Photovoltaik-Forschung: Fraunhofer ISE entwickelt Hochkonverter zur Nutzung von Wärmestrahlung in zweiseitigen Solarzellen

Bei Solarzellen aus Silizium gehen etwa 20 Prozent der Energie des Sonnenspektrums verloren, denn sie können einen Teil der Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) nicht zur Erzeugung von Solarstrom nutzen. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben – gemeinsam mit ihren Kollegen der Universität Bern und der Heriot-Watt University Edinburgh – nun erstmals einen Teil dieser Strahlung für Silizium-Solarzellen mit Hilfe eines Hochkonverters im praktischen Einsatz genutzt.
Die Technologie, die Infrarot in nutzbares Licht umwandelt, ist seit den 1960er Jahren bekannt. Allerdings wird sie erst seit 1996 in Verbindung mit Solarzellen untersucht.

Solarzellen-Wirkungsgrad könnte auf 40 Prozent gesteigert werden
„Wir konnten die Solarzellen sowie die Hochkonverter so optimieren, dass wir den bisher größten Gewinn an Effizienz erzielen konnten“, erklärt Stefan Fischer, Wissenschaftler am ISE. Das Potenzial sei groß: Silizium-Solarzellen wandeln theoretisch etwa 30 Prozent des Sonnenlichts, das auf sie fällt, in elektrischen Strom um. Hochkonverter könnten diesen Anteil auf 40 Prozent erhöhen.

Eine „Leiter“ für Lichtteilchen
Treffen die Sonnenstrahlen auf die Solarzelle, absorbiert diese das sichtbare und das nahinfrarote Licht. Der infrarote Anteil wird jedoch nicht absorbiert, er geht durch sie hindurch. Auf der Rückseite trifft er auf den Hochkonverter – im Wesentlichen ein mikrokristallines Pulver aus Natrium-Yttrium-Fluorid, das in einen Polymer eingebettet ist. Ein Teil des Yttriums haben die Wissenschaftler durch das optisch aktive Element Erbium ersetzt, welches letztendlich für die Hochkonversion verantwortlich ist. Trifft nun Licht auf diesen Hochkonverter, regt es die Erbium-Ionen an.
Das heißt, diese werden in einen höheren Energiezustand versetzt, vergleichbar mit dem Aufstieg auf eine Leiter: Ein Elektron im Ion nutzt die Energie des Lichtteilchens, um auf die erste Stufe der Leiter zu treten. Ein weiteres Lichtteilchen lässt das Elektron auf die zweite Stufe klettern, und so weiter. Von der obersten Stufe kann das so angeregte Ion dann herunter „springen“. Dabei sendet es Licht mit der Energie all jener Lichtteilchen, die dem Elektron beim „Hochklettern“ geholfen haben. Der Hochkonverter sammelt die Energie mehrerer dieser Teilchen und überträgt diese auf ein Einziges. Dieses hat dann so viel Energie, dass die Solarzelle es „sieht“ und nutzen kann.

Antireflex-Schichten auf der Rückseite der bifacialen Solarzelle optimiert
Um einen solchen Hochkonverter einsetzen zu können, mussten die Forscher die Solarzellen optimieren. Denn üblicherweise sind sie auf der Rückseite mit Metall bedampft, damit der Solarstrom herausfließen kann – es kann also kein Licht hindurch.
„Wir haben die Solarzellen mit Metallgittern auf der Vorder- wie auf der Rückseite versehen, damit das IR-Licht durch die Solarzelle hindurch geht. Zudem lässt sich das Licht so von beiden Seiten nutzen, man spricht von einer bifacialen Solarzelle“, erläutert Fischer.
Vorder- und Rückseite der Solarzelle haben die Wissenschaftler mit speziellen Antireflex-Beschichtungen versehen. Diese entspiegeln die Oberflächen und sorgen dafür, dass die Zelle möglichst viel Licht aufnimmt. „Wir haben die Antireflex-Schichten erstmals auch für die Rückseite der Solarzelle optimiert. Das könnte die Effizienz der Module erhöhen und deren Energieerträge steigern. Erste Firmen versuchen das bereits zu realisieren, indem sie beidseitige Solarzellen verwenden“, so Fischer weiter.

05.11.2013 | Quelle: Fraunhofer Gesellschaft | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH