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Montag, 05.12.2016
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Infrarotlicht lässt Elektronen klettern

Neuartige Solarzellen mit Hochkonverter nutzen bislang verlorene Wärmestrahlung

Wirkungslos verpufft: Die Wärmestrahlung der Sonne ist für Silizium-Solarzellen größtenteils verloren. So genannte Hochkonverter jedoch wandeln diese ungenutzte Infrarotstrahlung in nutzbares Licht um. Deutsche Forscher nutzen diesen Effekt nun erstmals für die Stromerzeugung.
Eine zweiseitige Silicium-Solarzelle – hier aufgelegt auf Aluminium-Zylindern – wird von oben mit einem Infrarotlaser beleuchtet.

Eine zweiseitige Silicium-Solarzelle – hier aufgelegt auf Aluminium-Zylindern – wird von oben mit einem Infrarotlaser beleuchtet.

In der Sonnenstrahlung steckt mehr als das Auge sieht: Ein Sonnenbrand entsteht durch die unsichtbare UV-Strahlung, während die ebenfalls unsichtbare Infrarotstrahlung als Wärme auf der Haut zu spüren ist. Auch Solarzellen »sehen« nur einen Teil der Sonnenstrahlung: Bei jenen aus Silizium gehen etwa 20 Prozent der Energie des Sonnenspektrums verloren – denn sie können einen Teil der Infrarotstrahlung, kurz IR-Strahlung, nicht zur Stromerzeugung nutzen.

Großer Teil der Infrarotstrahlung bislang ungenutzt


Treffen Sonnenstrahlen auf eine Solarzelle, absorbiert diese das sichtbare Licht und auch einen geringen Teil des Infrarotbereichs. Ein größerer Anteil an Infrarotlicht wird jedoch nicht absorbiert und geht wirkungslos durch die Solarzelle hindurch. Die Energie dieses langwelligeren Infrarotlichts reicht nicht aus, um die Solarzelle zur Stromproduktion anzuregen.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben gemeinsam mit Kollegen der Universitäten in Bern und Edinburgh nun erstmals einen Teil dieser Strahlung für Silizium-Solarzellen mit Hilfe eines so genannten Hochkonverters im praktischen Einsatz genutzt.


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 Strom aus den Solarzellen 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 Stefan Fischer, Wissenschaftler am ISE.

Beidseitige Solarzellen sind effizienter


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.

Das Kernstück der neuen Solarzelle ist schließlich der Hochkonverter, der sich an der Rückseite der Zelle befindet. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um ein mikrokristallines Pulver aus Natrium-Yttrium-Fluorid, das in ein Polymer eingebettet ist. Ein Teil des Yttriums haben die Wissenschaftler durch das optisch aktive Element Erbium ersetzt, welches letztendlich für die Hochkonversion verantwortlich ist. Doch wie schafft es der Hochkonverter, das IR-Licht für die Solarzelle nutzbar zu machen?

Eine Leiter für Lichtteilchen


Trifft Licht auf diesen Hochkonverter, regt es die Erbium-Ionen im Pulver an. Das heißt, diese werden in einen höheren Energiezustand versetzt. Man kann sich diese Reaktion wie den Aufstieg auf eine Leiter vorstellen: Ein Elektron im Ion nutzt die Energie des Lichtteilchens, um auf die erste Stufe der Leiter zu treten. Bevor es von dieser Energiestufe wieder herunter steigt, lässt ein weiteres Lichtteilchen das Elektron auf die zweite Stufe klettern, und so weiter. Von der obersten Stufe kann das so angeregte Ion dann in einem einzigen Schritt herunter springen. Dabei entsendet es Licht mit der gesamten Energie all jener Lichtteilchen, die dem Elektron beim Erklettern der Energieleiter geholfen haben. Der Hochkonverter sammelt also die Energie mehrerer dieser Teilchen und überträgt sie auf ein Einziges. Dieses Teilchen hat dann ausreichend Energie, dass die Solarzelle es »sieht« und nutzen kann.

Die Hochkonverter-Technologie, die Infrarot in nutzbares Licht umwandelt, ist seit den 1960er Jahren bekannt. Allerdings wird sie erst seit 1996 in Verbindung mit Solarzellen untersucht. »Wir konnten die Solarzellen sowie die Hochkonverter so optimieren, dass wir den bisher größten Gewinn an Effizienz erzielen konnten«, freut sich Stefan Fischer, Wissenschaftler am ISE. Das Potenzial ist 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.
(Fraunhofer Gesellschaft , 05.11.2013 - AKR)
 
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