Tandem-Solarzelle Bessere Beschichtung erhöht Wirkungsgrad auf 47,6 Prozent

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Bei einer Tandem-Solarzelle konnten Forscher dank einer verbesserten Antireflexbeschichtung den Wirkungsgrad auf 47,6 Prozent erhöhen. Dazu wurden unter anderem unterschiedliche Halbleitermaterialien gebondet.

Tandem-Solarzelle: Dank einer Antireflexbeschichtung konnten Fraunhofer-Forscher die Effizienz einer Vielfach-Solarzelle von 46,1 auf 47,6 Prozent erhöhen.
Tandem-Solarzelle: Dank einer Antireflexbeschichtung konnten Fraunhofer-Forscher die Effizienz einer Vielfach-Solarzelle von 46,1 auf 47,6 Prozent erhöhen.
(Bild: Fraunhofer ISE )

Dank einer neuen Antireflexbeschichtung konnten Forscher am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE die Effizienz einer Vielfach-Solarzelle von 46,1 auf 47,6 Prozent und bei 665-facher Sonnenkonzentration erhöhen. Wenn man die Leistung eines Photovoltaikmoduls betrachtet, dann fließt der Wirkungsgrad mit ein. Hintergrund: Der Wirkungsgrad einer Solarzelle hängt davon ab, wie effizient das Panel das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelt.

Einfache Solarzellen kommen an einen Wirkungsgrad von rund 30 Prozent. Will man jedoch den Wirkungsgrad steigern, dann baut man Tandem-Solarzellen. Hier werden zwei unterschiedliche Solarzellen in Reihe betrieben. Das sogenannte Interconnect-Prinzip verbindet die Solarzellen sowohl elektrisch als auch optisch miteinander. Es gilt dabei: je dünner, desto besser.

Die Fraunhofer-Forscher müssen bei solch einer komplexen Mehrfachsolarzelle jede einzelne Schicht noch einmal weiter optimieren und sie prozesstechnisch sowohl an den Metallkontakten sowie den Antireflexionsschichten verbessern. Ihre neueste Solarzelle erzielt einen Wirkungsgrad von 47,6 Prozent unter konzentriertem Sonnenlicht.

Tandem-Solarzellen werden gebondet

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.
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.
(Bild: Fraunhofer ISE )

Die Schichtstruktur der neuen Solarzelle wurden bereits 2016 gemeinsam mit der französischen Soitec entwickelt, einem Designer und Hersteller von Halbleitermaterialien. Die obere Tandemsolarzelle besteht aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), die von Soitec auf die untere Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP) und Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) gebondet wurde.

Der Wirkungsgrad der neuen Vierfachsolarzelle steigt bis zu einer Konzentration des Sonnenlichts von 665 an und erreicht hier erstmals einen Wert von 47,6 Prozent.
Der Wirkungsgrad der neuen Vierfachsolarzelle steigt bis zu einer Konzentration des Sonnenlichts von 665 an und erreicht hier erstmals einen Wert von 47,6 Prozent.
(Bild: Fraunhofer ISE )

Die Solarzellenschichten wurden nun im Zentrum für höchsteffiziente Solarzellen des Fraunhofer ISE mit verbesserten Kontaktschichten und einer vierlagigen Antireflexionsschicht versehen. Dadurch sinken Widerstandsverluste ebenso wie die Reflexion an der Vorderseite der Zelle, welche in einem breiten Spektralbereich von 300 bis 1.780 nm empfindlich ist. Herkömmliche Solarzellen aus Silizium absorbieren das Sonnenlicht nur bis zu einer Wellenlänge von 1.200 nm und benötigen damit keine solch breitbandige Entspiegelung.

Die Solarstromkosten senken

Mehrfachsolarzellen aus III-V-Verbindungshalbleitern sind weltweit die effizientesten Solarzellen. Sie entfalten ihr Potenzial, wenn das Sonnenlicht zusätzlich durch Linsen auf wenige Quadratmillimeter kleine Bauelemente gebündelt wird. „Mit der Tandemphotovoltaik ist es möglich, die Grenzen von Einfachsolarzellen hinter sich zu lassen und damit letztendlich die Solarstromkosten zu senken“, sagt Prof. Dr. Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik Forschung am Fraunhofer ISE.

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