NASA-Lupe steigert Effizienz von Solarzellen

Der schwache Wirkungsgrad von Solarzellen ist oft Ziel der Kritiker. Doch damit ist bald Schluss. Neue Technologien machen es möglich die Effizienz der Zellen auf über 40 % zu steigern. Möglich macht dies eine Methode, die bislang nur im Weltraum angewandt wurde. Diese kann jetzt auch bald auf dem eigenen Hausdach Strom erzeugen.

Knackpunkt bei dieser Technik sind sogenannte „concentrated photovoltaic“ (CPV), also konzentrierte Photovoltaik-Systeme. Dabei werden teure vielarmige Solarzellen verbessert durch günstige optische Hilfselemente. Sonnenlicht wird quasi gebündelt auf die Zellen geschossen und somit die einzelne Zelle effektiver gemacht, berichtet rdmag.com.

Noel Giebink, Assistenzprofessor für Elektrotechnik in Penn State University erklärt die Neuheit: „Aktuelle CPV-Systeme haben die Größe von riesigen Werbetafeln und müssen sehr akkurat den ganzen Tag auf die Sonne ausgerichtet werden. Aber so ein System kann man nicht auf ein Hausdach installieren, wo die Masse der Solarzellen letzten Endes zu finden sein wird.“

Giebink bestätigt, dass die immer günstiger werdenden Preise für Solarzellen diese Entwicklung so interessant machen. Außerdem wurde dank der CPV-Systeme die Effizienz von rund 20 % auf über 40 % angehoben – ein entscheidender Entwicklungsschritt für sowohl Wissenschaftler, als auch für die späteren Kunden.

Aus diesem Grund ist die Solarindustrie gerade an einem spannenden Punkt angekommen. Denn bislang waren die Halbleiter der hochpreisige Teil der gesamten Konstruktion, die man sich auf das eigene Dach schraubt. So wurde auch die Forschung in erster Linie darauf ausgerichtet, die Kosten in diesem Bereich für den Endverbraucher zu senken. Der Preis für Solarenergie war bis jetzt immer gleichbedeutend mit dem Preis für Solarpanele und deren Systeme.

Chris Giebink beschreibt die jetzige Situation: „Jetzt haben wir an eine Stelle erreicht, an der wir Solarpanele kaum noch günstiger machen können. Selbst wenn ich die Panele verschenke würde, könnte ich die Kosten für Solarenergie damit nicht senken. Hier kommen die konzentrierten Photovoltaik-Systeme ins Spiel. Dabei werden hocheffiziente Panele, die auf der Raumstation genutzt werden und sehr teuer sind, mit günstig Linsen kombiniert.“

Mit einer Art Lupe ausgestattet, werden diese Solarpanele deutlich wirkungsvoller. Sie können eine Menge Sonnenlicht aus verschiedenen Richtungen einfangen und auf die Solarzelle lenken. Dadurch kann viel Energie erzeugt werden, aber es wird nur ein Bruchteil der teuren Solarzellen benötigt. Die Aufgabe war dann eine kompakte Version der Raumfahrttechnik herzustellen, die für die breite Masse der Bevölkerung eine sinnvolle Verbesserung darstellen würde.

Der Schlüssel zum Erfolg sind die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Die CPV-Systeme können in der Regel alle herkömmlichen Solaranlagen ersetzen. Selbst in kleineren Bereichen, kann die Solarzelle durch ein CPV-System ausgetauscht werden. Das größte Hindernis dabei war die Linsen so zu produzieren, dass die meiste Zeit tagsüber die Sonnenstrahlen eingefangen werden. Schließlich sollte sich nicht die gesamte Konstruktion auf den Hausdächern nach der Sonne ausrichten müssen.

Allerdings bewegt sich doch noch etwas. Denn die Konstruktion besteht aus zwei Ebenen von Plastiklinsen. Diese werden übrigens kostengünstig per 3D-Drucker hergestellt. Die obere Schicht der Linsen wirkt als Lupe und fängt das Sonnenlicht ein und leitet es weiter zu einer gegenüberliegenden Linse. Da die Sonne wandert, trifft das gebündelte Licht der Lupe auch an immer anderen Stellen im CPV-System auf. Deshalb hat die zweite Linse etwa ein Zentimeter Freiraum sich zu bewegen.

Sie fängt computerberechnet den konzentrierten Sonnenstrahl den ganzen Tag über ein. Der Platz von einem Zentimeter reicht dafür aus, um acht Sonnenstunden täglich in Strom umzuwandeln. Somit geschieht die optimale Ausrichtung automatisch und die Eigentümer müssen sich um nichts mehr kümmern.

Weil der Großteil des CPV-Systems aus sparsamen Plastiklinsen besteht, kann die Technologie günstig produziert werden. Einen kleinen Wermutstropfen erwähnt Giebink am Ende aber doch noch: Das entwickelte System ist nicht für alle Regionen gleich gut anwendbar. „CPV macht nur Sinn, wenn das Gebiet viel direkte Sonneneinstrahlung bekommt, wie im Südwesten der USA. In bewölkten Gegenden wie dem Nordwesten, verliert das CPV-System seinen Vorteil, weil es das diffuse Licht nicht konzentrieren kann.“