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Solarenergieoptik

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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). 

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 – hauptsächlich 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

Skizze einer texturierten Perowskit/Silizium Tandemsolarzelle

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 zu überschreiten, der am weitesten verbreiteten Solarzell-Technologie. 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 Solarzell-Architektur und deren Wellenlängenbereich zugeschnitten sind. Außerdem wird immer der Einfluss der optischen Strukturen auf die elektronischen Materialeigenschaften sowie die Grenzflächen berücksichtigt.

In diesem Thema arbeiten wir eng mit Steve Albrechts Nachwuchsgruppe Perowskit Tandemsolarzellen zusammen.

Wichtige Publikationen


Optische Optimierung von bifazialen Solarfeldern

Solarzaun mit bifazialen Photovoltaikmodulen

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 nicht nur Licht auf die Vorderseite, sondern auch die Beleuchtung auf der Rückseite nutzen.

Bifaziale Solarzellen ermöglichen es, die Ausgangsleistung von PV-Anlagen mit geringen Zusatzkosten zu steigern und sind daher auf dem besten Weg, den PV-Markt bald zu dominieren. 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 moderner Algorithmen zur rechnergestützten Optimierung.

Key publications


Photonen-Hochkonversion und optische Sensoren

Feldmode an einem photonischen Kristall mit Quantenpunkten

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 bei herkömmlichen Silizium-Solarzellen typischerweise brach liegen. 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. Dieser Effekt kann für zahlreiche Anwendungen genutzt werden, die auf photonischer Hoch- und Abwärtskonversion basieren, wie z. B. Solarenergie und optische Sensorik.

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