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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-67680
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/6768/

Peters, Ian Marius

Photonic concepts for solar cells

Photonische Konzepte für Solarzellen

Dokument1.pdf (10.508 KB) (md5sum: 1ef84aafb6ae017758050d97a76dcc1a)

Kurzfassung in Englisch

The goal of this work is to explore the possibilities of using photonic concepts for PV applications. These concepts aim towards an improved utilization of solar photons by either increasing the amount of absorbed photons or reducing the amount of those photons leaving the solar cell. To accomplish these functions, which can be subsumed into the term “light trapping”, different photonic structures have been investigated. These structures are united by a typical length scale. The typical structure size is comparable to the wavelength of the considered light. A consequence of this comparability of scales is that the effects induced by these structures are based on interference. In this work, the main focus is on three such effects: The first is spectral selectivity, the second is diffraction and the third effect is angular selectivity. To investigate the presented concepts simulations and experiments have been performed.

Simulation method…

To perform simulations of photonic structures, and especially more dimensional photonic structures, one important tool was the rigorous coupled wave analysis (RCWA). An implementation of this method had been purchased and one task of this work was to check in how far this implementation was applicable to the photonic structures under consideration. For this reason several convergence considerations and comparisons to other simulation methods and to experimental data have benn performed. These considerations resulted in the evaluation that the RCWA is a convenient method for the simulation of dielectric structures with periods in the sub-µm regime. It is versatile in the sense that almost arbitrary shapes can be considered and it is capable of simulating the optical near field. Results are obtained in a reasonable time for a reasonable choice of parameters. Among these parameters, the most important ones are those that define the approximation of the structure shape and the number of Fourier components. These parameters have to be chosen with great care. The method becomes very slow if many Fourier coefficients need to be considered. This is the case for structures with large periods (several µm), high refractive indices or considerable absorption.
The RCWA yields results that are in accordance with those provided by other simulation methods and by experiments. Especially in the region of photonic band gaps the accordance is very good. Outside this region, even small variations have a strong influence on the results for all considered simulation methods. Comparisons between simulations and experiments need to consider this.

Spectral selectivity…

Spectrally selective photonic structures are used in concepts in which the solar spectrum is divided into several parts. One concept featuring spectral selectivity is the fluorescent concentrator. The considered spectra here are defined by absorption and emission of a dye molecule. As absorption and emission are mostly separated due to the Stokes shift, they may be considered separately. The fluorescent concentrator transports light to the edges via total internal reflection (TIR). This transport mechanism loses at least 26% of the internal radiation through the escape cone. The advanced fluorescent concentrator concept envisages regaining escape cone losses by the application of a spectrally selective photonic structure.
To evaluate the application of spectrally selective photonic structures on fluorescent concentrators a theoretical model allowing for the formulation of minimum requirements of a filter and for the prediction of the effect a certain filter has on the light guiding ability of the concentrator was developed. Subsequently, different photonic structures for the application on different fluorescent concentrators have been theoretically designed and optimized. These filters were the rugate filter, the band stop filter, and the opal. From all of these filters, samples that were realized following the specifications of the optimization were obtained. The filters were evaluated using the theoretical model and also experimentally.
The best result was obtained with a band stop filter. With this filter an increase of 20% in light guiding efficiency was predicted and an increase of 19% in solar cell efficiency was measured, corresponding to almost ¾ of the escape cone losses. This result was refined by measuring the spectral (EQE measurement) and the lateral (LBIC measurement) characteristics of the same fluorescent concentrator system.
Another concept concerning spectral selectivity is the spectrum splitting concept. Here the solar spectrum is divided into several parts that are each guided to a solar cell which generates the maximum benefit of this part of spectrum. Spectrally selective filters here undertake the task of dividing and guiding the solar spectrum. One concept that was realized using such filters reached an efficiency of h = 34.1% under outdoor illumination.


Diffractive structures are used to induce a specific change of the direction of radiation inside a solar cell. The aim of inducing such a directional change is to enhance the pathlength of light in the solar cell and consequently increase absorption and quantum efficiency.
In this work the application of back side gratings in textured and untextured crystalline silicon solar cells was specifically investigated. Considering a textured front surface gives rise to several specific challenges that were subsumed under the term “alignment problem”. In a first theoretical consideration, the maximum possible path length enhancement of a structure inducing a specific directional change was calculated considering conservation of étendue. This consideration resulted in a value of L = 853n, with n being the refractive index of the solar cell. For silicon, this consideration results in a maximum value of ca.L = 3000.
Using gratings to induce the directional change, the dependence on wavelength and polarization needs to be considered also. A consideration has been performed theoretically for the binary and the blazed grating with the aim to find initial parameters for a grating optimization. To optimize the gratings, two models were developed; a semi-analytical model to estimate the path length enhancement and optimize the grating parameters and a rigorous model to calculate the effect of a grating on the absorption profile.
Altogether four gratings were theoretically investigated using the two models. These gratings were: the ideal, binary grating, a grating with a trapezoidal shape based on SEM pictures, the blazed grating and a 2D pyramidal grating.
One result of this optimization was that it was possible to induce a positive effect on the pathlength of light not only inside a flat crystalline solar cell but also inside a crystalline solar cell with a pyramidal front surface texture. An absorption enhancement of more than 20% relative was predicted in the long wavelength regime. Comparable results were also obtained in first measurements of prototype gratings introduced into silicon wafers.

Angular selectivity…

Angularly selective optical elements have hitherto not been used in PV in the way they were considered in this work. For this reason, one goal was to investigate the potential of such structures. In a first theoretical consideration two effects induced by angular selectivity were investigated. The first effect is a path length enhancement generated by angular selectivity in combination with an appropriate scattering mechanism that results in increased quantum efficiency. The second effect is a suppression of radiative recombination, which results in an increased thermodynamical efficiency limit. Both effects depend on how far the angular acceptance range of the filter may be restricted. A maximum restriction is reached if only light coming from the solid angle that is occupied by the solar disc may pass the filter and all other light is reflected. Under these circumstances, the path length enhancement reaches a maximum of L = 46200. This path length enhancement can be expanded even further when combined with conventional light trapping with TIR. For silicon, a maximum path length enhancement of L = 2.23M was calculated, which is the highest value for a path length enhancement knwon by the author. The suppression of radiative recombination results in the same efficiency limit as maximum concentration. For a silicon solar cell this limit is ca. h = 41%. Generally, a maximum efficiency is obtained if the angular spreading of radiation incident on a PV device is equal to the angular spreading of the radiation coming from the PV device This equality can be achieved either by angular confinement or by concentration or by a combination of both.
Following this theoretical consideration, effects were investigate that result in an angular selective characteristic of photonic structures. One effect considered here especially is the Bragg effect. This effect results in a blue shift of the spectral filter characteristics and can be used to create angular selectivity in a certain spectral range. A Bragg-like characteristic has been found theoretically and experimentally for most investigated photonic structures.
Finally experiments were performed to investigate the path length enhancement induced by different filters by measuring absorption and quantum efficiency. An absorption enhancement was found for all investigated filters. With a band stop filter, the absorption enhancement was shown for a thin film solar cell of amorphous silicon. An increase of 25% was obtained in a certain spectral range. In the same spectral range, an increase of 25% of quantum efficiency was also measured for the same system, proving the principle of the presented approach.

Kurzfassung in Deutsch

Das Ziel dieser Arbeit ist es die Möglichkeiten des Einsatzes photonischer Konzepte für PV Systeme zu untersuchen. Diese Konzepte zielen hin auf eine verbesserte Ausnutzung solarer Photonen durch eine Vergrößerung des Anteils absorbeirter Photonen oder durch eine Verringerung der Photonen, welche das PV System wieder verlassen. Um diese Funktionen zu erreichen, welche unter dem Befriff "light trapping" zusammengefasst werden können, wurden verschiedene photonische STrukturen untersucht. Die Gemeinsamkeit der untersuchten Strukturen liegt in einer typischen Längenskala. Die typpische Strukturgröße ist vergleichbar der Wellenlänge des betrachteten Lichtes. Eine Konsequenz der Ähnlichkeit dieser Größenordnungen ist, dass die Effekte, welche von den Strukturen induziert werden, auf Interferenz basieren. In dieser Arbeit habe ich mich auf drei solcher Effekte konzentriert: spektrale Selektivität, Beugungseffekte und Winkelselektivität. Um die vorgestellten Konzepte zu untersuchen wurden Simulationen und ERxperimente durchgeführt.


Ein wichtiges Werkzeug zur Simulationen insbesondere mehrdimensionaler photonischer Kristalle war die "rigorous coupled wave analysis" (RCWA). Eine Implementierung dieser Methode wurde erworben und eine Aufgabe dieser Arbeit bestand darin, in wie fern das erworbene Programm sich zur Implementierung der betrachteten photonischen Strukturen eignete. Zu diesem Zweck wurden mehrere Konvergenzuntersuchungen und Vergleiche mit anderen Simulationsmethoden und mit Experimenten durchgeführt. Diese Betrachtungen ergabebn, dass sich die RCWA gut zur Simulation dielektrischer Strukturen im sub-µm Bereich eignet. Die Methode ist vielseitig dahingehend, dass beinahe beliebige Strukturen implementiert werden können und sie vermage das optische Nahfeld zu simulieren. Bei einer vernünftigen Parameterwahl werden die Resultate in einer vernünftigen Zeit errechnet. Unter diesen Parametern sind die wichtigsten diejenigen, die zu einer Approximation der betrachteten Struktur führen und die Anzahl der verwendeten Fourier-Komponenten. Diese Parameter müssen mit großer Vorsicht gewählt werden. Die Methode wird langsam, wenn viele Fourierkomponenten benötigt werden, was der Fall für große Perioden (mehrere µm), hohe Brechungsindizes oder hohe Absorption.
Die Ergebnisse, die die RCWA errechnet stimmen mit denen aus anderen Simulationsmethoden und Messungen überein. Besondes im Bereich photonischer Bandlücken ist diese Übereinstimmung sehr gut. Außerhalb dieses Spektralbereiches haben bereits kleine Variationen einen straken Einfluss auf das resultat. Vergleiche zwischen Simulationen und Experimenten müssen dies berücksichtigen.

Spektrale Selektivität

Spektrale Selektivität wird in solchen Konzepten benutztm in welchen das solare Spektrum in mehrere Anteile aufgeteilt werden soll. Ein Konzept, bei dem dies zur Anwendung kommt, ist der Fluoreszenzkonzentrator. Die betrachteten Spekktralbereiceh sind bei diesem Konzept durch die Absorption und Emission eines Farbstoffmoleküls gegeben. Da diese beiden Bereiche durch den Stokes-Shift größtenteils getrennt sind, können sie einzeln betrücksichtigt werden. Der Fluoreszenzkonzentartor transportiert Licht über Totalreflexion. Dieser Transportmechanismus verliert mindestens 26% des internen Lichtes in den Verlustkegel. Der Einsatz spektral selektiver Filter zielt bei diesem Konzept darauf ab, die Verlustkegelverluste einzuschränken
Zur Auswertung des Einsatzes spektral selektiver Filter auf Fluoreszenzkonzentratoren wurde ein Model erstellt, welches die Formulierung von Minimalanforderungen an den Filter gestattet und erlaubt, den Effekt des Filters auf die Lichtleiteffizienz des Konzentrators abzuschätzen. Anschließend wurden verschiedene Filter für den Einsatz auf Fluoreszenzkonzentratoren entworfen und optimiert. Beispiele solcher Filter sind der Rugate Filter, der Kantenfilter und der Opal. Diese Beispielfilter wurden an Hand der Vorgaben aus den Simulationen realisiert. Der Einfluss der Filter auf die Lichtleiteffizienz wurde sowohl mit Hilfe des Models als auch experimentell überprüft.
Das beste Resultat wurde mitdem Kantenfilter erzielt. Mit diesem Filter wurde eine Erhöhung der Lichtleiteffizienz um 20% voruasgesagt und eine Erhöhung um 19% der Systemeffiziennz gemessen, was beinahe 3/4 der Verlustkegelverluste entspricht. Der Einfluss wurde auch untersucht an Hand spektraler (EQE) Messungen, sowie räumlich aufgelöster (LBIC) Messungen.
Ein weiteres Konzept betrifft die spektrale Aufteilung auf Solarzellen mit unterschiedlicher Bandlücke. Hierbei soll das Spektrum so auf verschiedene Solarzellen verteilt werden, dass der resultierende Wirkungsgrad maximiert wird. Spektral selektive Filter übernehmen hierbei die Aufgabe, dass Spektrum aufzuteilen und zu leiten. Ein Pototyp eines solchen Konzeptes erreichte eine Effizienz von h = 34.1% bei einer Außenmessung.


Beugungsgitter können verwendet werden um eine spezifische Änderung der Richtung des Lichtes in einer Solarzelle zu induzieren. Das Ziel einer solchen Richtungsänderung ist es, den Weg des Lichtes innerhalb der Solarzelle zu verlängern, was zu einer erhöhten Absorption und, letztendlich, zu einer erhöhten Quanteneffizienz führt.
In dieser Arbet wurde speziell der Einsatz von Rückseitengittern in texturierten und untexturierten Sliziumsolarzellen untersucht. Berücksichtigt man eine Vorderseitentextur, ergeben sich eine Reihe von speziellen Problemen, welche unter demAusdruck "alignment problem" zusammengefasst wurden. In einer ersten theoretischen Abschätzung, bei der die Erhaltung der Étendue berücksichtigt wurde, wurde die maximal mögliche Wegverlängerung berechnet, die eine spezifische Veränderung der internen Licht-Richtung bewirken kann. Diese Berechnung erbrachte einen Faktor L = 853n, wobei n der Brechungsindex der Solarzelle ist. Für Silizium ergibt sich hieraus ein Wert von L = 3000.
Beim Einsatz von Gittern muss nun zusätzlich der Einfluss der Wellenlängenabhängigkeit und der Polarisation berücksichtigt werden. Theoretisch wurde dies für das binäre Gitter und das geblazte Gitter durchgeführt mit dem Ziel, Startparameter für eine Gitteroptimierung zu finden. Zu diesem Zweck und zur Optimierung des Gitters wurden zwei Modelle entwickelt. Ein halbanalytisches Model, um die Wegverlängerung abzuschätzen und die Gitterparameter zu optimieren und ein rigoroses um den Effekt auf die Solarzelle abzuschätzen.
Insgesamt wurden vier verschiedene Gittertypen mit Hilfe dieser Modelle untersucht. Bei diesen Gittern handelt es sich um das binäre Gitter, ein Gitter mit trapezoidaler Form, welches REM Bildern von realisierten Gittern angepasst ist, das geblazte Gitter und ein 2D pyramidales Gitter.
Ein Resultat der Optimierung war, dass es möglich ist einen positiven Effekt auf die interne Weglänge des Lichtes in einer pyramidal texturierten Solarzell aus kristallinem Silizium zu erreichen. Eine Absorptionserhöhung von mehr als 20% wurde im langwelligen Bereich von den Modellen vorausgesagt. Erste Messungen scheinen dies zu bestätigen.


Winkelselektive Elemente sind bisher in der PV noch nicht auf die Weise eingesetzt worden, wie es in dieser Arbeit beschrieben ist, Aus diesem Grund war ein Ziel der vorliegenden Arbeit das potential solcher Strukturen zu untersuchen. Zunächst wurden theoretische Betrachtungen von zwei Effekten angestellt, die durch Winkelselektivität ausgelöst werden. Der erste Effekt ist eine Lichtwegverlängerung generiert durch eine Verbindung von Winkelselektivität und Streuung. Der zweite Effekt ist eine Unterdrückung strahlender Rekombination, was in einem erhöhten Wirkungsgradlimit resultiert. Beide Effekte hängen davon ab, in wie weit der Akzeptanzwinkel eingeschränkt werden kann. Eine maximale Einschränkung ist erreicht, wenn der Filter nur noch jenes Licht passieren lässt, welches direkt von der Sonne kommt und alle anderen Richtungen sperrt. Unter diesen Umständen ist die maximal zu erreichende Lichtwegverlängerung L = 46200. Berücksichtigt man zusätzlich, dass für ein solches System auch noch Totalreflexion auftritt, so erhält man einen Faktor von L = 2.23M, welches die höchste dem Autor bekannte Lichtwegverlängerung ist.
Die Unterdrückung der strahlenden Rekombination resultiert im selben Wirkungsgradlimit wie Konzentration. Für Silizium liegt dieses Limit bei h = 41%. Allgemeiner wird dieses Wirkungsgradlimit immer dann erreicht, wenn ds PV System in den selben Raumwinkelbereich emittiert aus dem es absorbiert. Diese Gleichheit kann durch Konzentration oder eine Einschränkung der Winkelakzeptanz oder einem Kombination uas beidem erreicht werden.
Ein Effekt, der zu einem winkelselktiven Verhalten führt ist der Bragg-Effekt. Dieser Effekt führt zu einer Blauverschiebung einer spektralen Charakteristik für zunemende Einfallswinkel und kann dazu verwendet werden Winkelselektivität in einem bestimmten Spektralbereich zu generieren. Die meisten der untersuchten photonsichen Strukturen wiesen im Prinzip eine Braggsche Charakteristik auf.
Experimente zur Überprüung des Lichtfalleneffektes führten zu einer erhöhten Quanteneffizienz um bis zu 25% in bestimmten Spektralbereichen.

SWD-Schlagwörter: Photonik , Photovoltaik , Solarzelle , Spektrale Interferenz , Interferenz <Physik>
Freie Schlagwörter (englisch): light trapping , photon management , metamaterials , optical nanostructures
PACS Klassifikation Photovolta , 84.60.Jt , 42.70.Qs , Photonic b
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Weber, Eicke (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.07.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 29.07.2009