Multiple Schichten für mehr Effizienz

Solarzelle verwertet fast das komplette Spektrum des Sonnenlichts

| Autor / Redakteur: Sebastian Gerstl / Rainer Graefen

Mit einer gestapelten photovoltaischen Zelle, bestehend aus GaAs- und GaSb-Substratschichten, haben Forscher der George Washington University eine potentielle Rekordmarke in der Konvertierung von Solarenergie erreicht.
Mit einer gestapelten photovoltaischen Zelle, bestehend aus GaAs- und GaSb-Substratschichten, haben Forscher der George Washington University eine potentielle Rekordmarke in der Konvertierung von Solarenergie erreicht. (Bild: Matthew Lumb / George Washington University)

Herkömmliche Solarzellen sind meist nicht in der Lage, längere Wellenlängen des Sonnenlichts in Elektrizität umzuwandeln. Forscher der George Washington University haben nun eine neue Art von Solarzelle entworfen, die fast das gesamte Spektrum des Sonnenlichts verwerten kann. Mit einer Effizienz von 44,5% könnte dies die effizienteste Solarzelle der Welt darstellen.

Die meisten der heute gebräuchlichen, für den Markt produzierten Solarzellen sind nur in der Lage, einen relativ kleinen Buchteil des vom Sonnenlicht eingehenden Lichtspektrums in Energie umzusetzen. Das ist einer der Gründe, warum die Effizienz dieser Zellen in der Regel nicht mehr als 20-30% beträgt. Ein Forschungsteam der George Washington University hat nun einen neuartigen Ansatz für die Fertigung Mehrschichtiger Solarzellen entwickelt, das in der Lage ist, fast das vollständige Lichtspektrum zu verwenden und umzusetzen.

„Rund 99 Prozent der Stromerzeugung, die bei direkter Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche auftrifft, hat Wellenlängen zwischen 250 und 2.500 Nanometern, aber konventionelle Materialien für hocheffiziente Mehrfach-Solarzellen können nicht den gesamten Spektralbereich erfassen“, sagt Dr. Matthew Lumb, Einer der beteiligten Forscher und Hauptautor der zugehörigen Studie. „Unsere neues Produkt ist in der Lage, die in den langwelligen Photonen gespeicherte Energie, die in konventionellen Solarzellen verloren geht, nutzbar zu machen und bietet somit einen Weg zur Realisierung der ultimativen Mehrfach-Solarzelle.“

Für ihre Entwicklung nutzen die Forscher sogenannte Konzentrator-Photovoltaik bzw. concentrator photovoltaic (CPV). Die mit dieser Technik gefertigten Panele benutzen eine Linse oder einen Reflektor, um das eingehende Sonnenlicht auf einer kleineren Fläche zu bündeln. Das neuartige an den von den US-Forschern entwickelten Solarpanele ist die Art und Weise, in der mehrere Schichten innerhalb einer einzelnen photovoltaischen Zelle gestapelt werden.

Die gestapelte Zelle wirkt fast wie ein Sieb für Sonnenlicht, wobei die spezialisierten Materialien in jeder Schicht die Energie eines bestimmten Satzes von Wellenlängen absorbieren, so Lumb. In seiner Studie beschreibt Lumb, dass knapp die Hälfte der verfügbaren Energie des einfallenden Lichts in Strom umgewandelt worden sei.

Um dies zu erreichen, werden in der Fertigung der Zellen zwei verschiedene Materialien verwendet. Die oberen Schichten bestehen aus vergleichsweise konventionellen photovoltaischen Substraten aus Gallium-Arsenid (GaAs), mit denen in erster Linie die kürzeren eingehenden Wellenlängen gefangen und konvertiert werden. In den unteren Schichten verwendeten die Forschen dagegen Zellen, die aus Galliumantimonid (GaSb) bestehen, die sich zur Aufnahme von längeren Wellen de Lichtspektrums eignen. Die verschiedenen Materialien werden im Transferdruck aneinandergereiht, um zu gewährleisten, das die Schichten für eine höchstmögliche Energieeffizienz bestmöglich übereinander gestapelt werden. In der Studie war eine Effizienz von bis zu 44,5% erzielt worden.

Derzeit sind die neuartigen photovoltaischen Zellen in ihrer Fertigung relativ teuer, da sie unterschiedliche und aufwändige Ausgangsmaterialien verwenden. dieser Umstand ließe sich etwas relativieren, da die fertigen Zellen mit weniger als ein Quadratmillimeter eine äußerst geringe Grundfläche besitzen. Dennoch stellt der hohe Kostenfaktor den größten Nachteil der neuen Entwicklung an. Die Forscher sind von dem Potential ihrer Entwicklung trotz der relativ hohen Kosten überzeugt. In erster Linie gehe es darum, zu zeigen, dass das Maximum an möglicher Effizienz von Solarzellen noch lange nicht erreicht ist. Wenn die Kosten für die Materialien und die Fertigung reduziert werden können, hätte diese neuartige photovoltaische Zelle ein enormes Potential für den Weltmarkt.

* Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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