Nanospec – Nanomaterials for Harvesting Subband-gap Photons via Upconversion to Increase Solar Cell Efficiencies

Mehr Strom – durch Hochkonversion mehr Sonnenlicht nutzen

Laufzeit: Juni 2010 - Mai 2013
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
European Community's Seventh Framework Program
Kooperationspartner: Universität Bern, Technion – Israel Institute of Technology, Hafia, Heriot-Watt Univeristy Edinburgh, Forschungszentrum Jülich, Universiteit Utrecht, Technische Universiteit Eindhoven
Webseite: www.nanospec.eu
© Fraunhofer ISE
Abb. 1: Ein nicht sichtbarer infraroter Laser trifft von oben auf eine bifaciale Siliciumsolarzelle und geht durch diese hindurch.
© Fraunhofer ISE
Abb. 2: Messaufbau eines Konzentratormoduls mit Siliciumsolarzelle und Hochkonverter.
© Fraunhofer ISE
Abb. 3: Stromgewinn durch Hochkonversion in Abhängigkeit von der Konzentration des Sonnenlichts.

Siliciumsolarzellen können ungefähr 20 % der im Sonnenlicht enthaltenen Energie nicht nutzen, weil Photonen mit Energien unterhalb der Bandlücke nicht im Silicium absorbiert werden. Hochkonversion macht auch diese Photonen mit niedrigerer Energie nutzbar. Dazu werden zwei Photonen mit wenig Energie zu einem Photon mit mehr Energie kombiniert. Durch Verbesserung der eingesetzten Solarzellen und Materialien konnte am Fraunhofer ISE jetzt erstmals eine signifikante Stromerhöhung durch Hochkonversion in Konzentratormodulen mit Siliciumsolarzellen und Hochkonvertern gemessen werden.

In einem optimalen System aus Solarzelle und einem dahinter liegenden Hochkonverter muss nicht nur – wie in einer einfachen Solarzelle – viel Licht im Silicium absorbiert werden, sondern es müssen auch möglichst viele niederenergetische Photonen durch die Solarzelle hindurch zum Hochkonverter gelangen. Dazu wurden am Fraunhofer ISE spezielle bifaciale Siliciumsolarzellen mit einem hohen Wirkungsgrad entwickelt, die ideal dafür geeignet sind, durch Hochkonversion den Wirkungsgrad weiter zu steigern. Sie verfügen neben einer doppellagigen Antireflexbeschichtung auf der Vorderseite über eine Antireflexbeschichtung auf der Rückseite. Diese sorgt auch für eine gute Einkopplung des vom Hochkonverter emittierten Lichts.

Der Hochkonverter auf der Rückseite der Solarzellen (Abb. 1) besteht aus Erbium dotiertem Natriumyttriumtetrafluorid, das an der Universität Bern synthetisiert wurde. Dieses mikrokristalline  Pulver wurde anschließend von der Heriot-Watt University in Edinburgh in einen Polymer eingebettet. Das System aus Hochkonverter und Solarzelle wurde in ein Konzentratormodul integriert (Abb. 2). Der Gewinn durch die Hochkonversion steigt mit der Konzentration des Sonnenlichts an (Abb. 3). Obwohl dank der Optimierung die bisher besten Ergebnisse für die Hochkonversion gemessen wurden, ist der relative Nutzen für die Solarzelle noch gering. Um dies zu ändern, werden unterschiedliche photonische Konzepte untersucht, mit denen sich die Effizienz der Hochkonversion weiter steigern lässt.