Photovoltaikzellen wandeln Licht in elektrischen Strom. Hierzu wird das Licht in einer Halbleiterstruktur, zum Beispiel aus Galliumarsenid, absorbiert, und die entstehenden positiven und negativen Ladungen werden zu zwei Kontakten auf der Vorder- und Rückseite der Zelle geleitet. Dieser photovoltaische Effekt ist besonders effizient, wenn die Energie des einfallenden Lichts knapp oberhalb der sogenannten Bandlückenenergie des Materials liegt.
Verwendet man einen Laser als Lichtquelle, so kann dies mit einem geeigneten Material immer erfüllt werden und sehr hohe Wirkungsgrade sind theoretisch möglich. Für diese neue Form der Energieübertragung, die auch als Power-by-Light Technologie bezeichnet wird, entstehen immer mehr Anwendungen, bei denen der Laserstrahl frei durch den Raum geführt oder in eine Glasfaser eingekoppelt wird. Am Ende befindet sich immer eine Photovoltaikzelle, die spezifisch auf die Leistung und Wellenlänge des Lasers angepasst ist.
Rekord: Ein Wirkungsgrad von 68,9 Prozent
Solche Power-by-Light Systeme bieten Vorteile gegenüber einer konventionellen Energieübertragung mit Kupferkabel, beispielsweise wenn die Anwendung eine galvanisch getrennte Energieversorgung erfordert, Blitz- oder Explosionsschutzaspekte relevant sind, elektromagnetische Verträglichkeit eine Rolle spielt oder eine komplett drahtlose Energieübertragung benötigt wird.
Den Forscherinnen und Forschern des Fraunhofer ISE ist es nun gelungen, mit einer Galliumarsenid-basierten III-V Photovoltaikzelle erstmals einen Wirkungsgrad von 68,9 Prozent für Laserlicht mit einer Wellenlänge von 858 Nanometer zu demonstrieren. Dies ist der höchste Wert, der jemals für die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom erreicht wurde.
Mikrometer dünne Halbleiterstruktur
Möglich wurde dies durch eine spezielle Dünnschichttechnologie, bei welcher die Solarzellenschichten zunächst auf einem Substrat aus Galliumarsenid aufgewachsen werden, das allerdings später im Bauelement wieder entfernt wird. Zurück bleibt die wenige Mikrometer dünne Halbleiterstruktur, die anschließend mit einem hoch reflektierenden Rückseitenspiegel versehen wird.
Die Forschungsgruppe untersuchte Dünnschichtzellen mit Rückseitenspiegeln aus 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. (nhp)
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