University thesis:
Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, 2018
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Description:
Abstract: Bei der konzentrierenden Photovoltaik (CPV) wird im Vergleich zur konventionellen PV-Technologie die einfallende Sonnenstrahlung durch eine Sammeloptik auf eine sehr viel kleinere Solarzellenfläche konzentriert, um einerseits den elektrischen Wirkungsgrad zu steigern sowie Kosten für Solarzellen zu sparen. In dem in der vorliegenden Arbeit betrachteten Fall wird als Sammeloptik eine lichtbrechende, segmentierte Fresnellinse eingesetzt, die aus dem Silikon Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt ist. Dieses Polymer wird auf einen Glasträger aufgebracht (engl.: silicone-on-glass, SOG), um der Fresnellinse Stabilität und Schutz zu bieten. Verbesserungspotentiale dieser Optik werden in der vorliegenden Arbeit diskutiert. <br>Der wissenschaftliche Fortschritt umfasst erstens eine kritische Auseinandersetzung mit der Wahl des Materials PDMS für Konzentratoroptiken in der CPV. Ohne zeitliche Extrapolation ist es im Experiment möglich, zu erwartende hohe UV-A-Belastungen eines jahrzehntelangen Betriebs einer CPV-Anwendung innerhalb kürzester Zeit im Labor mittels Laserstrahlung zu erzielen. Aufgrund der viel versprechenden Haltbarkeit der Proben kann PDMS weiterhin als geeignetes Material für CPV-Anwendungen empfohlen werden. Jedoch zeigt eine Simulationsstudie, dass diese Empfehlung nicht uneingeschränkt gilt: Für massive Sekundärkonzentratoren in Kombination mit neuester Solarzellentechnologie mit vier Bandlücken scheint dieses Material aufgrund spezifischer Absorptionen sehr wahrscheinlich ungeeignet zu sein.<br>Einen zweiten zentralen Beitrag zum wissenschaftlichen Fortschritt leistet diese Arbeit durch die Modellierung der Fresnellinse als zentrales Bauteil einer möglichen CPV-Anwendung. Die durch Dritte veröffentlichte Arbeit zu Beugungsverlusten an Kanten der Fresnelstruktur kann dabei in wesentlichen Punkten ergänzt werden, indem die Beugungsverluste an der rauen Linsenoberfläche aus PDMS analysiert werden. Mit dieser Modellerweiterung wird die Auslegung einer Fresnellinsengeometrie im Detail diskutiert und optimale Geometrien im simulierten Betrieb untersucht. Die umfassende, forschungs-aktuelle Simulationsmethodik und anschließende Interpretation ermöglicht an dieser Stelle, die zukünftige Auslegung verschiedener Fresnellinsen für CPV-Anwendungen entscheidend zu erleichtern. Weiter kann der Stand der Technik zum thermischen Verhalten der SOG-Technolgie um die Beschreibung der Effekte durch Deformation und L ...