Fraunhofer ISE Frank Dimroth erhält für seine Arbeit an Mehrfachsolarzellen höchst dotierten Wissenschaftspreis Frankreichs

Der 38-jährige Freiburger Solarforscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) Frank Dimroth wird mit dem mit 750.000 Euro dotierten Preis der «Foundation Louis D» ausgezeichnet. Dimroth und sein Team entwickeln Mehrfachsolarzellen mit Rekord-Wirkungsgraden.

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Dimroth und sein 50 Wissenschaftler zählendes Team haben eine aus Verbindungshalbleitern bestehende Dreifachsolarzelle entwickelt, die deutlich mehr Sonnenlicht in Strom umwandeln kann als konventionelle Solarzelle: Mit ihrer Erfindung kann den Angaben zufolge ein Wirkungsgrad von 41,1 Prozent erzielt werden und damit doppelt so viel wie bei herkömmlichen Solarzellen auf Basis von Silizium.

Die Wissenschaflter haben hierzu eine metamorphe Dreifachsolarzelle entwickelt. Um den hohen Wirkungsgrad zu erzielen, stapeln die Forscher in einer Mehrfachsolarzelle aus III-V-Verbindungshalbleitern drei Teilzellen übereinander, die jeweils einen begrenzten Wellenlängenbereich des Sonnenlichts besonders effizient umwandeln. Auf diese Weise ließen sich Wirkungsgrade erzielen, die etwa doppelt so hoch sind wie diejenigen konventioneller Solarzellen auf der Basis von Silizium, so das Fraunhofer-Institut.

Frank Dimroth: »Dieser Preis zeigt uns einmal mehr, dass wir auf dem richtigen Weg sind solare Technologien zu entwickeln. Konzentratorsysteme haben das Potenzial den Süden Europas schon in wenigen Jahren mit günstigem Sonnenstrom zu versorgen.«

Ähnliche Herstellungsverfahren wie in der Halbleiterindustrie

Eine Mehrfachsolarzelle entsteht mit Hilfe ähnlicher Verfahren wie sie in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden. »Wir arbeiten mit einem modernen Epitaxieverfahren, der sogenannten metallorganischen Gasphasenepitaxie«, erklärt Dimroth. Dabei werden die vielen Teilsolarzellen auf einem Germanium-Substrat sukzessive übereinander abgeschieden. Es entsteht eine hauchdünne Solarzellenstruktur, der man ihre komplexe innere Struktur mit bis zu 50 monokristallinen Einzelschichten nicht mehr ansieht.

Mit der Entwicklung des metamorphen Kristallwachstums haben Dimroth und seine Kollegen es möglich gemacht, einen größeren Bereich an III-V-Halbleiterverbindungen für das Wachstum von Mehrfachsolarzellen zu nutzen und damit die Solarzelle noch besser an das Sonnenspektrum anzupassen.

Vom Weltraum auf die Erde

Mehrfachsolarzellen wurden bislang im Weltraum eingesetzt, um Satelliten mit Energie zu versorgen. Um das hohe Wirkungsgradpotenzial auch für die regenerative Stromerzeugung auf der Erde zu nutzen, haben sich Dimroth und seine Kollegen einen besonderen Aufbau ausgedacht: Sie entwickelten ein photovoltaisches Konzentratormodul, in dem Fresnel-Linsen das Sonnenlicht um einen Faktor 500 auf nur drei Quadratmillimeter große Tripel-Solarzellen fokussieren.

So lasse sich die teure Halbleiterfläche verringern und der Einsatz von III-V-Mehrfachsolarzellen für die Stromgewinnung in Regionen mit viel direktem Sonnenlicht werde attraktiv. »Wir erwarten, dass sich die Hocheffizienz-Konzentratortechnologie, zusätzlich zur Photovoltaik aus kristallinem Silizium und der klassischen Dünnschicht-Technologie, als dritte Technologie zur kosteneffizienten Erzeugung von Solarstrom in sonnenreichen Gebieten der Erde durchsetzt«, so der Leiter des Fraunhofer ISE Eicke R. Weber.

Frank Dimroth promovierte auf dem Gebiet der experimentellen Physik. Gemeinsam mit Andreas Bett, Abteilungsleiter und Stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer ISE hat er in den vergangenen zehn Jahren die Arbeiten im Bereich der hocheffizienten III-V-Mehrfachsolarzellen und der Konzentrator-Photovoltaik voran getrieben.

2005 waren beide Forscher an der Gründung des Spin-Offs Concentrix Solar GmbH beteiligt. Das Unternehmen produziert Konzentrator-Photovoltaiksysteme und hat in Spanien ein erstes Konzentrator-Solarkraftwerk realisiert.

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