Fraunhofer ISE erzielt Rekordwirkungsgrade für Tandem-Photovoltaikmodule
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE gelang der Bau von gleich zwei Tandem-Photovoltaik-Modulen mit Rekordwirkungsgraden.
Ein III-V-Germanium-PV-Modul mit 34,2 Prozent Wirkungsgrad und Solarzellen der Firma AZUR SPACE sowie Antireflexstrukturen der Firma temicon wird damit zum effizientesten Solarmodul der Welt. Ein III-V-Silizium-PV-Modul punktet mit 31,3 Prozent Effizienz als Rekordhalter seiner Klasse und nutzt als Basis die etablierte, kostengünstige Silizium-Technologie.
»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«, sagt Prof. Dr. Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer ISE. »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.«
Ein 833 Quadratzentimeter großes Tandem-Modul mit 34,2 Prozent Wirkungsgrad baute ein Forschungsteam des Fraunhofer ISE im Projekt »Vorfahrt«. Es besteht aus dreifach-III-V-Germanium-Zellen, die der Projektkoordinator AZUR SPACE Solar Power für die neue Modultechnologie weiterentwickelt hat. Dafür passte der Solarzellenhersteller seine Dreifach-Solarzellentechnologie auf das terrestrische Sonnenspektrum an, sodass sie nun in vergleichbaren Stückzahlen und auf denselben Wafer Formaten wie Weltraumsolarzellen produziert werden können. Das Unternehmen temicon GmbH verbesserte den Wirkungsgrad des Moduls zusätzlich durch eine mittels Nanoimprint übertragene stochastische Oberflächenstruktur auf der Glasoberfläche, die Reflexionsverluste an dieser Grenzfläche des Rekordmoduls minimiert.
Vor wenigen Jahren erreichten Forschende des Fraunhofer ISE durch eine III-V-Silizium-Solarzelle mit 36,1 Prozent einen neuen Wirkungsgradrekord für Silizium-basierte Solarzellen. Im Rahmen des Forschungsprojekts »Mod30plus« realisierten sie nun erstmals eine Kleinserienproduktion dieser Solarzellen am Institut, angepasst auf eine Verschaltung mit Schindeltechnologien. Ein vom Forschungsteam so hergestelltes, 218 Quadratzentimeter großes Modul erzielte nun einen Rekord-Wirkungsgrad von 31,3 Prozent.
Klassische Silizium-Solarzellen können ein physikalisches Effizienzlimit von 29,4 Prozent nicht überschreiten, aktuell kommerziell erhältliche PV-Module haben bereits Wirkungsgrade um 24 Prozent. »Wir forschen deshalb intensiv daran Einfachsolarzellen durch Mehrfachsolarzellen in Modulen zu ersetzen«, sagt Dr. Laura Stevens, Wissenschaftlerin am Fraunhofer ISE und Projektleiterin »Vorfahrt«. »Dass uns mit dem III-V-Germanium-Modul ein Weltrekord gelungen ist, zeigt das große Potenzial, das in der Kombination mehrerer Halbleiter steckt.«
»Die Tandem-Photovoltaik zählt zu den sich heute am schnellsten entwickelnden Forschungsfeldern in der Solarforschung«, ergänzt Dr. Jonas De Rose, Projektleiter »Mod30plus«.
An der Weiterentwicklung der III-V-Silizium-Solarzelle zum Modul waren zahlreiche Kooperationspartner beteiligt: III/V-Reclaim, AZUR SPACE Solar Power GmbH, ICB GmbH & Co. KG, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), LPKF Laser & Electronics SE, PROTAVIC INTERNATIONAL sowie die SUNSET Energietechnik GmbH. Am III-V-auf-Germanium-Weltrekordmodul arbeiteten neben AZUR SPACE Solar Power GmbH und temicon GmbH, auch GOCHERMANN SOLAR TECHNOLOGY Ltd. & Co. KG, Audi AG und Elektra Solar GmbH. Beide Forschungsprojekte wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie finanziert.
