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Hocheffiziente Solarzellen

„Derjenige, der sagt: „Es geht nicht“, soll den nicht stören, der’s gerade tut.“ Dieser Spruch kann heute auch gut auf die 1961 von Shockley und Queisser berechnete obere Grenze des Wirkungsgrades von Solarzellen angewendet werden, die für unfokussiertes Sonnenlicht innerhalb der Erdatmosphäre 33% beträgt (Shockley-Queisser-Limit). Dieser Wert gilt für Solarzellen der ersten und zweiten Generation und viele neuere Photovoltaik-Konzepte, wie Farbstoffsolarzellen oder organische Solarzellen, bezogen werden. Allerdings konnten für einige Solarzellenkonzepte bereits theoretische Grenzen von bis zu 86% berechnet und mit Forschungssolarzellen bereits Wirkungsgrade bis zu 46% erreicht werden. Gerade solche Solarzellen, deren Wirkungsgrade mehr als 28% betragen oder die das Potenzial besitzen über das Shockley-Queisser-Limit hinauszugehen, kann man als hocheffiziente Solarzellen bezeichnen. Derzeit gibt es verschiedene Solarzelltypen, die diese Bedingungen erfüllen oder zukünftig erfüllen könnten, wie beispielsweise Mehrfachsolarzellen, Hot Carrier Solarzellen (HCSC) oder solare Thermophotovoltaiksysteme (STPV).

Solarzellen sind vom Grundprinzip her dreischichtige Halbleiterbauelemente. Vereinfacht dargestellt besteht die mittlere Schicht aus einem Absorber, aus dem durch einstrahlendes Licht Elektronen (also negative Ladungsträger) mobilisiert werden können. Diese wandern dann beim Anlegen eines elektrischen Verbrauchers in eine bestimmte Richtung aus dem Absorber, die gleichzeitig entstehende positive Ladung bewegt sich in entgegengesetzter Richtung aus der Absorberschicht. Die Energie des einfallenden Lichts muss dabei in einem scharf begrenzten Energieintervall liegen, um Elektronen mobilisieren zu können, in der sogenannten Bandlücke. Mehrfachsolarzellen, die auch als Multi-Junction-Solarzellen oder Tandem-Solarzellen bezeichnet werden, sind im Prinzip übereinander gestapelte klassische Solarzellen mit unterschiedlichen Bandlücken. Das Gesamtsystem deckt dadurch einen breiteren Absorptionsbereich ab. Diese, ursprünglich für die Raumfahrt entwickelten Solarzellen, sind in der Herstellung jedoch immer noch sehr teuer, da effiziente Fertigungstechnologen für die Massenproduktion fehlen. Einfache Perovskit-Solarzellen unterliegen wie Silicium-Zellen ebenfalls dem Shockley-Queisser-Limit. Allerdings ist es grundsätzlich möglich, auch aus diesem Solarzellentyp Mehrfachsolarzellen herzustellen, um Wirkungsgrade über 33% zu erreichen.

Alternativen oder Ergänzungen zu Mehrfachsolarzellen können beispielsweise Hot-Carrier-Solarzellen (HCSC) darstellen, die theoretische Wirkungsgrade von mehr als 80% erreichen können. Die Absorption von Licht in Solarzellen, führt in der Regel auch zur Entstehung von Wärme bzw. Wärme transportierenden Ladungsträgern (sogenannten Hot Carriers). Diese haben einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad heutiger Solarzelltechnologien, weshalb sie möglichst schnell und effektiv eingefangen und nutzbar gemacht werden sollten. Bei HCSC werden daher sogenannte Tunneleffekte von Elektronen genutzt, die solche Elektronen von einem Halbleiter mit einer engen Bandlücke zu einem Halbleiter mit einer weiteren Bandlücke tunneln lassen. Solare Thermophotovoltaik-Systeme (STPV) gewinnen hingegen elektrische Energie direkt aus Wärmestrahlung. Derzeit liegen die Wirkungsgrade noch bei knapp über 6%, aber hier werden Möglichkeiten zur Steigerungen über das Shockley-Queisser-Limit erwartet. Dazu muss es der Forschung unter anderem gelingen, die Gesamtintegration der einzelnen Systemkomponenten von STPV effektiver zu gestalten.

Solarzellen können zudem mit Linsen- oder Reflektionssystemen (sogenannten Konzentratormodulen), die das einfallende Sonnenlicht bündeln und so um mehrere Größenordnungen konzentriert auf die Solarzellen fokussieren können, erweitert werden. Die Kombination von Mehrfachsolarzellen mit Konzentratormodulen sorgt beispielsweise dafür, dass im Vergleich zu herkömmlichen Solarmodulen nur noch wenige Hundertstel der Halbleiterfläche benötigt werden. Für die zukünftige Entwicklung von hocheffizienten Solarzellen können verschiedene Ansätze genutzt werden, um die Wirkungsgrade weiter zu steigern. Dabei kommen im Bereich der Forschung und Entwicklung neue und günstigere Fertigungsverfahren ebenso in Betracht wie Fortschritte in der Materialforschung oder der Systemintegration.

 

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