Fraunhofer: Weltrekord für Solarzellen aus Galliumarsenid

Forschende des Fraunhofer ISE haben einen Weltrekord für Solarzellen aus Galliumarsenid unter Laserlicht von 68,9 Prozent erzielt. Das Forscherteam hat dafür eine sehr dünne Solarzelle aus Galliumarsenid mit einem hochreflektierenden, leitfähigen Rückseitenspiegel versehen.

Wie das Institut mitteilte, wandeln Photovoltaikzellen Licht in elektrischen Strom. Hierzu absorbiert eine Halbleiterstruktur, zum Beispiel aus Galliumarsenid, das Licht. Die entstehenden positiven und negativen Ladungen fließen dann zu zwei Kontakten auf der Vorder- und Rückseite der Zelle. Dieser photovoltaische Effekt ist besonders effizient, wenn die Energie des einfallenden Lichts knapp oberhalb der sogenannten Bandlücken­energie des Materials liegt. Verwendet man einen Laser als Lichtquelle, sind sehr hohe Wirkungsgrade theoretisch möglich.

Power-by-Light-Technologie

Für diese neue Form der Energieübertragung (Power-by-Light Technologie) entstehen immer mehr Anwendungen, bei denen der Laserstrahl frei durch den Raum geführt oder in eine Glasfaser eingekoppelt wird. Am Ende befindet sich immer eine Photovoltaikzelle, die spezifisch auf die Leistung und Wellenlänge des Lasers angepasst ist. Solche Power-by-Light Systeme bieten Vorteile gegenüber einer konventionel­len Energieübertragung mit Kupferkabel, beispielsweise wenn die Anwendung eine galvanisch getrennte Energieversorgung erfordert, Blitz- oder Explosionsschutzaspekte relevant sind, elektromagnetische Verträglichkeit eine Rolle spielt oder eine komplett drahtlose Energieübertragung gefragt ist.

Den Forscherinnen und Forschern des Fraunhofer ISE ist es nun gelungen, mit einer Galliumarsenid-basierten III-V Photovoltaikzelle erstmals einen Wirkungsgrad von 68,9 % für Laserlicht mit einer Wellenlänge von 858 nm zu demonstrieren. Dies ist der höchste Wert, der jemals für die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom erreicht wurde. Zum Einsatz kam eine spezielle Dünnschichttechnologie, bei welcher die Solarzellenschichten zunächst auf einem Substrat aus Galliumarsenid aufwachsen. Im Anschluss entfernen Forschende die Schichten wieder im Bauelement. Zurück bleibt die wenige Mikrometer dünne Halbleiterstruktur, die anschließend einen hoch reflektierenden Rückseitenspiegel erhalten.

PV für industrielle Anwendungen

»Dies verschafft der Zelle zwei Vorteile«, erklärt Dr. Henning Helmers, Leiter des Forschungsteams am Fraunhofer ISE. »Erstens werden Photonen in der Zelle eingefangen und die Absorption für Photonenenergien nahe der Bandlücke maximiert, so dass Thermalisierungs- und Transmissionsverluste zugleich minimiert werden. Zweitens werden durch strahlende Rekombination im Absorber neu erzeugte Photonen durch den Spiegel im Absorber eingefangen und genutzt.“ Das erhöhe wegen der Verlängerung der effektiven Ladungsträgerlebensdauer zusätzlich die Spannung.

Die Forschungsgruppe untersuchte Dünnschichtzellen mit Rückseitenspiegeln aus Gold sowie einer optisch vorteilhaften Kombination aus Keramik und Silber. Letztere erzielte dabei die besten Ergebnisse. Für die Absorber entwickelten sie ferner eine n-GaAs/p-AlGaAs Heterostruktur, die besonders geringe Verluste an Ladungsträgern durch Rekombination erreicht.

»Das ist ein beeindruckendes Ergebnis, das zeigt, welches Potenzial in der Photovoltaik auch für industrielle Anwendungen jenseits der Solarstromgewinnung steckt«, freut sich Institutsleiter Prof. Andreas Bett. Beispiele für die vielfältigen Anwendungen optischer Leistungsübertragung sind die Strukturüberwachung von Windkraftanlagen, die Überwachung von Hochspannungsleitungen, Treibstoffsensorik in Flugzeugtanks oder die optische Versorgung von Implantaten von außerhalb des Körpers, die Überwachung passiver optischer Netzwerke, oder die drahtlose Energieversorgung für Anwendungen im Internet der Dinge.

29.6.2021 | Quelle: Fraunhofer ISE | solarserver.de
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