Modulintegration von III-V-Verbindungshalbleiter/Silizium-Tandem-Solarzellen mit drei und vier elektrischen Kontakten

• Antragsteller: Dr. Henning Schulte-Huxel
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329888662

Photovoltaikmodule mit Tandem-Solarzellen wandeln Sonnenlicht deutlich effizienter in elektrische Energie als derzeitige Module. In den letzten Jahren rückten insbesondere siliziumbasierte Tandem-Solarzellen in den Fokus der Forschung, da sie eine kosteneffiziente Implementierung dieser Technologie ermöglichen. Tandem-Solarzellen bestehen aus übereinander gestapelten Einzelzellen. Ihr übers Jahr generierter Energieertrag hängt einerseits von den Eigenschaften und andererseits von der Kontaktierung der Einzelzellen ab. So kann der Energieertrag um bis zu 20% gesteigert werden, wenn die Einzelzellen nicht in Reihe betrieben, sondern separat kontaktiert werden. Letzteres wird durch Tandem-Solarzellen mit drei und vier elektrischen Kontakten ermöglicht. Allerdings fehlen für diese Solarzellen bisher noch adäquate Verschaltungskonzepte. Diese Lücke zu schließen ist Ziel des Forschungsvorhabens.Im ersten Teil des Projektes sollen die Eigenschaften der Einzelzellen unter verschieden Beleuchtungsbedingungen, wie sie im Jahresverlauf auftreten, experimentell und durch Bauteilsimulationen bestimmt werden. Auf Grundlage dieser Ergebnisse soll in optischen und elektrischen Simulationen der Einfluss der Beleuchtungsbedingungen auf die Leistung der Tandemzellen sowie die Anforderungen an ihre Verschaltung mit unterschiedlicher Kontaktanordnung analysiert werden, um die Leistung der Solarzellen und Module zu maximieren.Im zweiten Teil sollen diese Simulationsergebnisse in die Entwicklung von Verschaltungsdesigns für Tandem-Solarzellen mit drei und vier elektrischen Kontakten einfließen. Hierbei ist besonders zu beachten, dass für die meisten Anwendungen Photovoltaikmodule ohne konzentrierende Optik vorteilhaft sind und Silizium-Solarzellen, die die Kontakte für beide Polaritäten auf ihrer Rückseite aufweisen, Sonnenlicht effizienter nutzen. Dies birgt besondere Herausforderungen, da die Verbinder so beschaffen sein müssen, dass sie erstens nur einen geringen Anteil der sonnenbeschienenen Fläche verwenden und zweitens, dass das Kontaktierungsschema sowohl Strom von den beiden Rückkontakten, als auch von ein bis zwei vorderseitigen Kontakten sammeln muss. Dafür wird eine Mehrlagenmetallisierung auf der sonnenabgewandten Seite der Solarzellen implementiert. Ihre Anwendung soll im Anschluss mit Prototypen unter Beweis gestellt werden. Diese Prototypen-Module werden unter unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen charakterisiert, um die Simulationen zu verifizieren und den Vorteil der entwickelten Verschaltung, im Vergleich zu Modulen mit Tandem-Solarzellen, deren Einzelzellen in Reihe geschaltet sind, zu bestimmen.Somit soll dieses Forschungsvorhaben eine Lücke in der aktuellen Forschung und Entwicklung neuer Photovoltaik-Technologien schließen, um einen Beitrag zur Steigerung der Nutzung erneuerbarer Energien zu liefern.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeberin: Dr. Adele Tamboli