Foto: SolFocus

Solarzellenforschung

Forscher am NREL erreichen fast 50 Prozent Effizienz

Amerikanische Wissenschaftler haben eine Solarzelle entwickelt, die konzentriertes Sonnenlicht fast zur Hälfte in Strom umwandelt. Das ist ein neuer Rekord.

Amerikanische Forscher der National Renewable Energy Laboratories in Golden, Colorado, haben eine Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von fast 50 Prozent hergestellt. Dazu haben sie die bisherigen Sechsfachsolarzellen weiter verbessert. Die Wissenschaftler haben dazu auf unterschiedliche Halbleitermaterialien aus der dritten und der fünften Hauptgruppe des Periodensystems zurückgegriffen. Zu diesen sogenannten III-V-Materialien gehören unter anderem Verbindungen mit den Elementen Gallium, Indium, Bor, Stickstoff, Phosphor oder Arsen.

Verluste gering halten

Insgesamt etwa 140 Schichten solcher Halbleitermaterialien haben die Forscher übereinander gestapelt und miteinander verbunden. Jede einzelne Schicht wurde dabei so angepasst, dass sie eine bestimmte Wellenlänge des Lichts zur Freisetzung von Elektronen nutzt. Dadurch können die Forscher ein möglichst breites Spektrum des Sonnenlichts für die Stromerzeugung nutzen. Trotz der vielen übereinander gelegten Schichten bleibt die Solarzelle trotzdem drei mal schmaler als ein menschliches Haar. Dadurch bleiben die Verluste an den Halbleitergrenzen gering und der Weg der Elektronen zum Leitungsbändchen auf der Zelle kurz.

Sonnenlicht konzentriert

Nachdem die Forscher die Zelle entwickelt hatten, haben sie sie mit normalem Sonnenlicht bestrahlt. Dabei haben sie eine Effizienz von 39,2 Prozent gemessen. Nach eigenen Angaben haben die Amerikaner damit einen neuen Rekord für solche Solarzellen aufgestellt. Danach haben sie das auftreffende Sonnenlicht auf das 143fache ihrer normalen Intensität konzentriert. Damit kann die Solarzelle satte 47,1 Prozent der Sonnenenergie in Strom umwandeln – ebenfalls neuer Rekord. Ryan France, einer der beteiligten Forscher sieht mit dem jetzt gefundenen Weg sogar die Möglichkeit, den Wirkungsgrad auf über 50 Prozent zu treiben. Voraussetzung dafür ist aber, dass die Widerstandsbarrieren innerhalb der Zelle reduziert werden können. Denn diese behindern den Stromfluss. Ein Wirkungsgrad von 100 Prozent ist aber durch die thermodynamischen Grenzen unmöglich.

Wenig Material notwendig

Doch bis solche aufwändigen Zellen im Markt ankommen, wird es wohl noch eine Weile dauern. Denn die Herstellung ist noch teuer. Deshalb ist derzeit das Haupteinsatzgebiet vor allem die Stromversorgung von Satelliten im Weltraum. Auf der Erde ist die Konzentration des Sonnenlichts ein Weg, um die Menge des Halbleitermaterials pro Watt Leistung so gering wie möglich zu halten und damit den Preis zu senken. „Denn dann kommt man im Vergleich zu einer normalen Siliziumzelle mit einem Hundertstel oder sogar einem Tausendstel des Materials aus”, erklärt Ryan France. „Man verbraucht viel weniger Halbleitermaterial, indem man das Licht konzentriert. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Effizienz steigt, wenn man das Licht konzentriert.”

Platzbedarf ist geringer

Außerdem wird dadurch der Platzbedarf für ein Modul im Vergleich zum normalen Paneel geringer. Vor allem in Regionen, in denen die Grundstückspreise hoch sind, ist das von Bedeutung. Die Konzentration des Sonnenlichts begrenzt aber den Einsatz auf Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung. Denn mit diffusem Licht können solche Solarzellen nicht annähernd ihre Vorteile des hohen Wirkungsgrades ausspielen.

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