Das Department of NREL, National Renewable Energy Laboratory, hat mit 39.5 % einen neuen Wirkungsgradrekord für Solarzellen bei normalem Sonnenlicht aufgestellt. Die Triple-Junction-Solarzelle könnte einen Rekordwirkungsgrad erreichen, indem sie die Mittelschicht der Zelle verbessert und neue Techniken zum Bau von Quantentöpfen verwendet. 

Die High-Efficiency Crystalline Photovoltaics (PV) Group von NREL entwickelte die Solarzelle unter Verwendung von Hunderte von Materialschichten, die jeweils auf der Grundlage früherer Versionen der Solarzellentechnologie optimiert wurden, die sich über Jahrzehnte der Forschung und Entwicklung in dieser Produktgruppe erstreckten.

Die Solarzelle besteht aus drei verschiedenen Materialien:

• Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) an der Spitze
• Galliumarsenid (GaAs) in der Mitte, die von den oben erwähnten Quantentöpfen umgeben ist
• gitterfehlangepaßtes Gallium-Indium-Arsenid an der Unterseite (GaInAs)

Diese Materialien wurden zuvor in Solarzellen verwendet und dominieren derzeit den Markt für Weltraum-Solarenergie.

Der vorherige Rekord für herkömmliche Sonnenlicht-Solarzellen lag bei 39.2 %, fast so effizient wie dieser neue Rekord, aber diese Zelle war eine Einheit mit sechs Anschlüssen. Mithilfe der jüngsten Fortschritte in der Quantentopfschichtforschung konnte diese Solarzelle mit identischen Materialien die Erzeugungseffizienz verbessern.

Die Herausforderung

Die Hauptnachteile dieser Produktkategorie sind ihre hohen Kosten (10 USD pro Watt gegenüber 10 Cent für normale Solarzellen) und ihre langsame Herstellung im Vergleich zu herkömmlichen Polysilizium-Solarzellen. Darüber hinaus angesichts der weltweit drohenden solare Dominanz, ist die Materialverfügbarkeit eingeschränkt.

Zum Beispiel braucht der Quantum-Well-Teil der Solarzelle 55 Minuten, um zu wachsen, und die vollständige Zelle braucht vier Stunden, um zu wachsen. Dies ist zwar kein fairer Vergleich, aber eine typische Polysilizium-Fertigungslinie mit 250 MW/Jahr zielt darauf ab, Zehntausende von Solarzellen pro Stunde zu bewegen.

Es verspricht jedoch Weltraumsolar und solarbetriebene Autos. Schließlich werden diese Zellen aufgrund ihrer hohen Kosten vor allem in teuren Märkten eingesetzt. 

Anwendungen

Der häufigste Markt ist Raum, da die ISS derzeit Triple-Junction-Zellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 30% verwendet. Zellen dieses Typs wurden auch in bald erscheinenden verwendet solarbetriebene Fahrzeuge. 

„Die neue Zelle ist effizienter und hat ein einfacheres Design, das für eine Reihe neuer Anwendungen effektiv sein könnte, wie z. B. Anwendungen mit stark eingeschränkter Fläche oder strahlungsarme Weltraumanwendungen“, sagte Myles Steiner, leitender Forscher des Projekts und leitender Wissenschaftler in Gruppe für hocheffiziente kristalline Photovoltaik (PV) von NREL. Ryan France, John Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young und Alan Kibbler arbeiteten mit ihm bei NREL.

Um mehr über die Entwicklung zu erfahren, lesen Sie die Veröffentlichung „Triple-Junction-Solarzellen mit 39.5 % terrestrischer und 34.2 % Raumeffizienz, die durch dicke Quantentopf-Übergitter ermöglicht werden“, die in der Mai-Ausgabe der Zeitschrift erschienen ist joule.

Wie der Ausschnitt oben aus der NREL Research Cell Record Effizienzdiagramm zeigt, sind dies zweifellos eine der produktivsten Solarzellen, die je gebaut wurden. Das rote Kästchen zeigt den aktuellen Rekordwirkungsgrad der Solarzelle. Die Klasse der Solarzellen oberhalb und links des angezeigten Zellsatzes zeichnet auf, indem sie Sonnenlicht durch Spiegel und andere Methoden konzentriert.

Wissenschaftler haben zuvor entdeckt, dass eine endlose Anzahl von Steckverbindern theoretisch einen Wirkungsgrad von 85 % bei maximaler Sonnenkonzentration erreichen könnte. Im Gegensatz dazu implizieren konservative Berechnungen, dass ein Solarzellenwirkungsgrad von 62 % mit 1,000-fach konzentriertem Sonnenlicht unter Verwendung mehrerer realistischer Annahmen erreicht werden könnte.

Rucha Joshi, die derzeit ein Team von über 20 Content-Autoren bei TimesNext leitet, wird von ihrer Leidenschaft für kreatives Schreiben angetrieben. Sie ist bestrebt, Informationen in die Tat umzusetzen. Mit ihrem Wissenshunger betrachtet sie sich selbst als ewige Schülerin und leidenschaftliche Führungskraft.