Spectrally selective solar cells based on ultrathin germanium absorber for combined photosynthesis and photovoltaics

Kurzfassung

Spektral-selektive Solarzellen (SSSC) erlauben eine wellenlängenabhängige Absorption und Transmission von Licht. In Dächern von Gewächshäusern oder Photo-Bioreaktoren eingebaut, kann eine an das Absorptionsspektrum von Chlorophyll angepasste SSSC genutzt werden, um Strom zu erzeugen und gleichzeitiges Pflanzenwachstum durch das transmittierte Licht ermöglichen. Da Chlorophyll bei der Photosynthese hauptsächlich blaues und rotes Licht absorbiert, kann eine SSSC grünes, ultraviolettes und infrarotes Licht zur Stromproduktion nutzen, während das transmittierte Licht zur Biomasseproduktion unter den Solarzellen genutzt wird. Zur Realisierung einer solchen SSSC ist die amorphe Germanium (a-Ge:H) Quantentrogsolarzelle von besonderem Interesse, da sie aufgrund ihrer ultradünnen Schichtdicke eine Anpassbarkeit ihrer optischen Eigenschaften in Bezug auf Transparenz und Absorptionserhöhung durch elektromagnetische Feldverstärkung erlaubt. Daher wird in dieser Arbeit untersucht, ob es möglich ist, mithilfe der a-Ge:H Solarzelle ein spektral selektives Photovoltaikmodul mit einem Transmissionsspektrum, das dem Absorptionsspektrum von Chlorophyll entspricht, zu erreichen. Dafür wird in dieser Arbeit ein Metall/Metalloxid-Mehrschichtsystem als spektral-selektiver Spiegel (MOMO-Reflektor) entwickelt, optisch untersucht und durch optische Modellierung an das Spektrum von Chlorophyll angepasst. Hierbei liegt der Fokus auf der Variabilität dessen Transmissions- und Reflektionsspektrums, die sich durch optische Interferenzen ergeben. Der neuentwickelte MOMO-Reflektor wird mit der a-Ge:H Solarzelle kombiniert und die daraus resultierende SSSC wird sowohl optisch als auch elektrisch charakterisiert. Auf Basis dieser SSSC wird mittels Pikosekunden-Laserstrukturierung ein monolithisch verschaltetes Solarmodul hergestellt, um die Skalierbarkeit der SSSC nachzuweisen. Neben der Modulentwicklung wird die Quantentrogsolarzelle selbst durch ladungsträger-selektive Oxidschichten auf erhöhte Transmission angepasst und die Wirksamkeit der Ladungsträgerseparation an opaken Testsolarzellen nachgewiesen. Abschließend wird in einem Photo-Bioreaktor, der mit der SSSC ausgestattet ist, die Biomasseproduktion von Algen und deren hohe photosynthetische Effizienz gezeigt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die erste SSSC auf Basis der A-Ge:H Solarzelle durch die Integration des MOMO-Reflektors realisiert werden. Diese wurde in Hinblick auf das Transmissionsspektrum der Solarzelle und ihre Photostromgeneration im optischen Modell und im Experiment untersucht. Hierbei wurde gezeigt, dass der MOMO-Reflektor eine Doppelfunktion als Elektrode und optischer Resonator erfüllt. Durch die Auswahl der Schichtdicken im MOMO-Reflektor kann die Absorptionserhöhung in der Quantentrogstruktur so manipuliert werden, dass das Transmissionsspektrum der Solarzelle dem Absorptionsspektrum von Chlorophyll entspricht. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die gezielte Ablation des MOMO-Reflektors und des a-Ge:H Absorbers durch den MOMO-Reflektor unter Verwendung von infraroten und grünen Lasern möglich ist. Dadurch wurde die Herstellung eines Mini-Moduls ermöglicht und die Skalierbarkeit der Technologie nachgewiesen. Auf Basis einer opaken Solarzelle wurde anhand von elektrischen Modellen, Strom-Spannungskennlinien und Messungen der externen Quanteneffizienz demonstriert, dass Titanoxid als transparenter, elektronenselektiver Kontakt in der Quantentrogsolarzelle wirken kann. Abschließend konnte gezeigt werden, dass Algen das transmittierte Licht der SSSC im mit höherer photosynthetischer Effizienz nutzen als weißes Licht. Die Arbeit lässt sich in das weite Feld der Agrivoltaic einordnen und legt ein Fundament für die Erforschung und den Einsatz von Metall/Metalloxid-Mehrschichtsystem in Kombination mit ultradünnen Solarzellen zur Stromproduktion in Gewächshäusern und Photo-Bioreaktoren.