Photovoltaikzellen für Laserlicht: Optische Leistungsübertragung zur Versorgung von Sensorelektronik

Spricht man von Photovoltaikzellen denkt man üblicherweise – ganz im Namen des Leitmotivs des Fraunhofer ISE, der Energiewende – an die Wandlung von Solarstrahlung in elektrische Leistung. Eine interessante andere Anwendung finden Photovoltaikzellen in sogenannten Power-by-Light Systemen (auch bekannt unter dem Begriff Power-over-Fiber) zur optischen Leistungsversorgung von elektronischen Anwendungen. Hier wird die PV-Zelle nicht als Solarzelle eingesetzt, sondern zur Wandlung von Laserlicht in elektrische Leistung genutzt.

Ziel dabei ist die Übertragung von Energie in Form von Licht zur Versorgung von Elektronik, insbesondere Sensorik, in meist kritischer Umgebung, in der eine konventionelle Stromversorgung über ein Kupferkabel nicht oder nur unter großem Aufwand möglich ist. Stattdessen wird hier das Licht eines Lasers auf der Basisseite in eine Glasfaser eingekoppelt, welche – analog zur optischen Datenübertragung – das Licht zum Empfänger überträgt. Dort wird es dann von der auch Laserleistungszelle genannten Photovoltaikzelle zurück in elektrische Leistung gewandelt und so die (Sensor-)Elektronik betrieben. Neben solchen Faser-gekoppelten Systemen (Abbildung 1) ist auch eine direkte Freistrahlübertragung möglich, also ein System ganz ohne optische Faser (Abbildung 2).

Vorteile der optischen Leistungsübertragung und Anwendungsbeispiele

Die Vorteile der Technologie der optischen Leistungsübertragung gehen zurück auf den Verzicht auf die sonst erforderliche Kupferleitung zum Stromtransport und damit verbundene Probleme. Durch die Verwendung von Glasfaser oder komplett kontaktloser Energieübertragung sind in einem solchen System die beiden Seiten (Basis und Empfänger) inhärent galvanisch voneinander getrennt – es besteht keine elektrische Verbindung. Zwingend erforderlich ist eine solche Trennung z.B. bei Vorliegen von großen elektro-magnetischen Feldern. Ein Beispiel ist die Überwachung von Hochspannungsleitungen, bei der der Sensor konstant auf dem Hochspannungspotenzial liegt und ein elektrischer Durchschlag zur Erde vermieden werden muss.

Weitere Beispiele sind die Versorgung von Treiberschaltungen in Mittelspannungsumrichtern oder Sensorsysteme innerhalb von Magnetresonanztomographen (MRT). Ein Vorteil der rein optischen Leistungsversorgung ist, dass durch den Verzicht auf elektrische Leitungen auch keine damit einhergehenden Störfelder auftreten, die das zu messende elektromagnetische Feld beeinträchtigten (Stichwort: elektromagnetische Verträglichkeit). Die Vermeidung der elektrischen Verbindung ist auch für blitzeinschlagsgefährdete Bereiche vorteilhaft, wo andernfalls eine Versorgungsleitung aus Kupfer gleichzeitig auch einen Blitzableiter darstellt – bzw. genauer als Antenne für die bei einem Blitzeinschlag um den externen Blitzableiter herum auftretenden elektromagnetischen Felder. Im Falle eines Blitzeinschlags kann so im schlimmsten Fall die gesamte angeschlossene Elektronik zerstört werden. Ein Anwendungsbeispiel ist die Zustandsüberwachung der Rotorblätter von Windenergieanlagen, welche einem hohen Blitzschlagrisiko ausgesetzt sind. Durch die Vermeidung eines Kupferkabels wird zudem auch die Gefahr des Funkenschlags im Falle eines Defekts unterbunden, was in explosionsgefährdeter Umgebung einen großen Vorteil darstellt. Ein Anwendungsbeispiel ist hier die Füllstandssensorik in Flugzeugtanks.

Für die Verlegung langer Sensorleitungen ist auch das geringere Gewicht der optischen Faser gegenüber Kupfer ein wichtiger Vorteil, als Stichwort sei die stetig zunehmende Sensorik und dazu erforderliche Verkabelung im Automobil genannt. Viele Anwendungen finden sich darüber hinaus im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie. In passiven optischen Netzen können Laserleistungszellen in bereits vorhandenen Fasernetzen zur Versorgung unterschiedlicher Sensorik z.B. zur Zustandsüberwachung eingesetzt werden.

Schließlich ermöglicht die Freistrahlübertragung gänzlich neue Anwendungen für die draht- und faserlose Energieübertragung. Bereits seit den 1970er Jahren wird über die Möglichkeit einer drahtlosen Energieübertragung für Weltraumanwendungen diskutiert: Ideen reichen von der Energieübertragung von der Erde zu Satelliten oder einer Mondstation, über Solarfarmen im Weltall, die die Energie per Laserstrahl zur Erde übertragen, bis hin zu Laser-basierter Energieübertragung zwischen Satelliten oder als Antrieb für Raumschiffe.

Eine weltlichere drahtlose Anwendung ist die elektrische Energieversorgung auf rotierende Systeme, in der eine direkte Kabelverbindung unmöglich oder nur mit Einschränkungen über z.B. Schleifringe realisierbar ist. Andere mögliche Anwendungen sind die drahtlose Energieübertragung für Consumer-Elektronik oder in der Robotik; als Beispiel sie das kabellose Laden von Mobilelektronik genannt. Eine weitere interessante Anwendung in der Medizintechnik ist die drahtlose Energieübertragung durch die Haut in den Körper für die direkte Versorgung von intelligenten Implantaten und Biosensoren oder zum Laden der zugehörigen Batterien.

Höchste Wandlungswirkungsgrade durch optimale Nutzung der Photonenenergie

Die Hauptverlustmechanismen einer Solarzelle sind auf die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts zurückzuführen. Auf Halbleitern basierte Solarzellen können nur das Licht mit Wellenlängen bis zur Bandlücke zur Energiegewinnung nutzbar machen. Für Silicium beträgt die Bandlücke 1.12 eV, was einer Wellenlänge von etwa 1100 nm entspricht. Für Photonen mit geringerer Energie, also infrarotes Licht mit längerer Wellenlänge, ist das Absorbermaterial transparent – und das Licht zur Energiegewinnung verloren. Man spricht von Transmissionsverlusten. Für hochenergetische Photonen im ultravioletten, sichtbaren, und nahinfraroten Bereich werden im Absorber Ladungsträger bis über die Bandkante angeregt – und geben diese Überschussenergie durch Wechselwirkung mit dem Kristallgitter als Wärme an den Halbleiterkristall ab. Man spricht von Thermalisierungsverlusten.

Für photovoltaische Laserleistungszellen ist die Situation eine andere: Da mit dem monochromatischen Laserlicht nur eine Wellenlänge eingestrahlt wird und somit nur Photonen mit einer festen Photonenenergie absorbiert werden müssen, kann ein Absorbermaterial mit optimal darauf abgestimmter Bandlücke verwendet werden. Somit werden Thermalisierungs- und Transmissionsverluste auf ein Minimum reduziert – und höchste Wandlungswirkungsgrade ermöglicht. Mit III-V Verbindungshalbleitern, wie z.B. Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) und komplexeren Mischformen daraus, kann die Bandlücke durch entsprechende Zusammensetzung über einen weiten Bereich gezielt eingestellt werden.

In Abbildung 3 ist eine Auswahl an am Fraunhofer ISE realisierten III-V basierten Photovoltaikzellen und deren gemessene spektrale externe Quanteneffizienzen (EQE) im relevanten Wellenlängenbereich gezeigt. Das Abknicken von einem Wert nahe 100% in einen exponentiellen Abfall markiert die der Bandlückenenergie entsprechende Wellenlänge, ab der das Material transparent wird. Die Laserwellenlänge sollte also stets etwas darunter liegen. Gängige Laserwellenlängen sind in der Abbildung als gestichelte Linien eingezeichnet. Wie aus dem Graph ersichtlich stehen für diese Laserwellenlängen jeweils angepasste Absorbermaterialien für Laserleistungszellen zur Verfügung.

Fazit

Die optische Leistungsübertragung stellt eine interessante Anwendung für Photovoltaikzellen mit einer Vielzahl von Anwendungen in unterschiedlichsten Bereichen dar. Viele Anwendungen werden durch die (Kupfer-)kabellose Stromversorgung erst möglich, das Label „enabling technology“ ist demnach durchaus gerechtfertigt.

Am Fraunhofer ISE arbeiten wir insbesondere an der Optimierung von Photovoltaikzellen für das monochromatische Laserlicht, für die andere Rahmenbedingungen als für die Optimierung von Solarzellen gelten. III-V Verbindungshalbleiter sind als Absorbermaterialien bestens geeignet. Durch geeignete Wahl der Zusammensetzung können für alle gängigen Laserwellenlängen optimale Absorber realisiert werden.