Die effizienteste Solarzelle, die jemals erfunden wurde! Wirkungsgrad der Energieumwandlung übersteigt 47,1 %

Mai 10, 2023

Kürzlich hat das National Renewable Energy Laboratory (NREL) in den Vereinigten Staaten die weltweit effizientesten Solarzellen mit einem maximalen Energieumwandlungswirkungsgrad von 47,1 % entwickelt. Obwohl diese Effizienzrekorde oft gebrochen werden, kann die Solarzelle mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 47,1 % derzeit als die effizienteste Solarzelle der Welt bezeichnet werden. Die neuesten Forschungsergebnisse wurden am 13. April auf Nature Energy veröffentlicht.

Solarzellen machen weiterhin Fortschritte bei der Verbesserung ihrer Umwandlungseffizienz, und die richtige Kombination von Materialien kann die Fähigkeit von Solarzellen verbessern, Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln. John Geisz, der leitende Wissenschaftler des NREL-Teams für hocheffiziente Kristall-Photovoltaikzellen, sagte: „Dieses neue Gerät demonstriert das enorme Potenzial von Mehrfachsolarzellen.“

Mehrfachsolarzellen sind eine Art hocheffiziente Solarzellen. Jede Zelle verfügt über mehrere dünne Filme, die durch Molekularstrahlepitaxie oder chemische Gasphasenabscheidung organischer Metalle hergestellt werden, und diese verschiedenen Halbleiter mit unterschiedlichen charakteristischen Bandlücken können Energie aus bestimmten Frequenzen elektromagnetischer Wellen im Spektrum absorbieren.

Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass Silizium der Goldstandard für die Effizienz von Solarzellen ist, und der Wirkungsgrad von Single-Junction-Solarzellen, die nur Silizium verwenden, weist derzeit mit 33 % den höchsten Wirkungsgrad auf. Die Effizienzbegrenzung von 33 % kann durch Materialwechsel, das Hinzufügen weiterer Knotenpunkte und die Implementierung einer Reihe technischer Technologien zwischen den beiden Knoten durchbrochen werden. Beispielsweise kann der Umwandlungswirkungsgrad einiger Solarzellen mit drei Übergängen bei konzentriertem Sonnenlicht 45 % überschreiten.

Die von NREL neu entwickelte Solarzelle ist eine Sechs-Übergangs-Struktur vom Typ III-V, wobei sich „III-V“ auf die Position des Lichtabsorptionselements im Periodensystem bezieht und III-V-Materialien einen weiten Bereich der Lichtabsorption aufweisen Eigenschaften. Jeder der sechs Verbindungspunkte in der Zelle wurde speziell entwickelt und besteht aus sechs verschiedenen Arten photoaktiver Schichten, die Licht aus bestimmten Teilen des Sonnenspektrums einfangen können.

Durch moderne Technik und Nanotechnologie enthält das Gerät insgesamt etwa 140 Schichten verschiedener III-V-Materialschichten, um die Leistung dieser Verbindungspunkte zu unterstützen, aber seine Breite beträgt nur ein Drittel eines menschlichen Haares.

Um die Leistung dieser Sechs-Kontakt-Solarzelle vom Typ III-V zu untersuchen, testeten NERL-Wissenschaftler sie mit konzentriertem Licht, das 143-mal größer war als die Intensität des natürlichen Sonnenlichts. Die Testergebnisse zeigten, dass ihre neue Solarzelle unter konzentriertem Licht einen rekordverdächtigen Umwandlungswirkungsgrad von 47,1 % aufwies.

Obwohl der Test unter konzentriertem Licht durchgeführt wurde, was einer geringeren Effizienz entspricht, als sie im praktischen Einsatz tatsächlich erreicht werden kann, sagte das Team, dass ein Gerät, das Sonnenlicht auf die Zelle fokussiert, mithilfe von Reflektoren konstruiert werden kann. Das Team testete diesen neuen Zelltyp auch bei normaler Sonneneinstrahlung und sein Umwandlungswirkungsgrad erreichte immer noch 39,2 %. Auch wenn die Umwandlungseffizienz von 39,2 % nicht überragend erscheint, stellt sie dennoch einen neuen Weltrekord für die Umwandlungseffizienz unter Sonneneinstrahlung auf.

Um die Effizienzgrenze von 50 % zu durchbrechen, besteht laut John Geisz von NREL das Haupthindernis darin, den Innenwiderstand zu verringern, der den Stromfluss in der Solarzelle behindert.

Die Bedeutung dieser Forschung besteht darin, dass der Unterschied in der Umwandlungseffizienz bei normalem Sonnenlicht und konzentriertem Licht darauf hinweist, dass es möglicherweise eine wirtschaftliche Möglichkeit gibt, diese Solarzellen vom Typ III-V mit sechs Übergängen einzusetzen. Durch den relativ kostengünstigen Einsatz von Spiegeln, die das Licht auf die neuen Solarzellen bündeln, ist es möglich, die Kosten für den Einsatz dieser Technologie deutlich zu senken. Mit der Konzentration werden weniger Halbleiter eingesetzt. Gleichzeitig kann durch die Konzentration des Sonnenlichts auch die Effizienz der Zelle verbessert werden.

Laut Ryan France, einem der Mitentwickler der Mehrfachzelle und Wissenschaftler am NREL, ist es durchaus möglich, das Effizienzpotenzial von Solarzellen auf über 50 % zu überschreiten. Um denselben Effekt zu erzielen, ist möglicherweise letztendlich nur die Größenordnung der ursprünglichen Halbleitermaterialien oder sogar 1/1000 im Vergleich zu den in der NREL-Forschung verwendeten Materialien erforderlich. Dadurch würde die Solarstromerzeugung für alle erschwinglicher.

Darüber hinaus könnte dieser Durchbruch in der Solarzellentechnologie auch positive Auswirkungen auf andere Branchen haben, beispielsweise auf die Luft- und Raumfahrt, wo hocheffiziente Solarzellen zum Antrieb von Raumfahrzeugen eingesetzt werden könnten.

Insgesamt ist die Entwicklung der weltweit effizientesten Solarzellen durch das NREL ein bedeutender Fortschritt in der Branche der erneuerbaren Energien. Mit dem Potenzial, die Effizienzgrenze von 50 % zu überschreiten, sieht die Zukunft der Solarenergie rosiger aus als je zuvor.

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