Photovoltaik: Neue Kontakte sorgen für Wirkungsgrad-Sprung bei Solarzellen

Photovoltaik: Neue Kontakte sorgen für Wirkungsgrad-Sprung bei Solarzellen

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Eine Photovoltaik-Zelle im Testlabor des Technikums beim Solarzellen-Hersteller Q-Cells in Thalheim.

von Angela Schmid

Silizium-Solarzellen gelten nicht als Zukunftstechnologie - doch nun machen deutsche Forscher einen Sprung beim Wirkungsgrad möglich.

Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist hoch genug, dass sie mittlerweile einen wichtigen Teil zur Stromversorgung beitragen können, in Deutschland im vergangenen Jahr knapp sechs Prozent. Dennoch ist ihr Wirkungsgrad noch ausbaufähig: Nur etwa 20 Prozent der Energie, die sie als Sonnenstrahl erreicht, können die Silizium-Zellen in Strom umwandeln. 23 Prozent, wenn man sich die kommenden Hoffnungsträger der Branche anschaut.

Das hat mehrere Gründe. Die unterschiedlichen Farbspektren des Lichts können nicht von jeder Solarzelle optimal umgewandelt werden. Und die Kontakte, die den Strom weiterleiten, lassen den Wirkungsgrad ebenfalls schrumpfen.

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Wissenschaftler auf der ganzen Welt liefern sich förmlich ein Wettrennen, um ein paar Prozente mehr herauszuholen. Die Super-Solarzelle soll dabei nicht nur einen hohen Wirkungsgrad haben, sondern auch noch günstig sein. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt vom Institut für Materialien und Bauelemente der Elektronik (MBE) an der Leibniz Universität Hannover und dem Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH), ist Udo Römer mit neuartigen Kontakten ein Durchbruch gelungen.

Er legte den Grundstein, um den Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen auf bis zu 26 Prozent zu steigern. Hört sich nicht besonders viel an. Für Wissenschaftler ist dies aber ein Quantensprung. Denn: "Große Sprünge sind beim Wirkungsgrad nicht mehr zu erwarten. Ein paar Prozente wären ein großer Schritt und sensationell", macht Tobias Wietler deutlich, der die Promotionsarbeit von Römer betreute. Bisher ist dieses Potential aber nur im Labor aufgezeigt worden. An dem Praxistest arbeiten die Wissenschaftler jetzt noch. Die Herausforderung ist, dies mit günstigen Verfahren zu realisieren. Wietler: "Wir sind aber ganz zuversichtlich, dass wir mit den Kontakten den Schritt in die richtige Richtung gemacht haben."

Eine Entwicklung, die in Fachkreisen als bahnbrechend gilt und für die Römer und sein Kollege Frank Feldmann vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) den "SolarWorld Junior Einstein Award" erhielten. "Ihm ist es gelungen, die weltbesten Kontakte herzustellen, außerdem hat er die Theorie dieser Kontakte grundlegend weiterentwickelt", begründete die Jury.

Etwas mehr Wirkungsgrad zum kleinen Preis

Bisher ist dieses Potenzial aber nur im Labor erschlossen, wo sich Forschungskollege Udo Römer vor allem mit den Kontakten beschäftigt hatte. Unterschiedliche Silizium-Schichten reduzieren den Verlust deutlich - Wietler ist deshalb "ganz zuversichtlich, dass wir mit den Kontakten den Schritt in die richtige Richtung gemacht haben.“

Eine Solarzelle besteht im Wesentlichen aus reinem Silizium, welches das Licht einfängt und Ladungsträger erzeugt. Diese werden über Metallkontakte weitergeleitet - beim Übergang vom Metall zum Silizium kommt es aber bislang zu hohen Verlusten.

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt vom Institut für Materialien und Bauelemente der Elektronik (MBE) an der Leibniz Universität Hannover und dem Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) haben die Forscher nun mit einer isolierenden Zwischenschicht eine nahezu verlustfreie Übertragung erreicht. Der Prozess hat laut Wietler einen weiteren großen Vorteil: Er sei nur unwesentlich komplexer und dadurch kaum teurer als die bisherigen Verfahren. Durch den höheren Wirkungsgrad würde es sich rechnen.

Rekord-Wirkungsgrade nicht immer marktrelevant

Der Wirkungsgrad ist allerdings kein Rekord, dieser wurde Ende 2014 von einem deutsch-französischen Entwicklerteam erreicht und liegt bei sagenhaften 46 Prozent. Die Nachteile: Die sogenannten Mehrfachsolarzellen verwenden auch Germanium-Substrate, die teuer und damit nicht wettbewerbsfähig sind. Außerdem sind sie nur in Regionen mit viel direkter Sonnenstrahlung wie Südeuropa oder Nordafrika einsetzbar. Bisher hält Panasonic mit einem Wirkungsgrad von 23,8 Prozent bei kristallinen siliziumbasierten Zellen den Weltrekord.

Andere Zelltechnologien, etwa Quantenpunkt- und organische Solarzellen, sind noch nicht so weit. Die University of Toronto erreichte einen Wirkungsgrad von fast elf Prozent. Diese Quantenpunkt-Zellen arbeiten mit Nanopartikeln und versprechen theoretische Werte von mehr als 40 Prozent bei einer günstigeren Herstellung als Silizium-Zellen. Dies gilt auch für Solarzellen aus organischen Verbindungen. Einen Überblick über gängige Verfahren bietet das Nationale Labor für Erneuerbare Energien (NREL) in den USA.

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Anmerkung: In einer ersten Fassung des Textes haben wir geschrieben, dass die 26 Prozent Wirkungsgrad im Labor bereits erreichbar wären. Das ist allerdings noch nicht der Fall - beim Wert handelt es sich nur um ein Wirkungsgradpotenzial.

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