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FP7

NANOSPEC — Ergebnis in Kürze

Project ID: 246200
Gefördert unter: FP7-NMP

Aufwärtswandler für effizientere Solarzellen

Photovoltaik-Anlagen (PV) wandeln Photonenenergie aus Sonnenstrahlung in Strom um, viele Photonen jedoch durchlaufen das System ungenutzt. Ein EU-finanziertes Forschungsprojekt will mit neuen Technologien den Wirkungsgrad von Solarzellen (solar cells, SC) verbessern,
Aufwärtswandler für effizientere Solarzellen
d.h. das Verhältnis der maximalen Ausgangs- zur Eingangsleistung, das teilweise durch die Bandlücke der SC-Materialien begrenzt ist. Bei Silizium (Si)-Solarzellen gehen derzeit noch mehr als 20% der Eingangsleistung verloren, was vor allem darauf zurückzuführen ist, dass langwellige Photonen unterhalb des Energieniveaus der SC-Bandlücke die PV-Anlage passieren, ohne absorbiert zu werden.

Das EU-finanzierte Forschungsprojekt NANOSPEC entwickelte eine neue Technologie für den Aufwärtswandler. Sie erzeugt aus zwei oder mehr niedrigenergetischen Photonen, die normalerweise nicht absorbiert werden würden, ein hochenergetisches (innerhalb der Si-Bandlücke liegendes) Photon. Ein weiterer Aufwärtswandler erhöht den theoretischen Wirkungsgrad von einem mit 30% bereits hohen auf einen sagenhaften Wert von 40% für normale (nicht konzentrierte) Sonnenstrahlen.

Das Projekt entwickelte innovative Methoden für drei Bereiche: das für den Aufwärtswandler verwendete Material, das zweite Fluoreszenzmaterial zur Erweiterung des Spektrums und photonische Strukturen zur Umwandlung der Photonen. So wurden eine Reihe von Modellen für theoretische Studien und Simulationen entwickelt, die neue Erkenntnisse zu physikalischen Parametern aller drei Innovationen liefern.

Nach eingehenden Analysen mehrerer Materialien für Aufwärtswandler und Dotierungskombinationen optionierte man für Erbium (Er)-dotiertes Natriumyttriumfluorid (NaYF4 : 25 % Er3+) für die breitbandige Infrarotanregung. Das mikrokristalline Pulver wurde für den Aufwärtswandler in eine transparente Perfluorzyklobutan (PFCB)-Matrix integriert.

Die Forscher untersuchten auch fluoreszente Materialien für die Umwandlung des ungenutzten langwelligen Infrarotlichts, das dann im Absorptionsbereich des Aufwärtswandlers wieder abgegeben wird. Hierfür wurden nanokristalline Halbleiter-Quantenpunkte (NQD) eingesetzt, da sie einen großen Anteil der absorbierten Photonen wieder abgeben, selbst wenn sie in eine PFCB-Matrix eingebettet sind.

Das Team erzeugte spektral-selektive photonische Strukturen, um Photonen und Sonnenstrahlung besser nutzen zu können. Sie sind die Schnittstelle zwischen Sonnenenergie und NQD und Fluoreszenzkonzentratoren und trennen Aufwärtswandler und Fluoreszenzmaterial.

Das Team konstruierte ein komplettes SC-System mit hohem optischen Wirkungsgrad und veröffentlichte die Ergebnisse in mehr als 20 Beiträgen in unabhängigen renommierten Fachzeitschriften. Die Technologie ist eine neue Richtung auf dem PV-Markt, die für viele Sektoren wie etwa medizinische Bildgebung von Interesse ist.

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