Winkelselektive photonische Strukturen f\u00fcr Solarzellen<\/p>\n
Der Wirkungsgrad normaler Einfachsolarzellen n\u00e4herte sich in den letzten Jahren immer weiter seinem thermodynamischen Limit \u0096 dem Shockley-Queisser-Limit \u0096 an. Besonders bei Solarzellen aus direkten Halbleitern mit hoher strahlender Effizienz, wie z.B. Galliumarsenid (GaAs), ist der Abstand zum absoluten Limit gering. Eine weitere Steigerung der Effizienz dieser Systeme ist somit ohne eine Ver\u00e4nderung des thermodynamischen Gesamtsystems nur in geringem Umfang m\u00f6glich. Besonders interessant ist demnach die Frage, ob das Shockley-Queisser-Limit f\u00fcr Einfachsolarzellen, deren einziger Verlustmechanismus strahlende Rekombination darstellt, ein absolutes thermodynamisches Limit darstellt. Licht f\u00e4llt auf ein solches System in einem sehr schmalen Winkelbereich, dem Sonnenwinkel von 0,267\u00b0 ein. Licht, das durch strahlende Rekombination emittiert wird, kann dagegen aber in den gesamten externen Raum abgestrahlt werden. Durch diese Diskrepanz der beiden Winkelr\u00e4ume entsteht Entropie durch eine Etendu\u00e9expansion der emittierten Strahlung. Diese kann man verringern, indem man die beiden Winkel angleicht, was durch eine Vergr\u00f6\u00dferung des Einfalls-, durch eine Einschr\u00e4nkung des Emissionswinkels, oder durch eine Kombination beider Wege realisiert werden kann. Durch eine perfekte Angleichung der Winkel kann demnach die Erzeugung von Entropie durch Etendu\u00e9expansion vollst\u00e4ndig verhindert und damit die maximal m\u00f6gliche Effizienz stark gesteigert werden. In einem solchen, rein strahlend limitierten System sind die beiden Wege \u0096 Winkeleinschr\u00e4nkung und Konzentration \u0096 thermodynamisch \u00e4quivalent. Konzentrierende Systeme werden bereits industriell realisiert. Die Arbeit konzentriert sich folglich vor allem auf die Realisierung winkelselektiver
Elemente zur Effizienzsteigerung. Um das Potential f\u00fcr reale Solarzellen absch\u00e4tzen zu k\u00f6nnen, wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene idealisierte und realistische Systeme untersucht und Beispielsysteme realisiert. Ausgangspunkt daf\u00fcr sind bereits realisierte Solarzellen, sodass die wesentliche
Aufgabe im Design von geeigneten winkelselektiven Elementen und deren Potentialabsch\u00e4tzungliegt.
Mit Hilfe neuer Simulationsmethoden konnte gezeigt werden, dass winkelselektive Filter in hocheffizienten GaAs-Solarzellen eine Steigerung der Effizienz versprechen. Es zeigte sich au\u00dferdem, dass diese Effizienzsteigerung unter Konzentration unter Umst\u00e4nden sogar noch vergr\u00f6\u00dfert werden kann, da sich die strahlende Effizienz des Systems unter Konzentration vergr\u00f6\u00dfern kann. Die Kombination eines winkelselektiven Elements und eines Konzentrators macht demnach allein aus diesem Grund Sinn. Experimentell konnte eine Erh\u00f6hung der Leerlaufspannung um 1,7mV durch einen winkelselektiven Filter an einer GaAs-Solarzelle gezeigt werden und somit konnte das Konzept auch experimentell best\u00e4tigt werden.
F\u00fcr eine sp\u00e4tere Anwendung ist das Konzept vor allem in Verbindung mit hocheffizienten Mehrfachsolarzellen interessant, da hier direkte Halbleiter verwendet werden, und die Systeme typischerweise unter Konzentration arbeiten. Au\u00dferdem werden mit diesen Systemen aktuell die h\u00f6chsten Wirkungsgrade erreicht. F\u00fcr einen erfolgreichen Einsatz m\u00fcssen die Filter an die Anforderungen in Mehrfachsolarzellen angepasst werden. Im Modell m\u00fcssen dann auch Umverteilungseffekte durch strahlende Rekombination in der einen und Reabsorption in einer anderen Teil-Solarzelle ber\u00fccksichtigt werden. Dies ist
mit den in der Arbeit entwickelten Methoden prinzipiell m\u00f6glich und wird aktuell genauer untersucht.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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