Die aktuell verbreitetste Technologie für Solarzellen, die auf Silizium basiert, nähert sich ihrer theoretischen Effizienz-Obergrenze, was neue Ansätze wie bifaziale Solarzellen oder Tandemsolarzellen für weitere Kostensenkungen nötig macht. Tandemsolarzellen kombinieren zwei unterschiedliche Halbleiter, um den Wirkungsgrad durch eine bessere Nutzung des breiten Energiespektrums von Sonnenlicht zu erhöhen. Der bifaziale Betrieb erlaubt es auch Licht von der Rückseite einer Solarzelle zur Stromerzeugung zu nutzen. Das Licht auf der Rückseite stammt dabei zum großen Teil von Bodenreflektionen, was die Berechnung der Beleuchtung deutlich komplexer macht als auf der Vorderseite. In dieser Arbeit wurde ein detailliertes Modell entwickelt, um die rückseitige Beleuchtung aus dem geometrischen Aufbau, der Albedo des Bodens und dem Sonnenstand zu berechnen. Das Modell wurde mit einer Reihe von neu entwickelten Simulationstools ergänzt, um die vollständige Leistungsberechnungen von Solarzellen zu ermöglichen. Dabei wurden bestehende optische Simulationswerkzeuge integriert. Das Simulationstool kann mit verschiedenen Wetterdaten genutzt werden, um eine realistische Abschätzung der Energieerträge zu erhalten und es wurde mit experimentellen Solarzellen-Daten validiert. Eine vielversprechende Materialklasse für Tandemsolarzellen sind Perowskite, die sich aufgrund ihrer veränderbaren Bandlücken gut für eine Kombination mit Silizium eignet. In dieser Arbeit wird der Einfluss des bifazialen Betriebs und der lumineszenten Kopplung auf die optimale Bandlücke der Perowskitzelle untersucht. Je nach Szenario kann eine signifikante Verschiebung zu niedrigeren Bandlücken beobachtet werden. Dadurch lassen sich Perovskite-Materialien nutzen die bessere optoelektronische Eigenschaften und eine höhere Langzeitstabilität aufweisen. Die Durchführung von Energieertragsberechnungen mit der validierten Modellkette für ein potenzielles Upgrade von einer monofazialen Standard-PV-Anlage in Jerusalem mit stark reflektierendem Boden zeigt eine mögliche Steigerung von 20 % für bifaziale Solarzellen, 40 % für ein monofaziales Tandems und bis zu 60 % für bifaziale Perowskit/Silizium-Tandemsolarzellen. Für hocheffiziente Mehrfachsolarzellen sind weitere optische Aspekte wichtig. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Design eines strukturierten Rückseitenreflektors einer III/V auf Silizium Solarzelle mit Weltrekorteffizienz untersucht. Die Optik des Reflektors wird mit der Finite-Elemente-Methode berechnet und das Design mit Hilfe der Bayesschen Optimierung verbessert. In den Simulationen konnte damit eine Steigerung der Photostromdichte um 0,37 mA/cm² in der Siliziumzelle erreicht werden. Der genaue Aufbau spielt eine wichtige Rolle bei den Stromgestehungskosten eines Solarparks mit bifazialen Solarzellen. Es wurde ein Kostenmodell entwickelt, um die ideale Balance zwischen höheren Erträgen und höheren Kosten durch größere Flächennutzung zu finden. Dazu wird ein Verfahren auf Basis der Bayes’schen Optimierung genutzt, das die Stromgestehungskosten bifazialer Solarparks minimiert. Im Vergleich zu derzeit verwendeten Faustregeln konnte eine Kostensenkung von bis zu 23 % demonstriert werden. Die Werkzeuge und Ergebnisse aus dieser Arbeit helfen dabei, das zukünftige Design von (Tandem) Solarzellen und ihre Integration in Kraftwerke zu verbessern. Damit lassen sich die Stromgestehungskosten von Photovoltaik-Systemen weiter senken und somit wird ein Beitrag zur Beschleunigung der Energiewende geleistet.
The current mainstream technology based on silicon semiconductors is approaching their theoretical efficiency limits. To further reduce the cost of photovoltaic systems and to increase the power output new approaches are required and bifacial operation and tandem solar cells are regarded as promising concepts. Tandem solar cells combine two different absorber materials for higher efficiencies by better utilizing the broad energy spectrum of sunlight. Bifacial operation allows the conversion of light not only from the front but also from the backside to increase the electricity generation. In order to receive light at the backside, solar panels need to be installed on mounting structures above ground, as found in large scale free field installations. The light from the back is mostly originating from reflections of the ground, which makes the calculation of the backside irradiance significantly more complex than the frontside irradiance. In this thesis a detailed illumination model was developed to calculate the backside illumination from the geometrical inputs, ground reflectivity, and sun position. The model was complemented with a newly developed toolchain for solar cell energy yield calculations. The toolchain included a temperature dependent diode model with integration of optical simulation tools such as finite element method and ray tracing based methods. The toolchain can be used with different sources of weather data for realistic energy yield calculations and was validated against experimental solar cell data. Perovskites are a promising material class for tandem solar cells due to their bandgap tunability. In this thesis the impact of bifacial operation on the optimal bandgap of the perovskite top cell is investigated. Depending on the ground albedo, a significant shift in the optimal bandgap of the perovskite top cell can be observed. Investigating the phenomena of luminescent coupling indicates that a further reduction of the perovskite bandgap is possible. This allows the usage of perovskite materials with better conversion efficiencies and long term stability. Performing energy yield calculations with the validated model chain for a potential upgrade from a standard monofacial PV installation in Jerusalem with high reflective ground reveals a possible increase of 20 % for bifacial silicon, 40 % for a monofacial tandem, and up to 60 % for perovskite/silicon bifacial tandem solar cells. Other optical aspects are also important for high efficiency multijunction solar cells. This thesis contains an investigation of the design of a metal grating backside reflector utilized in a world record III/V on silicon solar cells. The optical response is calculated with the finite element method and we further improve the design in our simulation with the help of Bayesian optimization, resulting in an improvement of the photocurrent density by 0.37 mA/cm² in the silicon junction. The installation of bifacial solar cells in free field installations opens the questions of the best geometry for the lowest levelized cost of electricity (LCOE). A simple economical model was developed to investigate the trade-offs between energy yield and land usage in terms of LCOE. Procedures based on bayesian optimization were used to minimize the LCOE of bifacial solar power plants and a potential cost reduction of up to 23 % is demonstrated compared to currently used rule-of-thumb estimations. The tools and results presented in this thesis will help to guide the future design of (tandem) solar cells and find optimal parameters for their integration in power plants. This will help to further reduce the LCOE of photovoltaic systems and support the global transition towards regenerative energies.
