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Winkelselektive photonische Strukturen für eine optimierte Strahlungsbilanz in Solarzellen

 
: Höhn, O.

:
Fulltext ()

Freiburg, 2015, 115 pp., II-XXXII : Ill.
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2015
URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-100516
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer ISE ()

Abstract
Der Wirkungsgrad normaler Einfachsolarzellen näherte sich in den letzten Jahren immer weiter seinem thermodynamischen Limit – dem Shockley-Queisser-Limit – an. Besonders bei Solarzellen aus direkten Halbleitern mit hoher strahlender Effizienz, wie z.B. Galliumarsenid (GaAs), ist der Abstand zum absoluten Limit gering. Eine weitere Steigerung der Effizienz dieser Systeme ist somit ohne eine Veränderung des thermodynamischen Gesamtsystems nur in geringem Umfang möglich. Besonders interessant ist demnach die Frage, ob das Shockley-Queisser-Limit für Einfachsolarzellen, deren einziger Verlustmechanismus strahlende Rekombination darstellt, ein absolutes thermodynamisches Limit darstellt. Licht fällt auf ein solches System in einem sehr schmalen Winkelbereich, dem Sonnenwinkel von 0,267° ein. Licht, das durch strahlende Rekombination emittiert wird, kann dagegen aber in den gesamten externen Raum abgestrahlt werden. Durch diese Diskrepanz der beiden Winkelräume entsteht Entropie durch eine Etenduéexpansion der emittierten Strahlung. Diese kann man verringern, indem man die beiden Winkel angleicht, was durch eine Vergrößerung des Einfalls-, durch eine Einschränkung des Emissionswinkels, oder durch eine Kombination beider Wege realisiert werden kann. Durch eine perfekte Angleichung der Winkel kann demnach die Erzeugung von Entropie durch Etenduéexpansion vollständig verhindert und damit die maximal mögliche Effizienz stark gesteigert werden. In einem solchen, rein strahlend limitierten System sind die beiden Wege – Winkeleinschränkung und Konzentration –thermodynamisch äquivalent. Konzentrierende Systeme werden bereits industriell realisiert.
Die Arbeit konzentriert sich folglich vor allem auf die Realisierung winkelselektiver Elemente zur Effizienzsteigerung. Um das Potential für reale Solarzellen abschätzen zu können, wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene idealisierte und realistische Systeme untersucht und Beispielsysteme realisiert. Ausgangspunkt dafür sind bereits realisierte Solarzellen, sodass die wesentliche Aufgabe im Design von geeigneten winkelselektiven Elementen und deren Potentialabschätzung liegt.
Mit Hilfe neuer Simulationsmethoden konnte gezeigt werden, dass winkelselektive Filter in hocheffizienten GaAs-Solarzellen eine Steigerung der Effizienz versprechen. Es zeigte sich außerdem, dass diese Effizienzsteigerung unter Konzentration unter Umständen sogar noch vergrößert werden kann, da sich die strahlende Effizienz des Systems unter Konzentration vergrößern kann. Die Kombination eines winkelselektiven Elements und eines Konzentrators macht demnach allein aus diesem Grund Sinn. Experimentell konnte eine Erhöhung der Leerlaufspannung um 1,7mV durch einen winkelselektiven Filter an einer GaAs-Solarzelle gezeigt werden und somit konnte das Konzept auch experimentell bestätigt werden.
Für eine spätere Anwendung ist das Konzept vor allem in Verbindung mit hocheffizienten Mehrfachsolarzellen interessant, da hier direkte Halbleiter verwendet werden, und die Systeme typischerweise unter Konzentration arbeiten. Außerdem werden mit diesen Systemen aktuell die höchsten Wirkungsgrade erreicht. Für einen erfolgreichen Einsatz müssen die Filter an die Anforderungen in Mehrfachsolarzellen angepasst werden. Im Modell müssen dann auch Umverteilungseffekte durch strahlende Rekombination in der einen und Reabsorption in einer anderen Teil-Solarzelle berücksichtigt werden. Dies ist mit den in der Arbeit entwickelten Methoden prinzipiell möglich und wird aktuell genauer untersucht.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-408758.html