HeKMod4 – Hocheffizientes Konzentratormodul mit GaSb-basierter Vierfachsolarzelle

Bei der hochkonzentrierenden Photovoltaik (HCPV) wird das Sonnenlicht mit einem Faktor 300 bis 1000 mittels einer Optik auf eine nur Quadratmillimeter kleine Solarzelle fokussiert. Da die Zellfläche sehr klein ist können auch Mehrfachsolarzellen eingesetzt werden, die das Sonnenlicht über das gesamte Spektrum sehr effizient nutzen. Im Konzentratorsystem müssen dann alle Komponenten wie Solarzelle, Optik, elektrische Verschaltung, thermisches Design und Produktionstechnik sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Wir nutzen unsere langjährigen Erfahrungen in all diesen Themenfeldern, um im Projekt »HeKMod4« ein Konzentratormodul zu entwickeln. Die Basis ist eine neuartige Vierfachsolarzelle mit Galliumantimonid (GaSb) als Unterzelle. Für die Bewertung der Komponenten und des Systems werden auch neue Charakterisierungsmethoden entwickelt.

Im Projekt »HeKMod4« wurde eine neuartige Vierfachsolarzelle mit Galliumantimonid (GaSb) als Unterzelle entwickelt. Diese hat ein besonders hohes Wirkungsgradpotential im Bereich von 50 %. Während der Herstellung werden zwei Epitaxieprozesse auf GaAs und GaSb über einen sogenannten Waferbond miteinander verbunden. Durch kontinuierliche Verbesserung der Prozesse und Struktur, konnte in diesem Jahr erstmals ein Wirkungsgrad von 43,8 % bei 792-facher Konzentration für eine solche Solarzellenstruktur erzielt werden.

Für die Charakterisierung dieser Solarzellen mit mehr als 3 pn-Übergängen wurden neue Messmethoden und Kalibrierroutinen etabliert. Ebenfalls im Projekt wurde ein innovativer Messplatz für die Bestimmung der externen Quanteneffizienz von Mehrfachsolarzellen im Frequenzmultiplex Verfahren aufgebaut. Durch ein extrem schnelles paralleles Messverfahren kann zukünftig der Zeitaufwand für die Messung von Stunden auf wenige Sekunden reduziert werden. Die Solarzellen wurden für den Einsatz in einem Konzentratorphotovoltaikmodul (CPV-Modul) mit Spiegeloptik angepasst. Hierdurch erreichen wir Module mit sehr geringer Bauhöhe und gleichzeitig sehr hoher optischer Effizienz. Das Leistungsverhalten wurde durch den Aufbau von Prototypen evaluiert. Im Projekt konnten Module mit kommerziellen Dreifachsolarzellstrukturen und angepasster Metallisierung sowie spritzgegossene Spiegeloptikarrays aus 14 Optiken realisiert werden. Prototypen erreichen in Außenmessungen Wirkungsgrade von 29,7 %, was in einem frühen Entwicklungsstadium ein sehr guter Wert ist. Der Akzeptanzwinkel bei dem noch 90 % der maximalen Leistung generiert wird ist mit >±0,6° ebenfalls sehr hoch. Für eine gute Wärmeverteilung wurden kleine Solarzellen (<1 mm²) gewählt. Die Miniaturisierung der Komponenten bedeutet, dass eine Vielzahl von Bauteilen verarbeitet werden müssen. Dafür wurden im Projekt neue Fertigungstechnologien evaluiert, in denen die Bauteile parallelisiert verarbeitet werden bzw. durch Selbstausrichtung hohe Positionsgenauigkeiten erzielt werden.

Der große Vorteil der Konzentratorphotovoltaik ist der hohe Wandlungswirkungsgrad von Solarenergie in elektrischen Strom. Im Projekt wurden großflächige Module mit Vierfachsolarzellen als FLATCON^®-Modul realisiert. In Außenmessungen wurden Wirkungsgrade unter Betriebsbedingungen >36 % demonstriert.