Dabei war es nicht erforderlich, das Sonnenlicht mittels Konzentratoren zu bündeln. Die am 25.8.17 in der Zeitschrift Nature Energy1 veröffentlichten Ergebnisse sind ein Meilenstein im heiss umkämpften Rennen um die Wirkungsgradverbesserung von Silizium-basierten Solarzellen und bestätigen das grosse Potenzial dieses Ansatzes.

Multi-Junction
Wer in der Photovoltaik arbeitet, sollte bestrebt sein, das Kosten-Leistungs-Verhältnis zu maximieren! Im Labor konnten bereits Wirkungsgrade von über 35% erzielt werden, jedoch nur mit Solarzellen, die ausschliesslich aus vergleichsweise teuren Halbleitermaterialien bestanden. Der heutige Photovoltaikmarkt (PV) wird stark von kosteneffizienten Modulen beherrscht, die Siliziumzellen mit nur einem Halbleiterübergang und Wirkungsgraden zwischen 17% und 22% verwenden. Wie zahlreiche andere Forschungseinrichtungen und Unternehmen in der Branche arbeiten auch das National Renewable Energy Laboratory (NREL) des Energieministeriums der Vereinigten Staaten, das CSEM und die EPFL an sogenannten „Multi-Junction“-Tandemsolarzellen – einer Technologie, bei der Siliziumsolarzellen mit einer weiteren Solarzelle verbunden werden, die den kurzwelligen (blauen) Anteil des Sonnenlichtspektrums effizienter in elektrische Energie umwandeln kann.

Wirkungsgrade über 30%
Die Weiterentwicklung der herkömmlichen Silizium-Solarzelle mit nur einem Halbleiterübergang zu einer Tandemzelle mit mehreren Halbleiterübergängen bietet die Möglichkeit, den Wirkungsgrad auf über 30% zu erhöhen und sich dennoch weiter auf die kosteneffiziente, bewährte Herstellung von Silizium-Solarzellen verlassen zu können. Das NREL hat sich zusammen mit Schweizer Forschern zum Ziel gesetzt, solche Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 30% herzustellen. Im Januar 2016 erzielte das Forscherteam bereits einen Wirkungsgrad von 29.8% und damit seinen ersten gemeinsamen Weltrekord.

Vollkommen neue Materialien und Bauweisen möglich
Durch eine weitere Zusammenarbeit ist es dem Team aus Wissenschaftlern des CSEM – eines Schweizer Forschungs- und Technologiezentrums in Neuenburg –, der EPFL und des NREL gelungen, ihren eigenen Rekord zu überbieten und ihre Position als erstrangige Technologieexperten auf diesem Gebiet zu festigen. Eine Tandemsolarzelle aus einer der Sonne zugewandten GaAs-Top-Zelle des NREL die mit einer darunterliegenden Silizium-Heterojunction-Solarzelle des CSEM vereint wurde, erreicht einen Wirkungsgrad-Weltrekord von 32.8%. Eine Tandemsolarzelle mit drei Halbleiterübergängen aus einer GaInP/GaAs-Top-Zelle des NREL und wiederum einer siliziumbasierten Heterojunction-Basiszelle des CSEM erzielt sogar einen Wirkungsgrad-Weltrekord von 35.9%. Stephanie Essig von der EPFL ist federführende Autorin des neusten Forschungsberichts, der in der letzten Ausgabe von Nature Energy veröffentlicht wurde. Dieser beschreibt die einzelnen Schritte, die zur Wirkungsgradsteigerung der Tandemsolarzellen und zu Einsparungen bei deren Herstellungskosten geführt haben. „Das Ergebnis ist deshalb von so grosser Bedeutung, weil es erstmals aufzeigt, dass siliziumbasierte Tandem-Solarzellen Wirkungsgrade erzielen können, die durchaus mit teureren, vollständig aus so genannten III-V-Halbleitermaterialien hergestellten Tandem-Solarzellen mithalten können“, erklärt Adele Tamboli, leitende Forscherin am NREL. „Dadurch bietet sich die Möglichkeit, vollkommen neue Materialien und Bauweisen für Tandem-Solarzellen zu entwickeln.“

Hin zu kostengünstigerem Solarstrom
„Diese Wirkungsgradrekorde beweisen, dass die Kombination aus kristallinem Silizium mit anderen Materialien der richtige Weg ist, um das Kosten-Leistungs-Verhältnis der Solarenergie zu verbessern“, sagt Christophe Ballif, Leiter des Photovoltaikzentrums am CSEM und des PV-Labors der EPFL. „Das Ergebnis bestätigt, dass Heterojunction-Siliziumsolarzellen in der von uns entwickelten Tandemkonfiguration mit anderen Halbleitermaterialien Wirkungsgrade von über 32% erreichen können“, bemerkt Matthieu Despeisse, Leiter des Bereichs für kristalline Silizium-Solarzellen am CSEM.

Das CSEM arbeitet aktiv an solchen siliziumbasierten Multi-Junction-Solarzellen und testet auch neue Materialien, die als Top-Zelle verwendet werden können, um damit das Kosten-Nutzen-Verhältnis der Solarenergie weiter zu optimieren. Im Rahmen des europäischen CHEOPS-Projekts untersucht es beispielsweise die mögliche Verwendung von Perowskit an der Oberseite von Siliziumbasierten Tandemsolarzellen.

Text: CSEM