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Wissenschaftler stellen neuen Rekordwirkungsgrad für Solarzellen auf

Forscher des deutschen Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) gaben Erfolge bei der Verbesserung des Wirkungsgrads für Solarzellen bekannt, die zur Umwandlung verfügbaren Lichts in elektrischen Strom dienen. Dies wird durch das elektronische Quantenphänomen, den ...

Forscher des deutschen Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) gaben Erfolge bei der Verbesserung des Wirkungsgrads für Solarzellen bekannt, die zur Umwandlung verfügbaren Lichts in elektrischen Strom dienen. Dies wird durch das elektronische Quantenphänomen, den sogenannten Sperrschicht-Fotoeffekt, möglich. Die Arbeitsgruppe teilte mit, dass der Wirkungsgrad von Mehrfachsolarzellen aus III-V Halbleitern, die in der Photovoltaik-Konzentratortechnologie für Solarstrom-Kraftwerke eingesetzt werden, um 2,1% auf 39,7% - einen neuen europäischen Rekord - gesteigert wurde. Die Arbeit wird mit 8,34 Millionen Euro durch das Projekt FULLSPECTRUM des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) der EU unter dem Themenbereich "Nachhaltige Entwicklung, globale Veränderungen und Ökosysteme" finanziert. Projektleiter Dr. Frank Dimroth erklärte, dass die Arbeitsgruppe bei der Verbesserung der Kontaktstrukturen der Solarzellen erfolgreich war. "Dadurch erreichen wir mit den gleichen Halbleiterstrukturen nun eine noch höhere Umwandlungseffizienz von Sonnenlicht in elektrischen Strom", sagte er. Wenn Licht auf die Solarzelle einfällt, wird ein Anteil des Lichts innerhalb des Halbleitermaterials absorbiert. Im Wesentlichen wird die Energie des absorbierten Lichts zum Halbleiter übertragen. Dem Forscherteam zufolge müssen die Mehrfach-Solarzellen für die Anwendung in Photovoltaik-Konzentratorsystemen bei 300 bis 600 Sonnen ihre optimale Leistung erbringen. Das heißt, es muss ein Sonnenlicht-Konzentrationsfaktor von 300-600 vorliegen. Die Metallisierung der Vorderseite der Solarzelle ergibt verschiedene Konzentrationsfaktoren. "Der Strom wird in dem vorderen Gitter durch ein Netzwerk aus dünnen Metalladern von der Mitte der Solarzelle bis hin zum Rand geleitet, wo er dann von einem 50 µm dicken Golddraht abgegriffen wird", erläuterte das Forscherteam. Die Struktur dieses Metall-Netzwerks sei wichtig, sagten sie. Dies sei ganz besonders der Fall, wenn sich die Struktur unter konzentriertem Sonnenlicht befindet. Die Metalladern müssen die Kapazität haben, die unter konzentriertem Sonnenlicht erzeugten beträchtlichen Ströme zu transportieren; damit das klappt, ist ein geringer Widerstand erforderlich. Andererseits müssen die Adern sehr klein sein, da das Sonnenlicht das Metall nicht durchdringt. Damit steht die metallisierte Fläche der Solarzelle nicht für die elektrische Umwandlung zur Verfügung. Die Forscher des Fraunhofer ISE begannen 2006 mit der Arbeit an der theoretischen Berechnung der optimalen Kontaktstruktur. Die erfolgreiche Arbeitsgruppe erzielte im Juli dieses Jahres einen Solarzellen-Wirkungsgrad von 37,6%. Die Erkenntnisse des Fraunhofer-Teams stellen bei der Entwicklung rentablerer Anwendungen für diesen Solarzellen-Typ im Einsatz auf der Erde einen großen Schritt nach vorne dar. "Wir sind sehr froh, dass wir in so kurzer Zeit einen weiteren entscheidenden Schritt vorangekommen sind", so Dr. Andreas Bett, Abteilungsleiter am Fraunhofer ISE. "Höchste Umwandlungseffizienzen helfen, die junge Technologie wettbewerbsfähig zu machen und in Zukunft die Kosten für die Erzeugung von Strom aus der Sonne weiter zu senken." Nach Auskunft der Forscher arbeitet die Gruppe seit mehr als zehn Jahren an Mehrfachsolarzellen mit höchsten Wirkungsgraden. Die hohen Material- und Herstellungskosten begrenzen ihren Einsatz jedoch auf PV-Systeme und den Weltraum. FULLSPECTRUM war ein integriertes Projekt, bei dem 19 europäische öffentliche und industrielle Forschungszentren in die Erforschung einer neuen Generation von photoelektrischen Wandlern von Sonnenenergie in elektrische Energie einbezogen waren. FULLSPECTRUM lief über einen Zeitraum von fünf Jahren und endete am 31. Oktober 2008; es wurde vom Institut für Sonnenenergie der Technischen Universität Madrid in Spanien koordiniert. Die kurzfristigen Ziele umfassten die Entwicklung von Mehrfach-Solarzellen (MJ) mit sehr hohem Wirkungsgrad, während die langfristigen Ziele die Evaluierung von Zwischenband-Solarzellen (IB) als ein Konzept mit revolutionär hohem Wirkungsgrad betrafen. Den Forschern zufolge basiert die IB-Zelle auf dem Vorhandensein von Elektronen auf drei Energieniveaus sowie auf Elektronenpumpen mit zwei Photonen im Gegensatz zu zwei Energieniveaus und einem Photon. Während bisher auf der Basis dieses Konzepts in der Praxis keine Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad hergestellt wurden, seien deren experimentelle Ergebnisse Erfolg versprechend gewesen, und so stünden weltweit Forscher in den Startlöchern, Studien zu diesem Konzept durchzuführen, betonten die Projektpartner. Eine Schlüsselkomponente von FULLSPECTRUM bestand in der Art und Weise der gemeinschaftlichen, treibenden und schöpferischen Forschungsprogramme des Projekts in verschiedenen Ländern einschließlich Japans und der USA. Europa versteht sich als führend in der Gemeinschaftsforschung, ein Trend, der in erster Linie durch die Notwendigkeit des Zusammenschlusses europäischer Wissenschaftler ausgelöst wurde. FULLSPECTRUM wurde als eine der 40 Erfolgsgeschichten (Success Stories) des Sechsten Rahmenprogramms ausgewählt.

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Deutschland

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