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Solarzellen machen Wärmestrahlung mittels Hochkonverter „sichtbar“ und damit nutzbar

bifacialen
Eine zweiseitige Silicium-Solarzelle - hier aufgelegt auf Aluminium-Zylindern - wird von oben mit einem Infrarotlaser beleuchtet (© Fraunhofer ISE)
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(13.2.2014) Die Wärmestrahlung der Sonne ist für Silizium-So­larzellen größtenteils verloren. Hochkonverter jedoch wandeln die Infrarotstrahlung in nutzbares Licht um. Forscher nutzen diesen Effekt nun erstmals für die Stromerzeugung.

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 übliche Solarzellen „se­hen“ nur einen Teil der Sonnenstrahlung: So können bei jenen aus Silizium ca. 20 Prozent der Energie des Sonnenspektrums von vornherein nicht zur Stromerzeugung herangezogen wer­den.

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. „Wir konnten die Solarzellen sowie die Hochkonverter so optimieren, dass wir den bisher größten Gewinn an Effizienz erzielen konnten“, so 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

Doch wie schafft es der Hochkonverter, das IR-Licht für die Solarzelle zu nutzen? 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. 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. Ein weiteres Lichtteilchen lässt das Elektron auf die zweite Stufe klettern, und so weiter. Von der obersten Stu­fe kann das so angeregte Ion dann „herunterspringen“. Dabei entsendet 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.

Um einen solchen Hochkonverter einsetzen zu können, mussten die Forscher die So­larzellen zunächst optimieren. Denn üblicherweise sind sie auf der Rückseite mit Metall bedampft, damit der Strom aus den Solarzellen herausfließen kann - allerdings kommt so 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.

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