Abteilung Solarenergieoptik

Die Abteilung

In der Abteilung Solarenergieoptik (SE-AOPT) arbeiten wir an experimenteller und numerischer Optik in und für Solarzellen. 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 Ansätze, die von „konventioneller“ Strahlenoptik über nanophotonische Konzepte bis hin zur Photonenkonversion reichen.

Unsere Forschung vereint experimentelle Expertise, wie zum Beispiel die Nanoprägelithographie, mit optischen Simulationen. Unsere aktuellen Forschungsthemen sind Lichtmanagement in Perowskit-Solarzellen und Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen, antireflektive Mikrostrukturen, Energieertragsberechnungen und Photonen-Hochkonversion.

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.

Die Abteilung bei der Langen Nacht der Wissenschaften 2022

23.8.2022

Der Artikel Weltrekord auf einem Quadratzentimeter in den HTW Berlin "Campus Stories" berichtet über Abteilungsleiterin Christiane Becker, unsere Arbeiten zu nanotexturierten Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen und wie wir mit Nanotexturen Schokolade zum Schimmern bringen. (Bild: Gisela Hüttinger/HTW Berlin)

Forschungsthemen

• Lichtmanagement in Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen
• Optische Optimierung von bifazialen Solarfeldern
• Photonen-Hochkonversion und optische Sensoren

Lichtmanagement in Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen

Nanotexturierte Perowskit/Silizium-Solarzelle.  Bild: J. Sutter/HZB.

Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen sind ein vielversprechendes Konzept, um das Effizienzlimit von Silizium-Solarzellen, der am weitesten verbreiteten Solarzell-Technologie, zu überschreiten. Tandem-Solarzellen ermöglichen eine effizientere Nutzung des Sonnenspektrums durch Reduktion der spektralen Verluste.

Durch Lichtmanagement werden optische Reflexions- und Transmissionsverluste in Solarzellen minimiert. Um dies zu erreichen, implementieren wir in den Solarzellen ein- bis dreidimensionale photonische Nano- und/oder Mikrostrukturen, die speziell auf die jeweilige Solarzellen-Architektur zugeschnitten sind. Außerdem berücksichtigen wir immer den Einfluss der optischen Strukturen auf die elektronischen Materialeigenschaften sowie die Grenzflächen.

In Zusammenarbeit mit Steve Albrechts Abteilung Perowskit Tandemsolarzellen und der Silizium-Solarzellen-Gruppe am PVcomB unter der Leitung von Bernd Stannowski ist es uns gelungen, Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von 29,8 % zu bauen. Damit hielten wir zwischen November 2021 und Juli 2022 den Weltrekord für diese Technologie. Seit Juli 2022 ist ein Team von der EPFL Weltrekordhalter – mit einem Wirkungsgrad von 31,3 %.

Wichtige Publikationen

• Tockhorn, P.; Sutter, J.; Cruz, A.; Wagner, P.; Jäger, K.; Yoo, D.; Lang, F.; Grischek, M.; Li, B.; Li, J.; Shargaieva, O.; Unger, E.; Al-Ashouri, A.; Köhnen, E.; Stolterfoht, M.; Neher, D.; Schlatmann, R.; Rech, B.; Stannowski, B.; Albrecht, S.; Becker, C.: Nano-optical designs for high-efficiency monolithic perovskite–silicon tandem solar cells. Nature Nanotechnology early view (2022)
  doi: 10.1038/s41565-022-01228-8; Data-doi: 10.5442/ND000009
  
  
• 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.
  Open Access (external provider)
  
  
• 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.
  Open Access (external provider)

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

• Tillmann, P.; Jäger, K.; Karsenti, A.; Kreinin, L.; Becker, C.: Model-Chain Validation for Estimating the Energy Yield of Bifacial Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells. Solar RRL 6 (2022), p. 2200079/1-12
  doi: 10.1002/solr.202200079
  Open Access
  
  
• 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

• Ahiboz, D.; Andresen, E.; Manley, P.; Resch-Genger, U.; Würth, C.; Becker, C.: Metasurface-Enhanced Photon Upconversion upon 1550 nm Excitation. Advanced Optical Materials 9 (2021), p. 2101285/1-9.
  doi: 10.1002/adom.202101285.
  Open Access
  
  
• 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.
  Open Access