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Hochkonverter machen Infrarotstrahlung für Solarzellen nutzbar

Silizium-Solarzellen wandeln Solarenergie in Strom um. Die Wärmestrahlung der Sonne können diese Solarzellen jedoch größtenteils nicht nutzen. Kombiniert man jedoch Hochkonverter mit Solarzellen, so können diese die Energie der Infrarotstrahlung bündeln und der Solarzelle zur Stromumwandlung bereitstellen.

Eine zweiseitige Silicium-Solarzelle auf Aluminium-Zylindern wird von oben mit einem Infrarotlaser beleuchtet (Foto: Fraunhofer ISE)

Eine zweiseitige Silicium-Solarzelle auf Aluminium-Zylindern wird von oben mit einem Infrarotlaser beleuchtet (Foto: Fraunhofer ISE)

Sonnenstrahlung besteht aus UV-Strahlung und Infrarotstrahlung. Normale Solarzellen aus Silizium können einen Teil dieser Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) nicht zur Stromerzeugung nutzen, sodass etwa 20 Prozent der Energie des Sonnenspektrums ungenutzt verloren geht. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben nun gemeinsam mit Forschern der Universität Bern und der Heriot-Watt University Edinburgh erstmals einen Teil dieser Strahlung für Silizium-Solarzellen mit Hilfe eines Hochkonverters nutzbar machen können. Die Solarzellen mit Hochkonvertern konnten dabei so optimiert werden, dass Silizium-Solarzellen theoretisch statt etwa 30 Prozent nun 40 Prozent der Solarenergie in elektrischen Strom umwandeln könnten.

Erbium macht Infrarotstrahlung für Solarzellen nutzbar

Die Hochkonverter-Technologie ist bereits seit den 1960er Jahren bekannt und wird seit 1996 in Verbindung mit Solarzellen untersucht. Im Kern geht es darum, dass das auf eine Solarzelle auftreffende infrarote Licht nicht absorbiert, sondern durch die Solarzelle hindurchgeht und auf der Rückseite auf den Hochkonverter trifft, der bisher aus einem mikrokristallinem Pulver aus Natrium-Yttrium-Fluorid bestand, das in einen Polymer eingebettet ist. Ein Teil des Yttriums haben die Wissenschaftler jetzt durch das optisch aktive Element Erbium ersetzt, welches letztendlich die Infrarotstrahlung über eine Hochkonversion für die Solarzelle nutzbar macht.

Elektronen werden auf ein nutzbares Teilchen hochkonvertiert

Trifft nun Licht auf diesen Hochkonverter, regt es die Erbium-Ionen an, sodass diese in einen höheren Energiezustand versetzt werden. Ein Elektron im Ion nutzt dabei die Energie des Lichtteilchens, um auf einen ersten höheren Energiezustand zu gelangen. Ein weiteres Lichtteilchen hebt das Elektron dann nochmals auf eine höhere Energiestufe an. Dieser Prozess setzt sich so lange fort, bis das so angeregte Ion sich loslöst und dabei Licht mit der Energie all jener vorher aufgenommenen Lichtteilchen freisetzt. Der Hochkonverter sammelt dann die Energie mehrerer dieser Teilchen und überträgt diese auf ein Einziges. Dieses hat dann so viel Energie, dass die Solarzelle dieses dann in Strom umwandeln kann.

Antireflex-Beschichtung sorgt für größtmögliche Lichtaufnahme

Um einen solchen Hochkonverter einsetzen zu können, mussten die Forscher aber auch die Solarzellen verändern, denn diese sind üblicherweise auf der Rückseite mit Metall bedampft, damit der Strom aus den Solarzellen herausfließen kann. Dies verhinderte allerdings auch, dass Licht hindurch gelangen konnte. Die Forscher haben daher die Solarzellen auf der Vorder- und auf der Rückseite mit Metallgittern versehen, damit das IR-Licht durch die Solarzelle hindurch geht. Zudem lässt sich das Licht so von beiden Seiten nutzen. Die Vorder- und Rückseite dieser bifacialen Solarzelle haben die Wissenschaftler dann mit speziellen Antireflex-Beschichtungen versehen. Diese entspiegeln die Oberflächen und sorgen dafür, dass die Zelle möglichst viel Licht aufnimmt. Die Antireflex-Schichten wurden dabei erstmals auch für die Rückseite der Solarzelle optimiert, die die Effizienz der Module erhöhen und deren Energieerträge weiter steigern könnte.

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"Hochkonverter machen Infrarotstrahlung für Solarzellen nutzbar" wurde am 08.11.2013 verfasst