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.
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.
Eine Silizium-Solarzelle, die auch die Wärmestrahlung der Sonne in Strom umwandeln kann, haben Freiburger Forscher entwickelt. Die Solarzelle verfügt über eine zweite Schicht, die Wärme in Licht umwandelt und damit für die Stromerzeugung nutzbar macht.
Quelle: Fraunhofer ISE
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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