Hoch­konzen­triert zu günstigem Strom

Die Tandem-Solarzellen des Forschungs­teams am Fraunhofer ISE in Freiburg im Breisgau lassen sich mit einer weiteren vielver­sprechenden Technik verbinden: mit der hochkonzen­trierenden Photovoltaik. Das erlaubt enorm hohe Wirkungsgrade mit minimalem Verbrauch der Halbleiter-Materialien.

Eine spannende Entwicklung in der Photovoltaik ist die hochkonzentrierende Photovoltaik. Dabei verstärken kostengünstige Linsen das Sonnenlicht tausendfach und bündeln es auf eine wenige Quadrat­millimeter kleine Solarzelle, die es in Strom umwandelt. Die Forschenden um Frank Dimroth vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg im Breisgau sind weltweit führend bei dieser Technologie. Sie haben vor einigen Jahren eine solche Solarzelle hergestellt, die unter 665-fach konzentriertem Sonnenlicht einen Wirkungsgrad von 47,6 Prozent erreicht – das ist Weltrekord.

Die Kombination der III-V-Halb­leiter-Mehrfach-Solar­zellen mit der hochkonzen­trierenden Photo­voltaik ist ein weiterer wichtiger Teil des neuen WSS-Projektes. «Denn damit benötigen wir noch einmal 1000 Mal weniger Halbleiter­material und kommen schneller zu wettbewerbs­fähigen Strom­gestehungs­kosten», sagt Frank Dimroth. Die Technologie ist bereits so weit fortgeschritten, dass das Team gerade eine Ausgründung namens Clearsun Energy plant, die hochkonzen­trierende Solarmodule bauen und vermarkten soll. Mit dem Preisgeld aus der Endrunde des 100-Jahr-Jubiläumsprojekts der WSS hatte das Freiburger Team den ersten Schritt der Modul-Skalierung auf etwa die Grösse eines Computer­bildschirms erfolgreich umgesetzt. Das Spin-off nimmt nun zwei auf vier Meter grosse Module in Angriff.

Die Herstellungs­prozesse werden in zwei Labors auf dem Campus des ISE erforscht und verbessert. Auf einer Anlage werden die winzig kleinen Solar­zellen auf eine Glas-Bodenplatte mit einer Leiter­bahn­struktur aufgebracht. Im zweiten Schritt kommt ein kleiner Tropfen Silicon auf die Zelle und eine Glaskugel mit einem Durch­messer von nur 1,6 Millimetern. Um hohe Durch­sätze in der Produktion zu erreichen, ist es wichtig, dass die Bauteile in Zukunft nicht mehr einzeln gesetzt werden, sondern alle auf einmal. Auch hier arbeitet das Team bereits an Lösungsansätzen.

Eine ausgeklügelte Idee

Frank Dimroth führt die ausge­klügelte Idee in einem Labor­raum vor. Die Forschenden haben eine Schablone in der Grösse des Solar­moduls gebaut, die Vertie­fungen dort aufweist, wo die Kugel­linsen zu liegen kommen sollen. Werden Kugel­linsen auf der Schablone verteilt, fallen sie in diese Vertie­fungen. Ein Vakuum-Aufsatz greift sie dann alle auf einmal und setzt sie auf die Solar­zellen im Modul. Noch bestehen Heraus­forderungen mit diesem System, wie Frank Dimroth sagt. «Wir müssen beispiels­weise sicher­stellen, dass die Linsen wirklich kugel­symmetrisch sind und sich nicht in den Aussparungen verkeilen.»

Abschliessend wird die Platte mit den Solarzellen und den Kugel­linsen in einen Rahmen eingesetzt mit einem Vorder­seitenglas, auf welchem weitere Linsen aus Silicon eingeprägt sind. Das Sonnenlicht wird in zwei Stufen durch Linsen und Glaskugeln konzentriert und erreicht eine 1000-fache Verstär­kung der Intensität, bevor es in den Solarzellen in Strom umgewandelt wird.

Die Kosten minimieren

Hochkonzen­trierende Solarmodule funktionieren dort sehr gut, wo die Sonnen­einstrahlung intensiv ist, etwa in Süd­europa, den USA oder Afrika. Diffuses Licht, wie es in unseren Breiten­graden oft herrscht, kann durch die Linsen nicht gebündelt werden und ginge daher für die Strom­erzeugung verloren. Damit die Konzen­tration perfekt funktioniert, müssen die Module zudem jederzeit genau zum Sonnen­stand ausgerichtet werden. Solche nachge­führten Anlagen seien heute Standard, erklärt Dimroth.

Seine Vision ist es, die hochkonzen­trierende Photovoltaik zur wirtschaft­lichsten Stromquelle in sonnen­reichen Regionen der Erde zu machen. Zudem sei die Techno­logie besonders öko­logisch, da sie nur wenig Energie in der Herstellung benötigt und höchste Wirkungs­grade aufweist. Um diesen Prozess wirtschaftlich zu machen, könnten die ultra­dünnen Tandem-Solar­zellen, die das Team im neuen WSS-Projekt entwickelt, ent­scheidend sein. Denn heutige Konzen­trator-Module verwenden III-V-Halbleiter-Mehr­fach-Solar­zellen mitsamt ihrem Germanium-Substrat.

«Deshalb verursachen die Zellen trotz ihrer geringen Fläche noch immer fast die Hälfte der Kosten eines Moduls», sagt Dimroth. «Die ultra­dünnen Zellen, die wir entwickeln, bieten die Chance, die Herstellungs­kosten deutlich zu senken.» Gelingt es, die hauch­dünnen Halbleiter-Zellen in die Konzen­trator-Module zu integrieren, liesse sich nach Berechnungen des Fraunhofer ISE in sonnen­reichen Ländern Solarstrom für weniger als zwei Cent pro Kilo­watt­stunde produzieren.