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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Neue Mehrfachsolarzelle mit konzentrierender Optik erreicht unter einer bis zu 1.000-fachen Sonnenkonzentration einen Wirkungsgrad von über 44 Prozent.
© AZUR SPACE Solar Power GmbH
Konzentrierende Photovoltaik
Projektinfo 02/2014

Bei Mehrfachsolarzellen ergänzen sich die Teilzellen: jede ist auf einen Teilbereich des Sonnenspektrums spezialisiert. Da sie so einen deutlich größeren Anteil des Sonnenspektrums nutzen, erreichen Mehrfachzellen einen höheren Wirkungsgrad als Silizium-Zellen.
© Fraunhofer ISE

Vergleich einer Silizium-Solarzelle (links) und einer Solarzelle aus III/V Halbleitern (rechts). Der Regenbogenbalken zeigt, welchen Spektralbereich die Zellen nutzen. Die Dreifachzelle besteht aus bis zu 30 Schichten.
© AZUR SPACE Solar Power GmbH
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Energie von tausend Sonnen

Ursprünglich wurden Mehrfach-Solarzellen als Energiequellen speziell für die Raumfahrt entwickelt. Ihre Leistung ist hoch, die Herstellung aufwendig. Mit ihren aufeinander abgestimmten Schichten nutzen die Zellen ein viel breiteres Spektrum des Sonnenlichts als gewöhnliche Solarzellen. Für die terrestrische Nutzung werden die Mehrfach-Solarzellen mit Konzentratorsystemen kombiniert. Wie in einem Brennglas fokussieren diese einen hundert- bis tausendfach konzentrierten Lichtstrahl auf die stecknadelkopfgroßen Solarzellen. Dazu führt ein Tracker das gesamte System exakt der Sonne nach. Eine neue Rekord-Solarzelle erreicht einen Wirkungsgrad von über 44 Prozent.

Konzentrator-Photovoltaik (CPV) eignet sich insbesondere für die Stromerzeugung in Gebieten mit hoher direkter Sonneneinstrahlung. Sie erzielt dort doppelt so hohe Wirkungsgrade wie konventionelle Module auf Basis von Silizium-Zellen. CPV wird insbesondere für große Kraftwerkparks bis 100 Megawatt Leistung eingesetzt. Forschungseinrichtungen wie das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE und Solarfirmen wie AZUR SPACE oder Soitec arbeiten gemeinsam daran, den Wirkungsgrad von Konzentrator-Solarzellen zu steigern und die Herstellungskosten zu senken. Sie entwickeln neue Fertigungsverfahren und modifizieren den Aufbau der Solarzellen. Die Aktivitäten umfassen alle Produktionsstufen: Material, Komponenten, Solarzellen, Modul- und Anlagenbau. Damit die Gesamtanlage hocheffizient arbeiten kann, müssen Hochleistungszellen, Optik, Tracker und Steuerung optimal aufeinander abgestimmt werden. Diese engen Wechselwirkungen zwischen den Anlagenkomponenten sind bei Entwicklung, Systemverbesserungen sowie bei der industriellen Produktion zu berücksichtigen.

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Mehrfach-Solarzellen bringen Höchstleistung

Herzstück eines CPV-Kraftwerks sind die Mehrfach-Solarzellen. Sie unterscheiden sich im Aufbau und beim Herstellungsprozess grundsätzlich von den verbreiteten Silizium-Solarzellen. Die Mehrfach-Solarzellen bestehen nicht nur aus einem Halbleitermaterial. Bei ihnen werden mehrere Zellen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien der Gruppen III und V des Periodensystems übereinander gestapelt. Eingesetzt werden zum Beispiel Galliumindiumphosphid (GaInP), Galliumindiumarsenid (GaInAs) und Germanium (Ge). Jeder dieser Halbleiter nutzt einen anderen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts, um Strom zu erzeugen (vgl. Grafik). Aus dem Zusammenwirken dieser Teilsolarzellen ergibt sich der hohe Wirkungsgrad. Die Forscher kombinieren die in ihrer Herstellung teuren Zellen mit einer preisgünstigen optischen Konzentration. „Die Verwendung dieser kostengünstigen fokussierenden Optik ermöglicht einen sparsamen Einsatz der vergleichsweise teuren Halbleitermaterialien. Je nach Konzentrationsfaktor benötigt man nur ein Fünfhundertstel bis Tausendstel des Halbleitermaterials und erhöht zudem die Effizienz der Solarzelle“, erklärt Dr. Andreas Bett, stellvertretender Leiter des Fraunhofer ISE. Aktuell erreichen diese Solarzellen einen mittleren Wirkungsrad von 40% in der Produktion und bis zu 44,7% im Labor. Die produzierten CPV-Module kommen auf einen Wirkungsgrad von 32% und der CPV-System AC-Wirkungsgrad beträgt bis zu 28%. Die GaAs-basierenden Mehrfachsolarzellen verkraften deutlich höhere Temperaturen als Si-basierte Zellen. Damit sie durch die extrem intensive Einstrahlung nicht zu stark aufheizen, wird die Wärmeenergie passiv durch eine geeignete Wärmesenke bzw. durch aktive Kühlung abgeführt.

Halbleiterstapel nutzt das Sonnenspektrum optimal

Eine typische monolithische Dreifachsolarzelle besteht aus etwa 30 einzelnen Schichten, die auf einem Ge-Substrat in einem einzigen Prozess einkristallin aufgewachsen werden. In Dreifachzellen wandeln drei Teilzellen verschiedene Bereiche des Lichtspektrums in Strom um. Als Material für die oberste Teilzelle wird GaInP und für die mittlere Teilzelle GaInAs eingesetzt. Das Ge-Substrat wird während des Abscheideprozesses aktiviert und dient als dritte Teilzelle. Die drei Zellen sind vertikal angeordnet und intern durch Tunneldioden und weitere funktionale Halbleiterschichten verschaltet. Für das geschichtete Kristallwachstum dieser von 5 bis 8 μm (Größe entspricht Feinstaub) starken Dünnschichtsolarzellen wird das Verfahren der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) eingesetzt. Der Abscheideprozess erfolgt auf einem Ge-Wafer mit einem Durchmesser von 100 mm. Aus diesem lassen sich 885 Zellen im Format 3 x 3 mm2 herstellen.

In III-V Mehrfachsolarzellen werden mehrere Dioden (pn-Übergänge) mit Empfindlichkeit im blauen bis infraroten Spektralbereich übereinander gestapelt. Um Sonnenlicht künftig noch effizienter und günstiger in Strom umwandeln zu können, soll die nächste Generation dieser Hocheffizienzzellen als Vier- oder Fünffach-Zellen dann vier oder fünf Teilzellen kombinieren. Seit 1995 werden die III-V Mehrfachsolarzellen in der Stromversorgung von Satelliten eingesetzt. Aktuell entwickeln die Forscher von AZUR SPACE und Fraunhofer ISE Herstellungsprozesse für die Zellen der nächsten Generation. Sie verbessern diese speziell auf die Bedingungen im Weltraum zugeschnittenen Mehrfachzellen weiter. Ihr Ziel ist es, dass diese noch mehr elektrische Leistung pro Fläche generieren, dünner und leichter sind und in der Erdumlaufbahn hochenergetisch geladenen Teilchen besser standhalten.

Merkzettel

Adressen

Koordination WiFerKon/InKoTeK
AZUR SPACE Solar Power GmbH

Koordination FLATCON
Soitec Solar

Mitwirkung
Fraunhofer ISE

Service

BINE-Projektinfo 02/2014
(PDF, 4 Seiten, 1,3 MB)

Links

Innovationsallianz Photovoltaik
Weblink mit Infos zu von der Bundesregierung geförderten PV-Forschungsprojekten

CPV Consortium
Weblink zum Zusammenschluss von Forschungseinrichtungen und CPV-Herstellern

Schlussbericht WiFerKon
Weblink zum Download des Schlussberichts

Infotipp

Photovoltaik-Innovationen
BINE-Themeninfo II/2011

Solarthermische Kraftwerke
BINE-Themeninfo II/2013

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu den Projekten

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