Solarenergie ist nach wie vor eine der vielversprechendsten Möglichkeiten für eine nachhaltige Energieversorgung. Um ihr Potential voll ausschöpfen zu können, besteht aber noch vielfältiger Forschungsbedarf. Zum Beispiel, wenn es um die Effizienz der Materialien geht, aus denen Solarzellen gefertigt werden. Es gibt diverse Materialien, die für Solarzellen genutzt werden, aber Silizium wird am häufigsten verwendet, da es nicht nur preiswert, sondern auch effizient im Hinblick auf den erreichbaren Wirkungsgrad ist. Allerdings besteht bezüglich der Effizienz nach wie vor Verbesserungspotential. Einer der Gründe dafür ist, dass ein Teil des Sonnenspektrums durch Silizium nicht absorbiert wird. Um die Effizienz zu erhöhen, wollten Forscher der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und des Fraunhofer-Instituts für Solar Energiesysteme (ISE) deshalb durch Hochkonversion die bisher nicht nutzbaren, niederenergetischen Photonen in nutzbare, höherenergetische Photonen umwandeln. „Das theoretische Effizienzlimit einer Siliziumsolarzelle wird damit von 30% auf 40% erhöht“, erklärt Clarissa Hofmann vom Fraunhofer ISE. Das Team bestand aus Forschern des Fraunhofer ISE und des Instituts für Physik der Universität Freiburg sowie des Instituts für Mikrosystemtechnik (IMTEK). Hofmann und ihre Kollegen haben sich im Pilotprojekt des Leistungszentrums Nachhaltigkeit Freiburg „NaLuWiLeS: Nano-Strukturen zur Lumineszenzverstärkung für die Wirkungsgradsteigerung von LEDs und Solarzellen“ zusammengeschlossen.
Um das große Verbesserungspotenzial auch tatsächlich zu erreichen, wollten die Forscher nicht das Silizium selbst modifizieren, sondern eine modifizierte Struktur der Zellen entwickeln, oder anders ausgedrückt, Silizium mit einem zusätzlichen Material zur Unterstützung des Wirkungsgrads versehen. Aufbauend auf umfangreiche Vorarbeiten des Teams am Fraunhofer ISE, in deren Verlauf verschiedene Kombinationen hergestellt und charakterisiert wurden, hat das Team sich für eine vielversprechende abwechselnde Schicht-Struktur entschieden, eine sogenannte Bragg-Struktur. Diese besteht aus Titaniumdioxid (TiO2) und hochkonvertierten Nanopartikeln eingebettet in Plexiglas (PMMA + NP). Insgesamt wurden Bragg-Strukturen mit sieben bis neun Schichten mit hochpräzisen Verfahren hergestellt. Diese Strukturen wurden im Hinblick auf ihre Hochkonversionseigenschaften untersucht. Mit der Infrarot-Laserbestrahlung konnten die Forscher den Gesamteffekt sowie auch die Winkelabhängigkeit der Struktur im Experiment bestimmen.
Diese umfangreiche experimentelle Arbeit war nur ein Teil des Projekts. Die Struktur sollte zudem mit Hilfe von Simulationen beschrieben und optimiert werden. Dazu wurde ein im Team entwickeltes umfangreiches Ratengleichungsmodell zur Beschreibung der Hochkonversion verwendet. Zusätzlich werden darin die beiden Effekte der Bragg-Struktur berücksichtigt: Wie die Effizienz durch eine erhöhte lokale Bestrahlungsstärke beeinflusst wird und wie sich eine Veränderung der photonischen Zustandsdichte auswirkt. Im nächsten Schritt wurde das Material im Labor charakterisiert. Das Team konnte dadurch feststellen, dass das „Signal“ das von ihrer Bragg-Struktur zurückgeworfen wurde, deutlich höher war als bei der untersuchten Referenzstruktur. Damit haben sie ihr Ziel erreicht, die Effizienz der Hochkonversion mit Hilfe einer optimierten Bragg-Struktur zu steigern, indem sie zusätzliche Photonen nutzbar machen.
Im vierten Schritt wurde die Winkelanalyse durchgeführt. Da das Sonnenlicht aus unterschiedlichen Winkeln die PV-Anlagen bestrahlt, mussten die Forscher auch sagen können, wie sich die Effizienz abhängig von den Winkeln ändert. Hierzu wurde der Zusammenhang zwischen Winkel und Effizienz untersucht. Diese Beziehung wurde im Labor des Fraunhofer ISE experimentell nachgestellt, wobei die hergestellten Proben mit Hilfe von Lasern beleuchtet wurden. Diese Untersuchungen sind aktuell noch im Gange. Die Forscher haben sich noch weiter in ihr Thema vertieft und untersuchen jetzt den Effekt des Abstrahlungswinkels. Erste Ergebnisse haben sich bereits als erfolgreich erwiesen und konnten auch wieder durch Simulationen bestätigt werden.
„Wir würden gerne als nächsten Schritt weiter mit unseren Universitäts-Kollegen arbeiten“, fasst Dr. Jan Christoph Goldschmidt vom ISE zusammen. „Ein EU-Projekt wäre auch eine gute Möglichkeit, unsere Arbeit weiter zu führen“. Marktreif ist die Lösung momentan jedoch noch nicht. Das Verfahren ist noch nicht preiswert genug und zudem ziemlich zeitaufwendig. Das langfristige Potential ist aber durchaus vorhanden, so dass die Forscher auch darüber nachdenken, Unternehmen zu kontaktieren, mit deren Hilfe die Technologie im Hinblick auf ihre Marktreife weiterentwickelt werden könnte.