Der mit den CO₂-Emissionen fortschreitende Klimawandel erfordert eine nachhaltige Transformation des Energiesektors. Als drittgrößte erneuerbare Energiequelle in Deutschland spielt die Photovoltaik dabei eine Schlüsselrolle. Mehrfachsolarzellen – gestapelte Solarzellen, die unterschiedliche Spektralbereiche des Sonnenlichts absorbieren – ermöglichen es hierbei die Effizienz der Energieumwandlung deutlich über die klassischer Siliziumzellen hinaus zu steigern. Dies fördert einen schnelleren Ausbau der Photovoltaikleistung.
In Mehrfachsolarzellen werden Materialien wie III-V-Halbleiter, Perowskite oder Silizium kombiniert, um verschiedene Wellenlängenbereiche optimal zu nutzen. Um dem Ziel der Ressourceneffizienz gerecht zu werden, ist es essenziell, die Dicke der Absorberschichten zu reduzieren. Dies reduziert jedoch direkt die Lichtausbeute. Um das zu kompensieren, sind gezielte Lichteinfangstrategien erforderlich, die das Licht effizient streuen und den optischen Pfad innerhalb der Zelle verlängern. Bei Mehrfachsolarzellen muss dieser Lichtweg wellenlängenspezifisch in der passenden Teilzelle erhöht werden- man spricht von spektral selektiven Lichtlenkungsstrategien. Zur Umsetzung kommen photonische Strukturen wie Metaoberflächen zum Einsatz. Diese werden gezielt zwischen den Subzellen sowie auf der Vorder- und Rückseite platziert, um das Licht kontrolliert zu streuen und den jeweiligen Teilzellen zuzuführen. Eine präzise spektrale Aufteilung ist hierbei entscheidend, da die Teilzellen elektrisch in Serie geschaltet sind – die Zelle mit dem geringsten Strom bestimmt den Gesamtstrom. Eine ungenaue spektrale Trennung kann die Effizienz der Gesamtzelle erheblich beeinträchtigen. Robuste, spektral selektive Lichtlenkung wird damit zur Schlüsseltechnologie für ultradünner Mehrfachsolarzellen unter realen Einsatzbedingungen.
Im Fokus dieses Promotionsvorhabens steht daher die theoretische Untersuchung des Lichteinfangs in ultradünnen Mehrfachsolarzellen unter realistischen Bedingungen – also bei variierenden Einfallswinkeln, Änderungen im Sonnenspektrum und unterschiedlichen Betriebstemperaturen.
Ziel ist es, eine thermodynamische Grenze für den Lichteinfang und damit für die minimale SubzellenDicke unter Beachtung dieser praxisnahen Bedingungen zu definieren. Zudem sollen Metaoberflächen identifiziert werden, die es ermöglichen, diese Grenze zu erreichen. Dafür wird eine ultradünne Tandemsolarzelle bestehend aus GaInP und GaAs mit verschiedenen photonischen Lichteinfangkonzepten wellenoptisch simuliert.