HeKMod4 – Hocheffizientes Konzentratormodul mit GaSb-basierter Vierfachsolarzelle

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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.

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Detailaufnahme des neu entwickelten Messsystems zur schnellen Bestimmung der externen Quanteneffizienz: Blick in das Mikrospiegelaktor basierte Spektrometer zur Erzeugung amplitudenmodulierter monochromatischer Strahlung.

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-Sbustraten, sowie der Verbindungsprozess mittels der Wafer-Bonding-Technologie neu entwickelt werden. Im Projekt wurden bereits erste funktionierende Vierfachsolarzellen hergestellt, die einen Wirkungsgrad von 29,1% bei einer 194-fachen Sonnenkonzentration erreichen. Derzeit wird die Zelleffizienz primär durch die geringere Stromgeneration in der GaSb-Unterzelle begrenzt. Im Rahmen der Zellentwicklung wird daher an einer Passivierungsschicht innerhalb dieser Teilzelle gearbeitet. Diese kann die Verluste in der Zelle signifikant reduzieren sowie die Quanteneffizienz und damit die Stromgeneration in dieser Teilzelle deutlich steigern. Die Größe und das Kontaktdesign der finalen Vierfachsolarzellen wird auf deren Verwendung in einem Konzentratorphotovoltaikmodul mit passiv gekühlter Spiegeloptik ausgerichtet.

Für die Charakterisierung dieser Solarzellen mit mehr als drei pn-Übergängen werden  neue Messmethoden und Kalibrierroutinen etabliert. So wird im Rahmen des Projekts 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 bereits verwirklicht 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 (Abb. 4). 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.

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Im Projekt entwickeltes Design des Spiegelmoduls. Mit dem Design können sehr geringe Modulbauhöhen realisiert werden.

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FEM-Untersuchung der Temperaturverteilung in CPV-Modulen.