Solarzellenforschung: Fast 50 Prozent Wirkungsgrad

01.06.2022 – Die Solarenergie gilt als der Motor der Energiewende und einer der wichtigsten Faktoren für wirksamen Klimaschutz. Das liegt vor allem an der Kostenentwicklung. Keine andere Erneuerbare Energien-Technologie machte in den vergangenen Jahren eine derartige Entwicklung durch und wurde aufgrund erheblicher Effizienzsteigerungen immer günstiger. Seit 2010 sind die Kosten für Solarenergie um 85 Prozent gesunken und liegen inzwischen bei weniger als einem Euro pro Watt installierter Leistung.

95 Prozent der heute installierten Solarleistung besteht aus Silizium-Solarzellen, die bei perfekter Sonneneinstrahlung Wirkungsgrade von bis zu 26 Prozent erreichen. Das heißt 26 Prozent der Sonneneinstrahlung wird in Strom umgewandelt. Je höher der Wirkungsgrad entsprechend ist, desto besser arbeitet die Solarzelle auf dem ihr zur Verfügung stehenden Raum.

Auf dem Markt erhältlich sind monokristalline Solarzellen, die einen höheren Wirkungsgrad aufgrund ihrer einheitlichen Struktur aufweisen als polykristalline Solarzellen. Dafür sind die polykristallinen in der Herstellung günstiger. Zudem gibt es amorphe und organische Dünnschicht-Solarzellen, die noch günstiger sind, aber auch einen geringeren Wirkungsgrad aufweisen.

Das Projekt „50 Prozent“

Derweil wird im Labor bereits seit Jahren an Tandem- beziehungsweise Mehrfachsolarzellen geforscht, die noch einmal deutlich höhere Wirkungsgrade aufweisen. Deren Serienreife könnte dem Solarmarkt weltweit einen weiteren Schub verleihen. Federführend in der Forschung ist dabei das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme. Seit zwei Jahren läuft dort das Projekt mit dem Namen „50 Prozent“. Hier soll erstmals eine Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 50 Prozent entstehen.

Unter konzentriertem Sonnenlicht gelang dem Projektteam nun ein erster Durchbruch: Ihre neueste Solarzelle erzielt einen Wirkungsgrad von 47,6 Prozent. Dabei handelt es sich um eine komplexe Mehrfachsolarzelle, bei der jede einzelne Schicht weiter optimiert wird. Es handelt sich hierbei um eine obere Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), die auf eine untere Tandemsolarzelle aus Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP) und Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) geklebt wurde.

Mithilfe verbesserter Kontaktschichten und einer vier-lagigen Antireflexionsschicht wurden die Wirkungsgrade weiter verbessert. Das macht die Solarzellen empfindlich in einem Spektralbereich von 300 bis 1780 Nanometern. Zum Vergleich: Eine herkömmliche Silicium-Solarzelle absorbiert das Sonnenlicht nur bis zu einer Wellenlänge von 1200 Nanometern. „Mit der Tandemphotovoltaik ist es möglich, die Grenzen von Einfachsolarzellen hinter sich zu lassen und damit letztendlich eine Senkung der Solarstromkosten zu erreichen“, sagt Stefan Glunz, Bereichsleiter Photovoltaik Forschung am Fraunhofer ISE.

Auf dem Weg zur wichtigsten Stromquelle weltweit

Auch weitere Forschungseinrichtungen, wie das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) oder das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) arbeiten an der Serienreife von Tandem-Solarzellen. Beide Forschungseinrichtungen arbeiten an der Verbindung von Perowskit und Silicium und erreichen im Labor Wirkungsgrade von rund 30 Prozent. Forscher:innen der US-amerikanischen Rice University in Houston arbeiten an einer Methode, bei der Solarzellen auch die Energie aus Wärme aufnehmen und mit der laut eigener Aussage Wirkungsgrade von bis zu 80 Prozent erreicht werden können.

Aufgrund der rasanten Entwicklung immer besserer Solarzellen gehen Expert:innen davon aus, dass die Solarbranche bis 2050 zwischen 41 und 96 Billionen Kilowattstunden Strom bereitstellen kann und damit einen Anteil von 30 bis 50 Prozent an der weltweiten Stromerzeugung haben wird. Die Solartechnologie wird voraussichtlich zur wichtigsten Stromquelle weltweit. mf