Die Forscher:innen des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) haben mit gleich zwei unterschiedlichen Tandemmodulen jeweils einen neuen Wirkungsgradrekord aufgestellt. So haben sie es mit einem sogenannten III-V-Germanium-PV-Modul auf einen Wirkungsgrad von 34,2 Prozent geschafft. Dabei wurde der Elementhalbleiter Germanium mit Verbindungshalbleitern der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente kombiniert.
Zellen aus der Raumfahrt angepasst
Die Freiburger Wissenschaftler:innen haben dazu Solarzellen von Azur Space verwendet. Das Heilbronner Unternehmen hat sich auf die Dreifachsolarzellen und die Galliumarsenid-Technologie für die Raumfahrt spezialisiert. Die Entwickler des Unternehmens passten die Dreifachzellen an das Lichtspektrum der Erde an, sodass die Rekordeffizienz auf Modulebene erreicht werden konnte – auch wenn das Modul mit 833 Quadratzentimetern noch recht klein ausfällt.
Diese Zellen wurden mit Antireflexstrukturen versehen, die Temicon, ein Spezialist für Mikrostrukturen für funktionale Oberflächen mit Sitz in Dortmund, entwickelt hat. Hierbei wurde im Nanodruck eine sogenannte stochastische Oberflächenstruktur auf die Oberfläche des Modulglases aufgebracht. Das ist eine unregelmäßige Struktur, bestehend aus Bergen, Tälern und Senken, die Reflexionsverluste verringert.
Rekord für die Siliziumtechnologie aufgestellt
Zudem hat ein weiteres Team des Fraunhofer ein Modul mit Solarzellen auf Siliziumbasis entwickelt. Das Silizium als Elementhalbleiter wurde ebenfalls mit Verbindungshalbleitern der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems kombiniert.
Damit erreichten die Forscher:innen einen Wirkungsgrad von 31,3 Prozent. Das ist Rekord in der Klasse der kostengünstigen Siliziumtechnologie. Das Modul basiert auf Solarzellen, die am Fraunhofer ISE vor wenigen Jahren entwickelt wurden und satte 36,1 Prozent Effizienz erreichen. Diese Zellen wurden in Schindelanordnung miteinander verschaltet und damit wurde ein Modul mit einer Fläche von 218 Quadratzentimetern hergestellt, das diesen hohen Wirkungsgrad erreicht.
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Für integrierte Anlagen geeignet
Andrea Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE, sieht in beiden Tandems interessante Technologierouten für integrierte Photovoltaikinstallationen, wo Fläche begrenzt ist. „Beide Tandem-PV-Technologien haben das Potenzial, Anwendungslücken zwischen den klassischen, kostengünstigen Freiflächen- und Aufdachanlagen einerseits und den hoch performanten, dafür aber teureren Weltraumsolarzellen anderseits zu schließen“, betont er.
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Physikalisches Limit von Silizium überschritten
Denn die beiden Technologien liegen über dem physikalischen Limit der klassischen Siliziumsolarzelle von 29,4 Prozent. Aktuell erreichen kommerziell erhältliche Solarmodule Wirkungsgrade von 24 Prozent. „Wir forschen deshalb intensiv daran, Einfachsolarzellen durch Mehrfachsolarzellen in Modulen zu ersetzen“, sagt Laura Stevens, Wissenschaftlerin am Fraunhofer ISE und Leiterin des Projektteams, das das Rekordmodul mit 34,2 Prozent Wirkungsgrad hergestellt hat. „Dass uns mit dem III-V-Germanium-Modul ein Weltrekord gelungen ist, zeigt das große Potenzial, das in der Kombination mehrerer Halbleiter steckt.“ Jonas De Rose, Leiter des Projektteams mit dem Silizium-Tandemmodul, sieht in der Tandemphotovoltaik eines der sich am schnellsten entwickelnden Felder in der Solarforschung.
