Effizienzrekord durch emittierende Solarzellen
Neue Einschicht-Solarzellen, die Photonen nicht nur absorbieren, sondern auch emittieren, erreichen die bislang höchste Effizienz.
Dieses zunächst sehr kontraintuitive Konzept haben Forscher der Universität Berkeley vorgestellt. Solarzellen werden schließlich darauf optimiert, Photonen zu absorbieren und in elektrischen Strom umzuwandeln. Eine Emission von Photonen klingt nach Verlusten, die man eigentlich vermeiden sollte. Die Lösung dieses Rätsels liegt aber in der theoretisch erzielbaren maximalen Effizienz.
Abb.: Eine der hocheffizienten, flexiblen neuen Solarzellen (Bild: J. Foster / Alta Devices)
Die höchste mit Sonnenlicht erreichbare Effizienz von Einschicht-Solarzellen liegt nach dem seit 1961 bekannten Shockley-Queisser-Limit bei 33,5 Prozent. Von den knapp 1000 Watt pro Quadratmeter lassen sich mit Solarzellen, die auf einem einzigen p-n-Übergang basieren, also nur 335 Watt in elektrischen Strom umwandeln. Diese Grenze lässt sich bei beliebig vielen Übergängen bei Mehrschicht-Solarzellen theoretisch auf bis zu 86 Prozent anheben. Gegenwärtig lag der Rekord für Einschicht-Solarzellen bei 26 Prozent, bei Mehrschicht-Solarzellen bei 43,5 Prozent. Die neuen, auf Gallium-Arsenid basierenden Einschicht-Solarzellen erreichen eine Effizienz von 28,3 Prozent und rücken damit ein gutes Stück näher an das theoretische Limit heran.
Die erreichbare Effizienz hängt nicht zuletzt von der Bandlücke des benutzten p-n-Übergangs ab. Wie Eli Yablonovitch und Owen Miller errechnet haben, steigt bei Solarzellen, die Photonen emittieren, die abgreifbare Spannung und damit die Effizienz. Dies verdankt sich dem thermodynamischen Zusammenhang von Emission und Absorption. „Eine Solarzelle, die gut darin ist, Photonen zu emittieren, erzeugt eine höhere Spannung und damit auch die Menge an Energie, die aus Sonnenlicht gewonnen werden kann,“ so Miller.
Dieser theoretische Zusammenhang ist zwar keine Neuigkeit. Die Forscher aus Berkeley sind jedoch die ersten, die ihn zum Design neuer Solarzellen einsetzten. Zu diesem Zweck erleichterten sie die Emission ungenutzter Photonen unter anderem, indem sie Reflektivität des hinteren Spiegels erhöhten. Die Forscher wollen im kommenden versuchen, sich näher an die 30-Prozent-Hürde heranzutasten. Sie präsentieren ihre neuesten Ergebnisse auf der Conference on Lasers and Electro-Optics im Mai in San Jose.
Dirk Eidemüller
Weitere Infos
OD
