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Leistungselektronik & Photovoltaik Power Devices und Photovoltaik erobern den Weltraum

| Redakteur: Gerd Kucera

Leistungshalbleiter und Photovoltaik weisen in ihrer Entwicklung analoge Strukturen auf. Wie bei Power Devices sorgen III-V-Halbleiter bei PV-Zellen für deutlich höhere Wirkungsgrade.

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Bild 1: 1958 stellten die USA mit Vanguard 1 den ersten mit Solarenergie versorgten Satelliten vor. Er hatte einen Durchmesser von 16,5 cm und wog 1,47 kg. Das Bild zeigt Wissenschaftler bei der Montage von Vanguard 1 auf einem Raketenteil.
Bild 1: 1958 stellten die USA mit Vanguard 1 den ersten mit Solarenergie versorgten Satelliten vor. Er hatte einen Durchmesser von 16,5 cm und wog 1,47 kg. Das Bild zeigt Wissenschaftler bei der Montage von Vanguard 1 auf einem Raketenteil.
(Bild: NASA/Naval Research Laboratory)

Die Photovoltaikanlage auf privaten Hausdächern ist heute beinahe eine Selbstverständlichkeit. Ursprünglich wurden ihre Siliziumzellen für den Weltraumeinsatz entwickelt. Rasante Entwicklungsfortschritte in den facettenreichen Disziplinen der Leistungselektronik förderten die Optimierung von Solarzellen.

Auf der Erzeugerseite ermöglicht Leistungselektronik die Netzeinspeisung der Photovoltaik-Energie. Gebraucht werden dazu geeignete Wechselrichter, um die an den Photozellen anfallende Gleichspannung in eine netzkonforme Wechselspannung umzusetzen.

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Betrachtet man die Entwicklung von Leistungshalbleiter und Photovoltaik, dann ist eine gewisse Analogie festzustellen. Verbesserungen bei den Power Devices brachte die Photovoltaik voran, woraus sich wiederum neue Anforderungen für die Halbleitertechnik ergaben.

Der theoretische physikalische Wirkungsgrad einer Photovoltaikzelle aus Silizium liegt derzeit bei knapp 30%. Doch das Optimierungspotenzial für höheren Energieertrag ist bei Siliziumzellen inzwischen ausgereizt. Wie bei den Leistungsbauteilen sind III-V-Halbleiter vielversprechende Wegbereiter zu mehr Wirkkraft. Damit konnte die Forschung inzwischen eine Effizienz von 46% erreichen; Vierfachzellen aus III-V-Halbleitermaterial kommen unter optimalen Einsatzbedingungen sogar auf 68%.

Die nächste Generation von Photovoltaikzellen

Die Entwicklung und Produktion hocheffizienter Mehrfachsolarzellen aus III-V-Halbleitern verbinden das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und AZUR SPACE Solar Power seit beinahe 20 Jahren. Beide arbeiten an neuen Zellengenerationen für die Anwendung im Weltraum.

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GaN-Power im Weltraum

Das erste europäische GaN-Bauelement (GaN-HEMT) hat sein zweites Betriebsjahr im All erfolgreich abgeschlossen. Es funktioniert einwandfrei und ohne jegliche Leistungseinbuße. Ziel ist langfristig auch die industrielle Nutzung.

Der Sender (siehe Bildergalerie), der 2013 als Test-Prototyp auf dem Proba-V-Minisatelliten im Rahmen des ESA-Programms zur Beobachtung der Erdvegetation angebracht wurde, schickt seitdem routinemäßig Analyse-Bilder vom Einsatzort zur Erde. „Dem X-Band-Sender wurde versuchsweise ein Verstärker aus Galliumnitrid (GaN-HEMT) eingebaut“, konstatiert Andrew Barnes, der die GaN-Projekte bei der ESA überwacht, „dieser funktioniert auch nach zwei Jahren in der Umlaufbahn um die Erde immer noch einwandfrei und ohne Leistungsabfall.“

Der Sender auf GaN-Basis wird genutzt, um die gesammelten Daten des Proba-V zur Bodenstation in der Schwedischen Arktis einmal pro Umlaufbahn und Woche zu übermitteln; hierbei wechselt er sich mit einem zweiten herkömmlichen Galliumarsenid-Sender ab. Aufgrund dieser Daten, die standardmäßig mit einer Übertragungsrate von 42,22 MBit/s ungefähr alle 12 Minuten vom Waschmaschinen-großen Satelliten Proba-V gesendet werden, entsteht an jedem zweiten Tag ein vollständiges „Bild“ über die Erdvegetation.

Durch den Zugang zum GaN-basierten Sender erhöht sich ebenfalls die Leistungsfähigkeit des Satelliten. Im Prinzip lässt sich die Datenrate auf 100 MBit/s erhöhen, während die programmierte Funkfrequenz-Ausgangsleistung je nach Bedarf steigerbar ist, jedoch bei einer niedrigeren Spannung als bisher. Galliumnitrid gilt als vielversprechendstes Halbleitermaterial im Vergleich zu Silizium, da es bei sehr viel höheren Spannungen und Temperaturen als vergleichbare Materialien verwendet werden kann. Außerdem bietet GaN den zusätzlichen Vorteil resistent gegenüber der Weltraumstrahlung zu sein.

Der GaN-basierte X-Band-Sender des Proba-V-Satelliten ist ein früher Prototyp. Dieser GaN-Verstärker wurde in das bestehende Kommunikationssystem von Proba-V durch Syrlinks in Frankreich eingebaut. Während der Sender seine Weltraum-Tauglichkeit unter Beweis stellte, hatten auch die ersten industriellen Prototypen ihre Tests in Bezug auf Zuverlässigkeit und Robustheit bestanden.

Mehrfachsolarzellen auf der Basis von III-V Halbleitern erzielen derzeit die höchsten Wirkungsgrade für die Umwandlung des Sonnenlichts in elektrischen Strom. Klassische Vertreter für diese III-V-Materialien sind Gallium-Arsenid, Aluminium-Gallium-Arsenid und Gallium-Indium-Phosid. Im Gegensatz zu Silizium, erlauben sie durch eine Variation in der atomaren Zusammensetzung, die Empfindlichkeit für bestimmte Wellenlängenbereiche des Sonnenspektrums zu optimieren. Stapelt man dann mehrere Solarzellen mit Empfindlichkeit vom blauen bis hin zum infraroten Spektralbereich übereinander, dann entsteht eine Mehrfachsolarzelle. Mit einer Vierfachzelle konnten die Forscher um Dr. Andreas Bett, Projektleiter am Fraunhofer ISE, den oben genannten bestmöglichen Wirkungsgrad von derzeit 68% erzielen.

Verschaltet werden die Zellen durch sogenannte Tunneldioden und weitere funktionale Halbleiterschichten, sodass der komplexe Schichtstapel sogar aus bis zu 40 Einzelschichten bestehen kann. Durch die auf jeden Spektralbereich optimierten Teilzellen und die sehr gute kristalline Qualität der eingesetzten III-V-Materialien erzielen diese Solarzellen unter den Bedingungen im Weltraum etwa 30%.

Seit 1995 finden die III-V-Mehrfachsolarzellen ihren Einsatz in der Stromversorgung von Satelliten. Und für diese Anwendung ist das Potenzial noch nicht ausgeschöpft. In Zukunft sollen die Solarzellen noch mehr elektrische Leistung pro Fläche generieren, ein geringeres Gewicht haben und hochenergetisch geladenen Teilchen in der Erdumlaufbahn besser standhalten. Die Freiburger Forscher entwickeln hierfür gemeinsam mit AZUR SPACE Solar Power innovative Herstellungsprozesse für Mehrfachsolarzellen. Die Arbeiten werden durch die europäische Weltraumforschungsorganisation ESA-ESTEC sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR und das Bundesforschungsministerium BMBF gefördert.

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