Photovoltaisch-elektrochemische Bauelemente
Über
Die schwankende Stromerzeugung ist eines der wichtigsten Herausforderungen für die praktische Anwendung der Photovoltaik (PV). Elektrochemische Bauelemente wie Batterien und Elektrolyseure bieten verschiedene Optionen zur Speicherung und Nutzung überschüssiger PV-Energie, die die Stabilität der PV-Stromversorgung erheblich verbessern können. Wir konzentrieren uns auf die direkte elektrische Ankopplung und Integration von PV-Komponenten mit Batterien sowie auf Elektrolyseure, die Kohlendioxid (CO2), Wasser und Sonnenlicht in wertvolle chemische Produkte umwandeln.
Forschungsthemen
Kopplung und Integration von Fotovoltaik und Batterien.
Künstliche Blätter für die PV-getriebene Umwandlung von CO2.
Direkt angekoppelte photovoltaische und elektrochemische Bauelemente.
Kombinierte Photovoltaik-Batterie-Elektrolyseure.
Potenzial und praktische Aspekte der grünen Energiewende in Afrika
Publikationen der Gruppe
Ankopplung und Integration der Photovoltaik mit Batterien
Wir verfolgen ein einfaches, skalierbares und hocheffizientes Konzept der direkten Ankopplung der PV-Zellen und -Module an Batterien. Ein optimaler Betrieb des PV-Batterie-Systeme wird durch die richtige Vorauswahl der Bauelemente ermöglicht. Dieses Konzept unterscheidet sich von dem etablierten Konzept der Verwendung von Maximum Power Point Tracker-Elektronik. Wir demonstrierten eine ausgezeichnete Leistungsanpassung eines direkt gekoppelten PV-Batterie-Systems unter realistischen Betriebsbedingungen. Die Entwicklung ist auf größere Geräte, Langzeitstabilität und die Integration in neuartige PV-System-Architekturen ausgerichtet.
Die Integration von Photovoltaik-Bautelemente mit wiederaufladbaren Batterien ist eine vielversprechende Lösung für Internet-of-Things-Geräte und Sensoren, die in Innenräumen betrieben werden. Moderne LED-Beleuchtung passt spektral gut zu Perowskit-Solarzellen. Wir demonstrieren eine besonders hohe Effizienz bei der LED-Energiegewinnung und -speicherung mit Perowskit-Modulen, die direkt mit Natrium-Ionen-Batterien ohne Leistungselektronik gekoppelt sind (PV-Batterie-Gesamtwirkungsgrad von 26,4 %). Wir arbeiten weiter an der Entwicklung skalierbarer, autarker Stromversorgungslösungen für kleine Innenraum-Elektronik.
S. Shcherbachenko et al. Efficient Power Coupling in Directly Connected Photovoltaic‐Battery Module
Solar RRL 2367-198X, 2200857 (2023)
U. Chibuko et al. Module-level direct coupling in PV-battery power unit under realistic irradiance and load
Solar energy 249, 233 - 241 (2023)
L.-C. Kin et al. Efficient indoor light harvesting with CH3NH3Pb(I0.8Br0.2)3 solar modules and sodium-ion battery
Cell reports 3 (11) 101123 (2022)
N. Hamzelui et al. Toward the integration of a silicon/graphite-anode based lithium-ion battery in photovoltaic charging battery systems
ACS omega 7, 27532 (2022)
O. Astakhov et al. From room to roof: How feasible is direct coupling of solar-battery power unit under variable irradiance?
Solar energy 206, 732 - 740 (2020)
L.-C. Kin et al. Efficient Area Matched Converter Aided Solar Charging of Lithium Ion Batteries Using High Voltage Perovskite Solar Cells
ACS applied energy materials 3(1), 431 - 439 (2020)
F. Sandbaumhüter et al. Compatibility study towards monolithic self-charging power unit based on all-solid thin-film solar module and battery
Journal of Power Sources 365, 303 (2017)
S. N. Agbo et al. Illumination intensity and spectrum-dependent performance of thin-film silicon single and multijunction solar cells
Solar Energy Materials and Solar Cells 159, 427 (2017)
S. N. Agbo et al. Development towards cell-to cell monolithic integration of a thin-film solar cell and lithium-ion accumulator
Journal of Power Sources 327, 340 (2016)
Künstliche Blätter für die PV-getriebene Umwandlung von CO2
Die Langzeitspeicherung in Molekülen wie Kraftstoffen oder anderen industriell nutzbaren Chemikalien ist besonders wichtig, um die natürlichen jährlichen Schwankungen bei der photovoltaischen Stromerzeugung auszugleichen. Wir setzen an dieser Herausforderung mit dem Ansatz des "künstlichen Blattes" an - der Umwandlung von Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O) und Sonnenlicht in wertvolle chemische Produkte mit einer direkten photovoltaisch betriebenen Elektrolyse (PV-EC). Der PV-EC-Ansatz in direkter Verbindung ist attraktiv, da er einen guten Kompromiss zwischen Designflexibilität und hohen Solar-Kraftstoff-Wirkungsgraden darstellt. Es werden verschiedene Kombinationen von PV- und EC-Bauteilen untersucht, wobei der Schwerpunkt auf Technologien liegt, die ohne kritische Rohstoffe hergestellt werden. Die Leistung der direkt gekoppelten Systeme wird im Zusammenhang mit realistischen Variationen der PV-Einstrahlung und Temperatur untersucht. Wir führen die Forschungen mit unseren internen Infrastrukturen für die Herstellung von photovoltaischen und elektrochemischen Komponenten durch sowie durch die Teilnahme an internationalen Projekten wie den H2020-Projekten A-leaf und DECADE. Die jüngste Erreichung eines Wirkungsgrads von über 6 % bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Brennstoffe, ein Rekordwert für ein Bauteil, das ohne kritische Rohstoffe auskommt, wird im Rahmen des europäischen Projekts SUPERVAL mit Schwerpunkt auf der CO2-Wiederverwertung weiterentwickelt.
C. Ampelli et al. An artificial leaf device built with earth-abundant materials for combined H2 production and storage as formate with efficiency > 10%
Energy Environ. Sci., 16, 1644-1661 (2023)
F. LP Veenstra et al. CO2 electroreduction to syngas with tunable composition in an artificial leaf
ChemSusChem2023, e202301398
CO2 - Umwandlung Projekte
SUPERVAL - design and realize an autonomous, solar-powered installation able to capture harmful emissions from flue gas, and valorize them as commodities for the chemical industry
https://youtu.be/un-AFu5rHPQ
https://www.iciq.org/superval-kicks-off-gathering-its-international-consortium-partners-at-iciq/
A-LEAF (Horizon 2020 under Grant agreement no: 732840) realization of artificial photosynthesis to capture and transform solar energy into chemical energy, as a sustainable substitute for fossil resources
http://www.a-leaf.eu/project/
DECADE (Horizon 2020 Project under Grant agreement no: 862030)
Distributed chemicals and fuels production from CO2 in photoelectrocatalytic devices
https://www.decadeproject.eu/
Direkt gekoppelte PV-elektrochemische Bauelemente für die Wasserspaltung
Die Wasserstoffgewinnung durch Wasser-Elektrolyse ist einer der einfachsten Routen für die Langzeitspeicherung der PV-Energie. Wir entwickeln direkt angekoppelte PV-Elektrochemie-Kombinationen (PV-EC-Systeme), die auf einfachste und materialsparende, aber hocheffiziente Lösungen auf Basis erdverbundener Materialien abzielen. Wir experimentieren mit verschiedenen PV-Technologien, einschließlich Silizium und Perowskit, sowie mit verschiedenen Wasserspalt-Elektrolyseuren. Wir entwickeln Methoden zur Vorhersage der Spitzen- und Dauerleistung dieser Systeme unter Labor- und Feldbedingungen. Laufende Forschungsarbeiten sind auf die Hochskalierung, die reale Feldleistung und die langfristige Stabilität der PV-EC-Systeme ausgerichtet.
O. Astakhov et al. Prediction of Limits of Solar‐to‐Hydrogen Efficiency from Polarization Curves of the Electrochemical Cells
Solar RRL 6(2), 2100783 (2022)
D. Cardenas-Morcoso et al. An integrated photoanode based on non-critical raw materials for robust solar water splitting
Materials Advances 1(5), 1202-1211 (2020
M. Lee et al. Bifunctional CoFeVOx Catalyst for Solar Water Splitting by using Multijunction and Heterojunction Silicon Solar Cells
Advanced materials technologies 5(12), 2000592 (2020)
Kombinierte Photovoltaik-Batterie-Elektrolyseure
Die Photovoltaik erfordert kurz- und langfristige Energiespeicher, um tägliche und saisonale Energieschwankungen auszugleichen. Mit den direkt gekoppelten Photovoltaik-Elektrolyseur-Batterie-Kombinationen (kurz PV-EC-B) adressieren wir beide Speicherzeitskalen gleichzeitig. Wir haben theoretisch und experimentell die Funktionsfähigkeit des PV-EC-B-Systems ohne Leistungselektronik nachgewiesen. Die Batterie sorgt für eine stabile Leistungskopplung und einen kontinuierlichen 24-Stunden-Betrieb, der nun mit höherem Wirkungsgrad arbeitet. Der Gewinn an Solar-Wasserstoff-Wirkungsgrad ist experimentell bestätigt. Derzeit konzentrieren wir uns auf die Langzeitleistung der direkt gekoppelten PV-EC-B-Systeme.
L.-C. Kin et al. Batteries to Keep Solar‐Driven Water Splitting Running at Night: Performance of a Directly Coupled System
Solar RRL 6(4), 2100916 (2022)
O. Astakhov et al. Storage batteries in photovoltaic–electrochemical device for solar hydrogen production
Journal of power sources 509, 230367 (2021)
Dünne Silizium-Heterostruktur-Solarzellen und Module
Gemeinsam mit der Gruppe Silizium-Heterostruktur-Solarzellen und -Module entwickeln wir spezielle Zellen und Module auf der Basis der Si-Heterostruktur-Technologie (SHJ), die mit elektrochemischen Bauelementen in Laborgröße und darüber hinaus gekoppelt werden können.
Ein sinnvolles Mittel zur Verbesserung der Energiebilanz ist der Wandel in Richtung dünnerer Wafer. Solarzellen, die auf dünneren Wafern hergestellt werden, haben einige Vorteile: Material- und Kosteneinsparungen, höhere Flexibilität und ein geringerer Kohlenstoff-Fußabdruck im Produktionsprozess. Wir untersuchen hier den Einfluss der Waferdicke von Silizium-Heterostruktursolarzellen auf die Zellparameter. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leerlaufspannung bei dünneren Wafern ansteigt, wobei sich die impliziten Werte der theoretischen Grenze nähern. Insgesamt zeigen die Endergebnisse einen breiten Bereich von hohen Wirkungsgraden zwischen 75 und 170 µm. Wir untersuchen auch die Optimierung und Anwendung von dünnen waferbasierten Zellen und Modulen als Bottomzellen in Tandems bzw. zur Leistungskopplung in elektrochemischen Bauelementen.
U. Chime et al. How Thin Practical Silicon Heterojunction Solar Cells Could Be? Experimental Study under 1 Sun and under Indoor Illumination
Solar RRL 6(1), 2100594 (2022)
Projekte zur Energiewende in Afrika
YESPV-NIGBEN (BMBF Förderkennzeichen 03SF0576A-B
Promotion of an integrated Agri-PV greenhouse concept to ensure food, energy, and jobs for local African communities with smart and efficient land use methods. The concept for generating sustainable energy avoiding land use conflict with food production. Five integrated PV systems have been built at the University of Nigeria Nsukka for food and energy production, and electricity for hospital and educational buildings.
https://www.bmbf-client.de/projekte/yespv-nigben
H2-Atlas Africa
Assessing the potential of generating hydrogen in sub-Saharan Africa from renewable energy resources. Evaluation of the potentials of volatile renewable energy sources. We verify the PV performance model implemented with focus on the spectral effects of irradiance in Africa
https://www.h2atlas.de/en/
PV2H-BURKINA (Optimizing Solar PV for Green Hydrogen Production in West Africa)
In this project we aim at a technical solution to the negative impact of soiling on solar PV power plants and propose ways to optimize the PV production from solar PV systems under the specific climatic conditions of the Sahelian region in West Africa
https://wascal.org/optimizing-solar-pv-for-green-hydrogen-production-in-west-africa-pv2h/