Italienischer Nationaler Forschungsrat präsentiert 4T-spektral aufspaltende bifaziale Photovoltaik-Dachziegel

de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam des italienischen Nationalen Forschungsrats (CNR) hat einen Vier-Terminal- (4T) Photovoltaik-Dachziegel vorgestellt, dessen Designkonzept darin besteht, das Sonnenspektrum mittels spektraler Aufspaltung nach Wellenlängenbereichen getrennt zu verarbeiten: Sichtbares Licht wird in Galliumarsenid- (GaAs) Zellen geleitet, während Infrarotstrahlung in bifaziale Siliziumzellen gelangt, wobei die beiden Zelltypen jeweils ihre eigene Aufgabe übernehmen.

Das optische Kernelement dieses Systems ist ein keilförmiger rechtwinkliger Glasprisma. Die Erstautorin der Studie, Floriana Morabito, erklärte gegenüber pv magazine, dass das optische Kernstück die Totalreflexion (TIR) an der oberen Oberfläche mit der dichroitischen Reflexion an den Spiegeln kombiniert und so als Lichtleiter fungiert. Die korrespondierende Autorin Silvia Maria Pietralunga ergänzte, dass die bifaziale Siliziumzelle mit schmaler Bandlücke (NBG) im Konzept mit ihrer Rückseite nach Süden ausgerichtet ist, was die Sammlung von Albedo-Strahlung vom Boden begünstigt; die Anordnung der Galliumarsenid-Zelle mit breiter Bandlücke (WBG) in 90-Grad-Richtung hält sowohl den Flächenverbrauch als auch die Selbstverschattung der Module auf einem niedrigen Niveau.

Die Ergebnisse wurden unter dem Titel „Experimentelle Validierung und numerische Bewertung eines 4T-spektral aufspaltenden Photovoltaik-Dachziegels mit unkonventioneller bifazialer Fähigkeit und minimierter Verschattung" in der Fachzeitschrift „Solar Energy" veröffentlicht. Der Prototyp wurde um ein rechtwinkliges Keilprisma aus Schott N-BK7-Glas aufgebaut und integriert eine Galliumarsenid-Zelle mit 2,0 cm × 2,0 cm und einem Wirkungsgrad von 20 % sowie eine bifaziale Silizium-Heterojunction- (HJT) Zelle mit 6,8 cm × 2,0 cm, einem Wirkungsgrad von etwa 24 % und einer Bifazialität von 90 %; die Prismenunterseite und die Rückseite sind mit Antireflexbeschichtungen versehen.

Die spektrale Aufteilung übernehmen sich ergänzende Langpass- und Kurzpass-Dichroitspiegel. Die beiden Spiegel sind unter einem Einfallswinkel von 45 Grad angeordnet, mit einer Cut-off-Wellenlänge von 805 Nanometern – ein Wert, der nahe dem Schnittpunkt der externen Quanteneffizienzkurven von Silizium- und Galliumarsenid-Zellen liegt, sodass die jeweiligen Spektralbereiche an die Zielzellen geleitet werden können.

Die Forscher fertigten eine zweiteilige Halterung per 3D-Druck aus Harz, die Prisma, Spiegel, Siliziumzelle und die verkapselte Galliumarsenid-Zelle integriert. Da sich Luftspalte zwischen Prisma, Spiegeln und Zellen nicht vermeiden lassen, weicht der tatsächlich montierte Prototyp vom idealen optischen Design ab, was sich in zusätzlichen optischen Verlusten äußert.

Die Freiluft-Leistungstests fanden im CNR-IMM-Labor in Catania, Italien, auf einer Terrasse mit Keramikboden statt. Die Messungen folgten im Wesentlichen den Grundsätzen der Norm IEC 60904-2, wobei das Team anmerkte, dass die 4T-Struktur sich von herkömmlichen Modulen unterscheidet und eine vollständige Normkonformität nicht erreicht werden kann. Die Experimente wurden an vier sonnigen Tagen zwischen Ende Mai und Mitte Juli 2025 durchgeführt, mit einem Beobachtungsfenster von 9 Uhr bis 17 Uhr. Drei Pyranometer zeichneten im 5-Sekunden-Intervall jeweils die horizontale Gesamteinstrahlung, die geneigte Vorderseiten-Einstrahlung sowie die auf der Rückseite eintreffende reflektierte Einstrahlung auf; zwei Spektroradiometer maßen im Wellenlängenbereich von 300 Nanometern bis 1100 Nanometern die horizontale Gesamtspektralbestrahlungsstärke und die direkte normale Spektralbestrahlungsstärke.

Die Forscher verglichen außerdem die gemessenen Daten des Prototyps mit Simulationen unter idealen Bedingungen. Das ideale Gerät konnte über einen weiten Einfallswinkelbereich ein optisches Leistungsverhältnis von über 90 % aufrechterhalten, während der gefertigte Prototyp maximal nur etwa 62 % erreichte. Bei den Freilandmessungen blieb der normalisierte Strom der Siliziumzelle über den Tag hinweg recht stabil, mit einem Peak um die Sonnenmittagszeit; wenn der Dachziegel näher am Boden positioniert war, stieg er leicht an. Die Galliumarsenid-Zelle reagierte unempfindlich auf die Montagehöhe, zeigte jedoch aufgrund der geringeren Winkelakzeptanz über den Tag hinweg größere Schwankungen in der Leistung, wobei der Peak ebenfalls um die Mittagszeit auftrat.

Morabito erklärte, dass unter Freilandbedingungen bei einer bifazialen Siliziumzelle mit einem Wirkungsgrad von 23 % die gemessenen Photoströme in den Morgen- und Abendstunden um die Sommersonnenwende auf 37°30' nördlicher Breite deutlich um etwa 7 % anstiegen. Der maximale Photostrom änderte sich nicht mit der Montagehöhe, und der optimale Gewinn für den bifazialen Betrieb entsprach einer Montagehöhe von 19 Zentimetern. Die Testergebnisse deuten auf eine Schlussfolgerung hin: Die 4T-Architektur kann bei reduzierter Selbstverschattung die vom Boden reflektierte Strahlung besser nutzen, wobei der bifaziale Betrieb bei relativ geringen Montagehöhen größere Vorteile bringt.

Pietralunga erklärte, dass dieses 4T-Konzept aus globaler Perspektive möglicherweise wirtschaftlich nachhaltig sei – die Leistung pro Flächeneinheit sei höher, und die verwendeten mechanischen Stützstrukturen gehörten zu einem Typ mit geringer Umweltwirkung. Sie sieht gute Aussichten für die Lösung der aktuellen Herausforderungen, ein erhebliches Verbesserungspotenzial sei vorhanden, und in absehbarer Zukunft könnten sich gangbare Marktchancen eröffnen.