30 Prozent und mehr: Concentrated Photovoltaics

Hinter der Abkürzung CPV (Concentrated Photovoltaics) verbirgt sich eine im Grunde einfache Idee: Das Sonnenlicht wird vor dem Auftreffen auf die Solarzelle durch optische Linsen oder geeignete Spiegel auf eine sehr kleine Fläche konzentriert. Die Energiedichte der einfallenden Strahlung ist bei einigen Modulen um bis zu 1000-mal höher als die des nicht gebündelten Sonnenlichts. Der Wirkungsgrad der Solarzelle kann heute unter Laborbedingungen mehr als verdoppelt werden, die Grenze von 40 Prozent wurde bereits durchbrochen.

Auch Module, die grundsätzlich serienreif sind, erreichen bereits mehr als 30 Prozent. Ein wenig erinnert die Idee an solarthermische Kraftwerke, in denen Sonnenlicht durch große Spiegel eingefangen und auf einen Absorber konzentriert wird. Aber dennoch gibt es einen entscheidenden Unterschied zwischen beiden Ideen.

Die Fläche wird nicht größer

Die Steigerung des Wirkungsgrades in konzentrierenden Solarthermie Kraftwerken basiert schlicht darauf, dass auf einer deutlich größeren Fläche entsprechend mehr Licht eingefangen wird. Das geschieht bei der CPV nicht. Die Fläche, auf die das Licht einfällt, ist unverändert die der Solarzelle. Während in einer herkömmlichen Solarzelle der Halbleiter die gesamte Fläche ausfüllt, werden in der Konzentrator-Photovoltaik nur sehr kleine Halbleiter benötigt, auf die das Licht gebündelt wird. Das spart perspektivisch Kosten, wenn derartige Module in die Massenproduktion gelangen. Die gesamte genutzte Lichtmenge bleibt aber dieselbe, woher kommt also die deutliche Steigerung der Stromausbeute?

CPV setzt auf Tandem Solarzellen

Tandem Solarzellen sind eigentlich keine neue Idee. Solarzellen können nur einen kleinen Teil des Sonnenlichts nutzen, der Rest des Spektrums durchdringt den Halbleiter und bleibt ungenutzt. Die Idee, in einer Solarzelle zwei Strom erzeugende Schichten zu verwenden, die unterschiedliche Teile des Spektrums nutzen, ist nicht neu. Solche Zellen werden als Tandem Solarzellen bezeichnet. Die Halbleiter sind jedoch die teuerste Komponente einer Solarzelle, zwei Halbleiterschichten treiben den Preis empfindlich in die Höhe. Anders sieht es bei der CPV aus. Abhängig von der Konzentration werden nur noch 0,1 bis 0,2 Prozent des Halbleitermaterials herkömmlicher Zellen benötigt. Daher verursacht es kaum Kosten, auch mehrere Schichten hintereinander zu montieren. Das können durchaus auch mehr als nur zwei sein, sofern geeignete Materialien gefunden werden. Insofern ist die Bezeichnung Tandem Solarzelle nicht mehr ganz passend, besser wäre vielleicht Mehrfachsolarzelle.

Umweltpreis für CPV

Genau diese Kombination aus CPV und Tandem Solarzellen wurde in einem Gemeinschaftsprojekt des Fraunhofer Instituts für solare Energiesysteme und der Firma Soitec sehr erfolgreich demonstriert. Die so konstruierte Solarzelle stellte mit einem Wirkungsgrad von 41,1 Prozent bereits im Jahr 2009 einen neuen Weltrekord auf. In dieser Zelle kommen drei Halbleiterschichten zum Einsatz. Jetzt wurde den beiden Projektverantwortlichen für diese Entwicklung der Deutsche Umweltpreis 2012 verliehen.