HeKMod4 – Hocheffizientes Konzentratormodul mit GaSb-basierter Vierfachsolarzelle

© Fraunhofer ISE

GaSb-basierte Vierfachsolarzelle unter dem Sonnensimulator zur Bestimmung der IV-Kennlinie.

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Externe Quanteneffizienz einer gebondeten Vierfachsolarzelle mit GaSb-Unterzelle und generierte Stromdichten für das AM1.5d Spektrum. Die Zelle hat aktuell einen Wirkungsgrad von 39.54 % unter Konzentration.

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Detailaufnahme des neu entwickelten Messplatzes zur Bestimmung der externen Quanteneffizienz von Mehrfachsolarzellen: Mikrospiegelarray unter Beleuchtung des mittels eines Refraktionsgitters erzeugten Farbspektrums.

Bei der hochkonzentrierenden Photovoltaik (HCPV) wird das Sonnenlicht mit einem Faktor 300 bis 1000 mittels einer Optik auf eine nur Quadratmillimeter kleine Solarzelle fokussiert. Da die Zellfläche sehr klein ist können auch Mehrfachsolarzellen eingesetzt werden, die das Sonnenlicht über das gesamte Spektrum sehr effizient nutzen. Im Konzentratorsystem müssen dann alle Komponenten wie Solarzelle, Optik, elektrische Verschaltung, thermisches Design und Produktionstechnik sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Wir nutzen unsere langjährigen Erfahrungen in all diesen Themenfeldern, um im Projekt »HeKMod4« ein Konzentratormodul mit Zielwirkungsgrad bis 39 % zu entwickeln. Die Basis ist eine neuartige Vierfachsolarzelle mit Galliumantimonid (GaSb) als Unterzelle. Für die Bewertung der Komponenten und des Systems werden auch neue Charakterisierungsmethoden entwickelt.

Im Projekt »HeKMod4« wird ein innovatives Konzentratormodul mit einem Zielwirkungsgrad von 36 % bis 39 % entwickelt. Um das bestmögliche Moduldesign zu verwirklichen, betrachten wir alle Komponenten einzeln, aber mit dem Ziel, das Gesamtsystem zu optimieren. Schwerpunkte der Komponentenentwicklung sind Solarzellen mit vier pn-Übergängen, Optik- und Moduldesign.

Dazu wird im Projekt eine neuartige Vierfachsolarzelle mit Galliumantimonid (GaSb) als Unterzelle hergestellt. Sie besitzt ein besonders hohes Wirkungsgradpotenzial von ca. 50 %. Hierfür müssen zwei Epitaxieprozesse auf GaAs- und GaSb-Substraten, sowie der Verbindungsprozess mittels der Wafer-Bondingtechnologie neu entwickelt werden. Im Projekt wurden Vierfachsolarzellen hergestellt und optimiert, welche momentan Wirkungsgrade von etwa 40 % unter Konzentration aufweisen. Hierbei wurden auch Solarzellen mit einer GaSb und einer GaInAsSb Unterzelle hergestellt. Letzteres Material erlaubt es die Absorption weiter in den Infrarotbereich auszudehnen. Die größten Verluste sind momentan verursacht durch eine suboptimale Stromanpassung der Teilzellen sowie ein relativ hohe Abschattung durch die Vorderseitenkontaktfinger. Aber auch das Zusammenspiel der Materialien und bis zu 40 Einzelschichten muss noch weiter optimiert werden.

Für die Charakterisierung dieser Solarzellen mit mehr als drei pn-Übergängen werden im Projekt neue Messmethoden und Kalibrierroutinen etabliert. So wurde im Rahmen des Projektes ein neuartiger Messplatz zur Bestimmung der externen Quanteneffizienz (EQE) von Mehrfachzellen entwickelt. Dieser basiert auf dem Frequenzmultiplexverfahren, bei dem im Gegensatz zum herkömmlichen, sequentiellen Messverfahren die EQE über einen weiten Wellenlängenbereich instantan bestimmt werden kann. Kernelement des Messplatzes ist dabei ein Mikrospiegelarray, das zur Frequenzmodulation des monochromatischen Lichtes benutzt wird. Erste EQE Messungen an Mehrfachsolarzellen konnten erfolgreich verwirklicht werden und zeigten hervorragende Übereinstimmungen mit Messungen derselben Zellen im Kalibrierlabor des Fraunhofer ISE.

Das im Projekt prototypisch entwickelte Modulkonzept zeichnet sich durch kleine Solarzellen und Optiken aus. Durch den punktuellen Wärmeeintrag kann die Wärme effektiv verteilt werden und durch die Spiegeloptik hohe optische Effizienzen erzielt werden.

Im Projekt wurden zunächst unterschiedliche Modulkonzepte mit passiv gekühlter Spiegeloptik theoretisch untersucht. Für die Wärmeverteilung in den unterschiedlichen Konzepten wurden umfangreiche Simulationen durchgeführt. Schließlich wurden die Konzepte hinsichtlich der optischen Effizienz, Herstellbarkeit, Solarzellentemperatur verglichen und bewertet. Abschließend wurde für den Aufbau von Prototypen ein Moduldesign mit sehr kleiner Solarzelle ausgewählt (Solarzellendurchmesser 460 µm und Spiegeloptikkantenlänge 12.8 mm). Dadurch verteilt sich der thermische Eintrag sehr gut und ein Design mit nur 3 % Abschattungsverlusten durch den Wärmespreizer und Leiterbahn ist möglich. Ein weiterer Vorteil ist das sehr geringe Modulbauhöhen realisiert werden können und die Module somit platzsparend transportiert werden können.

Nach der konzeptionellen Ausarbeitung des Modulkonzepts wurden die einzelnen Komponenten wie Spiegeloptik, Solarzellen, Leiterbahn auf Glas hergestellt und untersucht. Erste Messungen an Optiken und Solarzellen wurden durchgeführt (siehe Abbildung 5). Ein aus Simulationen erwarteter sehr guter Akzeptanzwinkel von >±0.8° wurde mit einer sehr präzisen diamantgedrehten Optik und einer Dreifachsolarzelle bestätigt.

FEM-Untersuchung der Temperaturverteilung in CPV-Modulen.
© Fraunhofer ISE

FEM-Untersuchung der Temperaturverteilung in CPV-Modulen.

Prototypen CPV Modul mit 14 Spiegeln und Solarzellen.
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Prototypen CPV Modul mit 14 Spiegeln und Solarzellen.