Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben zwei Tandem-Photovoltaik-Module mit Wirkungsgradrekorden gebaut. Ein III-V-Germanium-PV-Modul erzielte 34,2 Prozent Wirkungsgrad. Es enthält Solarzellen der Firma Azur Space und Antireflexstrukturen der Firma Temicon. Laut Fraunhofer ist es damit das aktuell effizienteste Solarmodul der Welt. Ein III-V-Silizium-PV-Modul erreicht mit 31,3 Prozent Effizienz den Rekord 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 und den hoch performanten, dafür aber teureren Weltraumsolarzellen zu schließen“, sagt Andreas Bett, Institutsleiter am Fraunhofer ISE. „III-V im Tandem mit Silizium als günstigere, III-V auf Germanium als etwas effizientere Variante, sind beides interessante Technologierouten für integrierte PV-Anwendungen überall dort, wo Fläche begrenzt ist.“

Das 833 Quadratzentimeter große Tandem-Modul mit 34,2 Prozent Wirkungsgrad baute das Forschungsteam des Fraunhofer ISE im Projekt „Vorfahrt“. Es besteht aus dreifach-III-V-Germanium-Zellen, die der Projektkoordinator Azur Space für die neue Photovoltaik-Modultechnologie weiterentwickelt hat. Dafür passte der Solarzellenhersteller seine Dreifach-Solarzellentechnologie auf das terrestrische Sonnenspektrum an, sodass man sie nun in vergleichbaren Stückzahlen und auf denselben Wafer Formaten wie Weltraumsolarzellen produzieren kann. Das Unternehmen Temicon verbesserte den Wirkungsgrad des Photovoltaik-Moduls zusätzlich durch eine mittels Nanoimprint übertragene stochastische Oberflächenstruktur auf der Glasoberfläche, die Reflexionsverluste an dieser Grenzfläche des Rekordmoduls minimiert.

Von Rekord-Solarzelle zum Solarpanel mit Wirkungsgradrekord

Vor wenigen Jahren erreichten Forschende des Fraunhofer ISE durch eine III-V-Silizium-Solarzelle mit 36,1 Prozent einen neuen Wirkungsgradrekord für Silizium-basierte Solarzellen. Im Rahmen des Forschungsprojekts Mod30plus verwirklichten sie nun erstmals eine Kleinserienproduktion dieser Solarzellen am Institut, die an eine Verschaltung mit Schindeltechnologien angepasst ist. Ein vom Forschungsteam so hergestelltes, 218 Quadratzentimeter großes Solarmodul erzielte nun den Rekord-Wirkungsgrad von 31,3 Prozent.

Klassische Silizium-Solarzellen können ein physikalisches Effizienzlimit von 29,4 Prozent nicht überschreiten, aktuell kommerziell erhältliche PV-Module haben bereits Wirkungsgrade um 24 Prozent. „Wir forschen deshalb intensiv daran Einfachsolarzellen durch Mehrfachsolarzellen in Modulen zu ersetzen“, sagt Laura Stevens, Wissenschaftlerin am Fraunhofer ISE und Projektleiterin von Vorfahrt. „Dass uns mit dem III-V-Germanium-Modul ein Weltrekord gelungen ist, zeigt das große Potenzial, das in der Kombination mehrerer Halbleiter steckt.“

An der Weiterentwicklung der III-V-Silizium-Solarzelle zum Modul und an der Entwicklung des III-V-Germanium-Moduls waren zahlreiche Kooperationspartner beteiligt. Beide Forschungsprojekte hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie finanziert.

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