

Mit einem Rekord-Wirkungsgrad von 47,6 Prozent haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE den Titel der effizientesten Solarzelle der Welt zurück nach Deutschland geholt. Entstanden ist die Rekord-Vierfachsolarzelle innerhalb des Forschungsvorhabens "50 Prozent" – dessen Titel verrät bereits die ehrgeizigen Ziele des Projektteams.

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50 Prozent Wirkungsgrad sind das zentrale Ziel des Projekts, das im Frühjahr 2020 begonnen hat. Der nun erreichte Meilenstein zeigt, dass der Ansatz funktioniert. Es ist kein neues Zellkonzept, das diese Höchstwerte erreicht, sondern ein vorhandenes, das das Projektteam konsequent verbessert und mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet hat. Insbesondere eine vierlagige Antireflexbeschichtung hat dafür gesorgt, dass die Effizienz von 46,1 auf 47,6 Prozent angestiegen ist. Wie bei Mehrfachsolarzellen üblich, wird das Sonnenlicht durch spezielle Linsen auf die Solarzelle konzentriert. Den Rekord-Wirkungsgrad haben die Forschenden bei 665-facher Sonnenkonzentration gemessen.

Neben der Antireflexschicht haben sie auch die Kontaktschichten verbessert. Somit konnten sie zum einen erreichen, dass die Solarzelle mehr Sonnenlicht absorbiert. Zum anderen haben sie Energieverluste reduziert. "Wir wollen mit unserer Arbeit einen Beitrag leisten, um die konzentrierende Photovoltaik noch effizienter und wettbewerbsfähiger zu machen, denn wir glauben, dass dies die nachhaltigste Form der erneuerbaren Stromerzeugung ist", sagt Dr. Frank Dimroth, Abteilungsleiter für III-V-Photovoltaik und Konzentrator-Technologie am Fraunhofer ISE.

Vier Zellschichten absorbieren unterschiedliche Bereiche des Sonnenlichts

Grafik zur Quanteneffizienz der neuen Vierfachsolarzelle: Die oberste Teilzelle aus GaInP absorbiert das kurzwellige Sonnenlicht im sichtbaren Spektralbereich. Infrarotes Licht wird in den darunter liegenden Teilzellen aus AlGaAs, GaInAsP und GaInAs umgewandelt. — © Fraunhofer ISE

Quanteneffizienz der neuen Vierfachsolarzelle: Die oberste Teilzelle aus GaInP absorbiert das kurzwellige Sonnenlicht im sichtbaren Spektralbereich. Infrarotes Licht wird in den darunter liegenden Teilzellen aus AlGaAs, GaInAsP und GaInAs umgewandelt.

Das Projektteam baut auf einer Zellstruktur auf, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereits 2016 gemeinsam mit der französischen Soitec AG entwickelt haben. Vier verschiedene Zellschichten aus der Gruppe der III-V-Verbindungshalbleiter, aufgebracht auf einem Silizium-Wafer, setzen dabei gemeinsam einen großen Teil des Sonnenlichts in nutzbare Energie um. Erst durch die Verbindung mehrerer Elemente werden die einzelnen Schichten zu Halbleitern – daher der Name "Verbindungshalbleiter".

Jede Schicht setzt ihren eigenen Bereich des Sonnenlichts um. Zusammen absorbiert die Rekordzelle damit Licht zwischen 300 und 1.780 Nanometern Wellenlänge. Das umfasst sichtbares wie auch infrarotes Licht. Als Vergleich: Herkömmliche Siliziumzellen absorbieren Sonnenlicht bis zu einer Wellenläge von 1.200 Nanometern. (mb)