Elektrizität aus Sonnenlicht

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IMTEK Institut für Mikrosystemtechnik Albert-Ludwigs-Universität

Erst vor kurzem konnten Forscher aus Baden-Württemberg am Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoffforschung (ZSW) in Stuttgart einen neuen Weltrekord von 20,1 Prozent Wirkungsgrad einer CIGS-Dünnschichtlaborsolarzelle aufstellen [5]. Marktübliche CIGS-Module haben einen Wirkungsgrad von 10 bis 12 Prozent. In Modulen für CdTe-Dünnschichtsolarzellen werden Wirkungsgrade von ca. 10 bis 11 Prozent erreicht (die beste Laborsolarzelle liegt bei 16,5 Prozent). Bei Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silizium kommt man auf Konversionseffizienzen zwischen 5 bis 7 Prozent (Labor ca. 13 Prozent). Sie werden häufig als Stromquellen zum Betreiben von Kleingeräten wie Uhren oder Taschenrechnern eingesetzt. In den letzten Jahren wurden vermehrt Dünnschichtsolarzellen eingesetzt bis hin zum Bau ganzer Solarkraftwerke basierend auf CdTe. So hat sich der Marktanteil dieses Solarzellentyps am gesamten Photovoltaikmarkt auf 17 Prozent steigern können, Tendenz steigend.

Es gibt eine Reihe von Ansätzen, mehrschichtige Solarzellensysteme zu entwickeln. In Tandem- oder Stapelzellen werden Schichten unterschiedlicher Halbleitermaterialien übereinander angeordnet. Dadurch kann der Spektralbereich der Sonne besser ausgenutzt werden. Das Fraunhofer ISE in Freiburg konnte mit einer Laborsolarzelle so auf Wirkungsgrade über 40 Prozent kommen und ist damit Rekordhalter in diesem Bereich [6]. Die Herstellungskosten dieser Solarzellen sind allerdings wesentlich höher als die konventioneller Solarzellen. Sie sind für spezielle Anwendungen in photovoltaischen Konzentratorsystemen für Orte mit viel direktem Sonnenlicht oder auch im Weltraum für Satellitensysteme und Weltraumstationen interessant.

Photovoltaik der dritten Generation

Seit den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts wird die so genannte dritte Generation von Solarzellen entwickelt, die sich allerdings noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium befindet, wenn auch zum Teil schon die Stufe zur Marktreife recht fortgeschritten ist. Erste kommerzielle Produkte sind bereits auf dem Markt. Zur dritten Generation von Solarzellen gehören die organischen Solarzellen und die Farbstoffsolarzellen. Letztere wurden 1991 von Michael Grätzel und Brian O`Reagan an der EPFL in Lausanne (Schweiz) entwickelt [7]. Laborsolarzellen mit Effizienzen von 10 bis 11 Prozent wurden bereits hergestellt. Zurzeit wird an der Entwicklung von Solarzellenmodulen gearbeitet mit Effizienzen zwischen 5 bis 10 Prozent und der notwendigen Langzeitstabilität. Das Prinzip der Farbstoffsolarzelle, die nach ihrem Erfinder Grätzel-Zelle genannt wird, ist in Abbildung 4a dargestellt. Es handelt sich um eine elektrochemische Solarzelle. Nanoporöses Ti-dioxid auf einer transparenten Elektrode bildet dabei die Grundlage. Die Anlagerung von Farbstoffmolekülen, verteilt über die gesamte Oberfläche dieser nanoporösen Schicht, ermöglicht es, dass die Farbstoffmoleküle nach Absorption von Sonnenenergie Elektronen an die Ti-dioxid-Nanopartikel abgeben können, die dann an die entsprechende transparente Elektrode abgeführt werden. Die Farbstoffmoleküle werden durch den anwesenden Elektrolyten, in der Regel ein Iodid/Triiodid-Elektrolyt-System, in einer Redoxreaktion regeneriert und stehen dann wieder zur Energieabsorption zur Verfügung.

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