ArbeitsgruppenAG Brendel
Forschungsthemen

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.

Das physikalische Verständnis der in den Komponenten auftretenden Leistungsverluste und die dadurch ermöglichte zielgerichtete Optimierung von Herstellungsprozessen stehen im Zentrum unserer Arbeit am Institut für Festkörperphysik. Dazu 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. Simulationen von Herstellungsprozessen unterstützen anschließend die Überführung der Prozesse in die Fertigung. Daneben analysieren wir auch die optischen Eigenschaften von Solarzellen und Solarmodulen. Beispielsweise beschäftigen wir uns z.B. 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 ein leistungsfähiger Compute-Server sowie verschiedene Softwarepakete wie Matlab, SPICE, Sentaurus und Comsol zur Verfügung. Für optische Simulationen verwenden wir u.a. das Raytracing-Framework Daidalos, das in unserer Arbeitsgruppe entwickelt wurde und gleichzeitige optische Simulationen von Komponenten mit unterschiedlichen Größenskalen ermöglicht.

Die Aktivitäten der Gruppe umfassen die folgenden Forschungsbereiche:

  • 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 Ray Tracing-Simulationen an ganzen Solarmodulen
  • Analyse des Einflusses wechselnder Wetterbedingungen (z.B. Bewölkung, flache Einstrahlung) auf die Ausgangsleistung von Solarmodulen
  • Modellierung und optische Simulation der Lumineszenzstrahlung von Silizium, insbesondere im Hinblick auf Messungen der Elektrolumineszenz und Photolumineszenz
  • Elektrischer Transport in mono-, multi- und polykristallinem Silizium
  • Rekombination an dotierten Oberflächen und im Innern von diffundierten Regionen
  • Untersuchung spezieller Kontakte der Solarzellen (z.B. Heterojunction-Kontakte)
  • Modellierung industrieller Diffusionsprozesse
  • Simulation von Phänomenen, die durch neue Prozessiertechniken entstehen
  • Entwicklung neuer Messverfahren für die Charakterisierung von Solarzellen
  • Detaillierte Analyse der synergetischen Verlustmechanismen in Solarzellen zur gezielten Optimierung des Wirkungsgrades
  • Analyse des Einflusses von verschiedenen Kontakt-Geometrien auf das Ergebnis von Vier-Punkt-Präzisionsmessungen der Strom-Spannungs-Kennlinie
  • Bestimmung der für unsere Simulationsrechnungen benötigten Materialdaten
Tageslichtquelle des Raytracing-Frameworks Daidalos Tageslichtquelle des Raytracing-Frameworks Daidalos Tageslichtquelle des Raytracing-Frameworks Daidalos
Tageslichtquelle des Raytracing-Frameworks Daidalos für die Analyse der Performance von Solarmodulen unter realistischen Einstrahlungsbedingungen (basierend auf am ISFH gemessener Bestrahlungsstärke in den Jahren 1992 - 2005)
Bestimmung elektrischer Kenndaten von Solarzellen zur Validierung von Simulationsrechnungen Bestimmung elektrischer Kenndaten von Solarzellen zur Validierung von Simulationsrechnungen Bestimmung elektrischer Kenndaten von Solarzellen zur Validierung von Simulationsrechnungen
Bestimmung elektrischer Kenndaten von Solarzellen zur Validierung von Simulationsrechnungen