OPTOS – Bestimmung der Reflexion und Adsorption von Solarzellen mit beidseitig texturierten Oberflächen

Texturierung von Siliciumsolarzellen ist eine bewährte Methode, um hohe Effizienzen zu erreichen. Texturen reduzieren zum einen die Vorderseitenreflexion und führen zum anderen zu einer Verlängerung der Lichtwege im Silicium. Zur Bestimmung von idealen Texturen bzw. idealen Texturkombinationen an Vorder- und Rückseite wurde am Fraunhofer ISE der »OPTOS«-Simulationsformalismus entwickelt. »OPTOS« ist eine Matrix-basierte Methode zur effizienten Bestimmung der Reflexion und Absorption von Solarzellen mit beidseitig beliebig texturierten Oberflächen und ggf. inklusive Modulverkapselung. Insbesondere können Texturen aus unterschiedlichen optischen Regimes kombiniert werden. Durch »OPTOS« konnte z. B. gezeigt werden, dass die Integration eines Rückseitenbeugungsgitters die Erhöhung der Photostromdichte einer 200 µm dicken Siliciumsolarzelle mit pyramidaler Vorderseite um 0,4 mA/cm² ermöglicht. Silicium-basierte Tandem Solarzellen mit planer Vorderseite zeigen sogar Erhöhungen >1 mA/cm². Dies kann, in Einklang mit experimentellen Ergebnissen, zu Effizienzsteigerungen >1 % absolut führen.

Neuartige Lighttrapping-Konzepte basieren häufig auf der Kombination von Texturen mit unterschiedlichen Strukturdimensionen, wie eine pyramidale Vorderseite und ein Rückseitenbeugungsgitter. Mit konventionellen Simulationsmethoden, z. B. Raytracing oder wellenoptischen Methoden, ist es sehr aufwendig, das unterschiedliche optische Verhalten dieser Texturen effizient und kombiniert zu modellieren. Der neu entwickelte »OPTOS«-Formalismus (Optische Eigenschaften von Texturierten Optischen Schichten) ist eine Matrix-basierte Methode zur effizienten Bestimmung der Reflexion und Absorption von Substraten mit planparallelen beliebig texturierten Oberflächen, z. B. Solarzellen oder PV-Modul-Schicht-Stapeln. Die Propagation des Lichts innerhalb der Zelle und dessen Umverteilung bei Oberflächeninteraktionen werden für definierte Winkel mit der jeweils optimalen Simulationsmethode einmalig berechnet. Dies erlaubt eine Beschreibung der optischen Wege im System über Matrizen. Die Ergebnisse werden anschließend über reine Matrixmultiplikationen inkohärent gekoppelt und resultieren in der Gesamtabsorption und Reflexion. Die bisherigen Vergleiche von »OPTOS«-Simulationen mit alternativen Methoden und experimentellen Ergebnissen führten zu einer guten Übereinstimmung. So konnte z. B. gezeigt werden, dass die Integration eines Rückseitenbeugungsgitters in einer Absorption nahe dem Yablonovitch Limit resultiert. Aktuelle laufen Simulationen in den folgenden Bereichen:

(1)    Das Verhalten von texturierten Grenzflächen im PV-Modul-Schicht-Stapel (verkapselt in EVA und Glas) kann sich deutlich von unverkapselten Solarzellen unterscheiden. Da Solarmodule und nicht unverkapselte Zellen die Zielanwendung sind, spielen Berechnungen des Gesamtsystems eine zunehmend wichtige Rolle.

(2)    Tandemsolarzellen haben ein weit höheres Effizienzpotential als single-junction Solarzellen. Daher steigt das Interesse insbesondere an Perovskit- als auch III-V auf Silizium Tandem Konzepten. Optische Verluste sind in diesem Zusammenhang höchst relevant und eine Verringerung der Reflexion oder Steigerung der Lichtwege in der Siliziumzelle können zu deutlich höheren Gesamteffizienzen führen, u.a. weil die Stromanpassung vereinfacht wird.