Gemeinsam mit ihren Kollegen der Universität Bern und der Heriot-Watt-Universität Edinburgh haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg erstmals einen Teil der Infrarotstrahlung für Siliziumsolarzellen mit Hilfe eines Hochkonverters im praktischen Einsatz genutzt. Mit der Umwandlung von Wärmestrahlung in Strom kann die Effizienz der Solarzellen erheblich gesteigert werden. Denn bisher gehen etwa 20 Prozent der gesamten Strahlung verloren, weil sie zu langwellig ist, um von den Solarzellen genutzt zu werden. „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“, erklären die Forscher des Fraunhofer ISE. „Wir konnten die Solarzellen sowie die Hochkonverter so optimieren, dass wir den bisher größten Gewinn an Effizienz erzielen konnten“, erklärt Stefan Fischer, der als Wissenschaftler für das Fraunhofer ISE an der Entwicklung beteiligt war.
Das Potenzial ist groß
Das Potenzial ist groß. Denn bisher gilt das sogenannte Shockley-Queisser-Limit von 31 Prozent. Das ist der maximale Anteil des Sonnenlichts, den eine einfache Siliziumsolarzelle in Strom umwandeln kann. „Hochkonverter könnten diesen Anteil auf 40 Prozent erhöhen“, prognostizieren die Freiburger Forscher. Dieser sitzt auf der Rückseite der Solarzelle. Er reflektiert die langwellige und energiearme infrarote Strahlung, die normalerweise durch die Zelle hindurchgeht. Der Hochkonverter besteht hauptsächlich aus einem mikrokristallinen Pulver aus Natrium-Yttrium-Fluorid, das in ein Polymer eingebettet ist.
Energie bündeln
Die Wissenschaftler haben das Yttrium jetzt zu einem großen Teil durch das optisch aktive Element Erbium ersetzt, das letztlich für die Hochkonversion verantwortlich ist. Denn trifft das Licht auf den Hochkonverter, regt es die Erbium-Ionen an. Diese werden dadurch 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“, erklären die Freiburger Forscher das Prinzip. „Ein weiteres Lichtteilchen lässt das Elektron auf die zweite Stufe klettern, und so weiter. Von der obersten Stufe kann das so angeregte Ion dann herunter ‚springen‘. Dabei entsendet es Licht mit der Energie all jener Lichtteilchen, die dem Elektron beim ‚Hochklettern‘ geholfen haben. Der Hochkonverter sammelt dabei die Energie mehrerer dieser Teilchen ein und überträgt es auf ein einziges Teilchen. Dieses hat dann so viel Energie, dass die Solarzelle es ‚sieht‘ und nutzen kann.“
Metallgitter auf beiden Seiten
Um den Hochkonverter einsetzen zu können, haben die Forscher die Zellen auf der Vorder- und der Rückseite mit einem Metallgitter versehen. Denn normale Solarzellen sind auf der Rückseite mit Metall bedampft, damit der Strom aus ihnen heraus fließen kann. Dadurch könnte aber das infrarote Licht nicht bis zum Hochkonverter gelangen, es würde an der Metallschicht reflektiert. Das Metallgitter auf der Rückseite sorgt dafür, dass das Licht bis zum Hochkonverter durchdringen, aber gleichzeitig auch der Strom aus der Solarzellen fließen kann. „Zudem lässt sich das Licht so von beiden Seiten nutzen, man spricht von einer bifacialen Solarzelle“, erläutert Fischer. „Wir haben außerdem die Antireflexschichten 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“, sagt Fischer. (Sven Ullrich)
