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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Lighttrapping...

...wird der Einfang des Lichtes in der Solarzelle genannt. Dieser Effekt ist verantwortlich für etwa ein Drittel des Wirkungsgrades in der Jülicher Solarzellen-Technologie. Aufgrund der extrem dünnen Absorberschichten von etwa einem Tausendstel Millimeter kann das Licht bei einfachem Durchgang nicht vollständig absorbiert werden. Die Solarzellen sind zum Teil transparent und wandeln daher einen Teil des Lichts nicht in elektrische Energie um. Daher werden verschiedene Konzepte, Materialien und Schichtsysteme entwickelt, die die Absorption des Sonnenlichtes in der Solarzelle verstärken.

Schematische DarstellungSchematische Darstellung einer Silizium-Dünnschicht-Solarzelle mit Glas, Frontkontakt, Siliziumabsorber und Rückreflektor

Rückreflektor

Das einfachste Konzept ist ein Reflektor an der Rückseite der Solarzelle. Das von der Vorderseite einfallende Licht tritt in die Solarzelle ein und durchläuft das Absorbermaterial aus Silizium. Nach Passieren des Siliziums noch nicht absorbiertes Licht wird durch einen Reflektor zum Beispiel eine dünne Silberschicht oder eine hochreflektierende, weiße Farbe wieder in die Solarzelle zurückgeworfen. Dort ergibt sich für das Licht beim zweiten Durchgang durch das Silizium erneut die Möglichkeit, absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt zu werden.

Raue Oberflächen zur Lichtstreuung

Elektronenmikroskopische Aufnahme einer SolarzellenbruchkanteElektronenmikroskopische Aufnahme einer Solarzellenbruchkante mit an den rauen Grenzflächen gestreutem Licht

Auch nach zweifachem Durchlauf kann insbesondere das langwellige Licht nicht vollständig absorbiert werden und kann dadurch die Solarzelle, ebenso wie es eingetreten ist, durch die transparente Frontseite wieder verlassen. Diese sekundäre Reflexion kann durch Lichtstreuung zwar nicht vollständig verhindert, aber zumindest erheblich reduziert werden. Die Lichtstreuung wird durch die Aufrauung verschiedener Grenzflächen in der Solarzelle erzielt. Dazu werden raue Substrate oder raue TCO-Schichten oder Rückreflektoren eingesetzt. Durch das Wachstum nachfolgender Schichten setzt sich eine raue Grenzfläche durch die komplette Solarzelle fort.

Quantenwirkungsgrad von SiliziumsolarzellenQuantenwirkungsgrad von Siliziumsolarzellen: ideal aber ohne Lichtstreuung (grau), real mit glatten Grenzflächen (grün) real mit texturierten Grenzflächen (blau) und ideal und ideales statistisches Lighttrapping (schwarz). Ideal beschreibt die Lichteinkopplung ohne Reflexionsverluste und die Annahme, dass keine parasitäre Absorption auftritt.

Zum Einen durchläuft das gestreute Licht die Absorberschicht unter flachem Winkel und verbleibt dort eine längere Zeit, zum Anderen wird die Reflexion sowohl an der Rückseite als auch an der Frontseite durch das schräge Auftreffen auf die Grenzflächen erhöht. Im Idealfall wird das Licht ähnlich einem Lichtwellenleiter im Absorber bis zur vollständigen Absorption gefangen. Dieses Bild beschreibt in geometrsich-optischer Näherung den Lighttrappingeffekt nur unzureichend, erklärt den Effekt jedoch sehr anschaulich.
Dieser Lighttrappingeffekt ist besonders wichtig für das langwellige (rote) Licht, welches im Silizium nur schwach absorbiert wird. Das kurzwellige (blaue) Licht wird bereits nach wenigen Nanometern im Silizium absorbiert. Dennoch profitiert der gesamte Wellenlängenbereich von einer rauen Grenzfläche an der Frontseite. Eine raue Grenzfläche reduziert die primäre Reflexion der Solarzelle und erhöht damit die Absorption.
Die Kombination der rauen Grenzflächen mit dem Rückseitenreflektor kann den Lichtweg in der Absorberschicht mehr als 15-fach verlängern und damit etwa 50% mehr Strom in der Solarzelle generieren als eine vergleichbare Solarzelle mit nicht streuenden Grenzflächen.

Light trapping mittels Plasmonik

In metallischen Nanostrukturen aus Edelmetallen kann eine einfallende elektromagnetische Welle (Licht) die Elektronen zur harmonischen Schwingung anregen. Solch resonante Schwingungen in Nanostrukturen werden lokalisierte Plasmonen genannt. Bei geringer Dämpfung können diese Plasmonen, ähnlich wie Antennen, wiederum elektromagnetische Wellen emittieren. Einfallendes Licht wird somit sehr effektiv in große Winkel gestreut. Die spektrale Streueffizienz der Nanostrukturen hängt dabei im Speziellen von der Dispersion des Metalls, des Umgebungsmaterials und von der Form des Partikels ab. Ziel der Forschung zum Light trapping mittels Plasmonik ist es die Ag Nanostrukturen intelligent zu formen und anzuordnen, so dass ein Light trapping in Dünnschicht Silizium Solarzellen erzielt wird, welches mehr Licht in der Solarzelle einfängt, als dies konventionelle Licht trapping Konzepte tun.

Periodische Strukturen, Photonische Kristalle

Amorph/mikrokristalline Tandemsolarzelle Amorph/mikrokristalline Tandemsolarzelle mit photonischem Kristall als Zwischenreflektor. Der Kristall ist aus Zinkoxid mit kugelförmigen Hohlräumen aufgebaut
Quelle: Üpping et al., Adv. Mater. 23, 3896–3900, 2011

Periodische Strukturen, wie z.B. Photonische Kristalle, haben besondere optische Eigenschaften, die in der Dünnschichtsolarzelle genutzt werden können. Photonische Kristalle sind in vielen Bereichen von Interesse, da sie ein gezieltes Justieren der optischen Eigenschaften ermöglichen. Photonische Kristalle sind periodische Anordnungen von Materialien mit verschiedenem Brechungsindex, wodurch der Lichtweg mittels gezielter Beugung und Interferenz beeinflusst wird. Eine für die Dünnschichtphotovoltaik interessante Anwendung ist hierbei der Einsatz als winkel- und wellenlängenselektiver Filter, z.B. innerhalb einer a-Si:H/µc-Si:H-Tandemsolarzelle. In der Tandemsolarzelle fungiert eine photonische Struktur zwischen der a-Si:H-Zelle und der µc-Si:H-Zelle z.B. als Filter, der kurzwelliges Licht reflektiert, um es in der ersten a-Si:H-Zelle zu nutzen, und langwelliges Licht transmittiert, um es der zweiten µc-Si:H-Zelle zur Verfügung zu stellen. Durch die beugende Eigenschaft werden gleichzeitig große Streuwinkel erreicht. Ein optimierter Photonischer Kristall teilt das Sonnenlicht spektral auf und verteil es zwischen den beiden in Serie geschalteten Teilzellen, wodurch sich der Wirkungsgrad der Tandemsolarzelle erhöht.

Photonenkonversion

Die Stromerzeugung der Solarzelle ist spektral begrenzt. Zum Einen ist die Absorption von Silizium im langwelligen (roten, infraroten) Bereich sehr gering, zum Anderen im sehr kurzwelligen (blauen) Bereich sehr groß, sodass die Absorption bereits in der Dotierschicht oder im Frontglas oder im transparenten Kontakt stattfindet. Dies führt dazu, dass das Licht nicht die optisch aktive, intrinsische Schicht erreichen kann und somit nicht in elektrische Energie umgewandelt wird. Um dem entgegen zu wirken, können durch den Einbau von Materialien zur Photonenkonversion das effektive, solare Spektrum modifiziert werden. Hierzu dienen die Elemente der seltenen Erden, die durch mehrstufige Anregungs- oder Abregungsprozesse sowohl ultaviolettes Licht in sichtbares Licht als auch infrarotes Licht in sichtbares Licht umwandeln können. Solche Materialien können an der Front- bzw. Rückseite der Solarzelle integriert werden. Hierdurch kann die Energie sowohl des ultavioletten als auch des infraroten Lichts im eigentlichen Absorber in elektrische Energie umgewandelt werden.


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