Neuer Welt- und EuroparekordSolarzellen effizient wie nie
Die bislang effizienteste Solarzelle setzt 40,8 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in elektrische Energie um.
Die bislang effizienteste Solarzelle setzt 40,8 Prozent des einfallenden Sonnenlichts in elektrische Energie um. Von diesem neuen Weltrekord berichtet das Labor für erneuerbare Energien des US-Energieministeriums (NREL). Deutschland ist dem aber dicht auf den Fersen: Mit einer ähnlichen Technik erreichte das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg einen Wirkungsgrad von 39,7 Prozent. In beiden Fällen werden mehrschichtige Solarzellen verwendet, die die verschiedenen Anteile des Sonnenlichts verwerten.
Die neue Technik ist sehr viel aufwendiger und damit teurer als die weit verbreiteten, lediglich einschichtigen Solarzellen aus kristallinem Silizium, die einen Wirkungsgrad zwischen 14 und 18 Prozent besitzen. Die Weltrekord-Studie des NREL in Golden (US-Staat Colorado) ist in den "Applied Physics Letters" nachzulesen. Die neuen Solarzellen werden in absehbarer Zeit aber nicht in großen Flächen auf deutschen oder anderen Dächern montiert. Sie benötigen starke direkte Sonneneinstrahlung, erklärt ISE-Sprecherin Karin Schneider.
Sowohl der neue Welt- als auch der Europarekord wurden denn auch mit konzentriertem Sonnenlicht aufgestellt: In den USA war es das 326-Fache des normalen Sonnenlichts, in Freiburg das 300-Fache. Hierfür wird das Sonnenlicht mit Hilfe von Fresnel-Linsen auf einen winzigen Brennfleck fokussiert, in dem sich dann eine nur noch zwei bis zehn Quadratmillimeter kleine Solarzelle befindet. Den herkömmlichen Solarzellen reicht auch das diffuse Licht eines bedeckten Himmels, um noch Strom zu liefern, sagt Schneider.
Neue Zellen können mehr aushalten
Die neuen Zellen wären unter solchen Bedingungen "tot". Daher wären die sogenannten III-V-Zellen besonders in südlichen Ländern, etwa jenen Nordafrikas, von Vorteil. Die römischen Ziffern stehen für die verschiedenen Elemente der III. und V. Gruppe des Periodensystems, wie zum Beispiel Gallium (Ga), Indium (In), Arsen (As), Phosphor (P) oder Antimon (Sb). Die daraus gefertigten Mischkristalle absorbieren, je nach Zusammensetzung, Licht einer Wellenlänge zwischen 500 und 6000 Nanometern. Die meisten dieser Verbindungen absorbieren die Energie zudem so stark, dass dünne Schichten von nur einigen tausendstel Millimetern ausreichen, um das nutzbare Licht aufzunehmen, heißt es beim ISE. Bislang werden die besonders starken III-V-Solarzellen vor allem auf Satelliten eingesetzt, für deren teure Stromversorgung es keine Alternative gibt, sagt Schneider.
Die Fertigung der Solarzellen, für die verschiedene Verbindungen in rund 30 Schichten auf einen Träger aufgebracht werden, ist sehr kompliziert. Die Bestandteile streichen in einem Trägergas über die Fläche und setzen sich darauf ab ("metallorganische Gasphasenepitaxie"). Die Schichten wachsen in der Reaktionskammer typischerweise mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 1 Nanometer (millionstel Millimeter) in der Sekunde. Das Geheimnis der Rekord-Solarzellen liegt in der genauen Zusammensetzung der Schichten, ihrer Anordnung und dem optimalen Wachstum.