Im Markt etablierte Siliziummodule erreichen heute rund 20 bis 24% Wirkungsgrad und liegen damit bereits nah am materialspezifischen Limit von 29,4%. Dieses Limit ist eine Folge des sogenannten Shockley-Queisser-Limits, das für Solarzellen mit nur einer Halbleiterschicht einen maximalen Wirkungsgrad von 33,2% unter Idealbedingungen beschreibt.
Der Grund liegt in der Bandlücke des Materials: Sie bestimmt, welche Wellenlängen des Lichts in Strom umgewandelt werden können. Ist die Bandlücke zu gross, gehen langwellige Photonen verloren; ist sie zu klein, verpufft ein Teil der Energie als Wärme. Silizium trifft dieses theoretische Optimum nicht exakt, weshalb mit klassischer Siliziumtechnologie nur begrenzte Effizienzsteigerungen möglich sind.
Tandem-Prinzip
Statt nur einer Halbleiterschicht werden mehrere Schichten mit unterschiedlichen Bandlücken kombiniert. Jede dieser Schichten nutzt einen anderen Teil des Sonnenspektrums, von kurz- bis langwellig. So lässt sich deutlich mehr der eingestrahlten Energie in Strom umwandeln, das klassische Einzelschicht-Limit wird faktisch überwunden.
Theoretisch sind mit Tandemzellen Wirkungsgrade von über 60% möglich, je nach Materialkombination und Aufbau. Die technische Herausforderung liegt nicht nur in der Wahl der Materialien, sondern auch darin, diese in ein stabiles Modul zu überführen, das unter realen Bedingungen zuverlässig arbeitet.
Im Projekt „Vorfahrt“ entstand ein Tandemmodul, das nach Angaben des Fraunhofer ISE einen Wirkungsgrad von 34,2% erreicht, aktuell das effizienteste Solarmodul der Welt. Es basiert auf einer dreifach gestapelten III-V-Halbleiterstruktur auf einer Germaniumunterlage, einer Architektur, die ursprünglich für Weltraumsolarzellen entwickelt wurde.
Projektpartner Azur Space hat seine Raumfahrtzellen dafür an das terrestrische Sonnenspektrum angepasst und für die Modulfertigung skaliert. Das Unternehmen Temicon steuert eine Nanostruktur auf der Glasoberfläche bei, die Reflexionsverluste minimiert und damit zusätzliche Effizienzprozentpunkte erschliesst.
Das zweite Rekordmodul stammt aus dem Projekt „Mod30plus“. Hier kombinieren die Forschenden einen III-V-Halbleiter mit dem kostengünstigeren Silizium statt Germanium und erreichen damit einen Modulwirkungsgrad von 31,3%. Grundlage sind III-V/Silizium-Tandemzellen mit 36,1% Zellwirkungsgrad, die im Institut erstmals in einer Kleinserie gefertigt und verschaltet wurden.
Die III-V/Silizium-Technologie verlässt den reinen Laborstatus und bewegt sich in Richtung industriell skalierbarer Prozesse. Beide Module übertreffen das physikalische Limit klassischer Siliziummodule von 29,4% klar. Ein Wert, der lange als kaum erreichbar galt.
Modulwerte für die Praxis
In der Photovoltaik wird zwischen Zellen und Modulen unterschieden. Zellen werden unter idealisierten Laborbedingungen vermessen, Module bestehen aus vielen verschalteten Zellen, eingebettet in Glas und Rahmen. Inaktive Flächen, Leiterbahnen und Reflexionen verursachen dabei unvermeidbare Verluste.
Entsprechend liegen Modulwirkungsgrade immer unter den Zellwirkungsgraden, auch im Fall der Freiburger Rekordtechnik. Für reale Anwendungen sind deshalb die Modulwerte entscheidend, denn auf Dächern, Fassaden oder Fahrzeugen werden immer Module installiert, nie einzelne Zellen.
Wenn jeder Quadratzentimeter zählt
Spannend werden die Hochleistungsmodule dort, wo Fläche knapp und teuer ist. Etwa in der gebäudeintegrierten Photovoltaik, bei der Module als Fassaden- oder Dachelemente fungieren oder auf Fahrzeugen. Zu den Projektpartnern zählt unter anderem Audi, was das Potenzial für Fahrzeuganwendungen unterstreicht.
Effizienz für den Massenmarkt
Parallel verfolgt das Fraunhofer ISE eine weitere Tandemroute. Perowskit-Silizium-Module, entwickelt unter anderem gemeinsam mit Oxford PV. Ein vollformatiges Modul mit 1,68 m² Fläche erreicht bereits 25% Wirkungsgrad und ist auf Fertigungslinien produziert worden, die auch für die Massenproduktion geeignet sind. Diese Technologie zielt weniger auf absolute Rekorde als auf breite Marktdurchdringung mit vergleichsweise günstigen Materialien und soll sich perspektivisch für Standarddächer eignen. Forschergruppen, unter anderem in Hong Kong, melden zudem Perowskit-basierte Zellen mit Wirkungsgraden von bis zu 40%, was die Dynamik in diesem Segment verdeutlicht.
