Wieder ein PV-Weltrekord

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NREL erreicht Wirkungsgrad von 39,5 Prozent

Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL) am US-Energieministerium (DOE) haben eine Solarzelle mit einem Rekordwirkungsgrad von 39,5 % entwickelt – derzeit die Solarzelle mit dem höchsten Wirkungsgrad aller Typen, gemessen unter Standardbedingungen bei bei globaler einfacher Sonnenbestrahlung. Die Einzelheiten der Entwicklung sind in dem Artikel „Triple-junction solar cells with 39.5% terrestrial and 34.2% space efficiency enabled by thick quantum well superlattices“ (Dreifachsolarzellen mit 39,5 % terrestrischem und 34,2 % Weltraumwirkungsgrad durch dicke Quantentopfübergitter) in Joule beschrieben.

Alte Solarzelle im HZB-Institut für Si-PV – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

„Die neue Zelle ist effizienter und hat ein einfacheres Design, das für eine Vielzahl neuer Anwendungen nützlich sein kann, wie z. B. Anwendungen mit stark begrenzter Fläche oder strahlungsarme Weltraumanwendungen“, sagte Myles Steiner, leitender Wissenschaftler im Bereich High-Efficiency der NREL Gruppe für kristalline Photovoltaik (PV) und Hauptforscher des Projekts. Er arbeitete mit seinen NREL-Kollegen Ryan France, John Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young und Alan Kibbler zusammen.

NREL-Wissenschaftler hatten bereits 2020 mit einer Solarzelle mit sechs Übergängen und einem Wirkungsgrad von 39,2 % unter Verwendung von III-V-Materialien einen Rekord aufgestellt. Mehrere der besten Solarzellen der letzten Zeit basieren auf der am NREL erfundenen invertierten metamorphen Mehrfachübergangsarchitektur (IMM). Diese neu verbesserte IMM-Solarzelle mit drei Übergängen wurde nun in die Tabelle der besten Forschungszellen-Effizienz aufgenommen. Die Tabelle, die den Erfolg experimenteller Solarzellen zeigt, enthält den bisherigen IMM-Rekord von 37,9 %, der 2013 von der japanischen Sharp Corporation aufgestellt wurde.

Die Verbesserung des Wirkungsgrads ist das Ergebnis der Forschung an „Quantum-Well“-Solarzellen, bei denen viele sehr dünne Schichten zur Veränderung der Solarzelleneigenschaften eingesetzt werden. Die Wissenschaftler entwickelten eine Quantentopf-Solarzelle mit beispielloser Leistung und implementierten sie in ein Gerät mit drei Übergängen mit unterschiedlichen Bandlücken, wobei jeder Übergang so eingestellt ist, dass er einen anderen Teil des Sonnenspektrums einfängt und nutzt.

Die III-V-Materialien, die so genannt werden, weil sie im Periodensystem stehen, decken einen großen Bereich von Energiebandlücken ab, die es ihnen ermöglichen, verschiedene Teile des Sonnenspektrums zu nutzen. Der obere Übergang besteht aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), der mittlere aus Gallium-Arsenid (GaAs) mit Quantenwannen und der untere aus gitterfehlangepasstem Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs). Jedes Material ist in jahrzehntelanger Forschung optimiert worden.

„Ein Schlüsselelement ist, dass GaAs zwar ein hervorragendes Material ist und im Allgemeinen in III-V-Mehrfachzellen verwendet wird, aber nicht die richtige Bandlücke für eine Dreifachzelle hat, was bedeutet, dass das Gleichgewicht der Photoströme zwischen den drei Zellen nicht optimal ist“, so France, leitender Wissenschaftler und Zellentwickler. „Hier haben wir die Bandlücke unter Beibehaltung der ausgezeichneten Materialqualität durch die Verwendung von Quantentöpfen verändert, was dieses Gerät und potenziell weitere Anwendungen ermöglicht.

Die Wissenschaftler verwendeten Quantenmulden in der mittleren Schicht, um die Bandlücke der GaAs-Zelle zu vergrößern und die Lichtmenge, die die Zelle absorbieren kann, zu erhöhen. Wichtig ist, dass sie optisch dicke Quantentopf-Bauelemente ohne größeren Spannungsverlust entwickelten. Sie lernten auch, wie man die obere GaInP-Zelle während des Wachstumsprozesses ausglühen kann, um ihre Leistung zu verbessern, und wie man die Dichte der Fadenversetzungen in gitterfehlangepasstem GaInAs minimiert, was in separaten Veröffentlichungen behandelt wird. Diese drei Materialien bilden zusammen die Grundlage für das neue Zelldesign.

III-V-Zellen sind für ihren hohen Wirkungsgrad bekannt, aber der Herstellungsprozess ist traditionell sehr teuer. Bisher wurden III-V-Zellen für Anwendungen wie Weltraumsatelliten, unbemannte Luftfahrzeuge und andere Nischenanwendungen eingesetzt. Forscher am NREL haben daran gearbeitet, die Herstellungskosten von III-V-Zellen drastisch zu senken und alternative Zelldesigns bereitzustellen, die diese Zellen für eine Vielzahl neuer Anwendungen wirtschaftlich machen werden.

Die neue III-V-Zelle wurde auch auf ihre Effizienz in Weltraumanwendungen getestet, insbesondere für Kommunikationssatelliten, die mit Solarzellen betrieben werden und für die ein hoher Zellwirkungsgrad von entscheidender Bedeutung ist, und erreichte bei einer Messung zu Beginn der Lebensdauer 34,2 %. Das derzeitige Design der Zelle ist für Umgebungen mit geringer Strahlung geeignet, und Anwendungen mit höherer Strahlung könnten durch eine Weiterentwicklung der Zellstruktur ermöglicht werden.

Das NREL ist das wichtigste nationale Labor des US-Energieministeriums für Forschung und Entwicklung in den Bereichen erneuerbare Energien und Energieeffizienz. Das NREL wird im Auftrag des Energieministeriums von der Alliance for Sustainable Energy LLC betrieben.

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