Forschungsthemen der Abteilung Solarenergie

Die Solarenergie kann große Beiträge zur Erzeugung von Strom und Wärme leisten und wird eine wichtige Rolle im zukünftigen Energiesystem haben. Während die Verbrennung fossiler Brennstoffe die Atmosphäre mit dem klimaschädlichen CO2 belastet, ist dies bei der Solarenergie nicht der Fall. In vielen Gegenden der Welt ist die Solarenergie bereits heute die günstigste Art der Energieversorgung. Dennoch sind die Wirkungsgrade der Solarzellen und Photovoltaikmodulen zum Teil noch sehr weit von den physikalischen Grenzen entfernt, und der Materialverbrauch ist heute noch größer als notwendig.

Unsere Gruppe forscht auf drei verschiedenen Ebenen an der Photovoltaik:

Auf der Ebene mit der höchsten Flughöhe bewerten wir die Integration der Photovoltaik in das regionale, nationale oder supranationale Energiesystem durch die Anwendung der räumlich und zeitlich hochaufgelösten Energiesystemanalyse. Hier spielen vor allem die Wechselwirkungen mit anderen Komponenten des Energiesystems wie der Elektrolyse oder Möglichkeiten zur Kurz- und Langfristspeicherung eine Rolle. Die kostengünstige Erzeugung und effiziente Nutzung von Wasserstoff ist dabei eines der zentralen Forschungsthemen.

Die zweite Ebene beschäftigt sich mit dem Ausbau der Photovoltaik in Gebäuden und Quartieren. Dazu analysieren wir die Potenziale für Module auf Dächern und an Fassaden in Städten und entwickeln digitale Gebäudemodelle, um Wechselwirkungen mit dezentralen Komponenten wie der Wärmepumpe zu evaluieren. Wir können damit beispielsweise Kommunen bei der Integration von erneuerbaren Energien in ihre bestehenden Energieerzeungsstrukturen unterstützen.

Auf der dritten Ebene führen wir Simulationsrechnungen für die Erzeugung, den Transport und die Rekombination von Elektron-Loch-Paaren durch. Mit dem daraus resultierenden Verständnis der dominierenden Verlustmechanismen können neue Herstellungsprozesse für Solarzellen und –module mit höheren Wirkungsgraden und reduziertem Materialaufwand entwickelt werden. Beispielsweise beschäftigen wir uns auch mit dem Einfluss des tatsächlichen Wetters, dem installierte Solarmodule ausgesetzt sind, um ihr Verhalten realitätsnah simulieren und Ergebnisse aus Labortests bei Standard-Testbedingungen besser im Hinblick auf erzielbare Leistung unter realistischen Einsatzbedingung beurteilen zu können.

Für die Durchführung der Simulationsrechnungen stehen uns mehrere leistungsfähige Compute-Server sowie verschiedene Softwarepakete wie Python, Matlab, SPICE, Sentaurus und Comsol zur Verfügung. Für optische Simulationen verwenden wir u.a. das Raytracing-Framework CityPV, das in unserer Arbeitsgruppe entwickelt wurde und gleichzeitige optische Simulationen von Komponenten mit unterschiedlichen Größenskalen ermöglicht.

Die Aktivitäten der Gruppe umfassen die folgenden Forschungsbereiche:

• Bestimmung von Rahmenbedingung zur Integration von Photovoltaik in dekarbonisierte Energiesysteme mittels der Energiesystemanalyse
• Forschung zur Erzeugung und Integration von Wasserstoff in lokale und regionale Anwendungen
• Analyse von Wechselwirkungen der PV mit zentralen und dezentralen Komponenten des Energiesystems wie der Wärmepumpe und Elektrolyseuren
• Durchführung von Potentialanalysen für PV auf Dächern und an Fassaden mittels 3D-Gebäudegeometrien und Raytracing
• Analyse des Einflusses wechselnder Wetterbedingungen (z.B. Bewölkung, flache Einstrahlung) auf die Ausgangsleistung von Solarmodulen
• Bestimmung der für unsere Simulationsrechnungen benötigten Materialdaten und experimentelle Validierung von Simulationsergebnissen
• Kopplung von optischen, thermischen und elektrischen Halbleitersimulationen mit dem Ziel, die Solarmodulleistung unter tatsächlichen Betriebsbedingungen zu optimieren
• Analyse von lichtlenkenden Elementen in Solarmodulen mittels dreidimensionaler Raytracing-Simulationen an ganzen Solarmodulen
• Detaillierte Analyse der synergetischen Verlustmechanismen in Solarzellen zur gezielten Optimierung des Wirkungsgrades