Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben eine spezielle Solarzelle entwickelt, die auf einem ultradünnen n-i-p-Absorberschichtstapel und einem spektralselektiven Dünnschichtfilter basiert. Damit lassen sich spektral selektive Solarmodule herstellen, die in der Agro-Photovoltaik, in Gewächshäusern und in Bioreaktoren eingesetzt werden können. Das Produkt ist eine verbesserte amorphe Germanium (a-Ge:H)-Solarzelle, die Licht in einem ultradünnen Absorber einfangen kann. Die Wissenschaftler des DLR präsentierten ihre Ergebnisse in der Studie „Spectral engineering of ultra-thin Germanium solar cells for combined photovoltaic and photosynthesis“, die kürzlich im Fachmagazin „Optics Express“ veröffentlicht wurde.
„Aufgrund des starken optischen Einschlusses und des hohen Absorptionskoeffizienten von a-Ge:H kann die Absorberdicke auf circa fünf bis zehn Nanometer* reduziert werden, während immer noch eine Effizienz von fünf Prozent für eine opake Solarzelle erreicht wird“, schreiben die Wissenschaftler. „Wir haben amorphes Germanium anstelle von amorphem Silizium als Absorbermaterial gewählt, weil es einen höheren Absorptionskoeffizienten für Wellenlängen über 500 Nanometer hat.“
Die Technologie stützt sich nur auf die plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung und das Magnetronsputtern, die etablierte, industrieerprobte Methoden der Dünnschichtabscheidung sind, heißt es weiter. „Im Moment bereiten wir ein Projekt vor, in dem die spektralselektiven Solarzellen auf kleine Modulgröße hochskaliert werden“, erklärte DLR-Forscher Norbert Osterthun auf Anfrage pv magazine. „Diese Module werden dann in Gewächshäusern in Almeria und Oldenburg getestet, die die Bedingungen von zwei sehr relevanten Regionen für den Gewächshausanbau in Europa repräsentieren.“
Die spektral selektive Zelle nutzt die sogenannte „grüne Lücke“ und den infraroten Teil des Lichtspektrums, der von Pflanzen nicht für die Photosynthese genutzt wird. „Unsere Zelle absorbiert nur den grünen und infraroten Spektralanteil des Sonnenlichts, während sie blaues und rotes Licht durchlässt, das im Prozess der Photosynthese vom Chlorophyll absorbiert wird“, so Osterthun weiter.
Die Forschungsgruppe baute die Zelle mit einer transparenten, leitfähigen Metall-Oxid-Metall-Oxid (MOMO)-Multischicht auf. „Die Beschaffenheit des MOMOs erlaubt die Doppelnutzung als optischer Filter und als elektrischer Kontakt“, sagte Osterthun. Er merkte an, dass sie auf einem Fabry-Perot-Resonator basiert, der der grundlegendste optische Resonator ist, der für seine Farbfiltereigenschaften bekannt ist. „Die Transmission der spektralselektiven Solarzelle kann leicht an die Anforderungen der Anlagen angepasst werden, indem nur die Schichtdicken des Reflektors verändert werden“, so Osterthun weiter.
Die Zelle weist nach DLR-Angaben einen Wirkungsgrad von 1,6 und 2,3 Prozent auf, wobei die blaue Transmission zwischen 16 und 4 Prozent und die rote Transmission zwischen 48 und 34 Prozent liegt. „Es wurden drei verschiedene Silberdicken im MOMO-Reflektor untersucht, durch die Anpassung der Silberschichtdicke kann das Verhältnis zwischen Licht zur Beleuchtung von Algen oder Pflanzen und zur Fotostromerzeugung verändert werden“, so die Wissenschaftler. „Die Solarzelle zeigt ein großes Potenzial für die Kombination von Photovoltaik mit Photosynthese, um neue Anwendungen von Solarzellen auf Bioreaktoren, Gewächshäusern oder landwirtschaftlichen Flächen zu erreichen.“
Anmerkung der Redaktion: Der Artikel ist am 18.1.2021 korrigiert worden. Die Maßeinheit sind Nanometer, nicht Millimeter. Wir bitten den Fehler zu entschuldigen.
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