Neben der bekannten Anwendung von Solarzellen auf Dächern, lassen sich diese auch für die effiziente Übertragung von Energie mittels Laserlicht nutzen. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat auf der 48. IEEE Photovoltaic Specialists Conference demonstriert, wie sich mittels einer Laserleistungszelle unter monochromatischem Licht ein photovoltaischer Rekordwirkungsgrad von 68,9% erzielen lässt.
Den ForscherInnen des Fraunhofer ISE gelang es nun erstmals mit einer Galliumarsenid-basierten III-V Photovoltaikzelle einen Wirkungsgrad von 68,9 % für Laserlicht mit einer Wellenlänge von 858 nm zu erreichen. Dies ist der höchste Wert, der bislang für die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom erreicht werden konnte. Ermöglicht wurde dies durch eine spezielle Dünnschichttechnologie. Bei dieser werden die Solarzellenschichten auf einem Substrat aus Galliumarsenid aufgebracht, welches später im Bauelement wieder entfernt wird. Zurück bleibt die wenige Mikrometer dünne Halbleiterstruktur, welche anschließend mit einem hoch reflektierenden Rückseitenspiegel versehen wird. Das Team des Fraunhofer ISE untersuchte Dünnschichtzellen mit Rückseitenspiegeln aus verschiedenen Materialien, darunter 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.
Für die Demonstration nutzen die Freiburger ForscherInnen eine sehr dünne Solarzelle aus Galliumarsenid, welche sie mit einem hochreflektierenden und leitfähigen Rückseitenspiegel bestückten. Die Photovoltaikzellen wandeln Licht in elektrische Energie um, indem das Licht in einer Halbleiterstruktur absorbiert und die entstehenden positiven und negativen Ladungen zu zwei Kontakten auf der Vorder- und Rückseite der Zelle geleitet werden. Dieser sogenannte photovoltaische Effekt ist dann besonders effizient, wenn die Energie des einfallenden Lichts knapp oberhalb der sogenannten Bandlückenenergie des Materials liegt. Bei Verwendung eines Lasers als Lichtquelle lässt sich diese immer realisieren und es ist theoretisch möglich sehr hohe Wirkungsgrade zu erzielen.
Diese Art der Energieübertragung nennt sich Power-by-Light Technologie und findet immer neue Anwendungsfelder, bei denen ein Laserstrahl frei durch den Raum geführt oder in eine Glasfaser eingekoppelt wird. Am Ende befindet sich eine Photovoltaikzelle, die spezifisch auf die Leistung und Wellenlänge des Lasers ausgerichtet ist. Derartige Systeme sind von Vorteil, wenn eine galvanisch getrennte Energieversorgung gefordert ist, Aspekte des Blitz- oder Explosionsschutzes relevant sind oder eine komplett drahtlose Energieübertragung benötigt wird. Power-by-Light Technologie zeigt ebenfalls neue Anwendungsfelder von Photovoltaik für die Industrie auf, jenseits der Stromgewinnung. Darunter beispielsweise die Strukturüberwachung von Windkraftanlagen, die optische Versorgung von Implantaten von außerhalb des Körpers sowie die drahtlose Energieversorgung für Anwendungen im Internet der Dinge.
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