Alta Devices bricht Solarzellen-Rekord

Ein Start-up, das seit mehreren Jahren im Stealth-Modus arbeitet, hat nach eigenen Angaben einen Rekord-Solarzellenwirkungsgrad von 28,2 Prozent erreicht und nähert sich dem theoretischen Maximum von 33,5 Prozent. Die Marke liegt etwa 2 Prozentpunkte höher als ein Rekord im letzten Jahr – ein großer Fortschritt in einer Branche, die Verbesserungen normalerweise in Zehntelprozent misst. Alta Devices wurde 2007 gegründet und hat seinen Sitz in Santa Clara, Kalifornien, und sagt, dass sich seine innovativen Techniken für die Großserienfertigung eignen.

Die Effizienzsteigerung ist unabdingbar, wenn Solarstrom gegenüber fossilen Brennstoffen wettbewerbsfähig sein soll. Die Erhöhung der Leistungsabgabe einzelner Solarzellen reduziert die Anzahl der benötigten Zellen pro Installation und senkt auch die Kosten für Dinge wie Installation, Verkabelung und Elektronik für den Anschluss der Module an das Stromnetz.

Die Forscher von Alta Devices arbeiteten mit Galliumarsenid, um die inhärenten Eigenschaften zu verbessern, die es fast zu einem idealen Solarzellenmaterial machen, sagt Harry Atwater, Professor für angewandte Physik am Caltech und Mitbegründer des Unternehmens. Wenn eine Solarzelle Sonnenlicht absorbiert, erzeugt ein Teil der Energie des Sonnenlichts Elektronen, die der Zelle schnell entzogen werden, um Elektrizität zu erzeugen. Wenn die Elektronen nicht schnell genug extrahiert werden, zerfallen sie und geben ihre Energie entweder als Wärme oder Licht ab. Der Verlust der Energie durch Wärme verringert sowohl die Spannung als auch die Strommenge, die die Zelle erzeugen kann, wodurch die Leistungsabgabe verringert wird. Aber wenn das Elektron stattdessen Licht erzeugt, kann das Licht von der Solarzelle reabsorbiert werden, um ein weiteres Elektron zu erzeugen, was eine weitere Chance für die Energie des Sonnenlichts bietet, Elektrizität zu werden.



In Galliumarsenid erzeugen fast alle Elektronen Licht statt Wärme. In den hochwertigsten Beispielen des Materials kann der Zyklus der Lichterzeugung und -resorption 100-mal pro einfallendem Photon ablaufen, was eine hohe Wahrscheinlichkeit bietet, dass ein erzeugtes Elektron schließlich extrahiert wird, um Elektrizität zu erzeugen. Um die Rekordeffizienz von Solarzellen zu erreichen, haben die Forscher von Alta Devices chemische Behandlungen für Risse im Material entwickelt, die ansonsten dazu neigen, Elektronen einzufangen und sie ihre Energie als Wärme freizugeben. Sie arbeiteten auch daran, eine Oberfläche auf der Rückseite der Zelle zu verbessern, um sicherzustellen, dass erzeugte Photonen in das Material zurückreflektiert werden und dadurch die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass sie Strom erzeugen.

Bezeichnenderweise konnten die Forscher eine hohe Effizienz mit Techniken erreichen, von denen Atwater sagt, dass sie in einer kostengünstigen Fertigung verwendet werden könnten. Gallium-Arsenid-Solarzellen waren teuer in der Herstellung, weil sie aus sehr hochwertigen Halbleiterwafern bestehen, ähnlich denen, die in Computerchips verwendet werden. Um die Kosten zu senken, verwendet Alta Devices eine Technik namens Epitaxie-Liftoff, von der eine frühe Version vom Mitbegründer von Alta Devices entwickelt wurde Eli Yablonovitch in den 1980er Jahren. In der aktuellen Version der Technik wird der Wafer als Schablone verwendet, um sehr dünne Schichten aus kristallinem Material zu einer Solarzelle wachsen zu lassen. Diese Schichten werden dann durch chemisches Ätzen vom Wafer befreit und abgehoben, so dass der Wafer wieder verwendet werden kann.

Atwater sagt, dass das Unternehmen daran arbeitet, den epitaktischen Liftoff zu verbessern und bessere Möglichkeiten zum Wachsen der kristallinen Schichten auf dem Wafer zu entwickeln. Das derzeitige Verfahren, das als chemische Gasphasenabscheidung bezeichnet wird, ist zu langsam, um billige Solarzellen herzustellen.

Die hocheffizienten Zellen, die Alta Devices produziert hat, sind kleine Einzelstücke. Die größeren Solarmodule des Unternehmens haben einen geringeren Wirkungsgrad – etwa 21 Prozent. Normalerweise sinkt die Effizienz um mehrere Punkte, wenn Unternehmen auf die Produktion mit hohem Durchsatz umstellen. Alta Devices muss auch zeigen, dass die hocheffizienten Zellen jahrzehntelang halten, wenn sie den Elementen ausgesetzt sind, ohne dass ihre Leistung signifikant beeinträchtigt wird.

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