Konzentrator-Photovoltaik: Solarzellen, Typen und Leistung

• Was ist Konzentrator-Photovoltaik? Ist von Konzentrator-Photovoltaik (auf Englisch: „concentrated photovoltaik“, kurz: CPV) die Rede, dann geht es um Solarzellen, die mit einer ganz speziellen Technologie ausgerüstet sind: sogenannte Konzentrator-Solarzellen (auch Konzentratorzellen genannt).
• Wie funktioniert die Technologie? Bei Konzentrator PV wird das Sonnenlicht gebündelt, sodass es fokussiert auf die Zelle auftrifft.
• Nutzen Konzentrator-Photovoltaik: Wie unterscheiden sich Konzentrator-Solarzellen von anderen Solarzellen? Die stärkere Dosis auftreffender Sonnenstrahlen lässt den Wirkungsgrad der Konzentratorzellen auf gut das Doppelte herkömmlicher Solarzellen ansteigen.

Bei einer Solarzelle des Typs Konzentratorzelle trifft gebündeltes (konzentriertes) Sonnenlicht fokussiert auf einen kleineren Bereich einer hocheffizienten Solarzelle (III-V-Mehrfachsolarzellen). Die Strahlungsbündelung gelingt dabei auf unterschiedliche Weise, zum Beispiel mit Linsen und/oder Spiegeln.

Für derartige CPV-Zellen benötigt man weniger Halbleitermaterial als für herkömmliche Solarzellen, sodass sich der Einsatz hochwertiger und leistungsstärkerer Halbleitermaterialien rechnet. Die sind zwar teurer, aber auch effizienter.

In der Praxis führt der Einsatz von Konzentrator-Photovoltaik häufig zu geringeren Kosten bei zugleich größerer Modulfläche. Das Fraunhofer ISE beziffert die Materialersparnis auf ein 500stel oder ein 1.000stel.

Wichtig: Konzentratorsolarzellen müssen dem wechselnden Sonnenstand nachgeführt werden (siehe unten), damit ihre Optik die Sonnenstrahlung auf die Zellen bündeln kann.

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Für Konzentratorzellen kommen häufig Mehrfachzellen zum Einsatz, auch Tandem-Solarzellen oder Stapelsolarzellen genannt. Sie bestehen aus zwei oder mehr Solarzellen verschiedener Materialien. Diese Bestandteile werden entweder mechanisch oder monolithisch übereinander geschichtet und wären für vollflächige Solarzellen unwirtschaftlich.

Dank der speziellen Anordnung erhöht sich der Wirkungsgrad der gesamten Zelle auf mehr als 40 Prozent, während herkömmliche Siliziumzellen üblicherweise Wirkungsgrade um die 20 Prozent erreichen. Mehrfachzellen leisten auch bei mehr als der 500-fachen Sonneneinstrahlung zuverlässige Dienste.

Eine monolithische Dreifachzelle besteht dem Fraunhofer ISE zufolge aus etwa 30 einzelnen Schichten, die auf einem Gemanium-Substrat monokristallin aufgebracht werden – und zwar innerhalb eines einzigen Prozesses. Eine solche Dreifachzelle wandelt Sonnenlicht in drei Bereichen (Teilzellen) in Strom um:

• oberste Teilzelle aus Galliumindiumphosphid
• mittlere Teilzelle aus Galliumindiumarsenid

Das erwähnte Ge-Substrat dient als dritte Teilzelle - es wird beim Abscheiden aktiviert. Die drei Teilzellen sind senkrecht (vertikal) angeordnet und über Tunneldioden sowie funktionale Halbleiterschichten verschaltet.

• Der oberste Teil der Konzentrator-Solarzelle absorbiert Sonnenlicht mit kurzen Wellenlängen, also sehr energiereiches Licht, während sie langwelligeres (energieärmeres) Licht durchlässt.
• Das langwellige Licht wird von der darunter sitzenden Solarzelle absorbiert - bis zur Grenzwellenlänge, die sich bei Halbleitern anhand der Bandlückenenergie ermitteln lässt.

Auf diese Weise ist es möglich, beliebig viele Teil-Solarzellen übereinander zu schichten, und so den Wirkungsgrad der Solarstromerzeugung aus Sonnenlicht im Vergleich zu Einfachsolarzellen zu erhöhen. Das Ergebnis: Die oberen Teil-Solarzellen, die kurzwelliges Licht absorbieren, liefern eine höhere Spannung.

Dank der untergeordneten Zellen, die längerwellige Lichtstrahlen absorbieren, wird der insgesamt absorbierbare Spektralbereich erweitert. Verglichen mit einer Einfachsolarzelle ist daher auch die Effizienz der Umwandlung im kurzwelligen Spektralbereich der Mehrfachzelle höher.

Wie oben beschrieben, bestehen Mehrfachzellen bzw. Konzentratorsolarzellen häufig aus III-V-Halbleitern. Das sind Halbleiter der Gruppen III bis V des Periodensystems, die hier übereinander gestapelt werden, darunter:

• Galliumindiumphosphid (GaInP),
• Galliumindiumarsenid (GaInAs) und
• Germanium (Ge).

Diese Halbleitermaterialien erzeugen Solarstrom mit jeweils einem anderen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts.

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Damit das Sonnenlicht möglichst effizient, treffgenau und homogen auf die winzige Konzentratorzelle fällt, wird es zunächst gebündelt. Die Lichtbündelung (Lichtfokussierung) gelingt mit verschiedenen technischen Lösungen, darunter:

Bei der geometrischen Optik unterscheidet man

1. in Primäroptiken in Form einzelner oder zu Linsen-Arrays zusammengefügter hocheffizienter Fresnel-Linsen aus Präzisionsspritzguss. (diese nutzt man bei punktfokussierenden Modulen),
2. in Sekundäroptiken aus Silikon, die das von den Fresnel-Linsen fokussierte Licht optimieren und teilweise auf die Solarzelle aufgespritzt werden.

Fluoreszenz-Zellen erzeugen zunächst in einer Platte mit spontaner Licht-Emission (Fluoreszenz) Licht größerer Wellenlängen. Dieses wirdvdann von den Zellen, die an den Plattenkanten positioniert sind, gewandelt. Dank Totalreflexion erreicht der Großteil des erzeugten länger welligen Lichts in der Platte ausschließlich die Plattenkanten.

Das bringt Vorteil wie:

• Module dieses Zelltyps müssen der Sonne nicht nachgeführt werden wie solche mit geometrischer Optik
• Licht mit kürzeren Wellenlängen lässt sich besser verwerten.
• Fluoreszenz-Solarzellen punkten bei der Stromversorgung unter schlechten Lichtverhältnissen in Räumen.

Anhand der erreichten Lichtfokussierung, die mit dem Konzentrierungsfaktor beziffert wird, werden die CPV-Anlagen unterschieden in

• niedrig konzentrierende (Konzentrierungsfaktor bis 50) und
• hoch (Konzentrierungsfaktor ab 50) konzentrierende Anlagen.

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Der Solar-Hybrid-Konzentrator TOBECK erzeugt Strom und Wärme. Um Wärmeverluste in der Winterzeit zu vermeiden, wurde die Absorberfläche verkleinert und der Absorber aus monokristallinen Solarzellen in nur einer hochtransparenten Vakuumröhre positioniert.

Um Sonnenlicht ohne eine Sonnenstands-Nachführung (Solar Tracker) permanent auf einen Absorber zu konzentrieren, wurden zwei unterschiedlich geformte Reflektoren genutzt: Ein vertikaler parabelförmig gebogener Spiegel konzentriert und reflektiert das Sonnenlicht auf einen zweiten, im unteren Bereich des Konzentrators positionierten horizontalen, halbkreisförmig gebogenen Spiegel. In dessen Mitte befinden sich Solarzellen senkrecht in einer Vakuumröhre angeordnet.

Letztere hat die Eigenschaft, jeden auftreffenden Sonnenstrahl der verschiedenen Einstrahlungswinkel der Sonne im Tages- und Jahresverlauf in die Mitte des Halbkreises zu reflektieren. So kann man das direkte Sonnenlicht auf einen Absorber reflektieren und den diffusen Anteil der Globalstrahlung mit einem konzentrierenden System nutzen.

PV-Anlagen mit Konzentrierungsfaktoren unter 50 erzielen mit einer einachsigen Solar Tracker-Nachführung (mechanische Genauigkeit im Gradbereich °) gute Leistungen.

Für höher konzentrierende CPV-Anlagen sind zweiachsige Nachführungen nötig, die in Abhängigkeit von der verwendeten Optik und der Steuerung auf mechanische Genauigkeiten von besser als 0,1° kommen (500-fach konzentrierendes System). Laut dem Fraunhofer ISE würden solche Nachführ-Systeme sparsam laufen. Im Schnitt bräuchten sie für den Antrieb deutlich weniger als 100 Watt (W), während die Systemgröße im kW-Bereich liege.

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Optimal arbeiten CPV-Anlagen dort, wo die jährliche direkte Sonneneinstrahlung besonders hoch ist, also Werte von 1.800 kWh/m² und höher erreicht werden.

Geeignete Standorte sind zum Beispiel der südliche Mittelmeerraum. Dort käme man dem Fraunhofer ISE zufolge mit Konzentrator-Photovoltaik auf niedrigere Solarstrompreise, als mit herkömmlichen Silizium-Modulen.

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