Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Analog zur solaren Energieerzeugung mittels Solarzellen wird in der Thermo-Photovoltaik (TPV) Strahlungsenergie mittels Photovoltaikzellen in Elektrizität gewandelt. Im Unterschied zu Solarzellen stammt die Strahlungsenergie aber nicht von der Sonne, sondern wird in Form von Wärmestrahlung (langwellige Photonen) von einem heißen Emitter abgegeben. Spezielle Thermo-Photovoltaikzellen aus Absorbermaterialien mit Bandlücken im Infrarotbereich, können diese Wärmestrahlung effizient in elektrische Leistung wandeln.
In einem auf fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen basierenden Energiesystem können thermo-photovoltaische Systeme einen wichtigen Beitrag zur Speicherung von überschüssiger elektrischer Energie spielen. Diese kann in Form von Wärme bei hoher Temperatur gespeichert werden und bei Bedarf mittels thermo-photovoltaischer Module wieder verstromt werden. Für den Gesamtwirkungsgrad (elektrisch-zu-elektrisch) sind TPV Zellen mit hoher Umwandlungseffizienz entscheidend. 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. So erreicht man hohe Systemwirkungsgrade.
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 bieten wir unseren Kunden unsere Expertise an bei der Entwicklung dicht gepackter Module, dafür notwendiger Aufbau- und Verbindungstechnologie und thermisches Management.
Darüber hinaus arbeiten wir an der optischen Modellierung, 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 Thermo-Photovoltaikzelle nutzbar sind.