III-V-basierte Photovoltaik für »Internet of Things« und Innenräume

In unserer zunehmend digitalisierten und vernetzten Welt kommt dem »Internet of Things (IoT)« eine wachsende Bedeutung zu. In hohem Tempo entstehenden hier neue Anwendungen für Verbraucher, Gewerbe, Industrie sowie Infrastruktur und Energiesystem. In den meisten Anwendungen sind kleine und kabellose Geräte mit integrierter Sensorik gewünscht, die einfach und überall zu platzieren sind. Zwei entscheidende Faktoren bei der Entwicklung solcher Geräte sind die Realisierung der bidirektionalen Kommunikation und der Energieversorgung. Für Letztere sind selbstversorgende Lösungen interessant, um einen tatsächlich autarken Betrieb ohne externe Energiequelle zu ermöglichen. Dadurch kann sowohl auf Kabel als auch auf Batterien und deren Wartung verzichtet werden. Alternativ kann über eine externe Lichtquelle auch eine drahtlose optische Leistungsversorgung realisiert werden (Power-by-Light).

Am Fraunhofer ISE adressieren wir diese Themen mit III-V basierten Photovoltaikzellen. Photovoltaikzellen auf Basis von Galliumindiumphosphid eignen sich aufgrund ihrer Materialeigenschaften sehr gut zur Nutzung des Raumlichts. Ihr Absorptionsverhalten passt ideal zum Emissionsspektrum künstlicher Lichtquellen (weiße LED-Strahler und Leuchtstofflampen) und aufgrund der hohen Materialqualität weisen die Solarzellen ein ausgezeichnetes Schwachlichtverhalten auf. Mit einer 1 cm² großen Zelle konnten wir in ersten Messungen III-V-basierte Photovoltaik für »Internet of Things« und Innenräume einen Wirkungsgrad von 15,5 % unter Schwachlichtbeleuchtung (1,7 W/m² entspricht etwa 210 lux) erzielen. 

Für Anwendungen im »Internet of Things (IoT)« arbeiten wir auch an Technologien, mit denen sich Energieversorgung und Datenkommunikation in einem Bauelement integrieren lassen. Dies ermöglicht kompakte Bauformen und spart Kosten. Für die simultane optische drahtlose Daten- und Leistungsübertragung haben wir mit einer am Fraunhofer ISE entwickelten Galliumarsenid-basierten Photovoltaikzelle in Zusammenarbeit mit der Universität von Edinburgh einen Spitzenwert in der Datenübertragungsrate von 0,5 Gb/s (3 dB Bandbreite, 24,5 MHz) erreicht. Unter monochromatischer Bestrahlung weist diese Zelle einen Wirkungsgrad von 42 % (847 nm, 0,46 W/cm²) auf. Mit einer vergleichbaren Zelle, die in Dünnschichttechnik mit Rückseitenspiegel realisiert wurde, konnte sogar ein monochromatischer Spitzen-Wirkungsgrad von 67 % (860 nm, 10 W/cm²) demonstriert werden. 

Derzeit arbeiten wir daran – zusätzlich zur hocheffizienten Wandlung der einfallenden Lichtleistung (Photovoltaikzelle) und dem schnellen Datenempfang (Photodiode) – die gleiche Zelle auch als Licht emittierenden Datensender (LED) verwenden zu können. Eine effiziente Lichtausbeute wird dabei durch die  hohen strahlenden Wirkungsgrade der III-V-Materialien erreicht.