Neue Materialien und Technologien für die Solarzellen von morgen

ZSW-Dünnschichtsolarzelle mit der neuen Kesterit-Absorberschicht. Quelle: ZSW

ZSW-Dünnschichtsolarzelle mit der neuen Kesterit-Absorberschicht.
Quelle: ZSW

Quelle: IWR

Stuttgart, Freiburg – Der größte Teil der Solarzellen, die derzeit für Photovoltaik-Anlagen rund um den Globus zum Einsatz kommen, bestehen aus Silizium. Forscher arbeiten jedoch schon an den potentiellen Solarzellen von morgen.

Diese sollen nicht nur hohe Wirkungsgrade erreichen, sondern auch günstig in der Produktion sein. Dabei werden neue Materialien getestet. Vielleicht könnten die Solarzellen der Zukunft aus Zink und Zinn bestehen. In weiteren Forschungen geht es zudem darum, die überschüssige Wärme in nutzbares Licht für die Solaranlage umzuwandeln.

Neue Dünnschicht-Solarzellen aus Zink und Zinn
Am vergangenen Donnerstag verkündete ein Forschungsteam des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden Württemberg (ZSW) einen Forschungserfolg: Ihnen ist es gelungen, einen einfacheren und günstigeren Herstellungsprozess für Kesterit-Dünnschicht-Solarzellen zu entwickeln. Die Zelle erreicht dabei einen Wirkungsgrad von 10,3 Prozent – ein Rekordwert in Europa, nur in den USA wurden für ähnliche Zellen bereits Wirkungsgrade von 11,1 Prozent nachgewiesen. Der Vorteil der ZSW-Solarzelle: Anstatt aus Indium und Gallium besteht sie aus den nachhaltig und günstig verfügbaren Elementen Zink und Zinn.

Dadurch vereinfache sich zudem das Produktionsverfahren. Statt wie bisher nötig aufwändige Vakuumtechnik einsetzen zu müssen, werden sie mittels eines einfachen Druckverfahrens hergestellt. Dabei wird das Substratglas mit einer nicht-toxischen Tintenlösung beschichtet, welche die gewünschten Elemente enthält. Die so aufgebrachte Tintenschicht wird anschließend unter Hitzeeinwirkung selenisiert. Die Forscher wiesen jedoch darauf hin, dass es für einen kommerziellen Einsatz der Solarzelle noch zu früh sei.

Zukünftige PV-Zellen könnten Wärme umwandeln und nutzen
Ein Forschungsteam des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) hat sich eines anderen Problems herkömmlicher Solarzellen angenommen. Diese bestehen aus Silizium, welche nur Licht in Strom umwandeln. Die Wärmeeinstrahlung geht für die Energiegewinnung verloren, kann diese bei zu großer Aufheizung der Solarzellen sogar vermindern. Zumindest gehen aber im Schnitt 20 Prozent der Sonnenenergie verloren. Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher des Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Bern und Heriot Watt Universität Edinburgh eine Technologie entwickelt, welche auch die Sonnenwärme in Strom umwandeln kann. Anfang November wurden erste Forschungsergebnisse veröffentlicht.

Für einen höheren Wirkungsgrad wird ein Hochkonverter eingesetzt, der die Infrarotstrahlung der Sonne in nutzbares Licht umwandelt. Die Technologie ist bereits seit den 1960er Jahren bekannt, wurde aber erst seit 1996 in Verbindung mit Solarzellen getestet. Am Fraunhofer ISE verliefen diese Tests offensichtlich erfolgreich: „Wir konnten die Solarzellen sowie die Hochkonverter so optimieren, dass wir den bisher größten Gewinn an Effizienz erzielen konnten“, freut sich Stefan Fischer, Wissenschaftler am ISE.

Der Hochkonverter besteht in diesem Forschungsprojekt aus einem mikrokristallinen Pulver aus Natrium-Yttrium-Fluorid, das in ein Polymer eingebettet ist. Ein Teil des Yttriums wurde durch das optisch aktive Erbium ersetzt. Trifft nun Sonne auf die Solarzelle, wird das sichtbare Licht wie gewohnt in Elektrizität umgewandelt. Die Infrarotstrahlung gibt die Wärmeenergie an das Erbium ab, welche dann durch eine chemische Energie sichtbares Licht erzeugen und an die Silizium-Zellen abgeben, welche dadurch einen höheren Wirkungsgrad von etwa zehn Prozent aufweisen. Falls die Technik des Fraunhofer ISE das Produktionsverfahren für die Solarzellen nicht wesentlich verteuert, könnte dies zu deutlich geringeren Stromkosten aus Photovoltaik führen. Nach Angaben des Instituts versuchen bereits erste Firmen, die Technik in Solarzellen kommerziell umzusetzen.

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