Ein Weg zu über 40 Prozent Wirkungsgrad

Martin Green und seinem Team ist es gelungen, mit einem neuen Ansatz ein Konzentrator-Solarmodul mit über 40 Prozent Wirkungsgrad zu entwickeln,wie pv magazine schon berichtete. Jetzt hat der Wissenschaftler von der australischen University of New South Wales (UNSW) zur Eröffnung der EU PVSEC Konferenzmesse in Hamburg weitere Details vorgestellt.

Zelleffizienzen von mehr als 40 Prozent sind in der Konzentrator-Photovoltaik keine Seltenheit mehr. Die Moduleffizienzen liegen jedoch deutlich darunter. „Die Effizienzen vieler kommerziell erhältlicher Module liegen über 30 Prozent“, steht im Statusreport von Fraunhofer ISE und NREL aus dem Februar. Im Juni meldete als Soitec einen Wirkungsgrad mit 38,9 Prozent. Um den Modulwirkungsgrad zu erhöhen, gibt es mehrere Wege. Eine Möglichkeit ist, die Zelleffizienzen weiter zu erhöhen, indem man Stapelzellen mit noch mehr aktiven Schichten verwendet. Die derzeit üblichen Triple-Junction-Zellen nutzen drei Schichten mit unterschiedlichen Materialien, die jeweils verschiedene spektrale Anteile des Sonnenlichts besonders effizient zu elektrischer Energie wandeln.

Auch Martin Green geht diesen Weg. Allerdings hat er nicht den drei Schichten eine weitere hinzugefügt, sondern über eine neu entwickelte Optik eine allein stehende Siliziumzelle. „Die Motivation erwuchs auf der PVSEC im Jahr 2009“, sagt Martin Green. Zum einen entwickelte ein Unternehmen mit dem Namen Raygen im australischen Bundestaat Victoria ein Konzentrator-Photovoltaik-Kraftwerk mit Spiegeln, die man einfach nur aufstellt und die sich selbst wie in einem solarthermischen Kraftwerk zu dem Turm orientieren, in dem Konzentrator-Photovoltaik-Zellen Strom erzeugen. Zum anderen sprach ein Experte des Konzentrator-Zellherstellers Spectrolab über eine Triple-Junction-Zelle auf Germaniumbasis, bei der es zu einer Fehlanpassung zwischen den einzelnen Schichten kommt.

Missmatch im Stapelzellen umgehen

Das ist eine allgemein bekannte Schwierigkeit in Stapelzellen: Die einzelnen Schichten müssen nicht nur jeweils andere des Anteile des Sonnenlichts wandeln. Sie sind elektrisch hintereinander geschaltet, daher ist zwangsweise der Strom durch sie gleich. Das führt leicht zu einer Fehlanpassung, durch die Energie verloren geht.

In der Dreischichtstelle, bei der eine Schicht aus Germanium besteht, betrifft das ebendiese diese Germaniumschicht. Sie könnte einen höheren Strom zur Verfügung stellen, als sie es in der Reihenschaltung mit den anderen zwei aktiven Schichten tut.

Foto: UNSW

Martin Green nimmt daher über die Optik spektrale Anteile des Sonnenlichts heraus, auf die auch die Germaniumschicht empfindlich ist, und leitet sie auf die Siliziumzelle, wie sie früher Sunpower auch für Konzentratoranwendungen entwickelt hat. Dadurch liefert die Triple-Junction-Zelle immer noch genauso viel Energie wie zuvor, die Siliziumzelle produziert aber zusätzlich Strom. Der Wirkungsgrad des Moduls, also inklusive des Hohlspiegels, der die Sonnenstrahlung auf die 360fache Intensität erhöht, liege dadurch bei 40,4 Prozent. Das habe in einer unabhängigen Prüfung das nachgemessen US-amerikanische Forschungsinstitut NREL bestätigt. „Es ist das erste Mal, dass Sonnenlicht mit über 40 Prozent Effizienz konvertiert wurde“, sagt Martin Green. Jetzt soll versucht werden, die Technologie auch in einem realen Kraftwerk einzusetzen.

Martin Green denkt schon über die 40 Prozent hinaus und stellt die Frage, ob zum Beispiel auch 50 Prozent möglich sind. Die Optik, die einen Teil des Sonnenlichts auf die Siliziumzelle umleitet, besteht im Wesentlichen aus einem zusätzlichen Spiegel. Die Neigung dieses Spiegels lässt sich variieren, wodurch sich die Anteile regeln lassen, die auf die Triple-Junction-Zelle und auf die Siliziumzelle fallen. „Wir haben also ein System, das angepasst werden kann“, sagt Green. „Wahrscheinlich ist es leichter, mit solch einem System den Wirkungsgrad auf 50 Prozent zu steigern als mit einem mechanischem Stapel von verschiedenen Schichten.“

Weitere Verbesserungsmöglichkeiten sieht er zum Beispiel bei der Antireflexbeschichtung. Im spektralen Bereich, in dem die Germaniumschicht absorbiert, sei sie noch nicht optimiert worden, da das bisher nicht nötig war.

Martin Green arbeitet auch an Nicht-Konzentrator-Tandemzellen. Dazu kombiniert er Silizium- mit Perovskitzellen. Damit könnten durchaus 36 Prozent Wirkungsgrad möglich sein, sagt er.

Prinzipiell sei es aber wirtschaftlicher, den zusätzlichen Aufwand bei Konzentrator-Anlagen zu betreiben. Die Kosten des Energiewandlers machen in diesen Systemen nämlich sowieso nur 15 Prozent aus. Steigen die Kosten des Energiewandlers, fällt das nicht so sehr ins Gewicht wie bei einem Nicht-Konzentrator-System. (Michael Fuhs)