DE102009019937A1 - Stapelsolarzelle mit reflektierender Zwischenschicht, sowie Anordnung dieser Solarzellen - Google Patents

Stapelsolarzelle mit reflektierender Zwischenschicht, sowie Anordnung dieser Solarzellen Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der Photovoltaik auf eine möglichst effiziente Anordnung von Stapelsolarzellen mit reflektierender Zwischenschicht, beispielsweise in einem Photovoltaikmodul. Die Aufgabe liegt darin, eine Anordnung von Stapelsolarzellen mit erhöhter Effizienz aufgrund einer erhöhten Lichtabsorption und eines erweiterten Absorptionsspektrums zur Verfügung zu stellen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der Photovoltaik auf eine möglichst effiziente Anordnung von Stapelsolarzellen mit reflektierender Zwischenschicht, beispielsweise in einem Photovoltaikmodul.
  • Im Bereich der Photovoltaik spielen Tandem- bzw. Stapelsolarzellen in den letzten Jahren verstärkt eine Rolle. Unter Tandemsolarzelle wird im Stand der Technik einerseits eine Stapelsolarzelle mit zwei oder mehreren durch Zwischenschichten voneinander getrennten photoaktiven Schichten, andererseits eine aufgefaltete Tandemsolarzelle mit zwei V-förmig zueinander angeordneten photoaktiven Schichten verstanden.
  • Einfachsolarzellen weisen den Nachteil auf, dass lediglich ein eingeschränktes Absorptionsspektrum aus genutzt werden kann. Im Falle von organischen Solarzellen kommt hinzu, dass die Lichtabsorption zusätzlich begrenzt ist. Durch Absorption von Licht mit einer Energie oberhalb der Bandkante der organischen Halbleiterkomponenten werden frei bewegliche Ladungsträger erzeugt. Diese müssen sich durch die photoaktive Schicht bewegen und an den Kontakten extrahiert werden. Geringe Ladungsträgermobilitäten und in Bezug darauf zu geringe Extinktionskoeffizienten führen dazu, dass entweder bei sehr dünnen photoaktiven Schichten ein Teil der einfallenden Strahlung nicht absorbiert (Absorptionsbegrenzung) werden kann, oder bei dickeren photoaktiven Schichten, ein Teil der photogenerierten Ladungsträger innerhalb der Verweildauer in der photoaktiven Schicht rekombiniert (Transportbegrenzung).
  • Um die Absorption zu erhöhen, wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, zwei Einzelsolarzellen V-förmig zueinander anzuordnen und den Winkel zwischen den beiden Einzelzellen so zu wählen, dass der Lichteinfallswinkel an die jeweiligen Materialien angepasst wird. Solche aufgespalteten Solarzellen werden beispielsweise in der DE 41 41 083 A1 beschrieben.
  • Die Nachteile der V-förmigen Anordnung von Solarzellen bestehen darin, dass maximal zwei Solarzellen mit gegebenenfalls unterschiedlicher Bandlücke eingesetzt werden können. Außerdem fallen 50% der einfallenden Strahlung zunächst auf die Solarzelle mit geringerer Bandlücke. Dies ist dann von Nachteil, wenn das Absorptionsspektrum der Solarzelle mit der kleinen Bandlücke (mit der Absorptionskante bei größeren Wellenlängen) sich mit dem Absorptionsspektrum der Solarzelle mit der größeren Bandlücke (mit der Absorptionskante bei kleineren Wellenlängen) überlappt.
  • Tendenziell haben organische Solarzellen mit optimierten Donator-/Akzeptorsystem mit einer Absorptionskante bei größeren Wellenlängen eine geringere offene-Klemmenspannung als Solarzellen mit einer Absorptionskante bei kleineren Wellenlängen. Aufgrund der Tatsache, dass oftmals gleiche Akzeptormaterialien mit großer Bandlücke verwendet werden, absorbieren Donor-Akzeptor Systeme mit unterschiedlicher Absorptionskante bei geringen Wellenlängen. Dies hat zur Folge, dass im ungünstigen Fall der Beleuchtung der Solarzellen mit der Absorptionskante bei großen Wellenlängen zuerst, ein Teil der hochenergetischen Strahlung nicht elektrisch genutzt werden kann, da die Energie über Thermalisierung abgegeben wird.
  • Andererseits können Tandemsolarzellen auch als Stapelsolarzellen ausgebildet sein. Durch Stapeln von Einzelzellen mit unterschiedlichen Absorptionskanten und deren serielle oder parallele Verschaltung kann die solare Energiekonversionseffizienz im Vergleich zu Einfachsolarzellen deutlich gesteigert werden. Der Grund dafür ist, dass ein breiterer Bereich des solaren Spektrums effizient genutzt werden kann. Die Einzelsolarzellen (oder die photoaktiven Schichten) sind durch eine Zwischenschicht voneinander getrennt. In der Stapelanordnung muss diese Zwischenschicht eine möglichst geringe Absorption der einfallenden Strahlung aufweisen, dass Licht auch die auf die zweite photoaktive Schicht einfallen kann. Im Falle der seriellen Verschaltung der Solarzellen muss diese Schicht einen Sprung im Vakuumniveau zwischen den Einzelzellen und somit eine effiziente Rekombination von Ladungsträgern benachbarter Zellen bewirken. Außerdem müssen die Flächenstromdichten der einzelnen Schichten aufeinander abgeglichen werden. Im Fall der parallelen Verschaltung der Einzelzellen muss die Flächenleitfähigkeit dieser Zwischenschicht hinreichend hoch für eine effiziente Ladungsträger Extraktion sein. Um eine optimale Lichtabsorption zu erzielen ist eine exakte Anpassung der Schichtdicken mit ihren spezifischen Brechungsindizes erforderlich. Dies erfordert eine exakte Herstellbarkeit dieser Schichtdicken. Für die Deposition der funktionalen Schichten (Elektroden, Halbleiter, dotierte Halbleiter, Rekombinationsschichten) kommen Vakuumverfahren und nasschemische Beschichtungs- und Druckverfahren in Frage. Die Kompatibilität der aufeinander folgenden Depositionsschritte ist essentiell, sowohl in Hinblick auf die Funktionalität (Verträglichkeit von Lösungsmitteln) als auch auf die Wirtschaftlichkeit (Wechsel zwischen Vakuumverfahren und nasschemischen Verfahren). Solche Stapelsolarzellen, insbesondere mit organischen photoaktiven Schichten, werden z. B. in der DE 103 26 546 A1 offenbart. Nachteilig an dieser Anordnung hat sich jedoch erwiesen, dass an die Zwischenschichten komplexe Anforderungen gestellt werden, wie beispielsweise geringe Absorption, geeigneter Brechungsindex, hohe Flächenleitfähigkeit. Die Verwirklichung dieser Anforderungen ist technisch anspruchsvoll und führt zu erhöhten Kosten bei der Herstellung.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Anordnung von Stapelsolarzellen zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile der im Stand der Technik bekannten Solarzellen und Solarzellenanordnungen beseitigt. Die erfindungsgemäße Anordnung von Stapelsolarzellen soll dabei eine erhöhte Effizienz aufgrund einer erhöhten Lichtabsorption und eines erweiterten Absorptionsspektrums verwirklichen. Außerdem soll die Anordnung technisch einfach und kostengünstig zu verwirklichen sein.
  • Diese Aufgabe wird durch die Stapelsolarzellenanordnung nach Anspruch 1 und die Photovoltaikanlage nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Stapelsolarzellenanordnung werden in den abhängigen Ansprüchen genannt.
  • Erfindungsgemäß weist eine Stapelsolarzellenanordnung mindestens eine Stapelsolarzelle, welche mindestens zwei photoaktive Schichten und mindestens eine reflektierende Zwischenschicht enthält, und mindestens einen Reflektor aufweist. Die mindestens zwei photoaktiven Schichten sind dabei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und werden durch die reflektierende Zwischenschicht voneinander getrennt. Die Stapelsolarzelle und der Reflektor wiederum sind durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet angeordnet und derart zueinander ausgerichtet, dass von der Stapelsolarzelle reflektierte Strahlung zumindest teilweise auf den Reflektor fällt und/oder dass vom Reflektor reflektierte Strahlung zumindest teilweise auf die Stapelsolarzelle fällt. Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht somit eine Mehrfachreflexion der einfallenden Strahlung. Somit kann beispielsweise Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs, welche von der photoaktiven Schicht absorbierbar ist, jedoch beim ersten Durchlaufen der photoaktiven Schicht nicht absorbiert wurde, sondern in Richtung des Reflektors gestrahlt wurde, durch Reflexion am Reflektor nochmals auf die photoaktive Schicht eingestrahlt werden.
  • Der durch die mindestens eine Solarzelle und den mindestens einen Reflektor aufgespannte Zwischenraum weist vorzugsweise einen als Eintrittsöffnung definierten Bereich auf der dem einfallenden Licht zuge wandten Seite und einen als Austrittsöffnung definierten Bereich auf der dem einfallenden Licht abgewandten Seite des Zwischenraums auf.
  • Um nun die Mehrfachreflexion möglichst effektiv auszunutzen, ist eine im Wesentlichen parallele Anordnung der mindestens einen Stapelsolarzelle und des mindestens einen Reflektors zueinander von Vorteil. Trifft Licht unter einem steilen Einfallswinkel auf den Reflektor bzw. die Stapelsolarzelle auf, so ist bei einer parallelen Anordnung auch bei einer geringen Ausdehnung von Reflektor und Stapelsolarzelle, d. h. bei einem geringen Abstand zwischen Eintritts- und Austrittsöffnung des Zwischenraums, eine Vielfachreflexion möglich. Damit besteht die Möglichkeit, dass der jeweils reflektierte Teil der Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs, welcher durch die Einzelsolarzelle absorbierbar ist, erneut auf die photoaktive Schicht trifft und zumindest teilweise absorbiert wird.
  • Vorzugsweise wird anstelle des mindestens einen Reflektors eine weitere Stapelsolarzelle mit mindestens zwei parallel zueinander angeordneten photoaktiven Schichten, welche durch mindestens eine reflektierende Zwischenschicht voneinander getrennt werden, verwendet. An den durch den Zwischenraum voneinander beabstandeten, einander gegenüberliegenden photoaktiven Schichten der Stapelsolarzelle und der anstelle des Reflektors verwendeten weiteren Stapelsolarzelle kann die einfallende Strahlung ganz oder teilweise absorbiert werden, teilweise reflektiert werden. Durch die Mehrfachreflexion innerhalb des Zwischenraums kann die Absorption von Licht eines mit den photoaktiven Schichten absorbierbaren Wellenlängenbereichs optimiert werden.
  • Sowohl die einander gegenüberliegenden photoaktiven Schichten der einen Zwischenraum bildenden Stapelsolarzellen als auch die photoaktiven Schichten einer einzelnen Stapelsolarzelle können Strahlung des gleichen oder auch eines unterschiedlichen Wellenlängenbereichs absorbieren. Bei gleichen photoaktiven Schichten bzw. bei Licht im gleichen Wellenlängenbereich absorbierenden photoaktiven Schichten wird somit die Absorption von Strahlung eben dieses Wellenlängenbereichs verbessert. Dabei ist es vorteilhaft, wenn insbesondere die einander gegenüberliegenden photoaktiven Schichten Licht unterschiedlicher Wellenlänge absorbieren, da somit die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass in den Zwischenraum einfallendes Licht absorbiert wird. In diesem Fall ist es möglich, ein erweitertes Absorptionsspektrum auszunutzen. Vorzugsweise sind die photoaktiven Schichten dann an die eingestrahlte Strahlung angepasst. Wird beispielsweise Licht eingestrahlt, welches Strahlung im Wellenlängenbereich A und im Wellenlängenbereich B enthält, so können die photoaktiven Schichten derart gewählt sein, dass eine der photoaktiven Schichten den Wellenlängenbereich A absorbiert, während die andere photoaktive Schicht Licht des Wellenlängenbereichs B absorbiert.
  • Alternativ kann als Reflektor auch ein Spiegel dienen. Vorzugsweise sollte der Spiegel dabei beidseitig reflektierend ausgebildet sein.
  • Der Spiegel kann ein dielektrischer Spiegel oder metallischer Spiegel, oder auch ein Schichtsystem aus metallischen und dielektrischen Schichten. Als Material für die dielektrischen Schichten eignet sich CrO, TiOx (Titanoxide), ZnO, WO3, V2O5, MoO3, Indiumzinnoxid (ITO), Antimon-dotiertes Zinnoxid (ATO). Als Materialien für metallische Schichten sind beispielsweise Aluminium, Chrom, Titan oder Silber einsetzbar. Die Schichtdicken der einzelnen Schichten betragen dabei einige nm bis wenige 100 nm. Die Anforderungen sind eine hohe Reflektivität insbesondere im Wellenlängenbereich, in dem die gegenüberliegende photoaktive Schicht absorbiert.
  • Die mindestens zwei photoaktiven Schichten der mindestens einen Stapelsolarzelle können gleiche oder unterschiedliche Materialien aufweisen. Die photoaktiven Schichten absorbieren dann Strahlung des gleichen oder eines unterschiedlichen Wellenlängenbereichs. Als Materialien bieten sich organische Halbleiter, anorganische Halbleiternanopartikel sowie Mischungen aus beiden an. Vorzugsweise wird bei der Wahl der Materialien für photoaktive Schichten darauf geachtet, dass der oder die Wellenlängenbereiche, in welchen die photoaktiven Schichten absorbieren, aus dem gesamten Sonnenspektrum ausgewählt sind. Das Sonnenspektrum überbrückt einen Wellenlängenbereich von 200 bis über 2000 nm. Das Intensitätsmaximum jedoch liegt bei Wellenlängen zwischen 350 bis 1000 nm, so dass vorzugsweise photoaktive Schichten, welche in dem Unterbereich von 350 bis 1000 nm absorbieren, verwendet werden.
  • Die photoaktiven Schichten einer Stapelsolarzelle können parallel oder in Reihe geschaltet sein.
  • Mindestens eine der mindestens zwei photoaktiven Schichten der Stapelsolarzelle absorbiert Strahlung eines ausgewählten Wellenlängenteilbereichs, welcher von der mindestens einen photoaktiven Schicht absorbiert ist, ganz oder teilweise.
  • Die mindestens eine reflektierende Zwischenschicht der Stapelsolarzelle ist vorzugsweise eine reflektierende Elektrode oder eine reflektierende Rekombinationsschicht. Als reflektierende Elektrode eignen sich Schichtsysteme, welche entweder aus dielektrischen Schichten oder aus einer Kombination aus metallischen und dielektrischen Schichten aufgebaut sind. Als Material für die dielektrischen Schichten eignet sich CrO, TiOx (Titanoxide), ZnO, WO3, V2O5, MoO3, Indiumzinnoxid (ITO), Antimon-dotiertes Zinnoxid (ATO). Als Materialien für metallische Schichten sind beispielsweise Aluminium, Chrom, Titan oder Silber einsetzbar. Die Schichtdicken der einzelnen Schichten betragen dabei einige nm bis wenige 100 nm. Die gesamte reflektierende Elektrode, welche zwischen mindestens zwei photoaktiven Schichten angeordnet ist, weist insgesamt vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 5 nm bis 1 mm auf.
  • Zwischen den an die reflektierende Schicht angrenzenden photoaktiven Schichten besteht bevorzugt ein guter Kontakt zum Löchertransportniveau oder zum Elektronentransportniveau, je nachdem, ob es sich um eine Anode oder eine Kathode handelt. Ein guter Kontakt bildet sich u. a. aus, wenn die Austrittsarbeit der Elektrode mit der Fermieenergie für die jeweiligen Ladungsträger übereinstimmt und der Halbleiter in direktem Kontakt mit der Elektrodenoberfläche ist.
  • Als Elektrodenkontakte, die auf eine photoaktive Schicht aufgedampft werden können, bieten sich Al, Ag, Ca oder LiF an. Als Elektrodenkontakte, auf welche eine photoaktive Schicht deponiert werden soll, können vorzugsweise Ti oder Cr verwendet werden.
  • Auf der der reflektierenden Schicht abgewandten Seite der photoaktiven Schichten ist vorzugsweise eine transparente Elektrode angeordnet. Als transparente Elektroden kommen z. B. Indium-Zinnoxid (ITO) Aluminium dotiertes Zinnoxid, Schichtsysteme aus dünnen Silberschichten und Metalloxiden sowie organische dotierte Halbleiterschichten in Frage.
  • Erfindungsgemäß baut die mindestens eine Solarzelle und der mindestens eine entsprechend zur Stapelsolarzelle angeordnete Reflektor einen Zwischenraum aus. Dieser kann mit Luft oder mit einem dielektrischen Material mit angepasstem Brechungsindex und geringer Lichtabsorption im Absorptionsbereich der photoaktiven Schichten aufgefüllt sein. Der Zwischenraum zwischen der mindestens einen Stapelsolarzelle und dem mindestens einem Reflektor ist derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen der Solarzelle und dem Reflektor einige 100 nm bis einige 10 cm, vorzugsweise einige 100 nm bis einige cm, beträgt oder in diesem Bereich variiert. Je nach Anwendungsfall kann der Abstand entsprechend angepasst werden. Der Abstand beeinflusst die Häufigkeit der Reflexionsereignisse beim Durchgang des Lichts durch den Zwischenraum.
  • Im Bereich der Eintrittsöffnung oder außerhalb des Zwischenraums in die Richtung, aus welcher Licht eingestrahlt ist, können optische Elemente und/oder streuende Schichten angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können auch im Bereich der der Austrittsöffnung oder außerhalb des Zwischenraums auf der Seite der Austrittsöffnung des Zwischenraums optische Elemente (Strukturen) oder Streuscheiben angeordnet sein. Als optische Elemente bieten sich beispielsweise Spiegel oder Linsen an, die vorzugsweise planar, planar gekippt, konvex oder konkav ausgebildet sind. Durch das Anbringen optischer Elemente und/oder streuender Schichten wird bewirkt, dass das Licht in einem geeigneten Winkel auf dem Reflektor bzw. auf die Stapelsolarzelle auftrifft. Insbesondere in dem Fall, dass die Stapelsolarzelle und der Reflektor im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und dass das Licht parallel dazu in den Zwischenraum eintritt, sind optische Elemente und/oder streuende Schichten vorteilhaft.
  • Vorzugsweise ist die Stapelsolarzellenanordnung derart relativ zur Einfallsrichtung der Strahlung geneigt, dass die einfallende Strahlung unter einem Winkel α auf die der einfallenden Strahlung zugewandte Seite der Stapelsolarzelle oder des Reflektors auftrifft. Der Winkel α beträgt dabei vorzugsweise einen Wert zwischen 0° und 90°, besonders bevorzugt zwischen 30° und 75°. Es ist von Vorteil, den Einfallswinkel an die Eigenschaften der photoaktiven Schichten anzupassen.
  • Jede Stapelsolarzelle kann auf einer oder beiden Seiten der reflektierenden Schicht zwei oder mehrere photoaktive Schichten, welche wiederum durch Zwischenschichten, wie beispielsweise Kontaktschichten oder transparente Elektroden, voneinander getrennt sind, aufweisen. Die auf einer Seite der reflektierenden Schicht angeordneten photoaktiven Schichten können dabei aus den gleichen oder unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sein und können Licht in gleichen oder unterschiedlichen Wellenlängenbereichen absorbieren.
  • Eine erfindungsgemäße Stapelsolarzellenanordnung kann auch mehr als eine Stapelsolarzelle und einen Reflektor enthalten. Die Stapelsolarzellen sind dann vorzugsweise nebeneinander angeordnet, so dass zwei Stirnseiten, welche nicht im Bereich der Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen liegen, benachbart sind. Alternativ können auch zwei Solarzellen übereinander angeordnet sein. Die beiden aneinander angrenzenden Solarzellen können dabei parallel zueinander ausgerichtet sein oder einen bestimmten Winkel einschließen. Die Reflektoren sind dann vorzugsweise entsprechend anzuordnen.
  • Die mindestens eine Stapelsolarzelle und/oder der mindestens eine Reflektor der erfindungsgemäßen Stapelsolarzellenanordnung sind vorzugsweise auf einem Substrat aufgebracht. Bei dem Substrat handelt es sich vorzugsweise um ein transparentes Substrat, so dass sich Licht in dem Medium, welches das Substrat ausbildet, sich fortpflanzen kann. Als Substrat werden daher bevorzugt dielektrische Materialien mit angepasstem Brechungsindex und geringer Lichtabsorption im Absorptionsbereich der photoaktiven Schichten verwendet.
  • Beispielsweise kann ein Substrat auf seiner Oberseite oder auch auf beiden Seiten ein Sägezahnprofil aufweisen, wobei jedoch lediglich jeweils eine Seite eines jeden Sägezahns mit einer Stapelsolarzelle besetzt ist. Die unbesetzte Seite ist vorzugsweise lichtdurchlässig.
  • Die mindestens eine Stapelsolarzelle und/oder der mindestens eine Reflektor der erfindungsgemäßen Solarzellenanordnung können auf einem Tracker angeordnet sein. Ändert sich also die Einstrahlungsrichtung des einfallenden Lichts, so können die Stapelsolarzelle und/oder der Reflektor entsprechend nachjustiert werden, dass das einfallende Licht eine Mehrfachreflexion durchläuft.
  • Eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Stapelsolarzellenanordnungen bilden eine Photovoltaikanlage. In einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage sind die einzelnen Stapelsolarzellenanordnungen nebeneinander (d. h. gegenüberliegende Stirnseiten der Anordnungen, welche nicht im Bereich der Eintritte- bzw. Austrittsöffnungen liegen, sind benachbart), versetzt nebeneinander (d. h. flächige Seiten der einzelnen Anordnungen liegen einander gegenüber), hintereinander, übereinander und/oder versetzt übereinander angeordnet. Benachbarte Solarzellen bzw. Reflektoren, welche übereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind, können abstandslos oder voneinander beabstandet angebracht sein. Weist die Photovoltaikanlage beispielsweise mehrere erfindungsgemäße Solarzellenanordnungen mit vertikal ausgerichteten Solarzellen und Reflektoren auf, wobei die Eintrittsöffnung des Zwischenraums durch die oberen horizontal ausgerichteten Stirnflächen der Solarzellen bzw. Reflektoren gebildet wird, so können mehrere Stapelsolarzellenanordnungen derart nebeneinander ausgerichtet sein, dass sämtliche Solarzellen und sämtliche Reflektoren im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und dass sich jeweils eine vertikale Stirnseite einer Solarzelle bzw. eines Reflektors mit einer vertikalen Stirnseite einer zusätzlichen Solarzelle bzw. eines zusätzlichen Reflektors gegenüberliegen. Desweiteren können auch jeweils die horizontalen Stirnseiten einander gegenüberliegen.
  • In einer Photovoltaikanlage können die einzelnen Stapelsolarzellenanordnungen Stapelsolarzellen mit photoaktiven Schichten, welche Licht eines gleichen oder eines unterschiedlichen Wellenlängenbereichs absorbieren, aufweisen. Sind beispielsweise mehrere Sta pelsolarzellenanordnungen übereinander angeordnet, so bietet es sich an, dass die Stapelsolarzellenanordnungen mit photoaktiven Schichten mit großer Bandlücke oben angeordnet sind, während weiter unten photoaktive Schichten mit einer kleineren Bandlücke angebracht sind. Es ist von Vorteil, wenn zunächst kurzwelliges Licht absorbiert wird und langwelliges Licht erst weiter unten absorbiert wird.
  • Die einzelnen photoaktiven Schichten bzw. die photoaktiven Schichten der Stapelsolarzellenanordnungen in einer Photovoltaikanlage können parallel oder seriell verschaltet sein.
  • Im Folgenden werden einige Beispiele für erfindungsgemäße Stapelsolarzellenanordnungen und Photovoltaikanlagen gegeben. Es zeigen
  • 1 einen Querschnitt durch zwei nacheinander angeordnete Solarzellenanordnungen,
  • 2A bis 2G jeweils einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage,
  • 3A bis 3D Verschaltungsmöglichkeiten für Stapelsolarzellen mit reflektierender Zwischenschicht, und
  • 4A bis 4C Ausschnitte aus einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage.
  • 1 zeigt den Querschnitt durch eine erste Stapelsolarzellenanordnung 11 und eine zweite Stapelso larzellenanordnung 12. Die erste und die zweite Stapelsolarzellenanordnung 11 und 12 weisen jeweils zwei Stapelsolarzellen 2, welche parallel zueinander ausgerichtet sind, auf. Die Stapelsolarzellen 2 weisen jeweils eine reflektierende Elektrode 3 auf, auf deren beiden flächigen Seiten jeweils eine photoaktive Schicht 4 angeordnet ist. Die beiden photoaktiven Schichten 4 weisen auf ihrer der reflektierenden Elektrode 3 abgewandten Seite eine transparente Elektrode 5 auf. Zwischen den jeweils zwei Stapelsolarzellen 2 einer Stapelsolarzellenanordnung 11 oder 12 ist ein Zwischenraum 6 ausgebildet. Jede der beiden Solarzellenanordnungen 11 und 12 weist eine Eingangsöffnung 7 und eine Ausgangsöffnung 8 auf, durch welche das Licht 9 (hier als Pfeile schematisch dargestellt) eintreten bzw. austreten kann.
  • Die beiden Solarzellenanordnungen 11 und 12 sind so zueinander angeordnet, dass die einzelnen Stapelsolarzellen 2 im Wesentlichen parallel zueinander stehen und dass das aus der Austrittsöffnung 8 der ersten Solarzellenanordnung 11 austretende Licht durch die Eintrittsöffnung 7 der zweiten Solarzellenanordnung 12 in diese eintreten kann. Die Mehrfachreflexion des einfallenden Lichts innerhalb der ersten und der zweiten Solarzellenanordnung 11 und 12 ist durch Pfeile 9 angedeutet.
  • In 2A ist ein vertikaler Schnitt durch einen Ausschnitt einer Photovoltaikanlage gezeigt. Es ist eine streifenförmige Anordnung dargestellt. Die einzelnen Stapelsolarzellen 2 und gegebenenfalls Reflektoren 21 bzw. Solarzellenanordnungen 11, 12, 13 stehen dabei vertikal und sind parallel zueinander ausgerichtet. Das einfallende Licht tritt unter einem Winkel β von ungefähr 45° auf die jeweils linke Seite einer Stapelsolarzelle 2 bzw. eines Reflektors 21 und wird teilweise absorbiert und teilweise reflektiert. Die Pfeile 9 zeigen die Mehrfachreflexion innerhalb eines Zwischenraums 6 einer Stapelsolarzellenanordnung 11, 12, 13. Dabei beeinflusst das Verhältnis von Lamellenabstand (Abstand zwischen mindestens zwei parallel angeordneten Solarzellen 2 bzw. Reflektoren 21) und der Lamellenlänge (hier die Ausdehnung der Solarzellen in vertikale Richtung bei vertikaler Ausrichtung der Solarzellen) die Häufigkeit der Reflexionsereignisse beim Durchlaufen des Lichts 9 durch den Zwischenraum 6.
  • 2B zeigt drei verschiedene Stapelsolarzellenanordnungen 11a, 11b und 11c, welche jeweils vertikal ausgerichtet sind. Im Falle der Stapelsolarzellenanordnung 11a fällt das Licht unter einem Winkel γ von ca. 45° zur Vertikalen in den Zwischenraum 6 ein und trifft unter einem Winkel β von ca. 45° auf die Stapelsolarzelle 2 bzw. den Reflektor 21 auf.
  • Im Falle der Solarzellenanordnung 11b fällt das Licht aus einer Richtung parallel zur Vertikalen in den Zwischenraum 6 ein. Im Bereich der Eintrittsöffnung 7 der Solarzellenanordnung 11b befindet sich eine Linse 70, welche das einfallende Licht 9 ablenkt, so dass es wiederum unter einen Winkel β von ca. 45° auf die Stapelsolarzellen 2 bzw. den Reflektor 21 auftrifft. Unterhalb der Austrittsöffnung 8 der Stapelsolarzelle 2 befindet sich ein planarer Spiegel 71, welcher das bereits mehrfach reflektierte Licht 9 zurück in den Zwischenraum 6 wirft.
  • Im Falle der Stapelsolarzellenanordnung 11c tritt das Licht 9 parallel zur Vertikalen in den Zwischenraum 6 ein und durchquert diesen, ohne an den Stapelsolar zellen 2 bzw. Reflektoren 21 gespiegelt zu werden. Im Bereich unterhalb der Austrittsöffnung 8 befindet sich ein konkav ausgebildeter Spiegel 72. Dieser reflektiert das Licht 9 derart, dass es unter einem Winkel β von ca. 45° auf die Solarzellen 2 bzw. Reflektoren 21 auftrifft und eine Mehrfachreflexion durchläuft.
  • 2C zeigt wiederum den vertikalen Schnitt durch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage. Die einzelnen Stapelsolarzellen 2 bzw. Reflektoren 21 sind dabei unter einem Winkel δ von ca. 45° zur Horizontalen ausgerichtet und parallel zueinander angeordnet. Das Licht 9 fällt aus einer vertikalen Richtung in den Zwischenraum 6 einer jeden Solarzellenanordnung 11, 12, 13 ein und trifft auf die nach oben zeigende Seite 2a der Solarzellen 2. Das eingestrahlte Licht 9 wird teilweise absorbiert, teilweise reflektiert.
  • 2D zeigt im Wesentlichen einen Ausschnitt, wie er bereits für 2C erklärt wurde. Jedoch sind jeweils zwei Stapelsolarzellen 2 bzw. Reflektoren 21 übereinander abstandslos angeordnet, so dass ein verlängerter Zwischenraum entsteht und das einfallende Licht häufiger reflektiert wird.
  • Ein ähnliches Bild zeigt auch 2E, wobei die einzelnen übereinander angeordneten Solarzellen 2 beabstandet voneinander angebracht sind.
  • 2F zeigt nun wiederum einen Schnitt durch einen Ausschnitt einer Photovoltaikanlage, wobei wiederum jeweils zwei Stapelsolarzellen 2 bzw. Reflektoren 21 übereinander angeordnet sind. Die oberen der Stapelsolarzellen 2a bzw. Reflektoren 21a sind wie in 2B dargestellt, angeordnet. Die unteren Stapelsolarzellen 2b bzw. Reflektoren 21b sind dagegen spiegelverkehrt dazu angeordnet, so dass jeweils eine obere und eine untere Stapelsolarzelle bzw. Reflektor einen Winkel von ungefähr 90° einschließen.
  • 2G zeigt eine Aufsicht auf eine Photovoltaikanlage. Diese ist derart gestaltet, dass jeweils zwei erfindungsgemäße Solarzellenanordnungen 11a, 12a, 11b, 12b eine rautenförmige Einfallsöffnung 7 ausbildet. Der kleinere Winkel der Rautenform ist mit α bezeichnet. Die Aufsicht zeigt nun einen Ausschnitt aus einem Rautennetz. Das Licht fällt in dieser Anordnung in eine Vielzahl von „Tunnels” ein und wird an den „Tunnelwänden” reflektiert oder absorbiert.
  • 3A zeigt eine Stapelsolarzelle 2, wie sie in der erfindungsgemäßen Stapelsolarzellenanordnung 11 verwendbar ist. Die Stapelsolarzelle 2 weist eine reflektierende Elektrode 3 mit einer oberen und einer unteren Seite 3a und 3b auf. Auf der unteren und der oberen Seite 3a und 3b der reflektierenden Elektrode 3 ist jeweils eine photoaktive Schicht 4 angeordnet. Die von der reflektierenden Elektrode 3 abgewandte Seite der photoaktiven Schicht 4 weist jeweils eine transparente Elektrode 5 auf. Mit 9 ist wieder das einfallende Licht bezeichnet.
  • 3B zeigt nun eine Stapelsolarzelle 2 wie in 3A in Parallelschaltung. Dabei dient die reflektierende Elektrode 3 beispielsweise als Anode und die transparenten Elektroden 5 als Kathode oder umgekehrt. Die beiden transparenten Elektroden 5 sind miteinander verbunden.
  • In 3C ist nun eine Stapelsolarzelle in Serien schaltung dargestellt. Eine reflektierende Rekombinationsschicht 3 weist auf ihrer einen Seite eine n-dotierte 41 und auf ihrer unteren Seite eine p-dotierte 42 Schicht auf. Auf der jeweils von der reflektierenden Rekombinationsschicht 3 abgewandten Seite der dotierten Schichten 41, 42 befindet sich eine photoaktive Schicht 4, die wiederum mit einer transparenten Elektrode 51, 52 in Kontakt ist. Die transparente Elektrode 51 auf der Seite der reflektierenden Rekombinationsschicht 3, auf welcher die n-dotierte Schicht 41 angeordnet ist, dient als Anode, die transparente Elektrode 52 auf der anderen Seite der reflektierenden Rekombinationsschicht 3 mit der p-dotierten Schicht 42 dient als Kathode.
  • In 3D sind nun Stapelsolarzellen 2 mit Durchkontaktierung dargestellt. Man erkennt vier durchkontaktierte Stapelsolarzellen 2. Mittig befindet sich eine elektrisch leitfähige Schicht 31, welche alle Stapelsolarzellen 2 miteinander verbindet. Jede Stapelsolarzelle 2 weist oberhalb und unterhalb der elektrisch leitfähigen Schicht 31 jeweils eine dielektrische Schicht 43 auf. Die von der elektrisch leitfähigen Schicht 31 abgewandte Seite der dielektrischen Schicht 43 ist mit einer reflektierenden Elektrode 3 versehen, welche jeweils als Anode dienen können. Auf der der dielektrischen Schicht 43 abgewandten Seite der reflektierenden Elektroden 3 befindet sich jeweils eine photoaktive Schicht 4. Alle vier Stapelsolarzellen 2 sind in eine transparente Elektrode 5 mit Querleitfähigkeit eingebettet, welche als Anode verwendet wird. Die reflektierenden Elektroden 3 der einzelnen Stapelsolarzellen 2 sind dabei nicht mit der transparenten Elektrode 5 in Kontakt. Die reflektierenden Elektroden 3 sowie die transparente Elektrode 5 können auch als Kathode eingesetzt werden.
  • Die mit den 1 und 2A bis 2G beschriebenen Ausschnitte aus Photovoltaikanlagen bzw. Stapelsolarzellenanordnungen können auf flächigen Substraten oder auf dreidimensional strukturierten Substraten aufgebracht sein. Der Neigungswinkel der Lamellen kann den optimalen Nutzbedingungen entsprechend eingestellt werden.
  • In 4A ist ein System auf einem strukturierten Substrat, wie es in 4B dargestellt ist, dargestellt. Die Oberflächentopographie entspricht einem Sägezahnprofil mit einem Flankenwinkel von 45°.
  • 4A zeigt den Querschnitt durch ein Sägezahnförmiges Substrat 80, wobei jeder Sägezahn eine vertikale Seite 81 und eine geneigte Seite 82 aufweist. Auf der geneigten Seite 82 befinden sich Stapelsolarzellen 2 mit Parallelschaltung. Im Bereich der Spitzen 83 des Sägezahnprofils ist eine Streifenelektrode 32 zur Kontaktierung der transparenten Elektroden 5 angeordnet. In 4A sind zwei derart gestaltete Sägezahnprofile 80 übereinander angeordnet.
  • Derartige Strukturen lassen sich mit mikromechanischen Bearbeitungsverfahren und auch interferenzlithographisch herstellen. Nach der Erzeugung einer Urstruktur kann diese in ein optisch transparentes Material des Substrats 80 repliziert werden. Die Stapelsolarzellen 2 in dieser Anordnung sind parallel verschaltet. Dabei ist die intransparente Elektrode 3 eine gemeinsame Elektrode. Die Solarzelle 2 kann sowohl mit aus der Lösung deponierten Schichten als auch aus aufgedampften Materialien aufgebaut werden Hier wird der Aufbau auf der Basis aufgedampfter Schichten betrachtet. Als erste Schicht wird eine optisch transparente Elektrode 5 mit hinreichend hoher Flächenleitfähigkeit abgeschieden. Die Anforderungen an die Flächenleitfähigkeit sind abhängig von der Breite der Lamellen bzw. der einzelnen Solarzelle 2 und können für Lamellen von einigen zehn Mikrometern einige hundert Ohm betragen. Um einen effizienten Transport des Stromes in Ausdehnungsrichtung der Lamellen 2 zu gewährleisten, kann unterstützend eine Streifenelektrode 32 auf den Spitzen 83 des Sägezahnprofis 80 aufgebracht werden. Dies kann entweder durch Aufdampfen einer Metallschicht unter flachem Winkel, oder durch Drucken erfolgen. Die Streifenelektrode 32 sollte beide transparente Elektroden 5 kontaktieren. Das Aufdampfen der funktionalen Schichten (transparente Elektroden 5, dotierte Kontaktschichten 41, 42, photoaktive Schichten 5) der Solarzelle 2 erfolgt nahezu senkrecht. Es muss lediglich durch die eigene Verschattung gewährleistet werden, dass die vertikalen Flächen 81 des Substrats in der Beschichtungsprozesse bedeckt werden. Die intransparente Elektrode 3 kann aus einem Schichtsystem bestehen. Die Anforderungen sind ein jeweils guter (geringe Barriere) Kontakt zum jeweiligen Halbleiter, sowie eine hinreichende Flächenleitfähigkeit. Als Elektronenkontakte, die auf die photoaktive Schicht 4 aufgedampft werden haben sich Al, Ag, Ca, LiF als geeignet herausgestellt. Als Elektronenkontakte, auf welche die darauf folgende photoaktive Schicht 4 deponiert wird haben sich Ti und Cr als geeignet herausgestellt. Als transparente Elektroden 5 kommen z. B. Indium-Zinnoxid (ITO), Aluminium-dotiertes Zinnoxid, Schichtsysteme aus dünnen Silberschichten und Metalloxiden, sowie organische dotierte Halbleiterschichten in Frage. In der dargestellten Anordnung sind zwei strukturierte mit Stapelsolarzellen 2 ausgestattete Substrate 80 übereinander angeordnet. Diese Konfiguration erlaubt die optische Hintereinanderschaltung von bis zu vier Solarzellen 2 mit unterschiedlicher Bandlücke. Um Reflexionsverluste zu minimieren, sind beide Strukturen 80 mit einem Material mit möglichst ähnlichem Brechungsindex gefüllt und beide Ebenen optisch aneinander gekoppelt.
  • Ein Ausführungsbeispiel flächiger, lamellar angeordneter Solarzellen 2 zeigt 4C. Die Lamellen 20 (hier Module) basieren auf durchkontaktierten Bifacialen Stapelsolarzellen 2. Die Positionierung kann in einem äußeren Rahmen erfolgen. Die Lamellen tragen zu Modulen 20 seriell verschaltete Solarzellen 2. Die Verschaltung der Einzelsolarzellenflächen 2 zu Solarmodulen 20 mit entsprechend hoher Spannung sollte in Richtung der Längsausdehnung der Lamellen 20 erfolgen, um Strombegrenzungen durch eine Verschaltung von kompletten Einzelsolarzellen 2 zu umgehen.
  • Die Stapelsolarzellenanordnung der vorliegenden Erfindung ermöglicht im Gegensatz zu konventionellen aufgefalteten Tandemkonzepten eine sinnvolle Bestrahlungsreihenfolge von mehr als zwei Solarzellen unterschiedlicher Bandlücke und erhöht die solare Energiekonventionseffizienz durch Vielfachreflexion und serielle Anordnung von Solarzellen mit unterschiedlicher Bandlücke zu erhöhen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4141083 A1 [0004]
    • - DE 10326546 A1 [0007]

Claims (15)

  1. Stapelsolarzellenanordnung mit mindestens einer Stapelsolarzelle und mindestens einem Reflektor, wobei die mindestens eine Stapelsolarzelle mindestens zwei parallel zueinander angeordnete photoaktive Schichten und zumindest eine reflektierende Zwischenschicht enthält, wobei die mindestens eine reflektierende Zwischenschicht zwischen zwei der mindestens zwei photoaktiven Schichten angeordnet ist, und wobei die mindestens eine Stapelsolarzelle und der mindestens eine Reflektor durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet angeordnet sind und derart zueinander ausgerichtet sind, dass von der Stapelsolarzelle reflektierte Strahlung zumindest teilweise auf den Reflektor fällt und/oder dass vom Reflektor reflektierte Strahlung zumindest teilweise auf die Stapelsolarzelle fällt.
  2. Stapelsolarzellenanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stapelsolarzelle und der mindestens eine Reflektor im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
  3. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Reflektor eine Stapelsolarzelle oder ein Spiegel, bevorzugt ein doppelseitig reflektierender Spiegel, ist.
  4. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei photoaktiven Schichten der mindestens einen Stapelsolarzelle Strahlung des gleichen oder eines unterschiedlichen Wellenlängenteilbereichs absorbieren, wobei der oder die Wellenlängenteilbereiche aus dem gesamten Sonnenspektrum ausgewählt sind.
  5. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens zwei photoaktiven Schichten der mindestens einen Stapelsolarzelle Strahlung eines Wellenlängenteilbereichs, welcher von der mindestens einen photoaktiven Schicht absorbierbar ist, ganz oder teilweise absorbiert.
  6. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine reflektierende Zwischenschicht der Stapelsolarzelle eine reflektierende Elektrode oder eine reflektierende Rekombinationsschicht ist.
  7. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich oder oberhalb einer Öffnung des Zwischenraumes, durch welche Strahlung in die Stapelsolarzellenanordnung eintritt, und/oder im Bereich einer Öffnung des Zwischenraums, durch welchen Strahlung aus der Solarzellenanordnung austritt, optische Elemente und/oder streuende Schichten angeordnet sind.
  8. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stapelsolarzelle und/oder der mindestens eine Reflektor relativ zur Einfallsrichtung der Strahlung derart geneigt ist, dass die einfallende Strahlung unter einem Winkel α auf die der einfallenden Strahlung zugewandte Seite der Stapelsolarzelle auftrifft, wobei 0° > α > 90°, insbesondere 30° > α > 75°, gilt.
  9. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zueinander benachbarten Stapelsolarzellen, welche in einem bestimmten Winkel zueinander ausgerichtet sind, und zwei zueinander benachbarten Reflektoren, welche in einem bestimmten Winkel zueinander ausgerichtet sind, einander gegenüberliegen, wobei die zwei Stapelsolarzellen und die zwei Reflektoren jeweils übereinander oder nebeneinander angeordnet sind.
  10. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stapelsolarzelle und/oder der mindestens eine Reflektor auf einem Substrat, vorzugsweise einem transparenten Substrat, aufgebracht sind.
  11. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stapelsolarzelle und/oder der mindestens eine Reflektor auf einem Tracker angeordnet sind.
  12. Photovoltaikanlage mit einer Vielzahl an Stapelsolarzellenanordnungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelsolarzellenanordnungen nebeneinander, versetzt nebeneinander, hintereinander, übereinander und/oder versetzt übereinander angeordnet sind.
  13. Photovoltaikanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass übereinander und/oder nebeneinander angeordnete Stapelsolarzellenanordnungen abstandslos oder voneinander beabstandet angeordnet sind.
  14. Photovoltaikanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelsolarzellenanordnungen photoaktive Schichten aufweisen, welche Strahlung des gleichen oder eines unterschiedlichen Wellenlängenteilbereiches absorbieren.
  15. Photovoltaikanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die photoaktiven Schichten der Stapelsolarzellen in übereinander angeordneten Stapelsolarzellenanordnungen mit wachsendem Abstand von einer Öffnung, durch welche Strahlung in den oder die Zwischenräume der Photovoltaikanlage eintritt, langwelligere Strahlung absorbieren.
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