Die meisten heute verfügbaren Solarzellen bestehen aus nur einem Halbleitermaterial mit einem p/n-Übergang. Damit lässt sich die im Sonnenspektrum enthaltene Energie nur unvollständig ausnutzen. Im Marktbereich Neuartige Solarzellenkonzepte und Photonenmanagement entwickeln wir deshalb Konzepte und Technologien, mit denen sich die prinzipiellen Beschränkungen des Wirkungsgrades herkömmlicher Solarzellen überwinden lassen.

Die Schwerpunkte unserer Arbeit liegen zum einen in der Entwicklung von Systemen zum Photonenmanagement, zum anderen entwickeln wir Solarzellen aus Quantenpunktmaterialien.

Photonenmanagement zielt darauf ab, den Wirkungsgrad zu erhöhen, indem das Sonnenspektrum aufgeteilt oder verändert wird bevor das Sonnenlicht von Solarzellen absorbiert wird. Silicium-Quantenpunkte sind ein vielversprechendes Material für die Herstellung von Solarzellen, dessen Eigenschaften wie z.B. die Bandlücke sich für die Anwendung einstellen lassen.

Unsere Tätigkeiten umfassen darüber hinaus die Entwicklung neuer Konzepte, die Materialentwicklung und -charakterisierung, sowie die Herstellung kompletter Solarzellensysteme mit neuen Funktionalitäten.

Beim Photonenmanagement wird das Sonnenspektrum aufgeteilt oder verändert, bevor das Sonnenlicht von Solarzellen absorbiert wird. Dadurch lassen sich höhere Wirkungsgrad erzielen. Auf diese Weise werden die Kosten pro kWh der produzierten elektrischen Energie gesenkt. Der Vorteil des Photonenmanagement ist es, dass bestehende Solarzellentechnologien verwendet und miteinander kombiniert werden können.

Dabei forschen wir zum einen an Fluoreszenzkonzentratoren die in der Lage sind diffuses und direktes Sonnenlicht konzentrieren, ohne dass Nachführungssysteme notwendig wären. Da durch die Konzentrierung des Lichtes insgesamt weniger Solarzellenfläche benötigt wird, lassen sich Kosten sparen.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Hochkonversion niederenergetischer Photonen. Hierbei werden mehrere Photonen, die zu wenig Energie haben um von einer Solarzelle ausgenutzt zu werden, in ein für Solarzellen nutzbares, hochenergetisches Photon umgewandelt.

Ziel der spektralen Aufteilung ist es, das Sonnenspektrum aufzuspalten und die einzelnen Anteile zu jeweils optimierten Solarzellen zu leiten. Dadurch lassen sich deutlich höhere Wirkungsgrade als mit einer einzelnen Solarzelle erreichen.

Weitere Forschungsthemen sind die Abwärtskonversion von Photonen und die Thermo-Photovoltaik.

Mit Fluoreszenzkonzentratoren lässt sich diffuses und direktes Sonnenlicht konzentrieren, ohne dass Nachführungssysteme notwendig wären. Weil insgesamt weniger Solarzellenfläche benötigt wird, lassen sich Kosten sparen. Außerdem lässt sich das Sonnenspektrum mit Fluoreszenzkonzentratoren aufspalten und zu jeweils optimierten Solarzellen leiten.
Diese Eigenschaften machen Fluoreszenzkonzentratoren zu einer Konzentratortechnologie für mittlere Breiten wie Deutschland, in denen nur geringe Mengen an Direktstrahlung vorkommen. Weil sie so flach wie herkömmliche Module sind, lassen sie sich Fluoreszenzkonzentratoren problemlos in und auf Gebäuden einsetzen oder in Fenster und Fassadenelemente integrieren.

In einem Fluoreszenzkollektor absorbieren Farbstoffe oder andere lumineszierende Materialien in einer transparenten Matrix das einfallende Licht. Anschließend wird das Licht mit einer größeren Wellenlänge in alle Raumrichtungen wieder abgestrahlt. An der Grenzfläche zwischen Kollektor und Umgebung wird ein großer Teil des emittierten Lichtes aufgrund des Unterschiedes im Brechungsindex total reflektiert und so innerhalb des Kollektors zu den Seitenflächen geführt. Solarzellen an den Seiten wandeln dann das Licht in elektrische Energie um.

Derzeit untersuchen wir besonders Fluoreszenzkonzentratoren für den Einsatz unter infrarotem Licht und die Steigerung des Wirkungsgrades mit Hilfe photonischer Strukturen. Dafür stehenden uns umfangreiche Methoden zur Verfügung die Ausgangsmaterialien zu charakterisieren, komplette System zu realisieren, sowie diese zu charakterisieren. Außerdem beschäftigen wir uns mit der theoretischen Beschreibung und Simulation von Fluoreszenzkonzentratoren.

Rund 20% der auf eine Siliciumsolarzelle eingestrahlten Energie können nicht genutzt werden, weil im Sonnenspektrum auch Photonen enthalten sind, deren Energie unterhalb der Bandlücke des Siliciums liegt. Diese Photonen passieren das Silicium ungenutzt. Ihre Energie kann jedoch genutzt werden, wenn mehrere solcher Photonen in ein Photon mit einer Energie oberhalb der Bandlücke des Siliciums umgewandelt werden.

Am Fraunhofer ISE werden neue Systemarchitekturen untersucht, die eine effiziente Hochkonversion ermöglichen. Dabei wird der Hochkonverter mit einem zweiten lumineszenten Material kombiniert, wodurch sich der ausgenutzte Spektralbereich erweitern lässt.

Die Aktivitäten reichen von der Konzeptentwicklung über die Materialcharakterisierung, der theoretischen Beschreibung bis hin zu der Realisierung und Charakterisierung kompletter Systeme aus Solarzellen und Hochkonverter.

Ziel der spektralen Aufteilung ist es, das Sonnenspektrum aufzuteilen und die einzelnen Teile auf Solarzellen zu leiten, die für den jeweiligen Bereich optimiert sind. Da jede Solarzelle für sich optimiert werden kann, lassen sich so sehr hohe Wirkungsgrade erreichen.

Im Moment werden mehrere unterschiedliche Systemkonfigurationen am Fraunhofer ISE untersucht. Die Aktivitäten reichen von der Entwicklung neuer Systemarchitekturen über die Simulation und Herstellung optischer Komponenten, zur Herstellung optimierter Solarzellen, der Systemherstellung und der Charakterisierung der kompletten Systeme.

Die photovoltaische Energiekonversion beschränkt sich nicht nur auf die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. So kann beispielsweise auch die Strahlungsenergie einer Flamme oder eines beheizten Emitters zur Stromerzeugung verwendet werden. In der Thermo-Photovoltaik (TPV) wandeln spezielle Photovoltaikzellen diese Wärmestrahlung effizient in elektrische Energie um. Typische Temperaturen der Emitter liegen zwischen 900 °C und 2000 °C und strahlen somit primär im Infrarotbereich.

In zurückliegenden Forschungsprojekten haben wir uns intensiv mit der Optimierung des TPV-Energiewandlers beschäftigt. Dazu ist eine photovoltaische Zelle mit niedriger Bandlückenenergie erforderlich. Wir haben hierfür Ge, GaSb und GaInAsSb Zellen mit unterschiedlicher Größe an die Strahlungsbedingungen eines TPV Systems angepasst. Durch unsere langjährige Forschung konnten wir ein umfangreiches Know-how zur Herstellung von TPV-Energiewandlern gewinnen. Gerne bieten wir unsere Ge TPV- Zellen in Forschungsprojekten und für die Entwicklung von TPV-Prototypen an.

Ausgewählte Veröffentlichungen zum Thema

Seit etwa drei Jahren untersuchen wir am Fraunhofer ISE das Thema kristalline Si-basierte Tandemsolarzellen. In dieser Zeit erarbeiteten wir unter anderem umfassendes Know-how im Bereich Siliciumkarbid (SiC), das wir als Matrixmaterial für die Si Nano-Kristalle einsetzen. Neben der Herstellung dieser Si Nano-Materialien mittels plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung (PECVD) und Festphasenkristallisation (SPC) wird insbesondere die kristallographische Charakterisierung und die Entwicklung einfacher Strukturen sowie der dazu benötigten Messapparaturen verfolgt. Weitere Schwerpunkte in unserem Team sind die Bestimmung von Transport- und Rekombinationseigenschaften mittels elektrooptischer Messmethoden wie zeitaufgelöster Photolumineszenz sowie mittels speziell entwickelter Messstrukturen.
Die Herstellung von Tandemsolarzellen aus diesen neuen Absorbermaterialien ist unser erklärtes Ziel. Dazu arbeiten wir sowohl national als auch international mit renommierten Forschungsgruppen und Firmen zusammen.

Forschungsschwerpunkte:

• Abscheidung von Multilagen mittels PECVD
• Solid Phase Crystallisation (SPC) in verschiedenen Ofentypen
• Materialcharakterisierung (XRD, Raman, FTIR, AFM)
• Einfache Strukturen zur Messungen von optoelektronischen Eigenschaften
• Zeitaufgelöste Photolumineszenz
• Sigma (T)-Messplatz mit verschiedenen Beleuchtungsquellen
• Si-QP basierte Solarzellenstrukturen
• Tunneldioden
• Simulationen von Solarzellenstrukturen

Labore und Ausstattung:

• Inline Zonenschmelzanlage (ZMR400con)
• Zonenschmelzanlage (ZMR100)
• Verschiedene optisch oder widerstandsgeheizte Temperanlagen
• Industrielle PECVD Inline-Beschichtungsanlagen zum Beschichten mit Siliciumkarbid
• Laboranlagen AK 400 (Roth&Rau) zur PECVD Beschichtung
• Reinraum

Prinzipiell können Probengrößen von bis zu 400x400 mm ² bearbeitet werden.