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Wirkungsgrad der Solarzelle: Physik, Technologie und theoretische Grenzen
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle wird durch physikalische Gesetze begrenzt. Wir erklären die Grundlagen und zeigen, wie sich die Effizienz weiter steigern lässt.
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist die zentrale Kenngröße für die Effizienz der photovoltaischen Energieumwandlung. Er beschreibt, welcher Anteil der auf die Zelle treffenden Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die physikalischen Grundlagen des Wirkungsgrads zu verstehen, hilft dabei, die Leistungsfähigkeit verschiedener Technologien einzuordnen und die Potenziale künftiger Entwicklungen zu bewerten.
Der photovoltaische Effekt, auf dem jede Solarzelle basiert, wurde bereits 1839 von Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. In einer Halbleiterzelle werden durch einfallendes Licht Elektronen aus ihren Bindungen gelöst und erzeugen einen elektrischen Strom. Dieser Prozess ist jedoch mit verschiedenen Verlusten behaftet, die den Wirkungsgrad der Solarzelle begrenzen.
Die fundamentale Obergrenze für den Wirkungsgrad einer Solarzelle mit einem einzelnen pn-Übergang wurde 1961 von William Shockley und Hans-Joachim Queisser berechnet und liegt bei etwa 33,7 Prozent. Dieses sogenannte Shockley-Queisser-Limit berücksichtigt zwei Hauptverlustmechanismen: Zum einen können Photonen mit einer Energie unterhalb der Bandlücke des Halbleiters keine Elektronen-Loch-Paare erzeugen und gehen als Wärme verloren. Zum anderen geben Photonen mit einer Energie oberhalb der Bandlücke ihre überschüssige Energie ebenfalls als Wärme ab, ein Prozess der als Thermalisierung bezeichnet wird.
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle wird zusätzlich durch verschiedene technische Verluste gemindert. Optische Verluste entstehen durch Reflexion an der Zelloberfläche und durch Absorption in nicht aktiven Schichten. Elektrische Verluste treten durch den Serienwiderstand der Kontakte und die Rekombination von Ladungsträgern auf. Thermische Verluste resultieren aus der Erwärmung der Zelle im Betrieb, die den Wirkungsgrad um etwa 0,3 bis 0,5 Prozent pro Grad Celsius Temperaturerhöhung senkt.
Die verschiedenen Solarzellentechnologien unterscheiden sich erheblich in ihrem erreichbaren Wirkungsgrad. Silizium-basierte Zellen dominieren den Markt und haben in den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte erzielt. Die monokristalline PERC-Technologie erreicht Zellwirkungsgrade von 23 bis 24 Prozent. TOPCon-Zellen (Tunnel Oxide Passivated Contact) erzielen bereits über 26 Prozent im Labor. Heterojunction-Zellen (HJT) kombinieren kristallines und amorphes Silizium und haben im Labor Wirkungsgrade von über 26,5 Prozent demonstriert.
Den Rekord für kristalline Silizium-Solarzellen hält derzeit die IBC-Technologie (Interdigitated Back Contact) mit einem Laborwirkungsgrad von über 26,8 Prozent. Bei dieser Technologie befinden sich alle elektrischen Kontakte auf der Rückseite der Zelle, sodass die Vorderseite vollständig für die Lichtabsorption zur Verfügung steht. Dies eliminiert die Abschattungsverluste durch die Vorderseitenkontakte, die bei konventionellen Zellen etwa 3 bis 5 Prozent der aktiven Fläche bedecken.
