29.06.2021

Energietransport via Laser und Solarzelle

68,9 Prozent Wirkungsgrad für GaAs-Dünnschichtzelle unter Laserlicht.

Neben der klas­sischen Anwendung auf Dächern und Freiflächen, können Solarzellen auch für eine effiziente Energie­übertragung mit Laserlicht genutzt werden. Nun demons­trierten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Solare Energie­systeme ISE in Freiburg, wie sie mit einer Laser­leistungszelle unter mono­chromatischem Licht einen photo­voltaischen Rekordwirkungsgrad von 68,9 Prozent erzielen. Hierfür nutzte das Forscherteam eine sehr dünne Solarzelle aus Gallium­arsenid, die sie mit einem hoch­reflektierenden, leitfähigen Rückseiten­spiegel versahen.

Abb.: Diese Dünnschicht­zelle auf Basis von Gallium­arsenid erreicht unter...
Abb.: Diese Dünnschicht­zelle auf Basis von Gallium­arsenid erreicht unter mono­chromatischem Licht einen Wirkungs­grad von 68,9 Prozent. (Bild: H. Helmers, Fh.-ISE)

Der photo­voltaische Effekt ist besonders effizient, wenn die Energie des einfallenden Lichts knapp oberhalb der Bandlücken­­energie des Materials liegt. Verwendet man einen Laser als Lichtquelle, so kann dies mit einem geeigneten Material immer erfüllt werden und sehr hohe Wirkungs­grade sind theoretisch möglich. Für diese neue Form der Energie­übertragung, die auch als Power-by-Light Technologie bezeichnet wird – entstehen immer mehr Anwendungen, bei denen der Laser­strahl frei durch den Raum geführt oder in eine Glasfaser einge­koppelt wird. Am Ende befindet sich immer eine Photovoltaik­zelle, die spezifisch auf die Leistung und Wellenlänge des Lasers angepasst ist. Solche Power-by-Light Systeme bieten Vorteile gegenüber einer konventionel­len Energie­übertragung mit Kupfer­kabel, beispielsweise wenn die Anwendung eine galvanisch getrennte Energie­versorgung erfordert, Blitz- oder Explosionsschutz­aspekte relevant sind, elektro­magnetische Verträg­lichkeit eine Rolle spielt oder eine komplett drahtlose Energie­übertragung benötigt wird.

Den Forschern ist es nun gelungen, mit einer Gallium­arsenid-basierten III-V Photo­voltaikzelle den hohen Wirkungsgrad für Laserlicht mit einer Wellenlänge von 858 Nanometer zu demons­trieren. Dies ist der höchste Wert, der jemals für die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom erreicht wurde. Möglich wurde dies durch eine spezielle Dünnschicht­technologie, bei welcher die Solarzellenschichten zunächst auf einem Substrat aus Galliumarsenid aufge­wachsen werden, das aller­dings später im Bauelement wieder entfernt wird. Zurück bleibt die wenige Mikrometer dünne Halbleiter­struktur, die anschließend mit einem hoch reflek­tierenden Rückseiten­spiegel versehen wird.

„Dies verschafft der Zelle zwei Vorteile“, sagt Henning Helmers, Leiter des Forschungs­teams. „Erstens werden Photonen in der Zelle eingefangen und die Absorption für Photonen­energien nahe der Bandlücke maximiert, so dass Therma­lisierungs- und Transmissions­verluste zugleich minimiert werden. Zweitens werden durch strahlende Rekombi­nation im Absorber neu erzeugte Photonen durch den Spiegel im Absorber eingefangen und genutzt. So wird durch Verlängerung der effektiven Ladungs­trägerlebens­dauer zusätzlich die Spannung erhöht.“ Die Forschungs­gruppe untersuchte Dünnschicht­zellen mit Rückseiten­spiegeln aus Gold sowie einer optisch vorteil­haften Kombination aus Keramik und Silber, wobei letztere die besten Ergebnisse erzielte. Für die Absorber wurde eine n-GaAs/p-AlGaAs Hetero­struktur entwickelt, die besonders geringe Verluste an Ladungs­trägern durch Rekom­bination erreicht.

„Das ist ein beein­druckendes Ergebnis, das zeigt, welches Potenzial in der Photov­oltaik auch für indus­trielle Anwendungen jenseits der Solarstromg­ewinnung steckt“, freut sich Instituts­leiter Andreas Bett. Beispiele für die vielfältigen Anwendungen optischer Leistungs­übertragung sind die Struktur­überwachung von Windkraft­anlagen, die Überwachung von Hochspannungs­leitungen, Treibstoff­sensorik in Flugzeugtanks oder die optische Versorgung von Implan­taten von außerhalb des Körpers, die Überwachung passiver optischer Netzwerke, oder die drahtlose Energie­versorgung für Anwendungen im Internet der Dinge.

Fh.-ISE / JOL

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