ERNEUERBARE ENERGIEN

Solarzellen am Zenit

Die Forscher am Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme (FhG-ISE) in Deutschland haben ihren Neujahrswunsch früher erfüllt, als gedacht. Bereits im Januar verbesserten Sie den Wirkungsgrad-Weltrekord von Mehrfachsolarzellen auf 41,24 %. Sie glauben sogar, dass sie dank metamorpher Mehrfachsolarzellen noch mehr erreichen können. Die Sonne hat also noch ein Wörtchen mitzureden.

MOVPE-Reaktor am Fraunhofer-Institut. Source: Fraunhofer ISE
MOVPE-Reaktor am Fraunhofer-Institut. Source: Fraunhofer ISE
Solarzelle, die 2009 vom Fraunhofer-Institut aus der Kombination der metamorphen Materialien Ga0.35In0.65P und Ga0.83In0.17As/Ge entwickelt wurde.  Die Forscher erzielten 2008 einen Wirkungsgrad von 35 % und stellten damit einen neuen Weltrekord auf. Sie hoffen, schon bald einen Wirkungsgrad von 42 % bis 43 % zu erzielen. Source: Fraunhofer ISE
Solarzelle, die 2009 vom Fraunhofer-Institut aus der Kombination der metamorphen Materialien Ga0.35In0.65P und Ga0.83In0.17As/Ge entwickelt wurde. Die Forscher erzielten 2008 einen Wirkungsgrad von 35 % und stellten damit einen neuen Weltrekord auf. Sie hoffen, schon bald einen Wirkungsgrad von 42 % bis 43 % zu erzielen. Source: Fraunhofer ISE
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Herkömmliche Silizium-Einfachsolarzellen reichen aus, um Uhren und Taschenrechner zu betreiben, aber bei der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom sie sind nicht sehr leistungsfähig. Diese industriellen Solarzellen wandeln nämlich nur 17 % effizient um, während andere Solarzelltypen aus anderen Bestandteilen bis zu 25 % schaffen.

Die Forscher konzentrieren sich folglich auf die Entwicklung von Mehrfachsolarzellen. Diese setzen sich aus mehreren Elementen zusammen, wie beispielsweise Galliumarsenid, Galliumindiumphosphid oder Germanium, weshalb sie einen viel größeren Spektralbereich der Sonnenenergie erfassen können. Bei einer Mehrfachstruktur handelt es sich im Prinzip um nichts anderes als übereinander geschichtete Einfachsolarzellen. Da aber unterschiedliche Halbleiter verwendet werden, können auch verschiedene Bereiche des Sonnenspektrums von den einzelnen p-n-Übergängen in elektrischen Strom umgewandelt werden, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt. Das Fraunhofer-Institut entwickelt seit etwa zehn Jahren metamorphe Mehrfachsolarzellen auf der Grundlage von Halbleitern der Gruppen III-V, die sich hervorragend für die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrischen Strom eignen.

Für jede Solarzelle wird zunächst ein Halbleiter mit p-n-Übergang verwendet(1). Um eine bessere Konversionsrate zu erzielen, werden Zellen aus verschiedenen Werkstoffen mit jeweils unterschiedlichem p-n-Übergang übereinander gestapelt. Mit einer Zelle aus Germaniumsubstrat, über die Galliumarsenid und dann als dritte Schicht Galliumindiumphosphid aufgetragen wurde, konnte sich das Fraunhofer-Institut Anfang des Jahres den Weltrekord sichern. Für Andreas Bett, Leiter der Solarzellenabteilung, ist die Idee der Wirkungsgradsteigerung durch Stapelung nicht neu, aber der Schlüssel zum Erfolg liegt in der richtigen Technologie und der Verwendung hochwertiger Werkstoffe.

Der Trick: metamorphes Kristallwachstum

Alle Halbleiter bestehen aus kristallinen Stoffen. Diese periodischen Strukturen werden aus Atomschichten gebildet, die durch einen für das verwendete chemische Element spezifischen Abstand, den sogenannten „Gitterparameter“, voneinander getrennt sind. Die untere Schicht ist hier Germanium und wenn ein anderer Stoff darüber gelegt wird, muss er im Prinzip mit Germanium kompatibel sein, d. h. den gleichen Gitterparameter aufweisen. Dadurch wird ein hochwertiges Kristall erzielt, das bei der Solarenergieumwandlung keine Probleme verursacht. Wenn aber der Gitterparameter auch nur geringfügig abweicht, können sogenannte Versetzungen den Konversionsgrad deutlich beeinträchtigen.

Hierin liegt der Trick des metamorphen Kristallwachstums, auf den das Fraunhofer-Institut zurückgreift. Sie entwickelten eine spezifische inaktive Solarzellenschicht, eine sogenannte Pufferschicht, in der alle Versetzungen im Kristall eingeschlossen werden. Erst über einer derartigen Pufferschicht werden die einzelnen Werkstoffe mit einem neuen Gitterparameter platziert, was letztendlich ein relativ fehlerfreies Kristall liefert. Alle Kristallgitterstörungen werden nämlich in einem elektrisch inaktiven Teil der Solarzelle gebündelt, sodass die aktiven Teile störungsfrei sind.

Durch metamorphes Kristallwachstum wird ein größerer III-V-Halbleiterbereich in den Mehrfachsolarzellen verwendet. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, wird das Sonnenspektrum durch Stoffe mit den entsprechenden Absorptionseigenschaften in drei gleichgroße Regionen unterteilt. Die Kombination der metamorphen Stoffe Ga0.35In0.65P und Ga0.83In0.17As/Ge eignet sich optimal, da jede der Unterzellen der Dreifachzelle die gleiche Menge elektrischen Stroms erzeugt, was für die Optimierung der Umwandlung von entscheidender Bedeutung ist.

Noch höhere Ziele?

Für die Forscher des Fraunhofer-Instituts war das nicht der erste Versuch. Im vergangenen Jahr hatten sie bereits den europäischen Rekord der Solarenergieumwandlung innerhalb von drei Monaten von 37,6 % auf 39,7 % verbessert. Die Entwicklung von Dreifachzellen erfolgt im Rahmen des 2003 gestarteten Projekts FullSpectrum, das unter dem 6. Rahmenprogramm finanziert wird. Die Wissenschaftler haben ihre Forschungsarbeiten mit einem Wirkungsgrad von 32 % begonnen und hatten im September 2008 zum Ende des Projekts 35 % erreicht.

Anhand dieser Ergebnisse glaubt Andreas Bett, dass ein Wirkungsgrad von 42 % bis 43 % in naher Zukunft durchaus machbar sei. „Der nächste Schritt besteht darin, weitere p-n-Übergänge hinzuzufügen. Wenn wir bis zu 5 oder 6 Übergänge haben, könnten wir vielleicht an die 50 % herankommen. Aber dafür müssen neue Werkstoffe entwickelt werden, was noch eine Weile dauern wird.“ Außerdem sind die Mehrfachsolarzellen mit III-V-Halbleitern bereits in der industriellen Produktionsphase. Die vom Fraunhofer-Institut entwickelte Technologie wurde nämlich an den Kooperationspartner AZUR Space Solar Power in Heilbronn (DE) übertragen. Das Unternehmen war am Projekt FullSpectrum beteiligt und produziert jetzt diese Solarzellen im großen Maßstab.

„Wir sind davon überzeugt, dass unsere Zellen zur Entwicklung einer wettbewerbsfähigeren Fotovoltaiktechnologie führen und in der Zukunft die Kosten für die Produktion von Solarstrom sinken werden“, schließt Andreas Bett.

Amy Shifflette

  1. Siehe Sonderausgabe „Abschied vom Erdöl“, research*eu, April 2008, Seite 23, „Der Höhenflug der Fotovoltaik “.


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Mehr Einzelheiten

Eine brillante Zukunft

Der Wirkungsgradrekord ist nicht die einzige gute Nachricht aus dem Solarenergiesektor. Trotz düsterer Wirtschaftsprognosen tragen die Solarmodulhersteller weiterhin dazu bei, dass die EU ihr Ziel von 20 % erneuerbarer Energie bis 2020 erreichen könnte. In Deutschland machte die Branche 2007 einen Umsatz von 5,7 Mrd. EUR und stattete damit mehr als 100 000 Haushalte mit Solarmodulen aus. Im Dezember 2008 legt der Photovoltaics Status Report, der von der Gemeinsamen Forschungsstelle (Joint Research Center – JRC) der Europäischen Kommission veröffentlicht wurde, eine jährliche Wachstumsrate der Solarenergieproduktion von durchschnittlich 40 % im Laufe der letzten fünf Jahre nahe.

Bei einer Weltproduktion von 10 Milliarden Kilowattstunden Strom aus Fotovoltaiksystemen stammt die Hälfte aus der Europäischen Union, wodurch der CO2-Ausstoß um 4 Millionen Tonnen pro Jahr reduziert wird. Jedoch stammen in Europa nur 0,2 % des gesamten Stromverbrauchs aus Solarenergie. Die Perspektiven der Fotovoltaiktechnologien sind durchaus ermutigend, vor allem wenn sie mit technischen Fortschritten einhergehen und durch wirtschaftliche Anreize rentabler gemacht werden. Im Jahr 2010 müsste der Marktwert 40 Mrd. EUR erreichen, was zu einem Rückgang der Verbraucherpreise führen könnte.

www.jrc.ec.europa.eu


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An der Spitze

Seit der Staatsgründung ist Israel ein Beispiel für die gelungene Integration erneuerbarer Energien. Bereits seit 1967 wird das Wasser für 20 % der Haushalte mithilfe von Sonnenenergie erhitzt und durch die Ölkrise 1970 stieg dieses Verhältnis auf 90 %. Die Fotovoltaiktechnologie konkurriert hier wirklich mit der Energie aus fossilen Brennstoffen, vor allem da sie jetzt für jeden Neubau im Land Pflicht ist. Die Größenvorteile und das wachsende Bewusstsein haben zu einer deutlichen Kostensenkung geführt. Eine Rentabilität wird bereits nach drei bis vier Jahren erreicht. Im letzten Jahr hat das für die Stromversorgungsbetriebe zuständige Amt einen Tarif für den Ankauf von Solarstrom festgelegt. Im Rahmen dieses Tarifsystems sind Stromversorger angehalten, Strom aus erneuerbaren Energiequellen über den von der Regierung festgelegten Marktpreisen zu kaufen. So können durch einen besseren Preis die Nachteile der ursprünglichen Kosten für die Installation wieder ausgeglichen werden.


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Eine Oase grüner Energie – in der Wüste?

Kurz vor den Toren der geschäftigen Stadt Abou Dhabi in den Vereinten Arabischen Emiraten soll bald die Stadt Masdar – auf Arabisch „die Quelle“ – stehen. Die Stadt soll ausschließlich mit Sonnenenergie und anderen erneuerbaren Energiequellen versorgt werden, und das Ganze fast emissions- und abfallfrei. Der 2006 begonnene Bau der Stadt soll geschätzte 22 Mrd. US-Dollar kosten. Sie wird eine Größe von sechs Quadratkilometern und etwa 50 000 Einwohner haben. Neben verschiedenen anderen Innovationen wird die Stadt auch über ein großes Sonnenkraftwerk verfügen und auf den Dächern werden Solarmodule installiert, um zusätzliche Energie zu produzieren. Außerdem wird sich ein Windpark außerhalb der Stadtmauern befinden, die Masdar vor dem heißen Wüstenwind schützen sollen. Mit Unterstützung der Umweltorganisation WWF beabsichtigen die Projektverantwortlichen außerdem die Nutzung von Erdwärme und Wasserstoff.

www.masdaruae.com


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