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Solar-Report: Zeitwende in der Photovoltaik

von Dr. rer. nat. Jaime Lupaca-Schomber (NTS GmbH)

Keine Sorge, die sybillinisch angehauchte Überschrift ist kein weiterer Abgesang an die Zukunftsfähigkeit der Photovoltaik bzw. des PV-Marktes - Ganz im Gegenteil.

Dieser Artikel wird dem Leser aufzeigen, welche neue innovative Technologie sich am Horizont der PV-Forschung aufgetan hat, die die Fähigkeit hat, das Potenzial der Photovoltaik als globaler Zukunftsträger für die regenerative Energieerzeugung zur Gänze zu erschließen, und dass diese Zukunft näher ist, als die meisten glauben. Das junge Technologie-Unternehmen NTS Nanotechnologysolar hat es sich zur Aufgabe gemacht, genau diesen Schritt in die Zukunft zu gehen.

 

Photonenmanagement

Die technologische Weiterentwicklung bei den Solarzellen zeigt sich in der Steigerung des Wirkungsgrades. Der theoretische Wirkungsgrad für die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom liegt bei ca. 85 Prozent.

Physikalisch lässt sich der Weg der Verstromung der solaren Lichtenergie in zwei Bereiche einteilen: Erstens, das Licht (Photonen) von der Sonne in die Zelle hineinbringen (Input) und zweitens: die Erzeugung angeregter Ladungsträger in der Zelle und ihr Transport aus der Zelle in ein Stromkreis (Output).

Welche Lösung bei der Solarzelle als Industrieprodukt verwendet wird ist natürlich auch eine Frage der Wirtschaftlichkeit bei der Zellenproduktion. Mit anderen Worten, nicht jedes Laborergebnis kann beim Massenprodukt Solarzelle auch umgesetzt werden. Der erste

Bereich wird auch bezeichnet als Photonenmanagement. Hierbei muss man natürlich auch das System Solarmodul mitberücksichtigen. Das hat NTS bei seiner Technologieentwicklung getan. Das Photonenmanagement direkt bei der Solarzelle wird in Fachkreisen auch als Light Trapping (Lichtfallen) beschrieben.  Die untere Skizze veranschaulicht diesen Sachverhalt.

Im Querschnitt ein Solarmodul mit Zelle. Das einfallende Sonnenlicht wird schematisch als gelbe Pfeile dargestellt.
Im Querschnitt ein Solarmodul mit Zelle. Das einfallende Sonnenlicht wird schematisch als gelbe Pfeile dargestellt.

Wie muss eine optimale Lichtfalle aussehen?

Was eine Lichtfalle speziell können muss, hängt natürlich ab von der Art der Zelle, die zur Stromgewinnung genutzt wird.

Wie eine optimale Lichtfalle prinzipiell wirken muss, ist dann auch klar: Unabhängig vom Zellentyp muss das von oben kommende Licht praktisch breitbandig (wellenlängenunabhängig) und verlustfrei in die Zelle einkoppelt (eingestrahlt) werden und das unabhängig vom Einstrahlungswinkel. Sie muss dann, dass nicht absorbierte Restlich in der Zelle solange halten, bis es vollständig in Ladungsträgern umgewandelt ist. Jede Verbesserung des Inputs erhöht somit die Strommenge, die die Solarzelle abgibt und somit ihr Output.

 

Stand der Technik und ihre Grenzen

Die zwei wichtigsten Verfahren, die auf dem PV-Markt genutzt werden, sind Mikrostrukturen (z.B. Pyramiden) und Antireflexionsschichten (AR-Schicht). Aus physikalischen Gründen können diese Strukturen, das Restlicht in der Zelle nicht gut halten. Mit anderen Worten, diese Strukturen können das Licht genauso gut einkoppeln wie sie es auch herauskoppeln. Sie sind in ihrem optischen Verhalten somit symmetrisch, d.h. sie unterscheiden nicht ob das Licht von oben kommt oder von unten aus der Zelle.  

 

NTS-Technologie: optische Antennen als Funktionale Schicht auf Solarzellen

Antennen haben allgemein mehrere interessante Eigenschaften, die sie zu einer optimalen Lichtfalle machen:

1. Antennen können dem elektromagnetischen Feld mehr Energie entziehen als ihr geometrischer Querschnitt ermöglichen würde. Antennen sammeln somit Energie aus ihrer Umgebung.

2. Antennen haben im Resonanzfall keine Abschattungsverluste.

3. Antennen können über einen großen Einfallswinkel die Energie einsammeln.

4. Antennen können ihre Energie räumlich gerichtet wieder abstrahlen (Richtantennen). 

5. Ein gekoppeltes Antennenfeld (Array) zeigt ein breitbandiges Verhalten.

6. Die Antenneneigenschaften können gut über das Antennendesign (Form, Umgebung) bestimmt werden.

Mit dem richtigen Antennendesign können asymmetrische Lichtfallen verwirklicht werden. Die untere Skizze verdeutlicht das Prinzip.

Querschnitt einer Solarzelle
Querschnitt einer Solarzelle

Zwischen den Frontkontakten (grau) befinden sich die optischen Nanoantennen (orange). Das von oben kommende Sonnenlicht (gelb) wird über die Antennen in die Solarzelle abgestrahlt und in der Zelle gehalten durch mehrfache Hin und Her Reflexion zwischen den Antennen und dem Rückkontakt der Zelle.

 

Blick in die Zukunft

Mit einer optimalen Lichtfalle (NTS-Technologie) kann endlich das Potenzial, die in jeder Zellenarchitektur inne liegt voll genutzt werden. Oder anders gesagt, selbst die beste Hochleistungs-Solarzelle kann ihr Potential nicht zur Gänze ausschöpfen ohne eine optimale Lichtfalle. Beide Systeme ergänzen sich somit.

Die industriellen Herstellungsverfahren für diese Technologie gibt es schon. Sie müssen nur intelligent miteinander Verknüpft werden. Das macht NTS mit seinen Partnern.

 

Über die NTS GmbH

Die NTS GmbH ist ein junges Technologieunternehmen am Standort Walldorf in Baden, das es sich zur Aufgabe gemacht hat, technologische Innovationen im Bereich Photovoltaik hervorzubringen und so die Effizienz von Solarzellen nachhaltig zu steigern. Das Unternehmen wird dort unterstützt von der innoWerft, einem Inkubator für junge, innovative Unternehmen mit den Gesellschaftern SAP SE, Stadt Walldorf und Forschungszentrum Informatik (FZI).

 

Quelle: NTS GmbH