de.wedoany.com-Bericht: Forscher der University of New South Wales (UNSW) haben ein spektralselektives, halbtransparentes kristallines Silizium (c-Si)-Solarmodul für die Agri-Photovoltaik entwickelt.
Um geschützten Kulturpflanzen ausreichend Licht zu bieten, lassen gängige halbtransparente Photovoltaikmodule durch die Anordnung von undurchsichtigen c-Si-Zellen in Abständen transparente Glasbereiche frei, durch die Sonnenlicht gelangt. Pflanzen nutzen jedoch nur einen begrenzten Teil des Sonnenspektrums (den photosynthetisch aktiven Strahlungsbereich, kurz PAR, Wellenlänge ca. 400–700 nm) zur Photosynthese. Bestehende Module übertragen große Mengen des von Pflanzen nicht benötigten Sonnenspektrums (insbesondere nahes Infrarot), das stattdessen zur Stromerzeugung genutzt werden könnte – c-Si-Zellen wandeln nahes Infrarot mit sehr hohem Wirkungsgrad um. Der korrespondierende Autor Ian L. Thomas erklärte, das Team habe spektralselektive optische Komponenten in die Zwischenräume zwischen den Zellen des halbtransparenten Solarmoduls eingebettet. „Diese eingebetteten Optiken können nahes Infrarotlicht zur Stromerzeugung auf die c-Si-Zellen umleiten, während gleichzeitig ein sehr hoher Anteil des PAR durchgelassen wird. Das Besondere an diesem Ansatz ist, dass er geschickt bestehende großflächige dichroitische Technologien aus der Bauindustrie mit den derzeit in der Photovoltaikmodulmontage verwendeten Fertigungsprozessen kombiniert.“
Das Modul verwendet TOPCon-Solarzellen und einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR), eingebettet in eine Doppelglasstruktur, und nutzt eine flache Konzentratorgeometrie, die durch Totalreflexion eine effiziente spektrale Trennung ermöglicht. Der DBR besteht aus abwechselnden Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Durch präzise Schichtdickenauslegung kommt es zu konstruktiver Interferenz des reflektierten Lichts, wodurch im Zielwellenlängenbereich Spitzenreflexionsgrade von über 99,9 % erreicht werden können. Die Forscher bewerteten zwei kommerzielle DBR-Technologien – Silber-Dielektrikum-Beschichtungen und mehrschichtige Polymerfolien. Es zeigte sich, dass mehrschichtige Polymerfolien eine höhere Nahinfrarot-Reflexion, vernachlässigbare Lichtabsorption und eine schärfere spektrale Selektivität bieten, was sie für das vorgeschlagene Modulkonzept besonders attraktiv macht. Das Modul ist zudem auf einen V-förmigen Flachkonzentrator angewiesen, der eine Reihe geneigter Reflexionsstrukturen verwendet, um einfallendes Sonnenlicht in den zentralen Bereich umzulenken. In der vorgeschlagenen Konfiguration lenken diese geneigten Oberflächen das Nahinfrarotlicht in einem Winkel auf die Glassubstrate, der eine Totalreflexion ermöglicht, wodurch das Licht im Modulinneren eingefangen wird.
Die Forscher erstellten mit der Software MATLAB ein umfassendes optisches Modell zur Bewertung der jährlichen Modulleistung und verglichen diese mit herkömmlichen nicht-transparenten Photovoltaikmodulen und halbtransparenten Photovoltaikmodulen mit gleicher Zellbedeckung. Die Leistung wurde anhand des optischen Wirkungsgrads, der elektrischen Umwandlung und der PAR-Transmission bewertet. Das Modell ging von idealen Betriebsbedingungen aus und vereinfachte mehrere Faktoren wie Zellspannungsänderungen, Temperatureffekte, Rückseitenbeleuchtung und pflanzenspezifische Lichtreaktionen, wobei der Schwerpunkt auf der Kurzschlussstromdichte lag. Simulationen an drei Standorten in Australien zeigten, dass das Modul unter direkter Bestrahlung im Vergleich zu herkömmlichen halbtransparenten Photovoltaikmodulen eine Steigerung der elektrischen Leistungsabgabe um 34 % bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hohen PAR-Transmission erreicht. Die Leistung hängt stark vom Einfallswinkel der Sonne relativ zur Ausrichtung der V-Nuten ab; das Verhalten entlang der Nutrichtung ist stabil, aber aufgrund der Einschränkungen der Totalreflexion nimmt der Wirkungsgrad quer zur Nutrichtung ab. Das Design überträgt effizient das von Pflanzen benötigte PAR, während es gleichzeitig das Nahinfrarotlicht zur Stromerzeugung auf die Photovoltaikzellen umleitet.
Die Ergebnisse zeigten weiterhin, dass mehrschichtige Polymer-DBR-Folien den besten Gesamtausgleich bieten. Bei Modulen mit 50 % Zellbedeckung stieg der jährliche Kurzschlussstrom um etwa 23–27 %, während Designs mit 38 % Bedeckung einen Zuwachs von 34–40 % erzielten. In allen Fällen wurden über 90 % des PAR erhalten, während etwa 80 % der Nahinfrarotstrahlung zur Stromerzeugung umgeleitet wurden. Thomas erklärte, das Team habe einen Prototyp in der ersten Phase in etwa halber A4-Größe gebaut und die Leistung durch Tests bestätigt; durch die Filterung von etwa 80 % des Nahinfrarotlichts könne die Technologie die Oberflächentemperatur von Pflanzen in semiariden Gebieten senken und so den Wasserverbrauch reduzieren. Die Modultechnologie wird in der Studie „Spectrally selective c-Si agrivoltaic modules: Evaluating a new approach“ beschrieben, die in der Zeitschrift „Applied Energy“ veröffentlicht wurde.
