Rekordwirkungsgrad: Dieses Konzentrator-Photovoltaikmodul verwandelt 41,4 % der Solareinstrahlung in elektrische Energie. Foto: Fraunhofer ISE

Energetisches Bauen

28. März 2019 | Artikel teilen

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Was ist Konzentrator-Photovoltaik?

Photovoltaik-Module sieht man hierzulande vor allem auf privaten Hausdächern. Großflächige PV-Kraftwerksanlagen findet man dagegen eher in südlichen Ländern mit mehr direkter Sonneneinstrahlung. In solchen Solarparks kommt oft hocheffektive Konzentrator-Photovoltaik zum Einsatz – eine moderne Technologie mit viel Zukunftspotenzial. Gerade erst hat das Fraunhofer-Institut ein neues Konzentrator-Modul mit einem Rekordwirkungsgrad entwickelt.

Als Photovoltaik (PV) bezeichnet man die Umwandlung von Lichtenergie in elektrischen Strom mithilfe von Solarzellen. Wie normale Solarzellen für Hausdächer funktionieren, haben wir im Fachbeitrag „Wie funktioniert eine Photovoltaikanlage?“ bereits ausführlich erklärt. In Deutschland deckten solche PV-Module 2018 immerhin 8,7 % des Netto-Stromverbrauchs ab. Diese und andere Fakten hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE unter www.pv-fakten.de zusammengetragen.

Kraftwerksbetreiber entdecken Photovoltaik

Der Bericht bestätigt auch, dass sich Solarstromanlagen hierzulande größtenteils im Besitz privater Hausbesitzer befinden. Die großen vier Kraftwerksbetreiber (EnBW, E.On, RWE, Vattenfall) hielten 2016 gerade einmal 0,2 % der in Deutschland betriebenen PV-Leistung. Doch das Bild ändert sich allmählich. Die „Großen 4“ engagieren sich in letzter Zeit verstärkt im Bereich Photovoltaik. EnBW hat Anfang 2019 angekündigt, in Brandenburg ein großes PV-Kraftwerk zu errichten. Die geplante Anlage in Weesow-Willmersdorf soll auf einer Fläche von 164 Hektar der aktuell größte Solarpark Deutschlands werden und könnte mit einer Jahreserzeugung von rund 175 Gigawattstunden rechnerisch rund 50.000 Haushalte mit Strom aus Sonnenenergie versorgen. Auch Vattenfall plant bereits ein PV-Großprojekt auf ehemaligen Flächen des Braunkohle-Tagebaus in der Lausitz.

Standorte für Konzentrator-Photovoltaik

Man darf gespannt sein, was für Solarmodule in diesen künftigen deutschen PV-Kraftwerken zum Einsatz kommen. Um Konzentrator-Photovoltaik (abgekürzt CPV für „concentrated photovoltaics“) wird es sich aber wahrscheinlich nicht handeln. Denn die Technologie der CPV-Module ist eigentlich eher auf Standorte ausgerichtet, an denen die Sonne deutlich intensiver und länger scheint als hierzulande. Die Module sind normalerweise beweglich konstruiert und richten sich automatisch nach dem jeweiligen Stand der Sonne im Tagesverlauf aus.

Die ersten großen europäischen CPV-Solarkraftwerke entstanden 2006 in Spanien. Seitdem sind einige hinzugekommen, vor allem im südlichen Mittelmeerraum. Geeignete Standorte sind auch der Nahe Osten sowie die mittel- und südamerikanischen Länder, aber auch Afrika, Australien, Teile Chinas und die südwestlichen USA.

Funktionsweise von CPV

Die Konzentration des Sonnenlichts auf die Solarzellen erfolgt bei diesem CPV-Modul durch eine exakt ausgerichtete Linsenplatte. Foto: Fraunhofer ISE

Während herkömmliche PV-Zellen aus Silizium normalerweise einen Wirkungsgrad um 20 % haben, sind CPV-Module deutlich leistungsfähiger. Der aktuelle Rekord liegt bei 41,4 %. Diesen Wert erreicht das CPV-Modul, das vom Fraunhofer ISE im Rahmen des EU-geförderten Projekts „CPV Match“ entwickelt und 2018 vorgestellt wurde (siehe Foto ganz oben).

CPV-Module enthalten so genannte Mehrfachsolarzellen, auch Stapelzellen genannt. Der Zellaufbau ist also nicht einschichtig, sondern es werden mehrere dünne Solarzellen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien übereinander gestapelt. Dadurch lässt sich ein größerer Teil des Sonnenlichts energetisch nutzen und zu Strom umwandeln. CPV-Zellen nutzen das vorhandene Sonnenspektrum wesentlich effizienter als herkömmliche Solarzellen.

Doch Materialmix und Mehrschichtaufbau erklären die Leistungsfähigkeit der Technologie nur zum Teil. Hinzu kommt, dass CPV-Module mit optischen Linsen oder Spiegeln arbeiten, die das Sonnenlicht brechen und es auf relativ kleine Solarzellenflächen konzentrieren. Daher der Name Konzentrator-Photovoltaik. Durch die Bündelung erhöht sich die Intensität des Lichts auf ein Vielfaches. Das Ergebnis sind kleine, aber hoch effiziente Zellen mit sehr hohem Wirkungsgrad. Da CPV viel Leistung auf vergleichsweise sehr kleiner Modulfläche bietet, benötigt die Technologie auch viel weniger Halbleitermaterial – trotz des mehrschichtigen Aufbaus.

Projekt CPV Match

Das im Mai 2015 gestartete, EU-geförderte Forschungsprojekt CPV Match, das vom Fraunhofer ISE zusammen mit Forschungs- und Industriepartnern aus Deutschland, Italien, Spanien und Frankreich durchgeführt wurde, hat nun also zu einem CPV-Modul mit einem Wirkungsgrad von 41,4 % geführt. Das ist der bisher höchste Wert für ein Photovoltaikmodul.

„Wir haben uns im Projekt CPV Match mit allen Schritten des Herstellungsprozesses für Konzentrator-Module befasst, von den eingesetzten Materialien über den Zellfertigungsprozess und die Produktionsanlagen bis hin zu den Herausforderungen, die der Modulfertigungsprozess birgt“, schildert Dr. Gerald Siefer, Leiter des Projekts und Gruppenleiter III-V Zell- und Modulcharakterisierung am Fraunhofer ISE, die dreieinhalbjährige Projektarbeit.

Nach Angaben des Instituts ergab das Projekt zwei wesentliche Resultate. Durch den Einsatz innovativer Zellarchitekturen – unter Verwendung neuer Materialien, Prozesse und Produktionsequipment – wurde die Herstellung von Vierfachsolarzellen optimiert. Außerdem habe man das Design der Module durch den Einsatz von achromatischen Linsen verbessert. Die Verbindung der hoch effizienten Vierfachsolarzellen mit den achromatischen Linsen habe dann schließlich den neuen Rekordwirkungsgrad von 41,4 % für eine nur 122 cm² große Modulfläche ermöglicht.

Über den Autor Roland Grimm ist seit Februar 2013 freier Journalist mit Sitz in Essen und schreibt regelmäßig Fachwissen-Artikel für BaustoffWissen. Zuvor war er rund sechs Jahre Fachredakteur beim Branchenmagazin BaustoffMarkt und außerdem verantwortlicher Redakteur sowie ab 2010 Chefredakteur der Fachzeitschrift baustoffpraxis. Kontakt: freierjournalist@rolandgrimm.com

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