FEE-Innovationspreis Energie Gestiftet von U. und Dr. R. Steyrer. Bewerbung

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1 FEE-Innovationspreis Energie 2009 Gestiftet von U. und Dr. R. Steyrer Bewerbung Vorstellung der Bewerberin / des Bewerbers (Unternehmen, Institutionen oder Personen) Name: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Abteilung MST Arbeitsgruppe: III-V- Epitaxie und Solarzellen Adresse: Heidenhofstraße Freiburg, Deutschland Telefon: +49 (0) Fax: +49 (0) Internet: info@ise.fraunhofer.de Ansprechpartner Name,Vorname: Titel: Dimroth, Frank Dr. Adresse: Heidenhofstraße Freiburg, Deutschland Telefon: +49 (0) Fax: +49 (0) frank.dimroth@ise.fraunhofer.de Beschreibung der Innovation: 41,1 % Rekordwirkungsgrad für Solare Energiekonversion Erstmals wurde Anfang 2009 eine Solarzelle entwickelt, welche 41.1 % des einfallenden Sonnenlichts direkt in elektrischen Strom umwandelt. Hierzu wird das Licht durch konzentrierende Optiken (z.b. Linsen oder Spiegelsysteme) 454-fach auf eine sogenannte Mehrfachsolarzelle mit einer Fläche von 5 mm 2 fokussiert. Die Technologie basiert darauf, das breitbandige Sonnenspektrum in drei Wellenlängenbereiche aufzuteilen und dann in drei übereinander angeordneten und speziell dafür optimierten Solarzellen separat in elektrischen Strom umzuwandeln. Die jeweiligen 1

2 Solarzellenschichten sind dabei nur wenige Mikrometer dick und so übereinander abgeschieden, dass man der fertigen Solarzelle die komplexe innere Struktur nicht mehr ansieht. Das Konzept findet schon heute zur Energieversorgung von Satelliten Anwendung. Durch eine neue Materialkombination konnten die ISE Forscher die Effizienz der Energieumwandlung für das terrestrische Sonnenspektrum im Januar 2009 auf zuvor unerreichte 41.1 % steigern. Um optimale Absorptionseigenschaften der Halbleiter zu erreichen, setzten die ISE Forscher dazu erstmals Verbindungshalbleiter mit einer großen Fehlanpassung der Atomabstände im Kristallgitter ein. Mehr als 10 Jahre wurde an den einzelnen Teilen dieses Zellkonzepts mit 20 Einzelschichten gearbeitet. Die Solarzellen finden ihren Einsatz in photovoltaischen Kraftwerken, vorzugsweise in sonnenreichen Gegenden der Erde. Im Vergleich zu konventionellen Solarmodulen generieren die beschriebenen Systeme schon heute einen ~10% günstigeren Strom. Die höheren Wirkungsgrade der neuen Solarzellen helfen, die Kosten weiter zu senken, um in Zukunft mit fossilen Energieträgern konkurrenzfähig zu werden. Etwa 30 Firmen arbeiten weltweit schon an dieser Technologie eine der erfolgreichsten wurde von den Fraunhofer ISE Forschern 2005 selbst gegründet, die Concentrix Solar GmbH ( solar.de/unternehmen/imagefilm-lang/). Siehe auch 3SAT HiTEC Film Was kostet die Sonne vom ( Technische Leistungsdaten: Die Mehrfachsolarzelle aus Gallíumindiumphosphid, Galliumindiumarsenid und Germanium wandelt das terrestrische Normspektrum AM1.5d bei einer Intensität von 454 kw/m 2 mit einem Wirkungsgrad von 41.1 % in elektrischen Strom um. Die Messung wurde im anerkannten ISE Kalibrierlabor durchgeführt und das Ergebnis als bisher höchster Wirkungsgrad in die Solar Cell Efficiency Tables in Progress in Photovoltaics (Referenz) aufgenommen. Einsatz der Zellen in FLATCON Konzentratormodulen des Fraunhofer ISE und Concentrix mit Wirkungsgraden bis 29 %. 2

3 Vorteile: Eine Steigerung des Solarzellenwirkungsgrads führt dazu, dass mehr elektrische Energie von einem Photovoltaiksystem erzeugt wird. Ein Prozent mehr Wirkungsgrad führt zu etwa 3-4 % geringeren Energieerzeugungskosten. Zudem sinkt der Flächenbedarf für die Stromerzeugung entsprechend. Eine Wüstenfläche von nur 175x175 km 2 würden ausreichen, um den Strombedarf der Erde durch PV Konzentratorsysteme mit einem AC Systemwirkungsgrad von 25 % zu decken. Dies kann mit den neuen Solarzellen erreicht werden. Aufgrund der geringen Halbleiterfläche haben PV Konzentratorsysteme im Vergleich zu Si Modulen eine wesentlich geringere Energie Amortisationszeit von ~1 Jahr. Nachteile: Besondere Nachteile der neuen Solarzellen gegenüber dem Stand der Technik sind nicht bekannt. Aufgrund verspannter Kristallschichten müssen etwas dickere Germanium Substrate eingesetzt werden. Die Konzentrator Photovoltaik ist eine sehr junge Technologie (etwa 10 MWatt an installierten Systemen) und muss ihre Zuverlässigkeit noch beweisen. Im Gegensatz zu Si Flachmodulen müssen die Konzentratorsysteme der Sonne nachgeführt werden und eignen sich daher besonders für Kraftwerksanwendungen. Referenzanwendungen bei: Firma: Concentrix Solar GmbH (Hersteller von Konzentrator PV Kraftwerken) Adresse: Bötzingerstr. 31, Freiburg Telefon: Fax: Internet: hansjoerg.lerchenmueller@concentrix-solar.de Firma: Azur Space Solar Power GmbH (Hersteller von Mehrfachsolarzellen) 3

4 Adresse: Theresienstr. 2, Heilbronn Telefon: Internet: Fax:

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7 Anhang Bild 1: Am Fraunhofer ISE entwickelte III-V Mehrfachsolarzelle mit einem Rekordwirkungsgrad von 41.1 % bei 454-facher Sonnenkonzentration Bild 2: Für die Anwendung der hocheffizienten III-V Mehrfachsolarzellen haben die Forscher am Fraunhofer ISE Konzentratormodule des Typs FlatCon entwickelt, welche das Sonnenlicht 500-fach auf nur 3 mm 2 kleine Solarzellen bündeln. Bild 3: Anwendung von hocheffizienten III-V Mehrfachsolarzellen in konzentrierenden Photovoltaik Kraftwerken. Beispiel einer Installation der Firma Concentrix Solar GmbH in Spanien. Concentrix ist eine Ausgründung der Forschungsgruppe am Fraunhofer ISE. 7