Tandem-PV-Modul Fraunhofer ISE erzielt Modulwirkungsgrad mit 34,2 Prozent

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Gleich zwei Rekorde bei den Wirkungsgraden von Tandem-PV-Modulen haben Forscher des Fraunhofer ISE unter Laborbedingungen aufgestellt. Das III-V-Germanium-Modul erreichte dabei einen Weltrekord von 34,2 %, während ein III-V-Silizium-PV-Modul mit einer Effizienz von 31,3 % einen neuen Klassenrekord erzielte.

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat zwei Weltrekorde für Tandem-Photovoltaik-Module aufgestellt: Ein III-V-Germanium-Modul erreichte einen Wirkungsgrad von 34,2 %, ein III-V-Silizium-Modul 31,3 %. Beide Werte übertreffen deutlich die theoretische Obergrenze konventioneller Silizium-Solarzellen. Diese Laborergebnisse markieren einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu hocheffizienten Solartechnologien der nächsten Generation.

Das III-V-Germanium-Modul mit einer Fläche von 833 Quadratzenimetern basiert auf dreifachen III-V-Zellen von AZUR SPACE Solar Power, die speziell für das terrestrische Sonnenspektrum angepasst wurden. Zusätzlich kommen antiradierende Nanostrukturen von Temicon zum Einsatz, die Reflexionsverluste minimieren und so die Effizienz weiter steigern. Das zweite Rekordmodul kombiniert III-V-Materialien mit Silizium auf einer Fläche von 218 Quadratzentimetern und erreicht dabei 31,3 Prozent Wirkungsgrad.

Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken

Die Physik hinter diesem Durchbruch liegt in der Kombination verschiedener Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken. Während herkömmliche Silizium-Solarzellen durch das Shockley-Queisser-Limit auf maximal 33,2 % begrenzt sind, durchbrechen Tandem-Zellen diese Barriere durch ihr Multi-Junction-Design. Die III-V-Materialien absorbieren dabei den sichtbaren Spektralbereich mit höheren Energien, während Germanium oder Silizium den infraroten Bereich mit niedrigeren Energien nutzen. Diese Schichtarchitektur ermöglicht es, das gesamte Sonnenlichtspektrum wesentlich effizienter zu nutzen als Einfach-Solarzellen.

Professor Andreas Bett, Direktor des Fraunhofer ISE, sieht die Tandem-Technologien als wichtige Brücke zwischen kostengünstigen Standard-Photovoltaikmodulen und teuren Raumfahrtsolarzellen. Die III-V-Silizium-Variante bietet dabei das bessere Kosten-Nutzen-Verhältnis für terrestrische Anwendungen, während III-V-Germanium-Module in Anwendungen mit extremen Platzanforderungen punkten können. Allerdings handelt es sich bei beiden Rekordmodulen noch um Labordemonstratoren, die in Forschungsprojekten entwickelt wurden und nicht kommerziell verfügbar sind.

Höherer Wirkungsgrad und begrenzter Fläche

Die derzeit besten kommerziell verfügbaren Solarmodule erreichen Wirkungsgrade von maximal 24,8 %, womit die neuen Laborwerte um den Faktor 1,4 höher liegen. Die Tandem-Module wurden in den Projekten Vorfahrt und Mod30plus entwickelt, an denen neben dem Fraunhofer ISE auch Industriepartner wie Azur Space, Temicon, Gochermann Solar und Audi beteiligt sind. Die Beteiligung des Automobilherstellers deutet bereits auf eine wichtige Zielrichtung hin: hocheffiziente Solarzellen für die Integration in Elektrofahrzeuge, wo jeder Quadratzentimeter Fläche optimal genutzt werden muss.

Für Elektronikentwickler eröffnen diese Fortschritte mittelfristig neue Designmöglichkeiten, insbesondere für platzkritische Anwendungen. Bei begrenzter Installationsfläche ermöglichen die höheren Wirkungsgrade kompaktere Systemdesigns, was besonders relevant für die Elektromobilität, mobile Elektronik mit Solarintegration, industrielle IoT-Sensoren mit Energy Harvesting sowie Raumfahrt- und Satellitenanwendungen ist. Obwohl die Modulkosten höher sind als bei Standard-Technologien, können sich die Systemkosten durch weniger benötigte Module pro Kilowatt, reduzierte Balance-of-System-Komponenten und geringere Installationskosten verbessern.

Marktreife dauert noch einige Jahre

Der Weg zur Marktreife wird jedoch noch einige Jahre dauern. III-V-Halbleiter sind extrem teuer und erfordern hochpräzise Fertigungsverfahren, ähnlich denen in der Raumfahrt-Solarzellentechnologie. Kurzfristig werden diese Module daher zunächst in Nischenmärkten wie der Automobil-Integration oder speziellen industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen, bevor sie bei entsprechender Skalierung möglicherweise auch für breitere Anwendungen erschwinglich werden. Als günstigere Alternative entwickeln andere Forschungsgruppen Perowskit-Tandemzellen, die bereits kommerzielle Wirkungsgrade von etwa 25 % erreichen.

Mit der Überschreitung der 30-Prozent-Marke bei Modulwirkungsgrad im Labor etabliert sich die Tandem-Photovoltaik als zukunftsweisende Schlüsseltechnologie für die nächste Generation solarer Energiesysteme und zeigt das enorme Potenzial auf, das jenseits der physikalischen Grenzen konventioneller Silizium-Solarzellen liegt. (heh)

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