Thermophotovoltaik

Analog zur solaren Energieerzeugung wird in der Thermophotovoltaik (TPV), Strahlungsenergie mittels Photovoltaikzellen in Elektrizität umgewandelt. Im Unterschied zur Energiequelle bei Solarzellen stammt die Strahlungsenergie aber nicht von der Sonne, sondern wird in Form von Wärmestrahlung (langwellige Photonen) von einem heißen Emitter abgegeben. Spezielle Thermophotovoltaikzellen aus Absorbermaterialien mit Bandlücken im Infrarotbereich können diese Wärmestrahlung effizient in elektrische Leistung umwandeln.  

In einem auf fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen basierenden Energiesystem der Zukunft können thermophotovoltaische Systeme einen wichtigen Beitrag zur Speicherung von überschüssiger elektrischer Energie spielen. Diese kann in Form von Wärme bei hoher Temperatur gespeichert und bei Bedarf mittels thermophotovoltaischer Module wieder verstromt werden. Ebenso können wir auf diese Weise die Abwärme von Industrieprozessen elektrisch nutzbar machen.

Eine entscheidende Größe ist dabei die Umwandlungseffizienz der TPV-Zellen. Darüber hinaus ist insbesondere auch ein intelligentes Photonenmanagement essenziell: Durch die Integration von Spiegelschichten in die TPV-Zelle können die photovoltaisch nicht nutzbaren Photonen auf den thermischen Emitter zurückgeworfen und somit recycelt werden. Dadurch werden hohe Systemwirkungsgrade erreicht. 

Am Fraunhofer ISE entwickeln wir angepasste niederbandlückige III-V-Absorbermaterialien auf der Basis von GaAs, InP, GaSb, und Ge, sowie hochtransparente Tunneldioden. Mittels metamorpher Pufferschichten realisieren wir zudem sogenannte »Engineered Substrates« auf Basis von GaAs, um vergleichsweise teure InP-Substrate zu ersetzen. Ebenso entwickeln wir Dünnschichtprozesse und hochreflektive, elektrisch leitfähige Spiegelschichten für ein effizientes Photonenmanagement. Schließlich stellen wir unseren Kundinnen und Kunden unsere Expertise bei der Entwicklung dicht gepackter Module und dafür notwendiger Aufbau- und Verbindungstechnologie sowie thermischem Management zur Verfügung.

Darüber hinaus arbeiten wir an der optischen Modellierung sowie der Realisierung und Charakterisierung von selektiven Emittern für TPV-Systeme. So können durch spezielle Beschichtungen, Resonanzphänomene in Oberflächenstrukturen und/oder Dünnschichtsystemen erzeugt werden, die bevorzugt Photonen emittieren, die von der Thermophotovoltaikzelle nutzbar sind.