Einfluss von Temperaturschwankungen auf die Leistung von III-V-Solarzellen

Ein spanisches Forscherteam hat untersucht, wie sich Temperatur- und Lichtspektrumschwankungen auf III-V-Solarzellen unter Bedingungen ultrahoher Konzentration (UHC) auswirken.

Diese Solarzellen, die aus Materialien wie Galliumarsenid (GaAs) und anderen III-V-Elementen hergestellt werden, sind für ihre hohe Effizienz bekannt, aber teuer, sodass ihre Verwendung auf bestimmte Anwendungen wie den Antrieb von Satelliten und Drohnen beschränkt ist, bei denen es auf Effizienz und geringes Gewicht ankommt trotz der hohen Kosten von entscheidender Bedeutung.

Das Team konzentrierte sich auf eine Dreifachsolarzelle bestehend aus Galliumindiumphosphid (GaInP), Galliumindiumarsenid (GaInAs) und Germanium (Ge). Sie hoben ihren einzigartigen Ansatz hervor, bei dem sie in ihren Experimenten verschiedene Spektral- und Temperaturbedingungen kombinieren, was bei diesen hohen Konzentrationen noch nie zuvor durchgeführt wurde.

Mit einem hochentwickelten Indoor-Sonnensimulator konnten sie die Zellen bei Temperaturen von bis zu 85 °C und einer Einstrahlungsstärke von bis zu 2.200 Sonnen testen. Ihre Tests, die 30 Messungen für jede Temperatur- und Konzentrationskombination umfassten, ergaben, dass sowohl der Leerlaufstrom (Isc) als auch die Kurzschlussspannung (Voc) mit mehr Licht zunehmen, aber unterschiedlich auf Temperaturänderungen reagieren. Während Isc mit der Temperatur steigt, sinkt Voc und zeigt bei niedrigeren Konzentrationen ein ähnliches Verhalten wie Zellen.

Die Forschung zeigte außerdem eine lineare Abhängigkeit des Kurzschlussstroms von der Temperatur bei konstanten Lichtstärken und einen ähnlichen steigenden Trend der Leerlaufwerte mit der Lichtintensität. Allerdings zeigte die Leerlaufspannung bei konstantem Lichtniveau eine negative lineare Reaktion auf die Temperatur.

Darüber hinaus nehmen die Effizienz und der Füllfaktor der Zelle mit höheren Temperaturen und Lichtintensitäten ab, was einen starken Zusammenhang zwischen Leerlaufspannung, Effizienz und Temperatur zeigt. Sie untersuchten auch die Reaktion der Zelle auf verschiedene Lichtspektren mithilfe des Spectral Matching Ratio (SMR), das die photogenerierten Ströme benachbarter Unterzellen unter denselben Lichtbedingungen vergleicht. Sie beobachteten, dass die Verschiebung des Spektrums (rot oder anders) die Erzeugungsniveaus in verschiedenen Unterzellen beeinflusst.

Diese Erkenntnisse sind in ihrer Studie „Multi-Junction Solar Cell Measurements at Ultra-High Irradiances for Different Temperatures and Spectra“ dokumentiert, die in Solar Energy Materials and Solar Cells veröffentlicht wurde. 

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