Abteilung Solarenergieoptik

Die Abteilung

In der Abteilung Solarenergieoptik (SE-AOPT) arbeiten wir an experimenteller und numerischer Optik in und für Solarzellen. Aus optischer Sicht ist die Sonne eine herausfordernde Energiequelle: Solarzellen müssen für einen breiten Spektralbereich und auf eine Lichtquelle optimiert werden, bei der sich im Laufe des Tages und des Jahres die Beleuchtungsrichtung und die Anteile an direkter und diffuser Einstrahlung ändern. Dies erfordert fortschrittliche optische Ansätze, die von „konventioneller“ Strahlenoptik über nanophotonische Konzepte bis hin zur Photonenkonversion reichen.

Unsere Forschung vereint experimentelle Expertise, wie zum Beispiel die Nanoprägelithographie, mit optischen Simulationen. Unsere aktuellen Forschungsthemen sind Lichtmanagement in Perowskit-Solarzellen und Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen, antireflektive Mikrostrukturen und Energieertragsberechnungen.

Derzeit ist die Abteilung unter anderem Mitglied des HySPRINT Photovoltaic Lab, nimmt an der Helmholtz Einstein Berlin Research School in Data Science (HEiBRiDS) teil und ist führendes Mitglied des Berlin Joint Lab for Optical Simulations for Energy Research (BerOSE) zwischen dem HZB, dem Zuse-Insitut Berlin (ZIB) und der Freien Universität Berlin.

Welche Rolle spielt Optik bei der weiteren Entwicklung von Solarenergie?

31.03.2025

Abteilungsleiterin Prof. Dr. Christiane Becker und stellv. Abteilungsleiter Dr. Klaus Jäger haben 27 Experten aus neun Ländern zusammengebracht, um diese Frage in einem großen Reviewbericht zu erörtern. Sie behandelten folgende Themenblöcke:

• Ecodesign – Verwendung optischer Materialien aus häufig vorkommenden Elementen 🌍
• Lumineszenz für eine weitere Steigerung der Effizienz ✨
• Lichtmanagement in Stapelsolarzellen 🌈
• Konversion des Sonnenspektrums 🌞
• Thermisches Management von Photovoltaik-Modulen 🌡️
• Präzise Energieertrags-Vorhersage 📈
• Farbe und Ästhetik von PV-Modulen 🎨

Der Review ist in Advances in Optics and Photonics erschienen und auch als Preprint lesbar. Unsere Kollegin Dr. Antonia Rötger hat eine Zusammenfassung geschrieben.

 

Forschungsthemen

• Lichtmanagement in Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen
• Optische Optimierung von bifazialen Solarfeldern
• Flexible Perowskitsolarzellen
• Mehrschichtige Farbfilter auf Dünnfilmbasis für Perowskitsolarzellen
• Simulation von optischen Texturen und Mehrschichtstapeln
• Simulation der Strahlungsrekombination

Lichtmanagement in Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen

Nanotexturierte Perowskit/Silizium-Solarzelle.  Bild: J. Sutter/HZB.

Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen sind ein vielversprechendes Konzept, um das Effizienzlimit von Silizium-Solarzellen, der am weitesten verbreiteten Solarzell-Technologie, zu überschreiten. Tandem-Solarzellen ermöglichen eine effizientere Nutzung des Sonnenspektrums durch Reduktion der spektralen Verluste.

Durch Lichtmanagement werden optische Reflexions- und Transmissionsverluste in Solarzellen minimiert. Um dies zu erreichen, implementieren wir in den Solarzellen ein- bis dreidimensionale photonische Nano- und/oder Mikrostrukturen, die speziell auf die jeweilige Solarzellen-Architektur zugeschnitten sind. Außerdem berücksichtigen wir immer den Einfluss der optischen Strukturen auf die elektronischen Materialeigenschaften sowie die Grenzflächen.

In Zusammenarbeit mit Steve Albrechts Abteilung Perowskit Tandemsolarzellen und der Silizium-Solarzellen-Gruppe am PVcomB unter der Leitung von Bernd Stannowski ist es uns gelungen, Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von 29,8 % zu bauen. Damit hielten wir zwischen November 2021 und Juli 2022 den Weltrekord für diese Technologie.

Wichtige Publikationen

• Tockhorn, P.; Sutter, J.; Cruz, A.; Wagner, P.; Jäger, K.; Yoo, D.; Lang, F.; Grischek, M.; Li, B.; Li, J.; Shargaieva, O.; Unger, E.; Al-Ashouri, A.; Köhnen, E.; Stolterfoht, M.; Neher, D.; Schlatmann, R.; Rech, B.; Stannowski, B.; Albrecht, S.; Becker, C.: Nano-optical designs for high-efficiency monolithic perovskite–silicon tandem solar cells. Nature Nanotechnology early view (2022)
  doi: 10.1038/s41565-022-01228-8; Data-doi: 10.5442/ND000009
  
  
• Sutter, J.; Eisenhauer, D.; Wagner, P.; Morales Vilches, A.B.; Rech, B.; Stannowski, B.; Becker, C.: Tailored Nanostructures for Light Management in Silicon Heterojunction Solar Cells. Solar RRL 4 (2020), p. 2000484/1-8.
  doi:10.1002/solr.202000484.
  Open Access (external provider)
  
  
• Tockhorn, P.; Sutter, J.; Colom, R.; Kegelmann, L.; Al-Ashouri, A.; Roß, M.; Jäger, K.; Unold, T.; Burger, S.; Albrecht, S.; Becker, C.: Improved Quantum Efficiency by Advanced Light Management in Nanotextured Solution-Processed Perovskite Solar Cells. ACS Photonics 7 (2020), p. 2589–2600.
  doi:10.1021/acsphotonics.0c00935.
  Open Access (external provider)

Optische Optimierung von bifazialen Solarfeldern

Bifaziale Solarmodule, die als Solarzaun installiert wurden. Bild: K. Jäger/HZB.

Photovoltaiksysteme, die aus bifazialen Solarmodulen bestehen, können einen deutlich höheren Energieertrag erzielen als Systeme mit herkömmlichen monofazialen Solarmodulen, da bifaziale Solarmodule das einfallende Licht nicht nur auf die Vorderseite, sondern auch auf der Rückseite nutzen.

Bifaziale Solarzellen ermöglichen es, die Ausgangsleistung von PV-Anlagen mit geringen oder ohne Zusatzkosten zu steigern. In unserer Abteilung arbeiten wir an der optischen Optimierung von bifazialen Solarmodulen und damit an einer weiteren Senkung der Stromkosten (LCOE). Um dies zu erreichen, kombinieren wir fortschrittliche optische Simulationsmodelle mit globalen Daten zur Sonneneinstrahlung unter Verwendung von Algorithmen zur rechnergestützten Optimierung.

Wichtige Publikationen

• Tillmann, P.; Jäger, K.; Karsenti, A.; Kreinin, L.; Becker, C.: Model-Chain Validation for Estimating the Energy Yield of Bifacial Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells. Solar RRL 6 (2022), p. 2200079/1-12
  doi: 10.1002/solr.202200079
  Open Access
  
  
• Jäger, K.; Tillmann, P.; Katz, E.A.; Becker, C.: Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells: Effect of Luminescent Coupling and Bifaciality. Solar RRL 5 (2021), p. 2000628/1-9.
  doi:10.1002/solr.202000628
  
  
• Tillmann, P.; Jäger, K.; Becker, C.: Minimising the levelised cost of electricity for bifacial solar panel arrays using Bayesian optimisation. Sustainable Energy & Fuels 4 (2020), p. 254-264.
  doi:10.1039/c9se00750d
  
  

Flexible Perowskitsolarzellen

3D-Simulationen, die zeigen, wie Texturen die Stressbelastung des Substrats beim Biegen verringern können.

Die Herstellung von Solarzellen auf flexiblen Substraten erweitert das Anwendungspotenzial der Photovoltaik. Die als flexible Substrate verwendeten Materialien und die Biegung der Solarzellen beim Aufbringen können deren Effizienz im Vergleich zu starren Zellen, die auf hartem und hochtransparentem Glas hergestellt werden, einschränken. Die Anwendung optimierter Texturen kann dazu beitragen, die Effizienzverluste zu minimieren, indem beispielsweise die Lichtabsorption auf dem Perowskitfilm erhöht oder die Stressbelastung auf den Zellmaterialien verringert wird. Darüber hinaus bietet die breite Palette an Materialien, die als flexible Substrate verwendet werden können, verschiedene Möglichkeiten für die Herstellung solcher Texturen.
In unserer Gruppe untersuchen wir die Auswirkungen der Verwendung texturierter flexibler Substrate auf die Verarbeitung und Leistung von Solarzellen, indem wir verschiedene Texturen auf unterschiedlichen Arten von flexiblen Materialien herstellen und charakterisieren. Die experimentelle Forschung in Kombination mit fortgeschrittenen Simulationen zielt auch darauf ab, die flexiblen Solarzellen entsprechend ihrer Anwendung und Stapelstruktur zu optimieren.

Wichtige Publikationen

Rieckhoff, S., Riesebeck, F., Soldera, M., Mayer‐Stillrich, K., Wang, Q., Ruske, F., Lasagni, A.F. and Becker, C., Texture‐Enhanced Mechanical Stability of Transparent Electrodes for Flexible Optoelectronics with Near‐Infrared Response. Advanced Materials Interfaces, p.2400922. doi: 10.1002/admi.202400922

Projekte

Flexible, leichtgewichtige Multi-Junction-Solarzellen und -Module mit verbesserter Leistung für eine effiziente Lichterzeugung in Weltraumanwendungen 

Mehrschichtige Farbfilter auf Dünnfilmbasis für Perowskitsolarzellen

Abbildung Farbdarstellung für Perowskit (PERO), Morphocolor-Farbfilter auf einem Absorber (MORPHO), Morphocolor auf einer Perowskit-Solarzelle (PEROMORPHO) und ein optimierter Farbfilter auf der Grundlage von Morphocolor auf einer Perowskit-Solarzelle (PEROMORPHO optimized). Der optimierte Farbfilter hat einen geringeren Farbabstand zum Ziel MORPHO im Vergleich zum PEROMORPHO Fall. Darüber hinaus ist der Verlust für PEROMORPHO optimized im Vergleich zu PEROMORPHO geringer.

Bei gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV) spielt neben der Effizienz der Module auch die Ästhetik eine entscheidende Rolle. Um eine optimale Optik zu erreichen, werden hocheffiziente Interferenzfilter, auch Farbfilter genannt, eingesetzt. Diese Filter ermöglichen lebendige, individuelle Farbeindrücke bei gleichzeitiger Minimierung der Energieverluste (~6%). Fortschrittliche Optimierungstechniken, einschließlich Bayes'scher Optimierung und moderner KI-Methoden wie Generative Pre-trained Transformer (GPT)-Modelle, werden eingesetzt, um eine lebendige Farbästhetik bei gleichzeitig hoher photovoltaischer Effizienz zu erzielen. Mit unseren Kooperationspartnern von Computational Nanooptics am Zuse-Institut Berlin, JCMwave und MATH+ liefern wir Designs für farbige und effiziente Solarzellen.

Wichtige Publikation

Simulation von optischen Texturen und Mehrschichtstapeln

Abbildung Ein Beispiel für einen Stapel, der in den Simulationen verwendet wird. Der Stapel enthält eine perfekt angepasste Schicht (PML), die zur Modellierung des optisch unendlichen Raums darüber verwendet wird. Eine schützende Glasschicht, Indium-Zinn-Oxid (ITO) als Frontkontakt und Kupfer als Rückkontakt. Die Perowskit-Absorberschicht liegt zwischen einer Lochtransportschicht (HTL) und einer Elektronentransportschicht (ETL). Sie zeigt ein Profil der erzeugten Ladungsträger.

Die Solarzellentechnologie hat in den letzten Jahren rasante Fortschritte gemacht. Um eine effiziente Solarzelle zu entwickeln, werden verschiedene Materialien übereinander geschichtet.
Die Variation der Dicke und der Art der Materialien dieser Schichten ist eine der Hauptantriebskräfte für die Erhöhung des Wirkungsgrads von Solarzellen. Eine zweite Methode ist die Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Grenzflächenstrukturen zwischen den Schichten, wie z. B. Pyramiden oder sinusförmige Erhebungen im Nanobereich. Bei SE-AOPT verwenden wir modernste Simulationswerkzeuge, um diese Effekte zu simulieren. Dies ermöglicht schnelle Berechnungen ohne langwierige Versuche im Labor.

Simulation der Strahlungsrekombination

Abbildung Die Feldlinien des elektrischen Feldes, das von einem schwingenden elektromagnetischen Punktdipol ausgeht, der sich im Ursprung befindet. Das Feld ist auf das mittlere Feld oder das strahlende Nahfeld beschränkt, dessen Amplitude mit 1/r² abnimmt. 

Bei der Untersuchung von Tandemsolarzellen treten Effekte auf, die als Lumineszenzkopplung und Photonenrecycling bekannt sind. Diese treten auf, wenn emittierte Strahlung innerhalb des Solarzellenstapels reabsorbiert wird, entweder durch ein Material mit niedrigerer Bandlücke oder durch das gleiche Material. 
In Ermangelung eines mathematischen Modells zur Beschreibung dieses Prozesses wurde er in der Vergangenheit nur durch den Einsatz verschiedener Hilfsmethoden angenähert. 
Bei SE-AOPT arbeiten wir an der Ableitung eines Modells, das nicht-entartete Ergebnisse liefert und in den bestehenden Simulationsrahmen passt.