InfraVolt – Photonische Konzepte für Solarzellen im strahlenden Limit

Laufzeit: April 2011 - März 2014
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)
Kooperationspartner: Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (Koordination); Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung IAP, Potsdam; Forschungszentrum Jülich; Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen; Friedrich-Schiller-Universität Jena, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz
Webseite: www.innovationsallianz-photovoltaik.de/main/infravolt
© Fraunhofer ISE
Schema einer photonischen Solarzelle als Defektschicht in einem 1D-photonischen Kristall.
© Fraunhofer ISE
Oben: Verhältnis der tiefenabhängigen Emissionen aus der photonischen Solarzelle und der »Standardsolarzelle«. Unten: Gesamtemission aus einer photonischen Solarzelle im Vergleich zur »Standardsolarzelle«.

Da der Lichteinfall auf eine Solarzelle nur aus einem schmalen Winkelbereich stattfindet, die Zelle aber in den kompletten Halbraum abstrahlen kann, entstehen thermodynamische Verluste. Um diese zu verringern, entwickeln wir winkelselektive Filter, die die Abstrahlung einschränken und so die Systemeffizienz verbessern können. Eine Herausforderung ist dabei das Design und die Optimierung geeigneter photonischer Dünnschichtfilter. Wir haben dazu Programme entwickelt, die diese Optimierung ermöglichen und die durch Kopplung optischer und elektrischer Eigenschaften eine Abschätzung der Effizienz solcher Systeme erlauben. Für den experimentellen Nachweis arbeiten wir an der Realisierung eines solchen Systems.

Photonische Dünnschichtfilter können winkelselektive Eigenschaften aufweisen. Ein Beispiel sind Braggfilter, die aus alternierenden Schichten zweier Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex bestehen. Diese Filter weisen bei bestimmten Wellenlängen winkelabhängige Reflexionspeaks auf, die den Anforderungen in einem Solarzellensystem sehr gut entsprechen. Durch geschicktes Modifizieren einzelner Schichtdicken und Hinzufügen weiterer Schichten passen wir diesen Bereich an und optimieren die Transmission des Filters in dem Bereich, in dem Licht auf die Zelle fällt. Hierfür verwenden wir einen genetischen Algorithmus. Die Effekte solcher Filter können in PC1D-Simulationen berücksichtigt und so der potenzielle Gewinn abgeschätzt werden.

Ein noch weitergehender Ansatz ist die Einführung einer photonischen Solarzelle, bei der Zelle und Filter in einem optoelektronischen Bauelement vereint sind. Möglich ist z. B. der Einbau einer dünnen GaAs-Solarzelle als Defektschicht in einen 1D-Photonischen Kristall (Abb. 1). Hierbei wird, anders als oben, emittierte Strahlung nicht zurück reflektiert, sondern die Emission selbst unterdrückt (Abb. 2). Für die Simulation verwenden wir dabei einen Streumatrixformalismus. Wir koppeln diese Simulationen zudem mit elektrischen Simulationen (PC1D). Erste Ergebnisse zeigen die gewünschte Unterdrückung, so dass wir an der Realisierung eines solchen Systems arbeiten.