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Konzentrator-Photovoltaik: Solarzellen, Typen und Leistung

Was ist Konzentrator-Photovoltaik? Wie funktioniert die Technologie? Was bringt Konzentrator-Photovoltaik? Wie unterscheiden sich Konzentrator-Solarzellen von anderen Solarzellen?

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). Bei diesen wird das Sonnenlicht gebündelt, so dass es fokussiert auf die Zelle auftrifft. Die somit stärkere Dosis auftreffender Sonnenstrahlen lässt den Wirkungsgrad der Konzentratorzellen auf gut das Doppelte herkömmlicher Solarzellen ansteigen.

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Solarzellen mit Konzentrator-Photovoltaik – Solarzellentyp: Konzentratorzellen

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

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

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.

Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle (Grafik: energie-experten.org)
Schematischer Aufbau einer Konzentratorzelle (Grafik: energie-experten.org)

Aufbau und Funktionsweise von Konzentratorzellen

Mehrfachzellen als Herzstück von CPV

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

Die Basis der Perowskit-CIGS-Tandem-Zelle bildet eine Silizium-Heterozelle, auf die transparentes Zinndioxid abgeschieden und mit Perowskit bedeckt wurde. (Grafik: S. Albrecht / Helmholtz-Zentrum Berlin)
Die Basis der Perowskit-CIGS-Tandem-Zelle bildet eine Silizium-Heterozelle, auf die transparentes Zinndioxid abgeschieden und mit Perowskit bedeckt wurde. (Grafik: S. Albrecht / Helmholtz-Zentrum Berlin)

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

Eine sogenannte monolithische Dreifachzelle besteht dem Fraunhofer ISE zufolge beispielsweise 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 sogenannte Tunneldioden sowie funktionale Halbleiterschichten verschaltet.

So verarbeitet die Mehrfachsolarzelle auftreffendes Sonnenlicht

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

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

Dank der buchstäblich untergeordneten Zellen, die länger wellige 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.

Verschiedene Halbleitermaterialien im Teamwork

Wie oben geschrieben bestehen Mehrfachzellen beziehungsweise 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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Lichtbündelung für konzentrierte Lichtenergietreffer machen aus der Mehrfachzelle eine Konzentratorzelle

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:

Geometrische Optik

Bei der geometrischen Optik unterscheidet man hier wiederum in Primäroptiken in Form einzelner oder zu Linsen-Arrays zusammengefügter hocheffizienter Fresnel-Linsen aus Präzisionsspritzguss, die bei sogenannten punktfokussierenden Modulen zum Einsatz kommen, und Sekundäroptiken aus Silikon, die das von den Fresnel-Linsen fokussierte Licht optimieren und teilweise auf die Solarzelle aufgespritzt werden.

In anderen Anwendungen kommen z. B. auch nachgeführte Parabolspiegel zur Konzentration des Lichts auf die Konzentrator-Zellen zum Einsatz.

In einem Solarkraftwerk in der italienischen Region Puglia werden Solarmodule mit Konzentrator-Solarzellen (CPV-Solarzellen) eingesetzt, die mit Hilfe von Fresnel-Linsen einen höheren Solarertrag erzielen. (Foto: Mastervolt GmbH)
In einem Solarkraftwerk in der italienischen Region Puglia werden Solarmodule mit Konzentrator-Solarzellen (CPV-Solarzellen) eingesetzt, die mit Hilfe von Fresnel-Linsen einen höheren Solarertrag erzielen. (Foto: Mastervolt GmbH)

Fluoreszenz-Zellen mit Lichtleitkörpern

Fluoreszenz-Zellen erzeugen zunächst in einer Platte mit Hilfe spontaner Licht-Emission (Fluoreszenz) Licht größerer Wellenlänge, das dann von den an den Plattenkanten positionierten Zellen gewandelt wird. Dank Totalreflexion erreicht der Großteil des in der Platte erzeugten länger welligen Lichts ausschließlich die Plattenkanten.

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

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

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

Photovoltaik-Solarthermie-Hybrid-Konzentratoren

Solar-Hybrid-Konzentratoren ohne Nachführung

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

Um Sonnenlicht ohne eine Sonnenstandsnachführung 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 sich senkrecht in einer Vakuumröhre angeordnet Solarzellen befinden.

Letzterer hat die Eigenschaft, jeden auftreffenden Sonnenstrahl der verschiedenen Einstrahlungswinkel der Sonne im Tages- und Jahresverlauf in die Mitte des Halbkreises zu reflektieren. So gelingt es nicht nur, das direkte Sonnenlicht auf einen Absorber zu reflektieren, sondern auch den diffusen Anteil der Globalstrahlung mit einem konzentrierenden System zu nutzen.

Hier sehen Sie eine Abbildung des Solar-Hybrid-Konzentrators TOBECK (Grafik: Schubert&Langenbeck Solarthermische Konzentratoren)
Die doppelseitige Ausführung des Solar-Hybrid-Konzentrators TOBECK ermöglicht die richtungsunabhängige Aufstellung des Kollektors und vergrößert zudem die Absorberfläche im diffusen Strahlungsbereich auf bis zu 2,4 m2 je m2 Grundfläche. (Grafik: Schubert&Langenbeck Solarthermische Konzentratoren)

Solar-Hybrid-Konzentratoren mit Nachführung

Anders als Photovoltaik-Anlagen mit Konzentrierungsfaktoren unter 50, die in der Regel mit Hilfe einer einachsigen Tracker-Nachführung, deren mechanische Genauigkeit im Gradbereich (°) liegt, gute Leistungen erzielen, sind für höher konzentrierende CPV-Anlagen 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 Nachführsysteme sparsam laufen, im Schnitt bräuchten sie für den Antrieb deutlich weniger als 100 Watt (W), während die Systemgröße im kW-Bereich liege.

Hier sehen Sie ein Bild der SunOyster, eine Solaranlage mit zweiachsig nachgeführtem Parabolspiegel, der Sonnenlicht konzentriert auf Konzentrator-Photovoltaik-Zellen lenkt. (Foto: SunOyster Systems GmbH)
Die SunOyster nutzt zweiachsig nachgeführte Parabolspiegel zur Konzentration des Lichts auf Konzentrator-Photovoltaik-Zellen (CPV). Um den Solarertrag zu erhöhen, können weitere PV-Module oder Solarthermie-Kollektoren installiert werden. (Foto: SunOyster Systems GmbH)

Sinnvoller Einsatz von konzentrierter Photovoltaik

Optimal arbeiten CPV-Anlagen dort, wo die jährliche direkte Sonneneinstrahlung besonders hoch ist, also Werte von 1.800 kWh/m2 und höher erreicht. Geeignete Standorte sind demnach zum Beispiel Regionen wie der südliche Mittelmeerraum. Dort käme man dem Fraunhofer ISE zufolge mit Konzentrator-Photovoltaik auf niedrigere Solarstrompreise, als sie mit herkömmlichen Silizium-Modulen erreichbar seien.

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"Konzentrator-Photovoltaik: Zellen, Typen & Leistung" wurde am 07.08.2018 das letzte Mal aktualisiert.