Photonmanagement in Solarzellen
Motivation der Projekte
Im Zusammenhang mit einer nachhaltigen Energieversorgung wird der Photovoltaik eine wichtige Rolle zugewiesen. Sie besitzt von allen erneuerbaren Energien die größten Ausbaupotentiale. Die Schonung von Umwelt und Ressourcen, der Schutz des Klimas und die Verbesserung des Zugangs zu hochwertiger elektrischer Energie in den Entwicklungsländern sind dabei wesentliche Gesichtspunkte. Eine Reduzierung der Kosten der Stromerzeugung durch die Photovoltaik gilt als Schlussel fur eine beschleunigte Markteinführung und Verbreitung dieser zukunftsweisenden Schlüsseltechnologie. Für eine wesentliche Kostensenkung ist allerdings eine signi kante Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarzellen und Module erforderlich. Das Design optischer Materialeigenschaften durch die modernen Möglichkeiten der Nanostrukturierung, z.B. durch die Verwendung optischer Nanostrukturen, ist eine Entwicklung, die in den letzten zehn Jahren maßgeblich die Entwicklung der Optoelektronik beeinusst hat. Diese rasante Entwicklung ist jedoch an der Photovoltaik vorbeigegangen, obwohl gerade dieses Teilgebiet der Optoelektronik händeringend nach neuen, praktikablen Konzepten für die Vergrößerung des verfügbaren Spielraums für die Energiewandlungswirkungsgrade sucht. Damit eröffnet sich ein völlig neues Feld für die Entwicklung der Photovoltaik. Aber auch innerhalb der Photonik stellt das Anwendungsgebiet Photovoltaik aufgrund der notwendigen spektralen Breite des zu nutzenden Sonnenspektrums eine besondere Herausforderung dar.
Optische Nanostrukturen für die Photovoltaik
In dieser Gruppe werden Konzepte für das breitbandige Photonmanagement entwickelt und realisiert werden, die die Möglichkeiten der Nutzung optischer Nanostrukturen für die Verbesserung des Wirkungsgrads von Solarzellen grundsätzlich zeigen.
In den letzten Jahren wurden unterschiedliche Konzepte dazu entwickelt und in Projekten erfolgreich umgesetzt:
- 3D-Photonische-Kristall-Zwischenreflektoren
- 3D-Photonische-Kristall-Rückseitenreflektoren
- Schwarzes Silizium
- Tailored-Disorder-Strutkuren
- Transformationsoptische Strukturen
Laufende und Abgeschlossene Projekte:
- DFG-Paketantrag 88 Nanosun (2007-2013)
- BMBF-Verbundprojekte Nanovolt (2007-2009)
- BMBF-Verbundprojekt Infravolt (2010-2013)
- BMBF-Graduiertenkolleg Struktursolar (2011-2018)
- DFG-Schwerpunktprogramm Tailored Disorder (2015-2018)
Gruppenleiter:
Dr. Alexander Sprafke
alexander.sprafke@physik.uni-halle.de
Up- und Downkonversion für Solarzellen
Die Ausbeute von Dünnschichtsolarzellen im Bereich der kurzwelligen Strahlung ist durch die schlechten Sammlungseigenschaften der verwendeten Kontaktschichten und der Glassubstrate eingeschränkt. Diese Einbussen, die bis zu 3mA/cm2 betragen können, lassen sich vermeiden durch Konversion von Photonen aus dem UV-Bereich in den besser nutzbaren niederenergetischen Spektralbereich z.B. durch Farbzentren (seltene Erden). Durch deren isotrope Abstrahlung ergeben sich jedoch wiederum Verluste zur Nutzung dieser konvertierten Strahlung von ungefähr 50 % wegen deren Reemission in den offenen Halbraum. Diese Verluste lassen sich, beispielsweise durch energie-selektive photonische Kristallschichten reduzieren. Andererseits soll das Solarzellenspektrum unterhalb der Siliziumabsorptionskante von ca. 1,12 eV durch geeignete Frequenz-Upkonversionseffekte für die Photovoltaik nutzbar gemacht werden. Wobei Downkonversion aus dem UV schon teilweise untersucht worden ist und somit die Materialien dafür bekannt sind, sind Materialien für die Upkonversion mit Sonnenlicht aus dem Spektralbereich von 1,2 bis 1,6 µm bisher weitgehend unbekannt. Upkonversion kann entweder unter kohärentem Bedingungen durch Phasenanpassung in nichtlinear optischen Materialien (Gläsern) oder mit inkohärentem Licht an Seltenen Erden erzeugt werden. Allerdings sind die Konversionseffizienzen bisher sehr niedrig. IR-Phosphore basieren auf optisch stimulierter Lumineszenz, benötigen daher ein gespeichertes Photon aus dem sichtbaren Spektralbereich, um Upkonversion zu ermöglichen und sind deshalb für die Photovoltaik ungeeignet.
Ziel der Gruppe ist es neue Glaskeramische Up- und Downkonversionsmaterialien mit entsprechenden Photonischen Beschichtungen herzustellen und für die Photovoltaik nutzbar zu machen.
Laufende und abgeschlossene Projekte:
- DFG-Paketantrag Nanosun (2007-2013)
- BMBF-Projekt Nanovolt und Infravolt (2007-2014)
- BMBF-Zentrum für Innovationskompetenz Sili-nano (2009-2014)
Gruppenleiter:
Prof. Dr. Stefan Schweizer,
seit 2013 Fraunhofer AWZ Soest und Fachhochschule SWF