Hocheffiziente PV-Module: Fraunhofer ISE erzielt Rekordwirkungsgrade bei neuen Tandem-Solarmodulen

Freiburg - Tandem-Solarzellen erzielen deutlich höhere Wirkungsgrade als Standard-Siliziumzellen. Sie eröffnen neue Einsatzmöglichkeiten für Dächer, Fassaden oder spezialisierte Anwendungen wie Raumfahrt und integrierte Photovoltaik. Fraunhofer ISE hat nun bei zwei Modulen neue Rekordwirkungsgrade erzielt und damit bestehende Tandemtechnologien weiterentwickelt.

Durch die Kombination verschiedener Halbleiterschichten nutzen Tandemmodule das Sonnenlicht effizienter als klassische Siliziumzellen, deren physikalischer Wirkungsgrad bei rund 29 Prozent liegt. Zwei von Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE (Fraunhofer ISE) gebaute Rekordmodule zeigen, dass Tandem-Solarzellen hohe Effizienz auf begrenzter Fläche ermöglichen und damit besonders für Dach-, Fassaden- und Spezialanwendungen geeignet sind.

Anwendungsfelder und Effizienzvorteile von Tandem-Solarzellen
Tandem-Solarzellen eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen die verfügbare Fläche begrenzt ist, gleichzeitig aber eine hohe Stromausbeute gefordert wird. Dazu zählen Dach- und Fassadenanlagen, integrierte Photovoltaik in Fahrzeugen oder spezialisierte Einsatzgebiete wie Anwendungen in der Raumfahrt.

Durch die Kombination mehrerer Halbleiterschichten absorbiert bei Tandemsolarmodulen jede Schicht unterschiedliche Wellenlängen des Sonnenlichts und steigert so die Energieausbeute deutlich über den physikalischen Grenzwert klassischer Siliziumzellen von rund 29 Prozent. Wissenschaftler von Fraunhofer ISE haben nun bei einem III-V-Germanium-PV-Modul mit Solarzellen der Firma Azur Space Solar Power sowie Antireflexstrukturen der Firma Temicon einen Wirkungsgrad von 34,2 Prozent erzielt, was das Modul laut Fraunhofer ISE zum effizientesten Solarmodul der Welt macht. 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-Germanium-Tandemmodul: Weltrekord bei 34,2 Prozent
Im Rahmen des Projekts „Vorfahrt“ entwickelte ein Fraunhofer-Team ein 833 Quadratzentimeter großes III-V-Germanium-Modul, das 34,2 Prozent Wirkungsgrad erreicht. Die Dreifach-III-V-Germanium-Zellen wurden vom Projektkoordinator Azur Space Solar Power auf das terrestrische Sonnenspektrum angepasst. Damit können die Zellen nun in vergleichbaren Stückzahlen und auf denselben Waferformaten wie Weltraumsolarzellen produziert werden.

Die Temicon GmbH steigerte die Effizienz zusätzlich durch eine stochastische Nanoimprint-Oberflächenstruktur auf dem Glas, die Reflexionsverluste minimiert. Dr. Laura Stevens, Projektleiterin „Vorfahrt“, betont: „Dass uns mit dem III-V-Germanium-Modul ein Weltrekord gelungen ist, zeigt das große Potenzial, das in der Kombination mehrerer Halbleiter steckt.“

Beteiligt an der Entwicklung waren neben Azur Space Solar Power und Temicon auch Gochermann Solar Technology Ltd. & Co. KG, Audi AG und Elektra Solar GmbH. Die Forschungsarbeiten wurden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.

III-V-Silizium-Tandemmodul: 31,3 Prozent Wirkungsgrad für etablierte Technologie
Parallel erzielte das Fraunhofer ISE im Projekt „Mod30plus“ einen neuen Rekord für Silizium-basierte Tandemmodule. Ein 218 Quadratzentimeter großes III-V-Silizium-Modul erreichte 31,3 Prozent Wirkungsgrad. Es basiert auf zuvor entwickelten 36,1-Prozent-Siliziumzellen, angepasst für Kleinserienproduktion und Verschaltung mit Schindeltechnologie.

„Die Tandem-Photovoltaik zählt zu den sich heute am schnellsten entwickelnden Forschungsfeldern in der Solarforschung“, sagt Dr. Jonas De Rose, Projektleiter „Mod30plus“. Tandemlösungen erlauben es, physikalische Grenzen von Einkristall-Silizium zu überwinden und die Stromausbeute pro Fläche zu erhöhen.

Kooperationspartner waren III/V-Reclaim, Azur Space Solar Power GmbH, ICB GmbH & Co. KG, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), LPKF Laser & Electronics SE, Protavic International sowie Sunset Energietechnik GmbH. Auch dieses Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.