Plasmonische Solarzellen: Texturierung steigert Ertrag

Plasmonische Solarzellen versprechen höhere Erträge. Dabei geht es um die Texturierung der Oberfläche der Silizium-Solarzellen. Damit beschäftigt sich ein Forschungsteam an der Universität der City of London. Hintergrund ist, dass der Wirkungsgrad von kristallinem Silizium (c-Si) begrenzt ist. Denn, so die Forschenden, der theoretische maximale Wirkungsgrad liege bei 33 %. Dieser Wert sei zudem als Schockley-Queisser-Grenze (S-Q) bekannt. Seit der Bekanntgabe der S-Q-Grenze haben sich die Forschungsanstrengungen darauf konzentriert, diese Grenze zu überwinden. Beispiele dafür sind Mehrfachsolarzellen, organische Solarzellen und Perowskit.

Hinzu kommt, dass der hohe Brechungsindexkontrast zwischen Luft und Si zu einer starken Fresnel-Reflexion an der Luft-Si-Grenzfläche führt. Eine Methode zur Überwindung der hohen Fresnel-Reflexion (und damit zur Verbesserung der Absorption) ist die Einführung eines Musters aus metallischen Partikeln (d. h. plasmonische Solarzellen) oder eines Texturierungsmusters auf der Oberfläche der Solarzelle.

Mehr Lichtabsorption zu gleichen Kosten

Die Grundidee plasmonischer Solarzellen besteht darin, ein Metallteilchen entweder auf der Oberfläche oder im Inneren des aktiven Materials zu platzieren. Üblicherweise geht es dabei um Partikel im Nanogrößenbereich. Denn ein solches sei kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Daher erfährt das Teilchen ein gleichmäßiges Feld und schwingt, wenn die einfallende Welle es durchläuft, anstatt die einfallende Welle zu reflektieren (bei Resonanzfrequenz).

Infolgedessen steigt die Lichtmenge, die in das Aktivmaterial der Solarzelle eindringt. Diese Leistungssteigerung betrifft nur einen begrenzten Teil des Sonnenspektrums (um die Resonanzfrequenz des Metallpartikels). Der Hauptzweck der Texturierung eines Musters auf der SC-Oberfläche besteht also darin, die Anzahl der Rückstrahlungen des Sonnenlichts auf die SC-Oberfläche zu erhöhen. Dies geschieht aufgrund mehrfacher Lichtreflexionen innerhalb des Bereichs zwischen den Elementen des Musters.

Diese Mehrfachreflexionen erhöhen die Wahrscheinlichkeit der Lichtabsorption. Darüber hinaus können Texturierungsmuster einen zusätzlichen Vorteil bieten. Das übergeordnete Ziel dieses City-Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines neuen, einfachen Texturierungsmusters zur Verbesserung der Absorption von Silizium-Solarzellen über den gesamten Bereich des Sonnenspektrums ohne Erhöhung der Herstellungskosten. Dabei wird die Leistungsverbesserung mehrerer Texturmuster (die sich auf verschiedene Teile des Sonnenspektrums auswirken) und plasmonischer Metallpartikel genutzt und kombiniert, um eine Leistungsverbesserung über einen breiten Wellenlängenbereich zu erreichen.

18.11.2021 | Quelle: Universität City of London | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH