Wirkungsgrad-Weltkrekorde am Fraunhofer Institut: Tandem-Solarmodule mit bis zu 34,2 Prozent

Dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) ist der Bau von gleich zwei Photovoltaikmodulen mit Rekord-Wirkungsgraden gelungen. Die PV-Module mit Tandem-Solarzellen aus Germanium bzw. Silizium könnten die Lücke zwischen klassischen PV-Modulen und Weltraumsolarzellen schließen.

Weltrekord mit III-V-Germanium: 34,2 Prozent auf 833 Quadratzentimetern

Das Rekordmodul mit 34,2 Prozent Wirkungsgrad – in der Fraunhofer-Pressemitteilung selbstbewusst als „effizientestes Solarmodul der Welt“ bezeichnet – entstand im Projekt „Vorfahrt“ und besitzt eine Fläche von 833 Quadratzentimetern. Damit ist es freilich deutlich kleiner als herkömmliche PV-Module wie wir sie von Balkonkraftwerken oder Dach-Anlagen kennen. Wie auf dem Presse-Foto (siehe unten) deutlich zu sehen ist – hier hält Projektleiterin Dr. Laura Stevens eines der III-V-Germanium-Module in Händen – besitzt das Modul aber durchaus eine gewisse Größe, PV Insider geht von einer Circa-Maßen von 35 mal 24 Zentimetern aus.

In technischer Hinsicht basiert das Modul auf Dreifach-III-V/Germanium-Solarzellen – hier wird also der eingesetzte Halbleiter Germanium mit Elementen aus der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems kombiniert. Das Heilbronner Unternehmen Azur Space Solar Power, spezialisiert auf Weltraumsolarmodule, hat die Technologie im Hinblick auf den terrestrischen Einsatz weiterentwickelt, das heißt dem Sonnenspektrum am Boden angepasst – mit dem Ziel, sie in vergleichbaren Stückzahlen und auf denselben Waferformaten wie Weltraumzellen fertigen zu können.

Einen zusätzlichen Effizienzboost brachte die Firma Temicon durch eine sogenannte „stochastische Nanostruktur“ auf der Glasoberfläche – dadurch werden Reflexionsverluste an der Modulvorderseite minimiert.

Rekord bei III-V-Silizium: 31,3 Prozent auf 218 Quadratzentimetern

Parallel dazu meldet das Fraunhofer ISE im Projekt „Mod30plus“ Fortschritte bei der Überführung hocheffizienter III-V/Silizium-Tandemzellen in eine modulnahe Umsetzung. Nachdem das Institut vor einigen Jahren mit einer III-V-Silizium-Solarzelle bereits 36,1 Prozent Wirkungsgrad als Rekord für siliziumbasierte Solarzellen erreicht hatte, wurde nun erstmals eine Kleinserienproduktion dieser Zellen am Institut geschafft. Ein so gefertigtes Modul mit 218 Quadratzentimetern erzielt 31,3 Prozent für diese Klasse an Solarmodulen.

„Interessante Technologierouten für überall dort, wo Fläche begrenzt ist“

Nicht erst seit der von Kanzler Merz Anfang Februar getätigten (und vielkritisierten Aussage), „Forschung sei kein Selbstzweck, sondern müsse zu Wertschöpfung, Produktion und Innovation in Deutschland und in Europa führen“, steht bei so einer Rekordmeldung aus der Wissenschaft natürlich die Frage nach einer praktischen Nutzung der neuen PV-Technologie im Raum.

Prof. Dr. Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer ISE sagt: „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.“ Entscheidend sei laut Bett der Anwendungskontext: „III-V im Tandem mit Silizium als günstigere, III-V auf Germanium als etwas effizientere Variante, sind beides interessante Technologierouten für integrierte PV-Anwendungen überall dort, wo Fläche begrenzt ist.“

Warum Tandem? Silizium stößt ans Limit

Tandem-Solarzellen (auch: Mehrfach-Solarzellen, engl.: multi-junction solar cells) bestehen aus zwei oder mehr übereinander gestapelten Teilzellen. Jede Teilzelle hat dabei ein anderes Halbleitermaterial und damit eine andere Bandlücke – sie „sieht“ und nutzt also einen anderen Teil des Lichtspektrums. Durch die Kombination mehrerer Schichten kann insgesamt also ein größerer Teil des Spektrums genutzt werden.

Auch das Fraunhofer Instititut verweist in seiner Pressemitteilung zum Rekordmodul auf das physikalische Effizienzlimit klassischer Silizium-Einfachsolarzellen: Diese können laut Fraunhofer ISE 29,4 Prozent nicht überschreiten. Bekanntlich kommen PV-Module derzeit bis zu rund 24 Prozent. „Wir forschen deshalb intensiv daran, Einfachsolarzellen durch Mehrfachsolarzellen in Modulen zu ersetzen“, erklärt Dr. Laura Stevens, Wissenschaftlerin am Fraunhofer ISE und Projektleiterin von „Vorfahrt“. „Dass uns mit dem III-V-Germanium-Modul ein Weltrekord gelungen ist, zeigt das große Potenzial, das in der Kombination mehrerer Halbleiter steckt.“