ALCHEMI – A Low Cost, High Efficiency, Optoelectronic HCPV Module for 1000 Sun Operation

In der (hoch) konzentrierenden Photovoltaik ((H)CPV) wird Licht auf kleine aber hoch effiziente Solarzellen fokussiert, wodurch höchste Wirkungsgrade erzielt werden. Die Erhöhung der Wirkungsgrade und kostengünstige Fertigungstechnologien tragen zur weiteren Kostensenkung bei.

Im Projekt ALCHEMI soll in einem europäischen Konsortium ein hochkonzentrierendes HCPV Modul prototypisch entwickelt werden, wobei zentrale Komponenten (Primäroptik, Zelle) potenziell von deutschen Lieferanten beigesteuert werden. Die Sekundäroptik wird durch in der Optoelektronik etablierte Verfahren gefertigt. Das Fraunhofer ISE optimiert das Design der hier zweistufigen Konzentratoroptik und charakterisiert Prototypen. Auch das thermische Design wird vom Fraunhofer ISE bearbeitet.

Im Projekt ALCHEMI soll der Wirkungsgrad einer HCPV Technologie weiter erhöht und durch industrielle Fertigungsverfahren die Kosten weiter gesenkt werden. Der Lösungsansatz im Gesamtprojekt besteht darin, durch die Verwendung etablierter Herstellverfahren aus der LED-Industrie bzw. Optoelektronik HCPV Module kostengünstig und bei gleichzeitig sehr hoher Effizienz herzustellen und damit insgesamt eine Senkung der Stromgestehungskosten mittels HCPV zu erzielen.

Im Bereich des Optikdesigns und des thermischen Managements bedeutet dies, ein Design auf die in diesen Herstellprozessen verfügbaren Materialien, Dimensionen und sonstigen Randbedingungen abzustimmen.

Um den höchsten Wirkungsgrad des Gesamtmoduls zu erreichen, ist eine Optimierung des Moduls im Gesamten entscheidend. Die einzelnen Komponenten der Solarzelle, der Optik und der elektrischen Kontaktierung sowie das gesamte Moduldesign wie Verschaltung und Wärmeabfuhr müssen dabei möglichst gut aufeinander abgestimmt sein.

Ziel des vorliegenden (Teil-)Projekts am Fraunhofer ISE ist das Design und die Charakterisierung einer zweistufigen Konzentratoroptik für neue HCPV Module. Diese setzt sich zusammen aus einer refraktiven Optik bestehend aus einer Silikon-auf-Glas (engl. Silicone-on-Glass SOG) Fresnellinse als Primäroptik (engl. Primary Optical Element POE) und einer Sekundäroptik aus transparentem Silikon (engl. Secondary Optical Element SOE), die direkt auf die Zelle geprägt werden soll.

Das Design wird mittels Strahlverfolgungsverfahren ermittelt und hat einerseits zum Ziel, bei Erhalt einer hohen optischen Effizienz die Brennweite der PEO zu minimieren um eine geringe Bauhöhe bei wenig Gewicht und Materialaufwand zu erzielen. Andererseits soll das SOE Design die Bestrahlung der Zelle homogenisieren bei gleichzeitig hohem Akzeptanzwinkel der gesamten Optik. Insgesamt berücksichtigt das Design die Randbedingungen der industriellen Herstellbarkeit (»designed for manufacture«). Darüber hinaus unterstützt das Fraunhofer ISE das Moduldesign durch Untersuchungen zum thermischen Management, wo es gilt die Wärmeabfuhr zu optimieren und damit die Betriebstemperaturen der Zellen zu minimieren und die Beständigkeit zu sichern.