06.11.2013, 06:51 Uhr | 1 |

Schub für Photovoltaik Solarzellen können jetzt auch Wärmestrahlen in Strom umwandeln

Die Sonne strahlt nicht nur hell, vor allem wärmt sie. Doch die Strahlen, die für die Wärme verantwortlich sind, können Solarzellen derzeit nicht in Strom umwandeln. Das soll sich nun dank neuartiger Hochkonverter ändern.

Zweischicht-Solarzelle mit Laser
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Eine zweiseitige Silizium-Solarzelle – hier aufgelegt auf Aluminium-Zylindern – wird mit einem Infrarotlaser beleuchtet. Die Wärmestrahlung trifft auf eine zweite Schicht in der Solarzelle mit einem mikrokristallinen Pulver, das im Wesentlichen aus Natrium-Yttrium-Fluorid und Erbium besteht. In mehreren Schritten wird die Wärme- in Lichtstrahlung umgewandelt und damit für die Stromerzeugung nutzbar gemacht.

Foto: Fraunhofer ISE

Die Strahlen der Sonne sind nicht nur das, was man sieht. Vor allem die unsichtbare Infrarotstrahlung, die wir als Wärme auf der Haut spüren, können Solarzellen aus Silizium derzeit nicht in Strom umwandeln. Damit gehen etwa 20 Prozent der Energie des Sonnenspektrums verloren.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme in Freiburg (ISE) haben nun nach einer Lösung gesucht, um auch noch diesen Teil des Sonnenlichtes für die Umwandlung in Strom nutzen zu können. Damit erhöht sich der physikalisch mögliche Wirkungsgrad von – noch nicht erreichten – 30 auf 40 Prozent.

Wärmestrahlen aktiviert Erbium-Atome

Entwickelt haben die Freiburger Solarzellen aus zwei Schichten. In der oberen Schicht, die aus Siliziumkristallen besteht, wird Sonnenlicht ganz konventionell in Strom umgewandelt. Die Wärmestrahlen jedoch, die die Effektivität der Zellen reduzieren, wandern in eine zweite Schicht unter den Kristallen, die Hochkonverter genannt wird.

Diese Schicht besteht aus einem Kunststofffilm, in den ein mikrokristallines Pulver eingebettet ist, das im Wesentlichen aus Natrium-Yttrium-Fluorid besteht. Einen Teil der Fluor-Atome haben die Freiburger Forscher durch das optisch aktive Element Erbium ersetzt, das bisher vor allem für spezielle Laser verwendet wird.

Das Infrarotlicht gibt seine Energie an die Erbium-Atome ab. Es hievt sie auf ein höheres Energieniveau. Ein Elektron klettert gewissermaßen auf einer Leiter eine Stufe nach oben. Das nächste Lichtteilchen lässt ein weiteres Elektron emporhüpfen, das das erste auf die nächste Stufe verdrängt. Auf der letzten Stufe  gibt es seine Energie in Form von Licht ab. Dieser Vorgang findet millionenfach parallel statt. Das Licht in seiner Gesamtheit bestrahlt die Rückseite des Siliziums, sodass zusätzlicher Strom erzeugt wird.

Metallgitter lässt das Licht durch

Normale Siliziumzellen wären dazu nicht geeignet, weil sich auf ihrer Rückseite ein hauchdünner Metallfilm befindet, der kein Licht durchlässt. Er dient dazu, den erzeugten Strom zu sammeln und zum Verbraucher zu leiten. Damit die Zelle auch das von hinten kommende Licht sehen kann, haben die Freiburger Forscher den Metallfilm durch ein Strom leitendes Gitter ersetzt. Vorder- und Rückseite sind entspiegelt, sodass nicht einmal ein winziger Teil des Sonnenlichts durch Reflexion verlorengeht. Die bifaciale Zelle, wie Fachleute sie nennen, haben die Freiburger gemeinsam mit Forscherkollegen der Universität Bern und der Heriot-Watt University Edinburgh entwickelt.

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Von Wolfgang Kempkens
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kommentare
16.11.2013, 11:27 Uhr Progetti
Man könnte auch infrarotdurchlässige Fresnell' sche Linsen vor verschiedenen Infrarot- Quellen positionieren und im Brennfleck Infrarot- Wandler- Zellen anbringen und so ohne sichtbares Licht Strom erzeugen. Aber die oben beschriebene Hybridzelle ist ein echter Fortschritt für den Wirkungsgrad von Solarzellen, wo wenig Fläche zur Verfügung steht, z.B. Auf Autodächern oder kleinen Hausdächern.

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