Ursprünglich als Energiequelle für die Raumfahrt entwickelt, werden Mehrfachsolarzellen aktuell für die konzentrierende Photovoltaik in sonnenreichen Regionen der Erde eingesetzt. Die Technologie erreicht gegenwärtig mit hochwertigen Linsensystemen einen Modulwirkungsgrad von circa 29 Prozent. Verantwortlich für diese hohe Effizienz sind spezielle Mehrfachsolarzellen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Innerhalb des Projekts QuintUMM haben die Forschenden eine neue Fünffachsolarzelle, die sogenannte Quintupel-Solarzelle, entwickelt. Module mit diesen neuen Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 32 Prozent und erzeugen somit über 10% mehr Energie als Systeme mit Dreifachsolarzellen.

Konzentrator Photovoltaik nutzt aktuell Dreifachsolarzellen

Üblicherweise verwenden Hersteller für hochkonzentrierende Photovoltaik-Systeme derzeit Dreifachsolarzellen, die aus drei übereinander gestapelten Solarzellen bestehen. Jede dieser Teilsolarzellen wandelt einen bestimmten Wellenlängenbereich des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Der Wirkungsgrad dieser Zellen beträgt bis zu 44 Prozent. Dafür verantwortlich sind die verschiedenen Halbleiterschichten, die klassischerweise aus Gallium-Indium-Phosphid, Indium-Gallium-Arsenid und Germanium bestehen. Dreifachsolarzellen verwerten das Sonnenlicht wesentlich effizienter als Siliziumsolarzellen. Diese können die hochintensiven Lichtteilchen nicht wirkungsvoll nutzen. Daher erreichen sie nur eine vergleichsweise geringe Spannung. Ein großer Teil der Energie geht in Form von Wärme verloren. Demgegenüber erlangen Mehrfachsolarzellen eine höhere Spannung und damit auch einen höheren Wirkungsgrad. Solche Solarzellen sind vergleichsweise teuer. Daher eignen sie sich nicht für herkömmliche, vollflächige Solarmodule.

Halbleiterstapel mit neuen Materialien effizient erzeugen

Mit einem speziellen Verfahren, der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE), fertigen Ingenieurinnen und Ingenieure die Halbleiterstapel der Mehrfachsolarzellen. Dabei werden Moleküle der verschiedenen Halbleitermaterialien aus der Gasphase auf einem beheizten Substrat, dem Germaniumwafer, nacheinander abgeschieden. Der Fachbegriff für diesen Vorgang lautet epitaktisches Schichtenwachstum. Dieses erfolgt in einem Produktionsreaktor, der gleichzeitig mehrere Germaniumwafer mit den verschiedenen Halbleitern belegt. Innerhalb des Forschungsvorhabens haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dieses Verfahren für die neue Struktur der fünf übereinander gestapelten Teilsolarzellen entwickelt. Zudem weisen die tertiären und quartären Halbleitermaterialien (InGaAs, AlInGaAs, InGaP und AlInGaP) eine besondere  Materialkomposition auf.

Die einzelnen Teilzellen der Mehrfachsolarzelle sind vertikal auf dem Germaniumwafer angeordnet und intern durch Tunneldioden und weitere funktionale Halbleiterschichten verbunden. Die Tunneldioden dienen dazu, die einzelnen Teilzellen seriell zu verschalten. Dadurch summiert sich die Spannung der einzelnen Zellen. Letztendlich entsteht die gewünschte höhere Leistung. In weiteren Untersuchungen haben die Forschenden die Materialkomposition der Tunneldioden optimiert. Somit eignen sie sich nun für den Einsatz in konzentrierenden Photovoltaik-Systemen bei 1.000-facher Konzentration der einfallenden Solarstrahlung. Zudem ist die oberste Tunneldiode des Halbleiterstapels besonders transparent. Dadurch lässt diese ausreichend Licht für die darunterliegenden vier Teilzellen passieren.

Spannungen in der Gitterstruktur vermeiden

Neu und innovativ ist die sogenannte Pufferstruktur zwischen den einzelnen Teilzellen der Mehrfachsolarzellen. Diese dient dazu, die Gitterkonstanten der Kristallstrukturen zu vergrößern und die dabei entstehenden innerkristallinen Verspannungen zwischen den Schichten aufzunehmen. Deshalb müssen die Gitterkonstanten der verschiedenen Kristalle (Halbleiter) nicht mehr identisch sein und die neuen Halbleitermaterialien können direkt auf einem Germanium-Wafer erzeugt werden. Mehrfachsolarzellen mit Puffern werden als metamorph bezeichnet.

Neue Fünffachsolarzellen entwickelt

AZUR SPACE hat für den Einsatz in der Raumfahrt bereits neue metamorphe Vierfachsolarzellen entwickelt. Aufbauend auf dieser Technologie haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler innerhalb des Forschungsvorhabens QuintUMM, kurz für „Entwicklung metamorpher Quintupel-Solarzellen für die CPV Anwendung“ erstmals eine metamorphe Fünffachsolarzelle entwickelt und an das terrestrische Lichtspektrum angepasst. Jede der fünf Halbleiterschichten der Mehrfachsolarzelle absorbiert einen bestimmten Bereich des Lichtspektrums. Aus diesem Aufbau leitet sich die Bezeichnung Fünffachsolarzelle ab. Die neue Zelle nutzt das Spektrum gegenüber Dreifachsolarzellen noch gezielter und effizienter aus. Module mit Fünffachsolarzellen erreichen gegenüber Modulen mit Dreifachsolarzellen einen deutlich höheren Wirkungsgrad.

In weiteren Untersuchungen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die aktuell verfügbare Messtechnik weiterentwickelt und an die neuen Mehrfachsolarzellen angepasst. Damit können sie sowohl die spektrale Empfindlichkeit als auch die Strom- und Spannungsdaten unter stark konzentriertem Licht (Blitzlichtlampen mit Spiegeln) prüfen. Mit dieser Methode hat das Fraunhofer ISE aktuell einen maximalen Wirkungsgrad von 42,7 Prozent  bei etwa 800-facher Sonnenkonzentration gemessen.

Erste Applikationstests erfolgreich verlaufen

Als besonderen Erfolg bewertet das Projektteam die Ergebnisse der ersten Applikationstests. Dazu haben sie Fünffachsolarzellen im AZUR-eigenen Konzentrator-System überprüft. Ein erster Dauertest von einer Woche unter CSOC-Standardbedingungen  (concentrator standard operating conditions) am Fraunhofer ISE in Freiburg zeigte bereits einen um 11 Prozent höheren Energieertrag im Vergleich zu einem bestehenden Referenzsystem mit Dreifachsolarzellen. Aktuell geht das Projektteam davon aus, dass die Kosten des gesamten Konzentrator-Photovoltaik-Systems um mindestens 10 Prozent gegenüber Systemen mit Dreifachsolarzellen sinken werden.

Erste Fünffachsolarzellen für Kunden

AZUR SPACE hat bereits für einen ersten Kunden Fünffachsolarzellen hergestellt und bei diesem getestet. Im Laufe des Jahres beabsichtigt AZUR SPACE die Fünffachsolarzelle kommerziell auf dem Markt zu vertreiben . Zielgruppe für die neuen Produkte sind Hersteller von konzentrierender Photovoltaik. Diese beabsichtigen, die Module im Gigawatt-Maßstab in Regionen im Sonnengürtel der Erde zu installieren. Darüber hinaus plant AZUR SPACE, die neuen Mehrfachsolarzellen im firmeneigenen konzentrierenden Photovoltaik-System einzusetzen. Dazu ist ein neues Forschungsprojekt geplant, das noch in diesem Jahr starten wird.