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Tandem-Photovoltaik ermöglicht Höhenflüge bei Wirkungsgraden – 35,9% für Silicium-Solarzelle

29.04.2021

Mit Tandemzellen haben Freiburger Forscher des Frauenhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) den Wirkungsgrad von Solarzellen nach oben getrieben. Diese Zellarchitektur ermöglicht eine längere Lebensdauer der Ladungsträger.

Die neue monolithische Dreifachsolarzelle – oder III-V//Si Tandemsolarzelle – wandelt 35,9% des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Gemessen wurde dieser Wert unter dem terrestrischen AM1.5g Spektrum und stellt damit einen neuen Weltrekord dar. Es ist nicht nur der hohe Wirkungsgrad, der diese Solarzelle auszeichnet, sie zeigt gleichzeitig, welches Potenzial in der Tandemphotovoltaik aufbauend auf Silicium steckt. In der neuen Rekordzelle sind alle Schichten aus III-V-Halbleitern direkt mit der Silicium-Unterzelle auf atomarer Ebene verbunden. Mit dieser Bauweise erreicht die Zelle denselben Wirkungsgrad wie die beste mechanisch gestapelte Struktur mit vier Kontakten, die 2017 von NREL, CSEM und EPFL gemeinsam publiziert wurde. «Ein wesentlicher Schritt, mit dem wir die Verbesserung erreicht haben, ist der Einsatz eines neuen Verbindungshalbleiters in der Mittelzelle», sagt Patrick Schygulla, Doktorand in der Abteilung III-V Photovoltaik und Konzentratortechnologie am Fraunhofer ISE. «Durch das neue Material konnten wir die Lebensdauer der Ladungsträger noch einmal weiter verbessern und damit eine höhere Spannung der Zellen erreichen. Es ist toll zu sehen, dass unsere Materialentwicklung nun auch in den III-V//Si Dreifachsolarzellen erfolgreich war.»

Die Tandemzellen adressieren zunächst Anwendungen, bei denen eine hohe Leistung pro Fläche besonders vorteilhaft ist, wie zum Beispiel in elektrisch betriebenen Flugzeugen und Drohnen. Die Produktionskosten der Zellen liegen heute noch deutlich über denjenigen klassischer Silicium-Einfachsolarzellen. Dies liegt an der aufwändigen Epitaxie der III-V Schichten und den vielen zusätzlichen Halbleiterprozessen, die bei der Herstellung der Zellen notwendig sind. Die Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer ISE arbeiten intensiv daran, die Herstellung in Zukunft kostengünstiger zu machen und damit auch den terrestrischen Photovoltaikmarkt zu adressieren.

In Bezug auf die Verfügbarkeit auf dem Markt sagt Institutsleiter Prof. Andreas Bett: «Es wird zwar noch ein paar Jahre dauern bis Module aus der hier gezeigten Solarzelle auf dem Markt verfügbar sind, aber mit Blick auf den notwendigen Ausbau der Photovoltaik für eine nachhaltige Energieversorgung ist dies ein wichtiger zukunftsweisender Pfad.»

Mehr zu dieser Thematik gibt es hier.