Lumineszierende Solarkonzentratoren, effiziente Materialien mit wellenlängen-selektiven Filtern.

Simulationen zeigen, dass neue Entwicklungen bei lumineszierenden Materialien und wellenlängenselektiven Filtern eine effiziente Umwandlung von Sonnenlicht in Strom ermöglichen könnten. Die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität ist wegen der hohen Kosten von Solarzellen wirtschaftlich nicht attraktiv, aber ein neuer, rein optischer Ansatz zur Verbesserung von lumineszierenden Solarkonzentratoren könnte das Problem lösen.

Die Nutzung von konzentriertem Sonnenlicht senkt die Kosten der Solarenergie, da weniger Solarzellen benötigt werden, um eine bestimmte Menge an Strom zu erzeugen. LSCs (Luminescent Solar Power) konzentrieren das Licht, indem sie es absorbieren und mit niedrigerer Frequenz innerhalb der Grenzen einer transparenten Materialplatte wieder emittieren. Sie können nicht nur direktes Sonnenlicht, sondern an bewölkten Tagen auch diffuses Licht einfangen. Das Material leitet dann das Licht zu den Rändern der Platte, wo Photovoltaikzellen die Energie in Strom umwandeln.

Derzeit verwenden Solarkonzentratoren teure Nachführsysteme, die der Sonne nachgeführt werden müssen. Wenn sie nur um ein paar Zehntel Grad von der Perfektion abweichen, sinkt die Leistung des Systems drastisch. Wenn man eine hohe Konzentration aufrechterhalten kann, ohne der Sonne nachgeführt zu werden, könnte der Strom billiger erzeugt werden.

LSC sind dazu in der Lage und können das Licht auf das Äquivalent von mehr als 100 Sonnen bündeln, aber in der Praxis ist ihre Leistung begrenzt. Während LSCs gut funktionieren, wenn sie klein sind, verschlechtert sich ihre Leistung mit zunehmender Größe, da ein Großteil der Energie wieder absorbiert wird, bevor sie die Photovoltaikanlage erreicht.

Normalerweise wird jedes Mal, wenn das Licht in der Platte aufprallt, ein wenig davon wieder absorbiert, und da dies Hunderte von Malen geschieht, summiert sich dies zu einem großen Problem. In der Forschung wird eine nahezu verlustfreie Ausbreitung für mehrere verschiedene Chromophore aufgezeigt, was letztlich eine mehr als zweifache Steigerung des Konzentrationsverhältnisses gegenüber dem entsprechenden herkömmlichen LSC ermöglicht."

Der Schlüssel zur Verringerung der Absorption sind Mikrokavitätseffekte, die auftreten, wenn Licht durch eine kleine Struktur mit einer Größe vergleichbar mit der Wellenlänge des Lichts wandert. Diese LSCs bestehen aus zwei dünnen Schichten auf einem Stück Glas. Die erste dünne Schicht ist eine lumineszierende Schicht, die einen fluoreszierenden Farbstoff enthält, der Sonnenlicht absorbieren und wieder emittieren kann. Diese Schicht befindet sich auf einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex, die aus der Sicht des Lichts wie Luft aussieht. Durch diese Kombination entsteht der Mikrohohlraum, und wenn man die Dicke der Leuchtstoffschicht auf der Oberfläche ändert, verändert sich die Resonanz des Mikrohohlraums. Das bedeutet, dass Licht, das an einer Stelle des Konzentrators ausgestrahlt wird, an keiner anderen Stelle wieder in die Leuchtschicht passt und somit nicht wieder absorbiert werden kann. Das heisst, es wird nach einer Möglichkeit gesucht, das Licht durchzulassen, aber zu verhindern, dass es absorbiert wird. Eines der Dinge, das verändert wurde, war die Form und Dicke der lumineszierenden Schicht.

Die Forscher versuchten, die Oberfläche der Farbstoffschicht treppenförmig anzuordnen. Sie untersuchten die Lichtausbeute dieser neuen Konfiguration, indem sie eine Fotovoltaikzelle an einer Kante des Kollektors anbrachten, und stellten eine 15-prozentige Verbesserung im Vergleich zu herkömmlichen LSCs fest. Die Forscher glauben nicht, dass der Treppenstufen-Ansatz das optimale Design für diese LSCs ist. Eine kompliziertere Oberflächenvariante ist wahrscheinlich sogar besser, aber das erfordert mehr Modellierung. Andere Ansätze könnten auch darin bestehen, die Form des Glassubstrats zu verändern, was einen ähnlichen Effekt hätte und möglicherweise einfacher herzustellen wäre. Man muss den optimalen Weg finden, diese neue Art von LSC so zu strukturieren, dass sie effizienter, aber auch sehr kostengünstig in der Herstellung sind.

Die Photovoltaik (PV) ermöglicht die Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität, ohne die Umwelt zu beeinträchtigen. Leider benötigen Solarzellen teure Halbleiter. Das macht Photovoltaik teuer. Konzentratorsysteme tragen dazu bei, die erforderliche Abdeckung zu minimieren, aber normale Konzentratoren funktionieren nur für einen engen Winkelbereich der Sonneneinstrahlung.

Außerdem benötigen Konzentratorsysteme Nachführeinrichtungen und sind für die Erfassung diffuser Strahlung schlecht geeignet. Lumineszierende Solarkonzentratoren (LSC) vermeiden diese Nachteile. Ein Lumineszierendes Solarkonzentrator-System LSC besteht aus einer Glas- oder Kunststoffplatte, die Luminophore (Farbstoffe oder Phosphore) enthält oder damit beschichtet ist, die das Sonnenlicht absorbieren und Licht mit längeren Wellenlängen emittieren. Ein wesentlicher Teil des längerwelligen Lichts wird durch Totalreflexion eingefangen und zu den Rändern der LSC-Platte geleitet, wo es von kleinflächigen PV-Zellen absorbiert wird.

Die Idee, LSCs zu verwenden, besteht bereits seit 30 Jahren und es wurden viele Forschungsarbeiten in diesem Bereich durchgeführt. Bislang hat die Technologie jedoch nicht gehalten, was sie verspricht. Obwohl die Konzentration theoretisch enorm sein könnte, hat das bisher beste LSC-basierte PV-System nur gerade einen Umwandlungswirkungsgrad von 7,1 % und spart den Faktor 2,5 an PV-Zellenfläche ein.

Der Grund für diese niedrigen Zahlen sind in erster Linie Verluste verschiedener Art. So wird beispielsweise Licht vom Luminophor absorbiert, aber aufgrund der begrenzten Quanteneffizienz (QE), d. h. dem Verhältnis zwischen der absorbierten und der emittierten Anzahl von Photonen, wird kein Lumineszenzlicht emittiert. Eine weitere wichtige Verlustquelle ist das Austreten von Lumineszenzlicht aus dem Konzentrator unter Winkeln, die größer sind als der kritische Winkel für die Totalreflexion. Eine wirksame Möglichkeit, dies zu verhindern, ist die Verwendung eines wellenlängenselektiven Filters über dem Lichtleiter, der das Lumineszenzlicht im Inneren hält. Solche Filter können jedoch auch verhindern, dass Sonnenstrahlung aus großen Winkeln in den Lichtleiter einfällt.

Hohe Sammelwahrscheinlichkeiten können erreicht werden, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Die wichtigste davon ist eine geringe Selbstabsorption. Sammelwahrscheinlichkeiten über 70% sind möglich, wenn die Selbstabsorption um einen Faktor 1000 oder mehr geringer ist als die Absorption der einfallenden Strahlung. Die effektive Weglänge im Lichtleiter kann durch die Verwendung eines wellenlängenselektiven Filters weiter vergrößert werden. Es sollte möglich sein, 50 % des einfallenden Sonnenstroms bis zur Absorptionskante der PV-Zelle zu sammeln und dabei einen Faktor 10 oder mehr an PV-Zellenfläche einzusparen. Dies würde LSCs zu einer interessanten Alternative zu anderen Arten von Solarzellen machen.

Die Aussichten für einen nachhaltigen Erfolg von LSCs am Markt sind gegeben. Sie können kostengünstige PV-Energie liefern und sind, da sie aus farbigen Platten bestehen, attraktive Objekte für die Integration in Gebäude oder Verbrauchergeräte. Um Solarenergie mit nennenswertem Wirkungsgrad zu erzeugen, sollten geeignete lumineszierende Materialien mit geringer Selbstabsorption entwickelt werden, z. B. seltene Erden enthaltende Linienemitter. Durch den Einsatz von wellenlängenselektiven Filtern lassen sich hohe Konzentrationsfaktoren erreichen. Die Weiterentwicklung der Technologie zielt darauf ab, geeignete Lumineszenzmaterialien und Filter herzustellen und sie mit geeigneten PV-Zellen zu effizienten LSCs zu kombinieren.