Forscher des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) haben mit Tandemsolarzellen einen Wirkungsgrad von 35,9 Prozent erreicht. Diese Art der Solarzelle besteht aus einer Basis aus kristallinem Silizium, auf der weitere Schichten mit anderem Halbleitermaterial aufgebracht sind. Die Freiburger Forscher haben mit ihrer neuen Zelle das kristalline Silizium mit Halbleiterelementen der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems miteinander kombiniert.
Halbleiterschichten direkt miteinander verbunden
Der entscheidende Faktor ist aber, dass die einzelnen Halbleiter nicht einfach aufeinander gestapelt und jeweils einzeln kontaktiert sind. Denn mit dieser Lösung haben die Forscher des NREL, des CSEM und des EPFL schon 2017 einen ähnlichen Wirkungsgrad erreicht. Die Freiburger Wissenschaftler haben hingegen die Dünnschichthalbleiter direkt auf atomarer Ebene mit der kristallinen Siliziumzelle verbunden. Dadurch gleicht sie von außen betrachtet einer herkömmlichen kristallinen Solarzelle mit zwei Kontakten.
Mehr Effizienz mit höherer Spannung
Das ist möglich durch einen neuen Verbindungshalbleiter in der Mittelzelle, der aus den Elementen Gallium, Indium, Arsen und Phosphor zusammengesetzt ist. „Durch das neue Material konnten wir die Lebensdauer der Ladungsträger noch einmal weiter verbessern und damit eine höhere Spannung der Zellen erreichen“, erklärt Patrick Schygulla, Doktorand in der Abteilung III-V Photovoltaik und Konzentratortechnologie am Fraunhofer ISE, den Vorteil der neuen Architektur der Dreifachsolarzelle.
Kommerzialisierung ist der nächste Schritt
Der nächste Schritt ist die Überführung der neuen Technologie in die Massenfertigung. Hier sind die Tandemzellen noch weit von einer Kommerzialisierung entfernt. Das liegt vor allem auf höheren Produktionsaufwand aufgrund der vielen zusätzlichen Halbleiterschritte bei der Herstellung der Zellen. Mit der jetzigen Zellarchitektur sind die Forscher des Fraunhofer ISE schon auf einem guten Weg. Durch die direkte Kombination der verschiedenen Teilzellen fällt der Aufwand einer einzelnen Verschaltung dieser Halbleisterschichten und zusätzlich der kristallinen Siliziumbasis weg, ohne die mit Wirkungsgradverlusten erkaufen zu müssen. „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“, betont Institutsleiter Andreas Bett. (su)
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