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Effizienzsteigerung von Solarzellen und die Beurteilung mittels Fluoreszenzspektroskopie

Dr. Uwe Binninger
Uwe Binninger Analytik
Schwäbisch Gmünd, Germany

Abb. 1


Die heute üblichen Photovoltaikmodule basieren überwiegend auf kristallinem Silizium. Diese Silizium-Solarzellen können einen erheblichen Anteil des auf die Erde eingestrahlten Sonnenspektrums aber nicht ausnutzen, d.h. in elektrische Energie umwandeln (s. Abb. 1). Genau dieser Teil des Sonnenspektrums, nämlich der UV- und Blau-Bereich, weist aber mit die höchste Intensität auf. Die Sonnenenergie wird also nicht sehr effektiv genutzt.

Abb. 1


Um diesem Manko entgegenzuwirken und einen höheren Anteil der eingestrahlten Sonnenenergie ausnutzen zu können, werden Beschichtungen mit fluoreszierenden Komponenten entwickelt. Diese Fluoreszenzmaterialien absorbieren die kurzwellige Strahlung im UV- und Blau-Bereich des Spektrums und strahlen Licht im langwelligeren Bereich des sichtbaren Lichts ab. Sie überführen also bisher ungenutzte Energie in eine Strahlung, die vom Silizium mit guter Ausbeute in elektrische Energie umgewandelt werden kann (s. Abb. 1). Die Folge ist eine deutliche Steigerung der Effizienz der Photovoltaikmodule.

 

Bei der Entwicklung und Optimierung der Fluoreszenzmaterialen, oft Europium-Komplexe, muss das Augenmerk besonders auf zwei Faktoren gerichtet werden:

1) die Absorption der Beschichtung für Licht im Sichtbaren und Nahen Infrarot muss möglichst niedrig sein,
2) die Quantenausbeute der Fluoreszenzkomponenten muss möglichst hoch sein.

Je niedriger die Konzentration des Fluorophors in der Beschichtung gehalten werden kann, umso niedriger sind die Absorption und die Kosten für den Materialeinsatz.

Zur Bestimmung der Quantenausbeute eines pulverförmigen Fluoreszenzfarbstoffes ist ein Fluoreszenz-Spektralphotometer mit spezieller Ausstattung, einer Ulbricht-Kugel, erforderlich. Diese ermöglicht es, sowohl diffus und spiegelnd reflektiertes Licht, als auch das in alle Richtungen abgestrahlte Fluoreszenzlicht, mit hoher Genauigkeit quantitativ zu erfassen.


Die Quantenausbeute ist definiert als die Anzahl emittierter Photonen, dividiert durch die Anzahl absorbierter Photonen. Wenn also 1000 Photonen absorbiert und 500 Photonen emittiert werden, beträgt die Quantenausbeute Φ = 0.5. Die Bestimmung der absoluten Quantenausbeute eines pulverförmigen Fluorophors erfordert daher drei Schritte (s. Abb. 2):

1) Messung der eingestrahlten Lichtmenge
2) Messung der Fluoreszenzstrahlung und der reflektierten Lichtmenge

3) Berechnung der Quantenausbeute aus den in 1) und 2) aufgenommenen Spektren.

 

Abb. 3

Im ersten Schritt wird hierzu das Anregungslicht mittels eines stark reflektierenden, weisen Materials, wie z.B. Aluminiumoxid oder Spektralon, gemessen. Dann wird ein zweites Spektrum mit der fluoreszierenden Pulverprobe an Stelle des Weisstandards aufgenommen. Nach Eingrenzung der Wellenlängenbereiche für Anregungsstrahlung und Fluoreszenzstrahlung, erfolgt die Berechnung. Hitachi bietet dafür ein spezielles Add On zur FL-Solutions-Software an, das die Auswertung einfach und komfortabel gestaltet. In Abb. 3 ist das Ergebnis der Bestimmung der Quantenausbeute des Magnesiumwolframats, das als Validierungsstandard für diese Methode Verwendung findet, beispielhaft zusammengefasst.

Abb. 4


Um korrekte Ergebnisse zu erzielen, muss natürlich die wellenlängenabhängige Empfindlichkeit des Spektrometers eliminiert werden. Dies bedeutet, sowohl die Intensitätsverteilung der Lampe auf der Anregungsseite, als auch die spektrale Empfindlichkeit des Detektors, müssen berücksichtigt und korrigiert werden. Im Wellenlängenbereich unterhalb 600 nm geschieht Dies üblicherweise gegen einen Rhodamin-B-Standard. Für den langwelligeren Bereich oberhalb 600 nm ist jedoch eine Sub-Standard-Lichtquelle für die Korrektur erforderlich. Das neue Hitachi F-2700 (s. Abb. 4) wurde deshalb gegenüber seinem Vorgängermodell um die Korrekturmöglichkeit bis 800 nm erweitert. Die Empfindlichkeit konnte auf ein Signal/Rausch-Verhältnis von über 800 (RMS, 5nm-Spalte) gesteigert werden.

Systeme zur Bestimmung der absoluten Quantenausbeute kommen bei der Entwicklung, Beurteilung, Qualitätskontrolle und Grundlagenforschung zum Einsatz. Die Arbeitsgebiete umfassen dabei Beleuchtungsmittel, Displays, Filme, Solarzellen, optische Filter, medizinische Sonden, und, und, und…

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