Power-by-Light

GaAs basierte Laserleistungszelle
© Fraunhofer ISE

GaAs basierte Mehrsegment-Laserleistungszelle mit sechs lateral in Serie geschalteten Segmenten (monolithisch integriertes Modul, MIM), montiert auf Transistor Outline (TO) Sockel.

Laserleistungszellen auf TO Sockel
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Komponenten: Laserleistungszellen auf TO Sockel, integriert in FC Steckeranschluss und optische Faser mit FC Steckverbinder.

Messplatz zur Charakterisierung von Photovoltaikzellen
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Messplatz zur Charakterisierung von Photovoltaikzellen unter monochromatischem Licht.

Wir entwickeln spezielle Photovoltaikzellen, die mit höchster Effizienz  monochromatisches Licht in elektrische Energie wandeln, sogenannte Laserleistungskonverter. Eingesetzt werden solche Zellen zur  Leistungsversorgung von Sensoren und Aktoren, wenn eine konventionelle Energieübertragung über Kupferkabel nicht oder nur eingeschränkt zu realisieren ist, z.B. aufgrund der Forderung nach galvanischer Trennung, Blitzschutz, elektromagnetischer Verträglichkeit, drahtloser Energieübertragung, Vermeidung von Funkenbildung, Korrosionsbeständigkeit, hoher Magnetfelder oder rotierender Systeme. Beispiele für die vielfältigen Anwendungen sind die Strukturüberwachung von Windkraftanlagen, Überwachung von Hochspannungsleitungen, Treibstoffsensorik in Flugzeugtanks, optische Versorgung von Sensorik im Automobil, Biosensoren in smarten Implantaten oder auch die Überwachung von passiven optischen Netzwerken.

Bei der Leistungsübertragung in Form von Licht erzeugt eine Lichtquelle monochromatisches Licht. Das Licht wird durch die Luft oder eine optische Faser zum Empfänger geleitet. Die Photovoltaikzelle wandelt das Licht zurück in elektrische Leistung. Wird eine optische Faser eingesetzt, können Leistungs- und Datenübertragung in einer Faser realisiert werden. So können Systeme gleichzeitig elektrisch versorgt und überwacht werden.

Monochromatisches Licht kann mit angepassten Photovoltaikzellen effizienter gewandelt werden als dies mit Solarzellen für die spektral verteilte Solarstrahlung der Fall ist. Der Schlüssel dazu liegt in der Abstimmung der Bandlücke des verwendeten Halbleiters auf die Wellenlänge des Lichts. So werden Thermalisierungs- und Transmissionsverluste minimiert. Mit GaAs-basierten Zellen haben wir einen Wirkungsgrad von 54,9% demonstriert, gemessen bei einer Laserwellenlänge von 810 nm (36,5 W/cm²).

III-V Verbindungshalbleiter decken einen breiten Bereich an Laserwellenlängen ab. Beispielhafte Materialien (mit der jeweiligen Grenzwellenlänge in Klammern) sind Ga0.51In0.49P (660 nm), GaAs (870 nm), Ga0.83In0.17As (1050 nm), Ga0.16In0.84As0.31P0.69 (1100 nm), Ga0.47In0.53As (1680 nm) oder GaSb (1700 nm).

Neben der Materialentwicklung entwickeln wir optimierte, individuelle Zelldesigns für verschiedene Betriebsbedingungen, sowie integriert seriell verschaltete Zellarchitekturen für erhöhte Ausgangsspannungen (gestapelte Mehrfachzellen und Mehrsegmentzellen bzw. monolithisch integriert-serienverschaltete Module, MIMs). Die typische Ausgangsspannung für GaAs-basierte Mehrsegmentzellen (mit z.B. 2, 4, 6 oder 12 Segmenten) errechnet sich nach Anzahl der Segmente mal 1 V.

Zur Charakterisierung der Zellen unter monochromatischem Licht steht ein Laser-basierter Messplatz zur Verfügung, der kalibrierte und reproduzierbare Messungen unter definierten Bedingungen ermöglicht.

Ausgewählte Veröffentlichungen zum Thema (Fraunhofer-Publica)