Spanische Forscher entwickeln eine Solarzelle, die eine Effizienz von 43 Prozent erreichen wird.

Die Solarenergie verbessert ihre Leistung seit Jahren, hat aber noch viel Verbesserungspotenzial. Obwohl die aktuellen Anlagen immer kostengünstiger und effizienter werden, gibt es eine physikalische Grenze, die die Leistung herkömmlicher Solarzellen begrenzt.

Jetzt hat eine Gruppe von Wissenschaftlern am Institut für Photonikwissenschaften (ICFO) in Castelldefels bei Barcelona eine Lösung vorgestellt, die dabei helfen könnte, diese Hürde zu überwinden. Am interessantesten ist, dass dafür kein völlig neues Halbleitermaterial entwickelt werden muss, sondern lediglich eines der Komponenten der Solarzellen modifiziert werden kann, um die empfangene Energie besser zu nutzen.

Der Schlüssel liegt darin, den herkömmlichen transparenten Elektroden durch eine äußerst dünne Silberschicht zu ersetzen, die in der Lage ist, Elektrizität zu leiten, Licht durchzulassen und gleichzeitig zu kontrollieren, wie ein Teil der Strahlung aus dem Inneren der Zelle entweicht.

Eine Silberschicht zur Überwindung der Effizienzgrenze von Solarmodulen

Um die Bedeutung dieses Fortschritts zu verstehen, muss man auf die bekannte Shockley-Queisser-Grenze eingehen – einen Referenzwert in der Physik, der besagt, dass eine herkömmliche Einbindungssolarenergiezelle unter Standardbedingungen einer Sonneneinstrahlung eine maximale theoretische Effizienz von etwa 33 % hat.

Das bedeutet, dass selbst bei Verwendung hochwertiger Materialien und bei Minimierung der Fertigungsfehler eine erhebliche Menge an Energie nicht genutzt werden kann. Ein Teil geht als Wärme verloren, während ein anderer aus Photonen besteht, die nicht genügend Energie haben, um Elektrizität zu erzeugen.

Aber es gibt ein drittes Phänomen, das die Effizienz ebenfalls verringert. Wenn das Sonnenlicht auf den Halbleiter trifft, werden Elektronen freigesetzt, die einen elektrischen Strom erzeugen können. Einige dieser Elektronen rekombinieren jedoch erneut und emittieren Photonen, die schließlich aus der Zelle entweichen und einen Teil der Energie mit sich nehmen.

Die spanischen Forscher haben ihre Bemühungen gezielt darauf ausgerichtet, diese mit der Strahlungsemission sowie den sogenannten Boltzmann-Verlusten verbundenen Verluste zu verringern. Ihr Vorschlag besteht darin, die Art und Weise zu ändern, wie Licht aus der Solarzelle austreten kann, indem sie die optischen Eigenschaften eines Metallfilms nutzen.

Anstelle des üblichen Indiumstannat, das als ITO bekannt ist, haben sie eine so dünne Silberschicht verwendet, dass ein Großteil des Lichts hindurchgelassen werden kann, die jedoch gleichzeitig reflektierende Eigenschaften aufweist. Auf diese Weise werden die Winkel eingeschränkt, durch die die aus dem Inneren emittierte Strahlung entweichen kann.

Das Ergebnis ist eine Struktur, die teilweise wie eine optische Hohlkammer fungiert und dabei hilft, die Nutzung der Photonen zu verbessern. In den Experimenten hat das Team Verbesserungen sowohl bei der Spannung als auch bei der elektrischen Stromstärke festgestellt, was besonders relevant ist, da beide Parameter die Leistung bestimmen, die eine Solarzelle liefern kann.

Von 33 % auf 43 % Effizienz: Was haben sie tatsächlich erreicht?

Basierend auf diesen Ergebnissen deuten die theoretischen Modelle darauf hin, dass durch die Weiterentwicklung der Technologie Effizienzen von nahezu 43 % erreicht werden könnten. Diese Zahl würde einen erheblichen Sprung im Vergleich zur klassischen Grenze der Einbindungszellchen darstellen, obwohl noch viel Arbeit vorliegt, um herauszufinden, wie weit diese Idee führen kann.

Der Forscher Francisco Bernal Texca, Erstautor der Studie, ist der Ansicht, dass diese Arbeit einen bisher wenig erforschten Forschungsweg eröffnet, um die Shockley-Queisser-Grenze zu überwinden. Der Vorteil besteht darin, dass sie eine Alternative zu den üblichen Strategien bietet, die hauptsächlich darauf abzielen, verschiedene Halbleitermaterialien zu kombinieren.

Denn wenn es gelingt, diese Technologie weiterzuentwickeln, bis sie zu einer kommerziellen Lösung wird, könnte sie die Stromerzeugung erhöhen, ohne dass die von den Paneelen eingenommene Fläche proportional zunehmen muss. Das ist besonders interessant für Dachanlagen, bei denen der verfügbare Platz in der Regel begrenzt ist.

Eine Technologie, die die Perovskit-Solarzellen ergänzen könnte

Die Arbeit des ICFO kommt zu einer Zeit intensiver Konkurrenz um die Steigerung der photovoltaischen Effizienz. Eine der am meisten beachteten Technologien sind Tandem-Solarzellen, die verschiedene Materialien kombinieren, um verschiedene Bereiche des Sonnenspektrums zu nutzen.

Ein Beispiel ist der chinesische Hersteller LONGi, der eine Effizienz von 35,5 % bei einer Tandemzelle aus Perovskit und Silizium angekündigt hat. In diesem Fall unterscheidet sich das Prinzip von dem, das von den Forschern in Barcelona verwendet wird: Anstatt die entweichende Strahlung zu kontrollieren, werden Materialien mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften kombiniert, um die Energie der Photonen besser zu nutzen.

Perowskit ermöglicht es, die Wellenlängen anzupassen, die es aufnehmen kann, während Silizium dafür sorgt, einen anderen Teil des Spektrums zu nutzen. Diese Kombination ermöglicht es, die Grenzen zu überwinden, die eine herkömmliche Einbindungszelleneinheit betreffen.

Der Vorschlag des ICFO befasst sich mit einem weiteren Verlustmechanismus und eröffnet somit die Möglichkeit, ergänzende Lösungen zu erforschen. Das bedeutet nicht, dass beide Technologien ohne Schwierigkeiten direkt kombiniert werden können, aber es gibt verschiedene Wege, die Effizienz der Solarenergie weiter zu steigern.

Auch Techniken wie die Singletspaltung werden erforscht, bei der versucht wird, hochenergetische Photonen zu nutzen, um mehr als eine elektronische Anregung zu erzeugen. Es handelt sich dabei um noch experimentelle Strategien, doch sie zeigen, dass das Verbesserungspotenzial der Photovoltaiktechnologie weiterhin erheblich ist.

Mehr Strom mit derselben Fläche an Solarmodulen

Die praktische Folge einer höheren Effizienz ist recht einfach zu verstehen. Je mehr Energie von derselben Fläche gewonnen werden kann, desto geringer ist der benötigte Platz, um eine bestimmte Strommenge zu erzeugen.

Beispielsweise könnte eine Zelle mit einer Effizienz von 43 Prozent unter denselben Bedingungen wie eine mit 33 Prozent pro Flächeneinheit etwa 30 Prozent mehr Strom erzeugen – und zwar in einer rein theoretischen Vergleichssituation.

Das hätte Auswirkungen auf Anlagen zur Eigenverbrauchserzeugung, große Solarkraftwerke sowie auf Anwendungen, in denen jeder Quadratmeter besonders wertvoll ist. Von Industriedächern bis hin zu in Gebäuden integrierten Photovoltaiksystemen stellt eine Erhöhung der Produktion ohne Erweiterung der installierten Fläche einen offensichtlichen Vorteil dar.

Allerdings gibt es noch erhebliche Hindernisse. Die neue Struktur muss nachweisen, dass sie in großem Maßstab hergestellt werden kann, über Jahre hinweg ihre Leistung behält und wettbewerbsfähige Kosten aufweist. Zudem muss geprüft werden, ob die im Labor festgestellten Verbesserungen auch bei Übertragung auf größere Zellen und anschließend auf vollständige Module bestehen bleiben.

Der Einsatz von Silber ist ebenfalls kein unbedeutender Aspekt, da es sich um ein relativ teures Material handelt. Obwohl die verwendeten Schichten äußerst dünn sind, werden ihr Verbrauch, ihre Stabilität sowie der Herstellungsprozess wichtige Faktoren sein, um die wirtschaftliche Rentabilität zu bestimmen.

Derzeit handelt es sich um einen wissenschaftlichen Fortschritt, noch nicht um eine neue Generation von Solarmodulen, die sofort auf Dächern installiert werden kann. Doch die Arbeit der Forscher in Barcelona zeigt, dass es noch Wege zu erkunden gilt, um eine Energiequelle, die wir täglich kostenlos erhalten, besser zu nutzen.

Und falls schließlich ein viel größerer Anteil dieses Lichts in Elektrizität umgewandelt werden kann, könnte die Solarenergie weiterhin ihre Kosten senken, ohne immer mehr Platz in Anspruch nehmen zu müssen.