3D-Solarzelle lässt höheren Wirkungsgrad zu

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Der Wirkungsgrad von Solarzellen gibt das Verhältnis von einfallender Strahlung zu erzeugter elektrischer Leistung an. Je höher der Wirkungsgrad einer Solarzelle, desto höher ist, bei gleicher Fläche und gleichen Lichtverhältnissen, die elektrische Ausbeute. Die Bestrebung der PV-Industrie liegt also in einem möglichst hohen Wirkungsgrad. Allerdings sind dem Wirkungsgrad gewisse Grenzen gesetzt. So ist seine Größe unter anderem von der Bandlücke und dem Spektrum abhängig.

Innerhalb der Halbleiter sind die Elektronen durch die Bandlücke vom Valenzband getrennt. Durch die äußere Energiezufuhr (Sonneneinstrahlung) werden sie entsprechend angeregt und können diese Bandlücke überwinden. Für die Energie, die man nun aus diesen angeregten Elektronen gewinnen kann, ist die Bandlücke des Halbleiters eine entscheidende Größe. Je geringer die Bandlücke und je fokussierter das Sonnenlicht auf die Zelle trifft, desto höher die Energieausbeute pro angeregtem Elektron.

Bei unkonzentriertem Sonnenlicht und einer Bandlücke von 1,3 eV liegt der maximale Wirkungsgrad bei 31 Prozent. Der übliche Wirkungsgrad in der PV-Industrie liegt heute bei 17,0 bis 18,5 Prozent. Lediglich durch Mehrfachsolarzellen lässt sich prinzipiell auch ein höherer Wirkungsgrad erzielen. Mehrfachsolarzellen, auch als Tandem-Solarzellen bezeichnet, bestehen aus mehreren Solarzellen bei denen verschiedenen Materialien monolith übereinander geschichtet sind. Hierdurch wird ein breiteres Sonnenlichtspektrum als bei Einfachsolarzellen absorbieren und somit der Wirkungsgrad gesteigert.

Derzeit arbeitet das Unternehmen Solar3D aus Kalifornien an einer Lösung, um die Energieausbeute von Waferzellen zu erhöhen und die 17 Prozentmarke deutlich zu übertreffen. Die vom Unternehmen entwickelte 3D-Siliziumsolarzelle soll durch eine längere Lichtgewinnung eine höhere Energieausbeute bringen und die Amortisationszeit für den Kunden deutlich nach unten schrauben. Möglich macht das die dreidimensionale Oberflächenstruktur in Verbindung mit kristallinen Mikrostrukturen des Wafers, womit sich der verwertbare Einstrahlwinkel des Sonnenlichts ausweiten lässt. Zusätzliche Kleinstrukturen vermindern Reflektionen und fangen noch zusätzlich Sonnenlicht ein. Somit könnte auch bei tiefstehender Sonne, etwa in den Morgen- oder Abendstunden, diese Einstrahlung zur zusätzlichen Stromgewinnung genutzt werden und die Maximalausbeute der Solarzelle auf 27 Prozent bringen.

Ob sich der Gedanke auch in die Praxis umsetzen lässt, wird der Prototyp zeigen, der sich bei Solar3D gerade im Bau befindet. Über den Fertigstellungszeitpunkt ist allerdings noch nichts bekannt.

Judith Schomaker

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