Die Abteilung
In der Abteilung Solarenergieoptik (SE-AOPT) arbeiten wir an experimenteller und numerischer Optik in und für Solarzellen. Derzeit ist die Abteilung unter anderem Mitglied des Helmholtz Innovation Lab HySPRINT, nimmt an der Helmholtz Einstein Berlin Research School in Data Science (HEiBRiDS) teil und ist führendes Mitglied des Berlin Joint Lab for Optical Simulations for Energy Research (BerOSE) zwischen dem HZB, dem Zuse-Insitut Berlin (ZIB) und der Freien Universität Berlin. Des weiteren koordiniert die Abteilung das Helmholtz Exzellenznetzwerk SolarMath, eine strategische Zusammenarbeit zwischen dem DFG Excellenzcluster MATH+ and dem Helmholtz-Zentrum Berlin.
Die Abteilung ging aus Christiane Beckers Nachwuchsgruppe “Nanostructured SIlicon for Photovoltaic and Photonic ImplEmentations” (Nano-SIPPE) hervor, welche vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Programm NanoMatFutur (No. 03X5520) gefördert wurde (12/2012 – 11/2018).
6. Oktober 2021: Third European Workshop on Optics for Solar Energy
The Third European Workshop on Optics for Solar Energy will review current trends and recent developments in the field of optics and nanophotonics for solar energy conversion devices. The workshop covers various topics such as (nano-)optical light management for single-junction and tandem solar cells and solar fuel devices, photon up- and down conversion, optical modelling of mono- and bifacial solar modules and energy yield calculations.
Aktuelle Forschungsthemen
Aus optischer Sicht ist die Sonne eine herausfordernde Energiequelle: Solarzellen müssen für einen breiten Spektralbereich und auf eine Lichtquelle optimiert werden, bei der sich im Laufe des Tages und des Jahres die Beleuchtungsrichtung und die Anteile an direkter und diffuser Einstrahlung ändern. Dies erfordert fortschrittliche optische Konzepte, die von „konventioneller“ Strahlenoptik über nanophotonische Konzepte bis hin zur Photonenkonversion reichen.
Unsere Forschung vereint experimentelles Fachwissen, wie zum Beispiel die Nanoprägelithographie, mit optischen Simulationen. Im Folgenden finden Sie eine Zusammenfassung von drei aktuellen Forschungsthemen, in denen wir an diesen Herausforderungen arbeiten.
Lichtmanagement in Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen
Schema einer texturierten Perowskit/Silizium-Solarzelle. Bild: K. Jäger / HZB.
Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen gelten als vielversprechendes und realistisches Konzept, um das Effizienzlimit von Silizium-Solarzellen, der am weitesten verbreiteten Solarzell-Technologie, zu überschreiten. Tandem-Solarzellen ermöglichen eine effizientere Ausnutzung des Sonnenspektrums durch Reduktion der spektralen Verluste.
Lichtmanagement zielt darauf ab, optische Reflexions- und Transmissionsverluste in Solarzellen zu minimieren. Um dies zu erreichen, implementieren wir in den Solarzellen ein- bis dreidimensionale photonische Nano- und/oder Mikrostrukturen, die speziell auf die jeweilige Solarzellen-Architektur und deren Wellenlängenbereich zugeschnitten sind. Außerdem wird immer der Einfluss der optischen Strukturen auf die elektronischen Materialeigenschaften sowie die Grenzflächen berücksichtigt.
In diesem Forschungsbereich kooperieren wir eng Steve Albrechts Nachwuchsgruppe Perowskit Tandemsolarzellen.
Wichtige Publikationen
- Sutter, J.; Eisenhauer, D.; Wagner, P.; Morales Vilches, A.B.; Rech, B.; Stannowski, B.; Becker, C.: Tailored Nanostructures for Light Management in Silicon Heterojunction Solar Cells. Solar RRL 4 (2020), p. 2000484/1-8. doi:10.1002/solr.202000484
- Tockhorn, P.; Sutter, J.; Colom, R.; Kegelmann, L.; Al-Ashouri, A.; Roß, M.; Jäger, K.; Unold, T.; Burger, S.; Albrecht, S.; Becker, C.: Improved Quantum Efficiency by Advanced Light Management in Nanotextured Solution-Processed Perovskite Solar Cells. ACS Photonics 7 (2020), p. 2589–2600. doi:10.1021/acsphotonics.0c00935
Optische Optimierung von bifazialen Solarfeldern
Bifaziale Solarmodule, die als Solarzaun installiert wurden. Bild: K. Jäger / HZB.
Photovoltaiksysteme, die aus bifazialen Solarmodulen bestehen, können einen deutlich höheren Energieertrag erzielen als Systeme mit herkömmlichen monofazialen Solarmodulen, da bifaziale Solarmodule das einfallende Licht nicht nur auf die Vorderseite, sondern auch auf der Rückseite nutzen.
Bifaziale Solarzellen ermöglichen es, die Ausgangsleistung von PV-Anlagen mit geringen oder ohne Zusatzkosten zu steigern. In unserer Abteilung arbeiten wir an der optischen Optimierung von bifazialen Solarmodulen und damit an einer weiteren Senkung der Stromkosten (LCOE). Um dies zu erreichen, kombinieren wir fortschrittliche optische Simulationsmodelle mit globalen Daten zur Sonneneinstrahlung unter Verwendung von Algorithmen zur rechnergestützten Optimierung.
Wichtige Publikationen
- Jäger, K.; Tillmann, P.; Katz, E.A.; Becker, C.: Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells: Effect of Luminescent Coupling and Bifaciality. Solar RRL 5 (2021), p. 2000628/1-9. doi:10.1002/solr.202000628
- Tillmann, P.; Jäger, K.; Becker, C.: Minimising the levelised cost of electricity for bifacial solar panel arrays using Bayesian optimisation. Sustainable Energy & Fuels 4 (2020), p. 254-264. doi:10.1039/c9se00750d
Photonen-Hochkonversion und optische Sensoren
3D-Darstellung einer elektrischen Feldmode um einen photonischen Kristall. Bei genauerer Betrachtung sieht man eine zufällige Verteilung von Quantenpunkten (helle kleine Kugeln), die weißes Licht mit einer Intensität emittieren, die proportional zur Feldenergiedichte an ihren spezifischen Positionen ist. Bild: C. Barth / HZB [Communications Physics 1, 58 (2018)]
Durch Hochkonversion von Photonen können Anteile des Sonnenspektrums im nahen Infrarot genutzt werden, die von Silizium eigentlich nicht absorbiert werden können. Solche spektralen Umwandlungsprozesse erfordern jedoch große Anregungs-Leistungsdichten, die bei der Einstrahlungsstärke von normalem Sonnenlicht kaum erreicht werden können.
Photonische Nanostrukturen zeigen eine extrem starke Nahfeldverstärkung, die photonische Hochkonversion bei geringer Lichtintensität ermöglicht. In der Abteilung Optik für Solarenergie wollen wir die Lichtausbeute von Emittern erhöhen, indem wir die lokale Dichte photonischer Zustände nahe der Oberfläche oder innerhalb der photonischen Nanostruktur optimieren. Diese Effekte photonischer Hoch- und Abwärtskonversion können potentiell für zahlreiche Anwendungen, wie z. B. Solarenergie und optische Sensorik, genutzt werden.
Wichtige Publikationen
- Würth, C.; Manley, P.; Voigt, R.; Ahiboz, D.; Becker, C.; Resch-Genger, U.: Metasurface enhanced sensitized photon upconversion: towards highly efficient low power upconversion applications and nano-scale E-field sensors. Nano Letters 20 (2020), p. 6682–6689. doi:10.1021/acs.nanolett.0c02548
- Barth, C.; Becker, C.: Machine learning classification for field distributions of photonic modes. Communications Physics 1 (2018), p. 58/1-11. doi:10.1038/s42005-018-0060-1