Am Fraunhofer ISE wurden stromproduzierende Solarzellen entwickelt, die in Innenräumen einen Wirkungsgrad von über 40 % erreichen. Die Indoor-Photovoltaik soll auch bei sehr schwachen Lichtverhältnissen funktionieren.
Indoor- Photovoltaik nutzt einerseits das durch Fenster scheinende Sonnenlicht, andererseits aber auch künstliche Lichtquellen in Innenräumen selbst, um Strom zu erzeugen. Letzteres ist in gewisser Weise so etwas wie ein „Recycling“ von Strom. Schließlich wird das strombetriebene Licht zur Erzeugung von neuem Strom genutzt.
Halbleiter aus Galliumindiumphosphid
Die Technologie der Indoor-Photovoltaik ist unter anderem gefragt für autonome Anwendungen im Internet der Dinge (IoT), die keinen Zugang zu einer externen Stromquelle haben und nicht ständig aufgeladen werden können. Beispiele für solche IoT-Anwendungen in Innenräumen sind etwa Funksensoren zur Überwachung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit oder elektronische Etiketten in Supermärkten.
Solche elektronischen Elemente benötigen zumindest geringe Strommengen. Selbst in Räumen, in die gar kein Tageslicht eindringt, kann dieser Strom durch Indoor-Photovoltaik bereitgestellt werden, sofern die Räume kontinuierlich künstlich beleuchtet werden. Als Energiequelle bietet die Technik Vorteile im Hinblick auf Kosten und Nachhaltigkeit – unter anderem deshalb, weil sie auch bei schwacher Beleuchtung funktioniert und weil keine Batterieabfälle anfallen.
Für Indoor-Photovoltaik kommen unterschiedliche Solarzellen-Technologien in Frage. „III-V-basierte Solarzellen erreichen die höchsten Wirkungsgrade, das gilt insbesondere auch unter künstlichem LED-Licht“, sagt Dr. Henning Helmers vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE). Für die neuen Indoor-Solarzellen seines Instituts setzten die Forschenden daher ebenfalls auf III-V-Halbleiter. Die heißen so, weil sie aus chemischen Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems bestehen.
Genauer gesagt setzte das Fraunhofer auf so genannte Galliumindiumphosphid-Solarzellen (GaInP). Diese bestehen aus den Elementen Gallium und Indium (beide Hauptgruppe III des Periodensystems) sowie Phosphor (Hauptgruppe V). Die aus diesen Materialien gefertigten Halbleitermaterialien wandeln Licht sehr effektiv in Strom um. GaInP-Solarzellen erreichen außergewöhnlich hohe Wirkungsgrade von über 40 %.
Spezielle Dotierung der Solarzellen
Die Forschenden des Fraunhofer ISE haben für ihre Indoor-Photovoltaik das Design von GaInP-Solarzellen noch einmal optimiert. „Wir haben untersucht, wie gut die Solarzellen mit unterschiedlichen Strukturen unter schwachen Lichtbedingungen arbeiten“, sagt Malte Klitzke, Hauptautor der Studie zum Forschungsprojekt. „Dabei hat sich gezeigt, dass eine bestimmte Art von Solarzelle – die n-dotierte GaInP-Zelle – deutlich besser abschneidet als die p-dotierte Variante. N-dotierte GaInP-Zellen halten die Ladungsträger länger und haben eine erhöhte Leistung, selbst bei schwachem Licht. Deshalb konnten wir mit ihnen in unseren Versuchen sehr hohe Effizienzen bei der Umwandlung von Innenraumlicht in Strom erzielen.“
Unter „Dotierung“ bezeichnet man übrigens die gezielte „Manipulierung“ von Halbleitermaterialien, um in diesen ein schwaches elektrisches Spannungsfeld aufzubauen. Das ist eine Grundvoraussetzung dafür, dass Halbleiter Licht in Strom umwandeln können. Bei der Dotierung des Photovoltaik-Halbleiters Silizium werden beispielsweise auf einer Seite des Halleitermaterials Phosphor-Atomen in die Kristallstruktur des Siliziums eingebaut.
Funktioniert mit wenig Licht
Die am Fraunhofer ISE entwickelten Innenraum-Solarzellen funktionieren auch bei schwachen Lichtverhältnissen von nur 100 Lux mit außergewöhnlich hohen Effizienzen (Wirkungsgrad von über 40 %). 100 Lux entspricht etwa einer Wohnraumbeleuchtung, die nur der Orientierung dient. Zum Lesen sind normalerweise höhere Lux-Werte erforderlich.
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Die Funktionsfähigkeit selbst bei schwachem Licht und der hohe Wirkungsgrad machen die optimierten GaInP-Solarzellen besonders gut geeignet für Indoor-Anwendungen, bei denen die Fläche zur Energieerzeugung stark begrenzt ist. Diese Vorteile können ausgleichen, dass III-V-basierte Solarzellen bislang vergleichsweise teuer sind.
Die Ergebnisse seiner Forschung zu den optimierten Solarzellen hat das Fraunhofer ISE Mitte Juli als Kurzstudie im Fachjournal „Applied Physics Letters“ veröffentlicht (Direkt-Link zum Artikel hier ).
