Fraunhofer ISE: GaAs-Dünnschichtzelle erreicht Rekordwirkungsgrad von 68,9 Prozent unter Laserlicht

Dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ist es gelungen, mit einer Galliumarsenid-basierten III-V Solarzelle erstmals einen Wirkungsgrad von 68,9 Prozent für Laserlicht mit einer Wellenlänge von 858 Nanometern zu demonstrieren. Dies sei der höchste Wert, der jemals für die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom erreicht wurde, teilten die Freiburger Forscher mit. Der Rekord sei durch eine spezielle Dünnschichttechnologie möglich geworden, bei der die Solarzellenschichten zunächst auf einem Substrat aus Galliumarsenid aufgewachsen werden, das später im Bauelement wieder entfernt wird. Zurück bleibt die wenige Mikrometer dünne Halbleiterstruktur, die anschließend mit einem hoch reflektierenden Rückseitenspiegel versehen wird, wie es weiter hieß. Der Rekord sei unter monochromatischem Licht erzielt worden.

Die gewählte Struktur der Zelle habe zwei Vorteile. „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“, erklärt Henning Helmers, Leiter des Forschungsteams am Fraunhofer ISE. „So wird durch Verlängerung der effektiven Ladungsträgerlebensdauer zusätzlich die Spannung erhöht.“ Die Forschungsgruppe des Fraunhofer ISE habe Dünnschichtzellen mit Rückseitenspiegeln aus Gold sowie einer optisch vorteilhaften Kombination aus Keramik und Silber untersucht. Keramik und Silber hätten dabei die besten Ergebnisse erzielt. Für die Absorber wurde eine n-GaAs/p-AlGaAs Heterostruktur entwickelt, die besonders geringe Verluste an Ladungsträgern durch Rekombination erreicht, wie es weiter hieß.

Diese neue Form der Energieübertragung wird auch als Power-to-Light-Technologie bezeichnet. Der photovoltaische Effekt ist nach Angaben des Fraunhofer ISE besonders effizient, wenn die Energie des einfallenden Lichts knapp oberhalb der sogenannten Bandlückenenergie des Materials liegt. Daher ließen sich mit Laser als Lichtquelle in Kombination mit einem geeigneten Material sehr hohe Wirkungsgrade erzielen. „Das ist ein beeindruckendes Ergebnis, das zeigt, welches Potenzial in der Photovoltaik auch für industrielle Anwendungen jenseits der Solarstromgewinnung steckt“, erklärte Institutsleiter Andreas Bett. Beispiele für die vielfältigen Anwendungen optischer Leistungsübertragung seien 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.