Juan Francisco Martínez Sánchez gewinnt Gips-Schüle-Nachwuchspreis für die Entwicklung eines höchsteffizienten Hybrid Konzentrator-Photovoltaikmoduls

Für die Kombination eines klassischen Silicium-Photovoltaik-Moduls mit der Technologie der konzentrierenden Photovoltaik erhielt Juan Francisco Martínez Sánchez, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, gestern den Gips-Schüle-Nachwuchspreis. Die entscheidende Innovation seines Moduls: es nutzt nicht nur das direkte Sonnenlicht, welches über Linsen auf wenige Quadratmillimeter kleine Konzentratorsolarzellen gelenkt wird. Auch Streulicht und Diffusstrahlung wandelt sein Modul dank Silicium-Solarzellen in elektrischen Strom um. So konnte mit einem bifazialen (zweiseitigen) Modul weltweit erstmals eine Leistung von 350 Watt pro Quadratmeter erreicht werden.

© Fraunhofer ISE
Juan Francisco Martínez Sánchez mit seinem EyeCon Hybrid CPV/PV Photovoltaikmodul. Es erzielt einen Weltrekord von 34,2 Prozent Effizienz und hat eine Leistung von 350 Watt pro Quadratmeter bei bi-fazialer Beleuchtung.

Die bewährte Silicium-Photovoltaik macht aktuell mehr als 95 Prozent des Weltmarkts aus. Modulwirkungsgrade sind allerdings durch das physikalische Effizienz-Limit einer Silicium-Einfachsolarzelle von 29,4 Prozent begrenzt. Einen alternativen Technologieansatz bieten Konzentrator-Photovoltaikmodule (CPV) mit Mehrfachsolarzellen aus
III-V-Halbleitern. Vierfachsolarzellen erreichen heute schon Wirkungsgrade bis zu 47,6 Prozent unter konzentriertem Sonnenlicht. Ein Nachteil besteht allerdings darin, dass Konzentrator-Photovoltaikmodule nur den direkten Teil des Sonnenlichts nutzen. Diffus gestreutes Licht, das zum Beispiel durch Streuung an Wolken entsteht, kann von der Optik nicht fokussiert werden. Daher wurde die Konzentrierende Photovoltaik bisher primär in PV-Kraftwerken im Sonnengürtel der Erde eingesetzt.

Die Vorteile zweier Technologien kombinieren

Hier setzt die Neuentwicklung des Hybrid CPV/PV-Moduls an, die Juan Martínez in seiner Dissertation am INATECH der Universität Freiburg verfolgt hat. Er kombinierte ein Konzentrator-PV-Modul mit großflächigen Silicium-Solarzellen, um sowohl direktes als auch gestreutes Sonnenlicht effizient in Strom zu wandeln. Winzige III-V-Mehrfachsolarzellen wurden hierzu auf speziell angefertigte Silicium-Solarzellen geklebt. Das senkrecht auf das Modul auffallende Sonnenlicht wird durch Fresnellinsen auf die III-V-Solarzellen fokussiert und dort effizient in Strom gewandelt. Diffuses und gestreutes Licht von der Vorder- und Rückseite des Moduls fällt auf die Silicium-Solarzellen und trägt ebenfalls zum Stromertrag bei. 

Mit diesem Ansatz konnte erstmals ein Modul demonstriert werden, das eine Leistung von 350 Watt pro Quadratmeter Fläche erreicht. Ein wesentlicher Vorteil: dieses Modul eignet sich auch für Standorte in Europa. »Ich wollte die geografische Anwendbarkeit der CPV-Technologie auf Regionen mit hoher Stromnachfrage, wie zum Beispiel Europa, ausweiten, in denen der Anteil direkter Sonneneinstrahlung geringer ist,« sagt Juan Martínez. Tatsächlich tragen die Silicium-Solarzellen in Deutschland mit etwa 25 Prozent zum jährlichen Stromertrag des Moduls bei, die III-V-Konzentratorsolarzellen liefern den Rest.

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Neues Leistungsbewertungsverfahren entwickelt

Das mit Vierfach-Solarzellen ausgestattete Hybridmodul namens »EyeCon« wurde in die international anerkannte Solarzellen-Wirkungsgradtabelle der Fachzeitschrift Progress in Photovoltaics aufgenommen. Dafür musste Sánchez zunächst ein Leistungsbewertungsverfahren für zweiachsig nachgeführte Hybrid-Module neu entwickeln und von internationalen Spezialisten bewerten lassen. Das von Sanchez entwickelte Verfahren dient nun als Grundlage für die Diskussion neuer Standards zur Leistungsbestimmung von Hybrid CPV/PV-Modulen durch die internationale elektrotechnische Kommission.

»Wir freuen uns über die Auszeichnung durch die Gips-Schüle-Stiftung«, sagt Dr. Frank Dimroth, Abteilungsleiter für III-V-Photovoltaik und Konzentratortechnologie am Fraunhofer ISE. »Das EyeCon Modul ist die effizienteste Technologie zur Umwandlung von Sonnenlicht in Strom und wir hoffen, dass wir diese Idee bald vom Labor in den Markt bringen können. Hierfür suchen wir aktuell nach Partnern.«

Mit dem Preis honoriert die Gips-Schüle-Stiftung jährlich herausragende Doktorarbeiten in den Bereichen Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik (MINT) aus Baden-Württemberg.

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