DE102012224174B4

DE102012224174B4 - Photocell with a layer sequence for up-converting photon energy and a semiconductor layer

Info

Publication number: DE102012224174B4
Application number: DE102012224174.4A
Authority: DE
Inventors: Holger Reinecke; Patrick Doria
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2032-12-22
Also published as: DE102012224174A1

Abstract

Photozelle (100), mit folgenden Merkmalen: einer Schichtfolge (110) zum Aufwärts-Konvertieren von Photonenenergie; und einer Halbleiterschicht (120), die auf der Schichtfolge (110) angeordnet ist, wobei die Halbleiterschicht (120) eine Energiebandlücke (Eg) aufweist; wobei die Halbleiterschicht (120) ausgebildet ist, um einfallende Photonen (101) mit einer Energie (Eph0), die zumindest der Energiebandlücke (Eg) der Halbleiterschicht (120) entspricht, zu absorbieren; wobei die Schichtfolge (110) ausgebildet ist, um die Anfangsenergie (Eph1) von durch die Halbleiterschicht (120) transmittierten niederenergetischen Photonen (121) auf eine Ausgangsenergie (Eph2) zu erhöhen, so dass die Ausgangsenergie (Eph2) mindestens der Energiebandlücke (Eg) der Halbleiterschicht (120) entspricht; und wobei die Schichtfolge (110) ausgebildet ist, um die Photonen (125) mit der Ausgangsenergie (Eph2) in Richtung der Halbleiterschicht (120) zu lenken; wobei die Schichtfolge (110) ein erstes Paar (130) von Reaktionsschichten mit einer ersten Reaktionsschicht (132) und einer zweiten Reaktionsschicht (134) aufweist; wobei die erste Reaktionsschicht (132) ausgebildet ist, um eine Photon-Elektron-Wechselwirkung zwischen den durch die Halbleiterschicht (120) transmittierten niederenergetischen Photonen (121) mit der Anfangsenergie (Eph1), die auf die erste Reaktionsschicht (132) auftreffen, und Elektronen, die sich in der ersten Reaktionsschicht (132) befinden, zu bewirken; wobei die erste Reaktionsschicht (132) ausgebildet ist, um die Elektronen, die sich in der ersten Reaktionsschicht (132) befinden, von einem niederenergetischen Zustand (Ek1) mittels der durch die Halbleiterschicht (120) transmittierten niederenergetischen Photonen (121) mit der Anfangsenergie (Eph1), die auf die erste Reaktionsschicht (132) auftreffen, in einen höherenergetischen Zustand (Ek2) zu versetzen; wobei die zweite Reaktionsschicht (134) ausgebildet ist, um Phononen mit einer ersten Phononenenergie (Eω1) für die erste Reaktionsschicht (132) bereitzustellen; ...A photocell (100), comprising: a layer sequence (110) for up-converting photon energy; and a semiconductor layer (120) disposed on the layer sequence (110), the semiconductor layer (120) having an energy bandgap (Eg); wherein the semiconductor layer (120) is adapted to absorb incident photons (101) having energy (Eph0) corresponding to at least the energy bandgap (Eg) of the semiconductor layer (120); wherein the layer sequence (110) is designed to increase the initial energy (Eph1) of low-energy photons (121) transmitted through the semiconductor layer (120) to an output energy (Eph2) such that the output energy (Eph2) of at least the energy band gap (Eg) the semiconductor layer (120) corresponds; and wherein the layer sequence (110) is designed to direct the photons (125) with the output energy (Eph2) in the direction of the semiconductor layer (120); wherein the layer sequence (110) comprises a first pair (130) of reaction layers having a first reaction layer (132) and a second reaction layer (134); wherein the first reaction layer (132) is adapted to effect a photon-electron interaction between the low energy photons (121) transmitted through the semiconductor layer (120) having the initial energy (Eph1) impinging on the first reaction layer (132) and electrons effecting in the first reaction layer (132); wherein the first reaction layer (132) is configured to move the electrons located in the first reaction layer (132) from a low energy state (Ek1) by means of the low energy photons (121) having the initial energy (12) transmitted through the semiconductor layer (120). Eph1) impinging on the first reaction layer (132) to place in a higher energy state (Ek2); wherein the second reaction layer (134) is configured to provide phonons having a first phonon energy (Eω1) for the first reaction layer (132); ...

Description

Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf eine Photozelle mit einer Schichtfolge zum Aufwärts-Konvertieren von Photonenenergie und einer Halbleiterschicht. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf eine Photozelle, die auf einer Anti-Stokes-Verschiebung basiert, bzw. eine „Anti-Stokes-Enhanced-Cell” (ASEC).Embodiments of the invention relate to a photocell having a layer sequence for up-converting photon energy and a semiconductor layer. Further embodiments of the invention relate to a photocell based on an anti-Stokes shift or an "anti-Stokes-enhanced cell" (ASEC).

Die direkte Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren durch das Sonnenlicht hat in den letzten Jahren ein sehr großes Interesse geweckt. Ein Grund dafür ist beispielsweise die Möglichkeit, Elektrizität in Solarzellen oder Wasserstoff durch eine photokatalytische Wasserspaltung zu erzeugen. Um das zu leisten, verwendet man insbesondere Halbleitermaterialien, weil sie die geeignetsten Eigenschaften für die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren haben.The direct generation of electron-hole pairs by sunlight has aroused great interest in recent years. One reason for this is, for example, the possibility of generating electricity in solar cells or hydrogen by photocatalytic water splitting. In order to achieve this, semiconductor materials are used in particular because they have the most suitable properties for the generation of electron-hole pairs.

Um Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband zu promovieren, muss die Wellenlänge der einschlagenden Sonnenstrahlung eine Energie haben, die vergleichbar ist mit der Bandlückenenergie (Eg), die den Halbleiter charakterisiert. Das liegt daran, dass Photonen mit einer geringeren Energie, die unterhalb der Bandlückenenergie des Materials liegt, kein Elektron-Loch-Paar erzeugen können. Die einzigen Wechselwirkungen, die stattfinden können, sind die Erzeugung von Wärme, falls Photonen absorbiert werden oder die ungestörte Durchquerung der Photonen durch den Halbleiter, der sich dabei als transparentes Medium verhält. Andererseits, falls die Photonen eine größere Energie als die Bandlücke haben, kann nur ein Bruchteil der überschüssigen Energie in nützliche Ausgabe konvertiert werden. Die restliche Energie ist verantwortlich für eine schnelle Vereinigung der positiven und negativen Ladungsträger. Daher erzeugt man einen Gegeneffekt, wie es in Ashcroft, Neil W.; Mermin, N. David (1976); Solid State Physics; Holt, Rinehart and Winston, Seiten 660 bis 670, beschrieben wird.To promote electrons from the valence band to the conduction band, the wavelength of the incident solar radiation must have an energy comparable to the bandgap energy (Eg) that characterizes the semiconductor. This is because photons with lower energy, which is below the bandgap energy of the material, can not produce an electron-hole pair. The only interactions that can take place are the generation of heat if photons are absorbed or the undisturbed passage of the photons through the semiconductor, which behaves as a transparent medium. On the other hand, if the photons have greater energy than the bandgap, only a fraction of the excess energy can be converted to useful output. The rest of the energy is responsible for a fast unification of the positive and negative charge carriers. Therefore, one generates a counter effect as described in Ashcroft, Neil W .; Mermin, N. David (1976); Solid State Physics; Holt, Rinehart and Winston, pages 660-670.

Aufgrund der direkten Abhängigkeit der Wechselwirkung vom Material und der Wellenlänge des einschlagenden Photons kann nur ein gewisser Teil des gesamten Sonnenlichtspektrums verwendet werden. Die heutzutage am häufigsten verwendeten Materialien weisen Silizium auf und können nur Wellenlängen absorbieren, die vergleichbar sind mit der eigenen Bandlückenenergie (gegeben durch die Gleichung hν = Eg, wobei ν die Frequenz des einschlagenden Photons ist). Diese Begrenzung wird durch das sogenannte Shockley-Queisser-Limit gut beschrieben, das einen theoretischen Wirkungsgrad zwischen einschlagenden Photonen und erzeugten Elektronen von 31% bei einer Bandlücke von 1,3 eV (ca. 950 nm) feststellt, wie es in William Shockley, Hans J. Queisser: Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells; In: Journal of Applied Physics. 32, Nr. 3, 1961, S. 510–519 beschrieben wird. Es ist im Übrigen bekannt, dass die Möglichkeit besteht, (Solar-)Zellen mit mehreren unterschiedlichen Schichten zu bauen, die diese theoretische Grenze überschreiten können. Man kann zwar einen Wirkungsgrad von bis zu 86% erreichen, aber dies ist nur durch eine unendliche Anzahl von Halbleiterschichten denkbar, wie es in De Vos, „Detailed balance limit of the efficiency of tandem solar cells”, Journal of Physics D: Applied Physics Volume 13, Issue 5 (14 May 1980), S. 839–846 beschrieben wird. Insbesondere ist diese bekannte Möglichkeit in der Realität und für eine marktreife Produktion undenkbar.Due to the direct dependence of the interaction of the material and the wavelength of the impacting photon only a certain part of the total solar spectrum can be used. The most commonly used materials today are silicon and can only absorb wavelengths that are comparable to their own bandgap energy (given by the equation hν = Eg, where ν is the frequency of the impacting photon). This limitation is well described by the so-called Shockley-Queisser limit, which establishes a theoretical efficiency between impacting photons and generated electrons of 31% at a band gap of 1.3 eV (about 950 nm), as described in William Shockley, Hans J. Queisser: Detailed Balance of Efficiency of PN Junction Solar Cells; In: Journal of Applied Physics. 32, No. 3, 1961, pp. 510-519. It is also known that it is possible to build (solar) cells with several different layers that can exceed this theoretical limit. Although it can achieve an efficiency of up to 86%, but this is only by an infinite number of semiconductor layers conceivable, as described in De Vos, "Detailed balance of the limit of the efficiency of tandem solar cells", Journal of Physics D: Applied Physics Volume 13, Issue 5 (14 May 1980), pp. 839-846. In particular, this known possibility is unthinkable in reality and for marketable production.

Bei anderen Applikationen, wie z. B. die photokatalytische Wasserspaltung, ist nicht nur die Bandlückenenergie Eg wichtig, die als Differenz von Leitungsbandenergie (EL) und Valenzbandenergie (EV) entsteht, sondern auch die Größe von EL und EV, wie es in Michael G. Walter: Solar Water Splitting Cells In: Chem. Rev. 110, 2010, S. 6448 Kap. 2 beschrieben wird. In diesem Fall kann man Verbindungshalbleiter der III- und IV-Gruppe verwenden, die aber nur für die Absorption von Ultraviolettstrahlung (UV) geeignet sind, wie es in Ashcroft, Neil W.; Mermin, N. David (1976); Solid State Physics; Holt, Rinehart and Winston, AKIRA FUJISHIM; KENICHI HONDA: Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode In: Nature. Vol. 238, 1972, S. 37–38 sowie Mark Z. Jacobson (2009). Review of Solutions to Global Warming, Air Pollution, and Energy Security p. 4. http://2www.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/ReviewSoIGW09.pdf beschrieben wird.For other applications, such. As the photocatalytic water splitting, not only the bandgap energy Eg is important, which arises as a difference of conduction band energy (EL) and valence band energy (EV), but also the size of EL and EV, as in Michael G. Walter: Solar Water Splitting Cells In: Chem. Rev. 110, 2010, p. 6448 chap. 2 will be described. In this case, it is possible to use compound semiconductors of the III and IV groups, but which are only suitable for the absorption of ultraviolet radiation (UV), as described in Ashcroft, Neil W .; Mermin, N. David (1976); Solid State Physics; Holt, Rinehart and Winston, AKIRA FUJISHIM; KENICHI HONDA: Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode In: Nature. Vol. 238, 1972, pp. 37-38 and Mark Z. Jacobson (2009). Review of Solutions to Global Warming, Air Pollution, and Energy Security p. 4. http://2www.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/ReviewSoIGW09.pdf is described.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Spektrums 500 der Sonnenstrahlung in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 250 nm bis 2,5 μm. Mit Bezug auf 5 kann man deutlich erkennen, wie klein das Absorptionsspektrum der Verbindungshalbleiter, das von 0 bis ungefähr 400 nm (z. B. Wellenlängenbereich 502) geht, im Vergleich zum Spektrum 500 der Sonnenstrahlung ist. Auch die Absorption mit den Siliziummaterialien ist sehr gering, wobei deren Absorptionsspektrum in den Infrarotbereich von ungefähr 950 nm bis 1008 nm (z. B. Wellenlängenbereich 504) fällt. Hierzu ist insbesondere anzumerken, dass, wenn die Sonne sich am Zenit befindet, man auf der Oberfläche des Meeresspiegels eine Energieaufteilung pro Quadratmeter von ungefähr 527 W im Infraroten (IR), 445 W im sichtbaren Licht (VIS) und 32 W im Ultravioletten (UV) vorfindet. 5 shows a schematic representation of an exemplary spectrum 500 the solar radiation in a wavelength range of about 250 nm to 2.5 microns. Regarding 5 It can clearly be seen how small the absorption spectrum of the compound semiconductors, from 0 to about 400 nm (eg wavelength range 502 ) goes, compared to the spectrum 500 the solar radiation is. Also, the absorption with the silicon materials is very low, with their absorption spectrum in the infrared range of about 950 nm to 1008 nm (eg wavelength range 504 ) falls. In particular, it should be noted that when the sun is at its zenith, an energy split per square meter of about 527 W in the infrared (IR), 445 W in the visible light (VIS), and 32 W in the ultraviolet (UV ) finds.

Somit kann nur ein vergleichsweise kleiner Teil des Spektrums der Sonnenstrahlung, wie es in 5 beispielhaft dargestellt ist, absorbiert werden. Die restliche Energie hingegen, die das Sonnenlicht zur Verfügung stellt, bleibt deswegen ungenutzt. Folglich wird ein hohes Potential bzw. eine große Bandbreite des Sonnenlichtspektrums nicht genutzt.Thus, only a comparatively small part of the spectrum of solar radiation, as in 5 is exemplified absorbed. On the other hand, the remaining energy provided by sunlight remains unused. Consequently, a high potential or a large bandwidth of the sunlight spectrum not used.

Aus der US 2012/0 266 939 A1 ist eine Vorrichtung mit einer Solarzelle, einer Spektralmodifikationsschicht und einer Reflexionsschicht bekannt. Die Spektralmodifikationsschicht umfasst Partikel für eine Raman-Verschiebung und Reflexionspartikel.From the US 2012/0 266 939 A1 For example, a device with a solar cell, a spectral modification layer and a reflection layer is known. The spectral modification layer comprises particles for a Raman shift and reflection particles.

Die US 2010/0 288 344 A1 offenbart eine Solarzelle, die eine Absorptionsschicht und eine Emulsion zwischen der Absorptionsschicht und einer reflektierenden Rückschicht aufweist. Die Emulsion weist Kristalle auf, durch die Infrarot-Photonen in Photonen im sichtbaren Bereich umgewandelt werden.The US 2010/0288344 A1 discloses a solar cell having an absorption layer and an emulsion between the absorption layer and a reflective backing layer. The emulsion has crystals that convert infrared photons into photons in the visible region.

Aus der US 2012/0 031 466 A1 sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, um einfallende Strahlung unter Verwendung von Chromophoren aufwärts zu konvertieren.From the US 2012/0 031 466 A1 For example, devices and methods are known for upwardly converting incident radiation using chromophores.

Die US 4 188 239 A lehrt die Verwendung von verschiedenen Farbstoffen mit unterschiedlichen Absorptions- und Emissionsspektren für einen lumineszierenden Solarkollektor.The US 4,188,239 A teaches the use of different dyes with different absorption and emission spectra for a luminescent solar collector.

Die WO 2003/079 457 A1 lehrt eine Solarzellenkonstruktion, die eine photovoltaische Schicht, eine Aufwärts-Konvertierungsschicht und einen Reflektor aufweist. Zwischen der photovoltaischen Schicht und der Aufwärts-Konvertierungsschicht ist ein Isolator angeordnet.The WO 2003/079457 A1 teaches a solar cell construction having a photovoltaic layer, an up-conversion layer, and a reflector. Between the photovoltaic layer and the up-conversion layer, an insulator is arranged.

Aus der US 2010/0 224 248 A1 ist ein spektraler Konzentrierer bekannt, der einen Luminanzstapel aufweist. Der in dem Luminanzstapel stattfindende Prozess beruht auf einer Abwärts-Konvertierung oder einer Aufwärts-Konvertierung der einfallenden Sonnenstrahlung, wobei die emittierte Strahlung lateral zwischen Reflektoren geführt wird.From the US 2010/0 224 248 A1 For example, a spectral concentrator is known which has a luminance stack. The process taking place in the luminance stack is based on down conversion or upconversion of the incident solar radiation, the emitted radiation being conducted laterally between reflectors.

Ein generelles Problem der im Vorhergehenden beschriebenen bekannten Konzepte ist somit, dass mit diesen nur ein vergleichsweise kleiner Teil des Spektrums der Sonnenstrahlung verwendet werden kann, so dass ein hohes Potential bzw. eine große Bandbreite des Sonnenlichtspektrums ungenutzt bleibt.A general problem of the known concepts described above is thus that only a comparatively small part of the spectrum of the solar radiation can be used with these, so that a high potential or a wide bandwidth of the sunlight spectrum remains unused.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Photozelle zu schaffen, die eine verbesserte Lichtausbeute ermöglicht.The object of the present invention is to provide a photocell which enables improved light output.

Diese Aufgabe wird durch eine Photozelle nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a photocell according to claim 1.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Photozelle mit folgenden Merkmalen:
einer Schichtfolge zum Aufwärts-Konvertieren von Photonenenergie; und
einer Halbleiterschicht, die auf der Schichtfolge angeordnet ist, wobei die Halbleiterschicht eine Energiebandlücke (Eg) aufweist;
wobei die Halbleiterschicht ausgebildet ist, um einfallende Photonen mit einer Energie (Eph0), die zumindest der Energiebandlücke (Eg) der Halbleiterschicht entspricht, zu absorbieren;
wobei die Schichtfolge ausgebildet ist, um die Anfangsenergie (Eph1) von durch die Halbleiterschicht transmittierten niederenergetischen Photonen auf eine Ausgangsenergie (Eph2) zu erhöhen, so dass die Ausgangsenergie (Eph2) mindestens der Energiebandlücke (Eg) der Halbleiterschicht entspricht;
wobei die Schichtfolge ausgebildet ist, um die Photonen mit der Ausgangsenergie (Eph2) in Richtung der Halbleiterschicht zu lenken;
wobei die Schichtfolge ein erstes Paar von Reaktionsschichten mit einer ersten Reaktionsschicht und einer zweiten Reaktionsschicht aufweist;
wobei die erste Reaktionsschicht ausgebildet ist, um eine Photon-Elektron-Wechselwirkung zwischen den durch die Halbleiterschicht transmittierten niederenergetischen Photonen mit der Anfangsenergie (Eph1), die auf die erste Reaktionsschicht auftreffen, und Elektronen, die sich in der ersten Reaktionsschicht befinden, zu bewirken;
wobei die erste Reaktionsschicht ausgebildet ist, um die Elektronen, die sich in der ersten Reaktionsschicht befinden, von einem niederenergetischen Zustand (Ek1) mittels der durch die Halbleiterschicht transmittierten niederenergetischen Photonen mit der Anfangsenergie (Eph1), die auf die erste Reaktionsschicht auftreffen, in einen höherenergetischen Zustand (Ek2) zu versetzen;
wobei die zweite Reaktionsschicht ausgebildet ist, um Phononen mit einer ersten Phononenenergie (Eω1) für die erste Reaktionsschicht bereitzustellen;
wobei die erste Reaktionsschicht ausgebildet ist, um eine Elektron-Phonon-Wechselwirkung zwischen Elektronen, die mittels der ersten Reaktionsschicht in einen höherenergetischen Zustand versetzt werden, und Phononen, die von der zweiten Reaktionsschicht für die erste Reaktionsschicht bereitgestellt werden, zu bewirken; und
wobei die erste Reaktionsschicht und die zweite Reaktionsschicht ausgebildet sind, um die Photonen mit der Ausgangsenergie (Eph2) zu erzeugen.Embodiments of the present invention provide a photocell having the following features:
a layer sequence for up-converting photon energy; and
a semiconductor layer disposed on the layer sequence, the semiconductor layer having an energy bandgap (Eg);
wherein the semiconductor layer is formed to absorb incident photons having an energy (Eph0) corresponding to at least the energy band gap (Eg) of the semiconductor layer;
wherein the layer sequence is configured to increase the initial energy (Eph1) of low-energy photons transmitted through the semiconductor layer to an output energy (Eph2) such that the output energy (Eph2) corresponds at least to the energy band gap (Eg) of the semiconductor layer;
wherein the layer sequence is configured to direct the photons with the output energy (Eph2) towards the semiconductor layer;
wherein the layer sequence comprises a first pair of reaction layers having a first reaction layer and a second reaction layer;
wherein the first reaction layer is configured to effect a photon-electron interaction between the low energy photons transmitted through the semiconductor layer having the initial energy (Eph1) impinging on the first reaction layer and electrons located in the first reaction layer;
wherein the first reaction layer is formed to confine the electrons located in the first reaction layer from a low energy state (Ek1) by the low energy photons transmitted through the semiconductor layer and having the initial energy (Eph1) impinging on the first reaction layer higher energy state (Ek2);
wherein the second reaction layer is configured to provide phonons having a first phonon energy (Eω1) for the first reaction layer;
wherein the first reaction layer is adapted to effect an electron-phonon interaction between electrons that are rendered higher energy by the first reaction layer and phonons provided by the second reaction layer for the first reaction layer; and
wherein the first reaction layer and the second reaction layer are configured to generate the photons having the output energy (Eph2).

Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass die oben genannte verbesserte Lichtausbeute mit der Photozelle erreicht werden kann, falls die Anfangsenergie (Eph1) von durch die Halbleiterschicht transmittierten niederenergetischen Photonen auf eine Ausgangsenergie (Eph2) erhöht wird, so dass die Ausgangsenergie (Eph2) mindestens der Energiebandlücke (Eg) der Halbleiterschicht entspricht und falls die Photonen mit der Ausgangsenergie (Eph2) in Richtung der Halbleiterschicht gelenkt werden. Somit kann insbesondere eine Aufwärts-Konvertierung von Photonenenergie stattfinden. Durch diese Aufwärts-Konvertierung von Photonenenergie kann es vermieden werden, dass ein hohes Potenzial bzw. eine große Bandbreite des Sonnenlichtspektrums ungenutzt bleibt. Folglich kann mehr Energie vom Sonnenlichtspektrum verwendet werden, so dass die verbesserte Lichtausbeute mit der Photozelle erreicht wird.The gist of the present invention is that if the initial energy (Eph1) of low energy photons transmitted through the semiconductor layer is increased to an output energy (Eph2) such that the output energy (Eph2) is at least corresponds to the energy band gap (Eg) of the semiconductor layer and if the photons with the output energy (Eph2) in the direction of the semiconductor layer be steered. Thus, in particular, an up-conversion of photon energy can take place. This up-conversion of photon energy helps to avoid that a high potential or a wide bandwidth of the sunlight spectrum remains unused. Consequently, more energy from the sunlight spectrum can be used, so that the improved light output is achieved with the photocell.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist die Schichtfolge ein zweites Paar von Reaktionsschichten mit einer dritten Reaktionsschicht und einer vierten Reaktionsschicht auf. Die zweite Reaktionsschicht weist ein erstes Kristallgitter mit einer ersten Kristalltemperatur (ΔT1) auf. Die vierte Reaktionsschicht weist ein zweites Kristallgitter mit einer zweiten, unterschiedlichen Kristalltemperatur (ΔT2) auf. Die zweite Reaktionsschicht ist ausgebildet, um Phononen mit einer ersten Phononenenergie (Eω1) durch Gitterschwingungen des ersten Kristallgitters mit der ersten Kristalltemperatur (ΔT1) für die erste Reaktionsschicht bereitzustellen. Die vierte Reaktionsschicht ist ausgebildet, um Phononen mit einer zweiten Phononenenergie (Eω2) durch Gitterschwingungen des zweiten Kristallgitters mit der zweiten, unterschiedlichen Kristalltemperatur (ΔT2) für die dritte Reaktionsschicht bereitzustellen. Somit können Phononen mit unterschiedlichen Phononenenergien Eω1, Eω2 für die erste und die dritte Reaktionsschicht bereitgestellt werden, die jeweils eine geeignete Elektron-Phonon-Wechselwirkung für die Erzeugung der Photonen mit der Ausgangsenergie (Eph2) bewirken können.In further embodiments of the present invention, the layer sequence comprises a second pair of reaction layers having a third reaction layer and a fourth reaction layer. The second reaction layer has a first crystal lattice having a first crystal temperature (ΔT1). The fourth reaction layer has a second crystal lattice with a second, different crystal temperature (ΔT2). The second reaction layer is configured to provide phonons having a first phonon energy (Eω1) by lattice vibrations of the first crystal lattice having the first crystal temperature (ΔT1) for the first reaction layer. The fourth reaction layer is configured to provide phonons having a second phonon energy (Eω2) by lattice vibrations of the second crystal lattice having the second different crystal temperature (ΔT2) for the third reaction layer. Thus, phonons having different phonon energies Eω1, Eω2 can be provided for the first and third reaction layers, each of which can effect a suitable electron-phonon interaction for the generation of the photons having the output energy (Eph2).

Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist die Schichtfolge eine Abstandsschicht auf. Die Halbleiterschicht ist auf der Abstandsschicht angeordnet, wobei die Halbleiterschicht und die Abstandsschicht aneinander angrenzen. Die Schichtfolge weist ein erstes Paar von Reaktionsschichten mit einer ersten Reaktionsschicht und einer zweiten Reaktionsschicht auf, wobei die erste Reaktionsschicht und die zweite Reaktionsschicht aneinander angrenzen. Die Abstandsschicht ist auf dem ersten Paar von Reaktionsschichten angeordnet, wobei die Abstandsschicht und das erste Paar von Reaktionsschichten aneinander angrenzen. Die Abstandsschicht ist so ausgebildet, dass eine erste Grenzfläche, die durch die Halbleiterschicht und die Abstandsschicht gebildet wird, und eine zweite Grenzfläche, die durch die erste Reaktionsschicht und die zweite Reaktionsschicht gebildet wird, einen ersten Resonator für die Verstärkung der Frequenz (ν2), die der Ausgangsenergie (Eph2) der Photonen entspricht, bilden. Dadurch, dass der erste Resonator durch die erste und die zweite Grenzfläche mit der Abstandsschicht gebildet wird, kann die Frequenz (ν2), die der Ausgangsenergie (Eph2) der Photonen entspricht, selektiv verstärkt werden.In further embodiments of the present invention, the layer sequence has a spacer layer. The semiconductor layer is disposed on the spacer layer with the semiconductor layer and the spacer layer adjacent to each other. The layer sequence comprises a first pair of reaction layers having a first reaction layer and a second reaction layer, wherein the first reaction layer and the second reaction layer adjoin one another. The spacer layer is disposed on the first pair of reaction layers with the spacer layer and the first pair of reaction layers adjacent to one another. The spacer layer is formed such that a first interface formed by the semiconductor layer and the spacer layer and a second interface formed by the first reaction layer and the second reaction layer have a first resonator for amplifying the frequency (v 2), which corresponds to the output energy (Eph2) of the photons. By forming the first resonator through the first and second interfaces with the spacer layer, the frequency (ν2) corresponding to the output energy (Eph2) of the photons can be selectively amplified.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die Schichtfolge so ausgebildet, dass die Differenz zwischen der Ausgangsenergie (Eph2) der Photonen und der Anfangsenergie (Eph1) von den durch die Halbleiterschicht transmittierten niederenergetischen Photonen einer Anti-Stokes-Verschiebung entspricht.In further embodiments of the present invention, the layer sequence is designed such that the difference between the output energy (Eph2) of the photons and the initial energy (Eph1) of the low-energy photons transmitted through the semiconductor layer corresponds to an anti-Stokes shift.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren, in denen gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying figures, in which identical or equivalent elements are designated by the same reference numerals. Show it:

1 eine Querschnittsansicht einer Photozelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 1 a cross-sectional view of a photocell according to an embodiment of the present invention;

2 eine Querschnittsansicht einer Photozelle mit einem ersten Kristallgitter und einem zweiten Kristallgitter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2 a cross-sectional view of a photocell having a first crystal lattice and a second crystal lattice according to another embodiment of the present invention;

3 eine Querschnittsansicht einer Photozelle mit einem ersten Resonator und einem zweiten Resonator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3 a cross-sectional view of a photocell having a first resonator and a second resonator according to another embodiment of the present invention;

4 eine Querschnittsansicht einer Photozelle mit einer ersten bis vierten Reaktionsschicht für die Erzeugung der Photonen mit der Ausgangsenergie (Eph2) gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 4 a cross-sectional view of a photocell having a first to fourth reaction layer for the generation of the photons with the output energy (Eph2) according to another embodiment of the present invention; and

5 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Spektrums der Sonnenstrahlung in einem Wellenlängenbereich von ungefähr 250 nm bis 2,5 μm. 5 a schematic representation of an exemplary spectrum of solar radiation in a wavelength range of about 250 nm to 2.5 microns.

Bevor im Folgenden die vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass in den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen gleiche Elemente oder funktionell gleiche Elemente in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Eine Beschreibung von Elementen mit gleichen Bezugszeichen ist daher gegenseitig austauschbar und/oder in den verschiedenen Ausführungsbeispielen aufeinander anwendbar.Before the present invention is explained in more detail below with reference to the figures, it is pointed out that in the embodiments illustrated below, identical elements or functionally identical elements in the figures are provided with the same reference numerals. A description of elements with the same reference numerals is therefore interchangeable and / or applicable to each other in the various embodiments.

1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Photozelle 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, weist die Photozelle 100 eine Schichtfolge 110 zum Aufwärts-Konvertieren von Photonenergie und eine Halbleiterschicht 120, die auf der Schichtfolge 110 angeordnet ist, auf. Die Halbleiterschicht 120 weist eine Energiebandlücke (Eg) auf. Ferner ist die Halbleiterschicht 120 ausgebildet, um einfallende Photonen 101 mit einer Energie Eph0 (Eph0 = hν2, wobei ν2 die Frequenz ist), die zumindest der Energiebandlücke (Eg) der Halbleiterschicht 120 entspricht, zu absorbieren (Eph0 ≥ Eg). Die Schichtfolge 110 ist ausgebildet, um die Anfangsenergie Eph1 (Eph1 = hν1, wobei ν1 die Frequenz ist) von durch die Halbleiterschicht 120 transmittierten niederenergetischen Photonen 121 auf eine Ausgangsenergie Eph2 (Eph2 = hν2) zu erhöhen (Eph2 > Eph1), so dass die Ausgangsenergie Eph2 mindestens der Energiebandlücke (Eg) der Halbleiterschicht 120 entspricht. Ferner ist die Schichtfolge 110 ausgebildet, um die Photonen 125 mit der Ausgangsenergie Eph2 in Richtung der Halbleiterschicht 120 zu lenken. 1 shows a cross-sectional view of a photocell 100 according to an embodiment of the present invention. As in 1 shown points the photocell 100 a sequence of layers 110 for up-converting photon energy and a semiconductor layer 120 on the shift sequence 110 is arranged on. The semiconductor layer 120 has an energy band gap (Eg). Furthermore, the semiconductor layer is 120 designed to detect incident photons 101 with an energy Eph0 (Eph0 = hν2, where ν2 is the frequency), at least the energy band gap (Eg) of the semiconductor layer 120 corresponds to absorb (Eph0 ≥ Eg). The sequence of layers 110 is designed to be the initial energy Eph1 (Eph1 = hν1, where ν1 is the frequency) of the semiconductor layer 120 transmitted low-energy photons 121 to increase an output energy Eph2 (Eph2 = hν2) (Eph2> Eph1), so that the output energy Eph2 at least the energy band gap (Eg) of the semiconductor layer 120 equivalent. Furthermore, the layer sequence 110 trained to the photons 125 with the output energy Eph2 toward the semiconductor layer 120 to steer.

Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 findet somit eine Aufwärts-Konvertierung von Photonenenergie (hν1 → hν2) statt. Durch die Aufwärts-Konvertierung von Photonenenergie kann die verbesserte Lichtausbeute mit der Photozelle 100 erreicht werden. Ferner kann durch die Aufwärts-Konvertierung von Photonenenergie mehr Energie vom Sonnenlichtspektrum (bzw. von den einfallenden Photonen 101 mit der Energie Eph0) für die Photozelle 100 verwendet werden.In the embodiment of 1 Thus, an up-conversion of photon energy (hν1 → hν2) takes place. By up-converting photon energy, the improved light output with the photocell can 100 be achieved. Further, by up-converting photon energy more energy from the sunlight spectrum (or from the incident photons 101 with the energy Eph0) for the photocell 100 be used.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Schichtfolge 110 so ausgebildet, dass die Differenz ΔEph (ΔEph = Eph2 – Eph1) zwischen der Ausgangsenergie Eph2 der Photonen 125 und der Anfangsenergie Eph1 von den durch die Halbleiterschicht 120 transmittierten niederenergetischen Photonen 121 einer Anti-Stokes-Verschiebung entspricht.In embodiments, the layer sequence 110 designed so that the difference ΔEph (ΔEph = Eph2 - Eph1) between the output energy Eph2 of the photons 125 and the initial energy Eph1 from those through the semiconductor layer 120 transmitted low-energy photons 121 corresponds to an anti-Stokes shift.

Die Schichtfolge 110 kann ausgebildet sein um die Anfangsenergie Eph1 von den durch die Halbleiterschicht 120 transmittierten niederenergetischen Photonen 121 mittels einer Mehrkörperstreuung auf die Ausgangsenergie Eph2 zu erhöhen.The sequence of layers 110 may be formed by the initial energy Eph1 from that through the semiconductor layer 120 transmitted low-energy photons 121 to increase the output energy Eph2 by means of a multibody dispersion.

Ferner kann die Schichtfolge 110 ausgebildet sein, um die Anfangsenergie Eph1 von den durch die Halbleiterschicht 120 transmittierten niederenergetischen Photonen 121 mittels einer Dreikörperstreuung, wie z. B. eine Photon-Elektron-Phonon-Streuung, auf die Ausgangsenergie Eph2 zu erhöhen.Furthermore, the layer sequence 110 be formed to the initial energy Eph1 of the through the semiconductor layer 120 transmitted low-energy photons 121 by means of a three-body scattering, such. As a photon electron-phonon scattering to increase the output energy Eph2.

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Schichtfolge 110 ein erstes Paar 130 von Reaktionsschichten mit einer ersten Reaktionsschicht 132 und einer zweiten Reaktionsschicht 134 auf. Die erste Reaktionsschicht 132 ist ausgebildet, um eine Photon-Elektron-Wechselwirkung zwischen den durch die Halbleiterschicht 120 transmittierten niederenergetischen Photonen 121 mit der Anfangsenergie Eph1, die auf die erste Reaktionsschicht 132 auftreffen, und Elektronen, die sich in der ersten Reaktionsschicht 132 befinden, zu bewirken.At the in 1 embodiment shown has the layer sequence 110 a first couple 130 of reaction layers with a first reaction layer 132 and a second reaction layer 134 on. The first reaction layer 132 is designed to cause a photon-electron interaction between the layers through the semiconductor layer 120 transmitted low-energy photons 121 with the initial energy Eph1 acting on the first reaction layer 132 impinge, and electrons that are in the first reaction layer 132 to effect.

Bei Ausführungsbeispielen kann die Photon-Elektron-Wechselwirkung, die von der ersten Reaktionsschicht 132 bewirkt wird, eine elastische oder unelastische Streuung sein.In embodiments, the photon-electron interaction produced by the first reaction layer 132 causes an elastic or inelastic scattering.

Ferner ist die erste Reaktionsschicht 132 ausgebildet, um die Elektronen, die sich in der ersten Reaktionsschicht 132 befinden, von einem niederenergetischen Zustand Ek1 mittels der durch die Halbleiterschicht 120 transmittierten niederenergetischen Photonen 121 mit der Anfangsenergie Eph1, die auf die erste Reaktionsschicht 132 auftreffen, in einen höherenergetischen Zustand Ek2 zu versetzen.Further, the first reaction layer 132 formed to the electrons that are in the first reaction layer 132 from a low-energy state Ek1 by means of the semiconductor layer 120 transmitted low-energy photons 121 with the initial energy Eph1 acting on the first reaction layer 132 hit, to put Ek2 in a higher energy state.

Bei Ausführungsbeispielen kann die erste Reaktionsschicht 132 eine erste Reaktion bewirken, die durch die beispielhafte Reaktionsgleichung Ek1 + Eph1 → Ek2 mit Ek1 < Ek2 beschrieben wird.In embodiments, the first reaction layer 132 cause a first reaction, which is described by the exemplary reaction equation Ek1 + Eph1 → Ek2 with Ek1 <Ek2.

Die zweite Reaktionsschicht 134 ist ausgebildet, um Phononen mit einer ersten Phononenenergie Eω1 für die erste Reaktionsschicht 132 bereitzustellen. Ferner ist die erste Reaktionsschicht 132 ausgebildet, um eine Elektron-Phonon-Wechselwirkung zwischen Elektronen, die mittels der ersten Reaktionsschicht 132 in einen höherenergetischen Zustand Ek2 versetzt werden, und Phononen, die von der zweiten Reaktionsschicht 134 für die erste Reaktionsschicht 132 bereitgestellt werden, zu bewirken. Des Weiteren sind die erste Reaktionsschicht 132 und die zweite Reaktionsschicht 134 ausgebildet, um die Photonen 125 mit der Ausgangsenergie Eph2 zu erzeugen.The second reaction layer 134 is designed to be phonons having a first phonon energy Eω1 for the first reaction layer 132 provide. Further, the first reaction layer 132 designed to undergo an electron-phonon interaction between electrons by means of the first reaction layer 132 be displaced into a higher energy state Ek2, and phonons from the second reaction layer 134 for the first reaction layer 132 be provided to effect. Furthermore, the first reaction layer 132 and the second reaction layer 134 trained to the photons 125 to produce with the output energy Eph2.

Beispielsweise bewirken die erste Reaktionsschicht 132 und die zweite Reaktionsschicht 134 eine zweite Reaktion, die durch die beispielhafte Reaktionsgleichung Ek2 + Eω1 → Eph2 + Ek1 + Eω0 mit Eω1 > Eω0, Eph2 > Eph1 beschrieben wird.For example, cause the first reaction layer 132 and the second reaction layer 134 a second reaction, which is described by the exemplary reaction equation Ek2 + Eω1 → Eph2 + Ek1 + Eω0 with Eω1> Eω0, Eph2> Eph1.

Ferner weist bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Schichtfolge 110 ein zweites Paar 140 von Reaktionsschichten mit einer dritten Reaktionsschicht 142 und einer vierten Reaktionsschicht 144 auf.Furthermore, in the in 1 shown embodiment, the layer sequence 110 a second couple 140 of reaction layers with a third reaction layer 142 and a fourth reaction layer 144 on.

Beispielsweise ist die dritte Reaktionsschicht 142 ausgebildet, um eine Photon-Elektron-Wechselwirkung zwischen Photonen mit einer im Vergleich zur Anfangsenergie Eph1 geringeren Energie Eph1', die auf die dritte Reaktionsschicht 142 auftreffen, und Elektronen, die sich in der dritten Reaktionsschicht 142 befinden, zu bewirken.For example, the third reaction layer 142 designed to conduct a photon-electron interaction between photons with a lower energy Eph1 'compared to the initial energy Eph1 on the third reaction layer 142 impinge, and electrons that are in the third reaction layer 142 to effect.

Bei Ausführungsbeispielen kann die Photon-Elektron-Wechselwirkung, die von der dritten Reaktionsschicht 142 bewirkt wird, eine elastische oder unelastische Streuung sein.In embodiments, the photon-electron interaction generated by the third reaction layer 142 causes an elastic or inelastic scattering.

Ferner kann die dritte Reaktionsschicht 142 ausgebildet sein, um die Elektronen, die sich in der dritten Reaktionsschicht 142 befinden, von einem niederenergetischen Zustand Ek1' mittels der Photonen mit der im Vergleich zur Anfangsenergie Eph1 geringeren Energie Eph1', die auf die dritte Reaktionsschicht 142 auftreffen, in einen höherenergetischen Zustand Ek2' zu versetzen.Furthermore, the third reaction layer 142 be formed to the electrons that are in the third reaction layer 142 are from one low-energy state Ek1 'by means of the photons with the energy Eph1', which is lower than the initial energy Eph1, on the third reaction layer 142 hit, to put in a higher energy state Ek2 '.

Beispielsweise kann die dritte Reaktionsschicht 142 eine dritte Reaktion bewirken, die durch die beispielhafte Reaktionsgleichung Ek1' + Eph1' → Ek2' mit Ek2' > Ek1' beschrieben wird.For example, the third reaction layer 142 cause a third reaction, which is described by the exemplary reaction equation Ek1 '+ Eph1' → Ek2 'with Ek2'> Ek1 '.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die vierte Reaktionsschicht 144 ausgebildet, um Phononen mit einer zweiten Phononenenergie Eω2 für die dritte Reaktionsschicht 142 bereitzustellen. Ferner kann die dritte Reaktionsschicht 142 ausgebildet sein, um eine Elektron-Phonon-Wechselwirkung zwischen Elektronen, die mittels der dritten Reaktionsschicht 142 in einen höherenergetischen Zustand Ek2' versetzt werden, und Phononen, die von der vierten Reaktionsschicht 144 für die dritte Reaktionsschicht 142 bereitgestellt werden, zu bewirken. Des Weiteren können die dritte Reaktionsschicht 142 und die vierte Reaktionsschicht 144 ausgebildet sein, um die Photonen mit der Ausgangsenergie Eph2 oder Photonen mit der Anfangsenergie Eph1 zu erzeugen.In further embodiments, the fourth reaction layer is 144 formed to phonons with a second phonon energy Eω2 for the third reaction layer 142 provide. Furthermore, the third reaction layer 142 be formed to undergo an electron-phonon interaction between electrons by means of the third reaction layer 142 be displaced into a higher energy state Ek2 ', and phonons derived from the fourth reaction layer 144 for the third reaction layer 142 be provided to effect. Furthermore, the third reaction layer 142 and the fourth reaction layer 144 be formed to generate the photons with the output energy Eph2 or photons with the initial energy Eph1.

Ferner können die dritte Reaktionsschicht 142 und die vierte Reaktionsschicht 144 eine vierte Reaktion bewirken, die durch die beispielhafte Reaktionsgleichung Ek2' + Eω2 – Eph2 + Ek1' + Eω0 mit Eω2 > Eω0, Eph2 > Eph1' beschrieben wird.Furthermore, the third reaction layer 142 and the fourth reaction layer 144 cause a fourth reaction, which is described by the exemplary reaction equation Ek2 '+ Eω2 - Eph2 + Ek1' + Eω0 with Eω2> Eω0, Eph2> Eph1 '.

Bezug nehmend auf das Ausführungsbeispiel von 1 kann für die Photozelle 100 beispielsweise das physikalische Prinzip der Anti-Stokes-Verschiebung, wie es in Kitai, A. (2008); Luminescent Materials and Applications; John Wiley and Sons. p. 32. beschrieben wird, verwendet werden, um mehr Energie vom Sonnenlichtspektrum zu nutzen. Die beispielsweise auf der Anti-Stokes-Verschiebung basierende Zelle kann auch „Anti-Stokes-Enhanced-Cell” (ASEC) genannt werden.Referring to the embodiment of 1 can for the photocell 100 For example, the physical principle of anti-Stokes shift, as described in Kitai, A. (2008); Luminescent Materials and Applications; John Wiley and Sons. p. 32. used to harness more energy from the sunlight spectrum. The anti-Stokes shift based cell, for example, may also be called "anti-Stokes enhanced cell" (ASEC).

Bei der Anti-Stokes-Verschiebung, die beispielsweise von der Schichtfolge 110 geliefert wird, wechselwirken die einschlagenden Photonen mit Elektronen und Phononen, um ein geeignetes Energieniveau zu erreichen, das z. B. der Bandlückenenergie Eg der Halbleiterschicht 120 mit einem geeigneten Halbleitermaterial entspricht. Diese Mehrkörperstreuung beginnt zwischen einem Elektron mit Energie Ek1, das sich in einer Atomschale einer geeigneten Reaktionsschicht (wie z. B. die erste Reaktionsschicht 132 mit Molekülen oder einem Kristallgitter) befindet, und einem einschlagenden Photon mit der Energie Eph1 (= hν1) des beispielsweise sichtbaren oder infraroten Sonnenlichtspektrums. Durch die entsprechende Wechselwirkung, die beispielsweise elastisch oder unelastisch sein kann, kann das Elektron von einer Anfangsenergie Ek1 in einen höheren energetischen Zustand mit der Energie Ek2 gebracht werden. Diese erste Reaktion kann durch die beispielhafte Reaktionsgleichung Eph1 + Ek1 → Ek2 mit Ek1 < Ek2 beschrieben werden. Damit eine Anti-Stokes-Verschiebung stattfinden kann, muss das Elektron mit der Energie Ek2 eine weitere Energiequelle finden. Diese kann beispielsweise von der zweiten Reaktionsschicht 134 (wie z. B. durch Gitterschwingungen von einem Kristallgitter oder Kristall derselben) geliefert werden, wodurch ein Phonon mit der Energie Eω1 nachgelegt werden kann. Durch diese Dreikörperstreuung kann ein Photon erzeugt werden, das eine höhere Energie Eph2 (= hν2) als das einschlagende Photon mit der Anfangsenergie Eph1 hat. Diese Wechselwirkung oder zweite Reaktion kann durch die beispielhafte Reaktionsgleichung Ek2 + Eω1 → Eph2 + Ek1 + Eω0 mit Eω1 > Eω0, Eph2 > Eph1 beschrieben werden.In the anti-Stokes shift, for example, the sequence of layers 110 is delivered, the impacting photons interact with electrons and phonons to reach a suitable energy level, the z. B. the bandgap energy Eg of the semiconductor layer 120 corresponds to a suitable semiconductor material. This multibody scattering begins between an electron with energy Ek1 that is in an atomic shell of a suitable reaction layer (such as the first reaction layer 132 with molecules or a crystal lattice), and a striking photon with the energy Eph1 (= hν1) of, for example, the visible or infrared solar spectrum. Through the corresponding interaction, which may be elastic or inelastic, for example, the electron can be brought from an initial energy Ek1 into a higher energetic state with the energy Ek2. This first reaction can be achieved by the exemplary reaction equation Eph1 + Ek1 → Ek2 with Ek1 <Ek2 to be discribed. For an anti-Stokes shift to take place, the electron with the energy Ek2 must find another source of energy. This can, for example, from the second reaction layer 134 (such as by lattice vibrations from a crystal lattice or crystal thereof), whereby a phonon of energy Eω1 can be added. By this three-body scattering, a photon can be generated, which has a higher energy Eph2 (= hν2) than the impacting photon with the initial energy Eph1. This interaction or second reaction may be through the exemplary reaction equation Ek2 + Eω1 → Eph2 + Ek1 + Eω0 with Eω1> Eω0, Eph2> Eph1 to be discribed.

Gemäß dem quantistischen Energieerhaltungssatz, wie er in Ashcroft, Neil W.; Mermin, N. David (1976); Solid State Physics; Holt, Rinehart and Winston, Seiten 595 bis 616, beschrieben wird, bringt die Erzeugung eines Photons durch diese Streuung eine Kühlung des Kristalls mit sich, aus dem das Phonon mit der Energie Eω1 vernichtet wurde. Demzufolge landet das Phonon nach der Streuung auf einem geringeren Energieniveau Eω0 < Eω1.According to the quantum conservation law, as described in Ashcroft, Neil W .; Mermin, N. David (1976); Solid State Physics; Holt, Rinehart and Winston, pp. 595-616, the generation of a photon by this scattering entails cooling of the crystal from which the phonon with Eω1 energy was destroyed. As a result, after the scattering, the phonon lands at a lower energy level Eω0 <Eω1.

Hierbei ist insbesondere anzumerken, dass bei Ausführungsbeispielen die Reihenfolge der Gesamtreaktion zwischen Photon, Elektron und Phonon auch umgekehrt stattfinden kann, d. h. zunächst findet die Phonon-Elektron-Wechselwirkung statt und dann die Elektron-Photon-Wechselwirkung. In diesem Fall ergeben sich die folgenden Reaktionsgleichungen: Eω1 + Ek1 → Ek2 mit Ek1 < Ek2 Ek2 + Eph1 → Eph2 + Ek1 + Eω0 mit Eω1 > Eω0, Eph2 > Eph1 It should be noted in particular that in embodiments, the order of the overall reaction between photon, electron and phonon can also take place vice versa, ie, first the phonon-electron interaction takes place and then the electron-photon interaction. In this case, the following reaction equations result: Eω1 + Ek1 → Ek2 with Ek1 <Ek2 Ek2 + Eph1 → Eph2 + Ek1 + Eω0 with Eω1> Eω0, Eph2> Eph1

2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Photozelle 100 mit einem ersten Kristallgitter mit einer ersten Kristalltemperatur ΔT1 und einem zweiten Kristallgitter mit einer zweiten, unterschiedlichen Kristalltemperatur ΔT2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt, weist die zweite Reaktionsschicht 134 ein erstes Kristallgitter mit einer ersten Kristalltemperatur ΔT1 auf. Ferner weist die vierte Reaktionsschicht 144 ein zweites Kristallgitter mit einer zweiten, unterschiedlichen Kristalltemperatur ΔT2 auf (ΔT1 ≠ ΔT2). Beispielsweise ist die zweite Reaktionsschicht 134 ausgebildet, um Phononen mit einer ersten Phononenenergie Eω1 durch Gitterschwingungen des ersten Kristallgitters mit der ersten Kristalltemperatur ΔT1 für die erste Reaktionsschicht 132 bereitzustellen. Ferner kann die vierte Reaktionsschicht 144 ausgebildet sein, um Phononen mit einer zweiten Phononenenergie Eω2 durch Gitterschwingungen des zweiten Kristallgitters mit der zweiten, unterschiedlichen Kristalltemperatur ΔT2 für die dritte Reaktionsschicht 142 bereitzustellen. Somit können Phononen mit unterschiedlichen Phononenenergien Eω1, Eω2 für die erste und die dritte Reaktionsschicht 132, 142 bereitgestellt werden, die jeweils eine geeignete Elektron-Phonon-Wechselwirkung für die Erzeugung der Photonen mit der Ausgangsenergie Eph2 bewirken können. 2 shows a cross-sectional view of a photocell 100 with a first crystal lattice having a first crystal temperature ΔT1 and a second crystal lattice having a second, different crystal temperature ΔT2 according to a further embodiment of the present invention. As in 2 shown has the second reaction layer 134 a first crystal lattice having a first crystal temperature ΔT1. Furthermore, the fourth reaction layer 144 a second crystal lattice with a second, different crystal temperature ΔT2 on (ΔT1 ≠ ΔT2). For example, the second reaction layer 134 configured to form phonons having a first phonon energy Eω1 by lattice vibrations of the first crystal lattice having the first crystal temperature ΔT1 for the first reaction layer 132 provide. Furthermore, the fourth reaction layer 144 be formed to phonons with a second phonon energy Eω2 by lattice vibrations of the second crystal lattice with the second, different crystal temperature .DELTA.T2 for the third reaction layer 142 provide. Thus, phonons with different phonon energies Eω1, Eω2 for the first and third reaction layers 132 . 142 can be provided, each of which can cause a suitable electron-phonon interaction for the generation of the photons with the output energy Eph2.

3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Photozelle 100 mit einem ersten Resonator und einem zweiten Resonator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 gezeigt, weist die Schichtfolge 110 eine Abstandsschicht 150 auf. Die Halbleiterschicht 120 ist auf der Abstandsschicht 150 angeordnet, wobei die Halbleiterschicht 120 und die Abstandsschicht 150 aneinander angrenzen. Die Schichtfolge 110 weist ein erstes Paar 130 von Reaktionsschichten mit einer ersten Reaktionsschicht 132 und einer zweiten Reaktionsschicht 134 auf, wobei die erste Reaktionsschicht 132 und die zweite Reaktionsschicht 134 aneinander angrenzen. Ferner ist die Abstandsschicht 150 auf dem ersten Paar 130 von Reaktionsschichten angeordnet, wobei die Abstandsschicht 150 und das erste Paar 130 von Reaktionsschichten aneinander angrenzen. Bei dem Ausführungsbeispiel von 3 ist die Abstandsschicht 150 so ausgebildet, dass eine erste Grenzfläche 202, die durch die Halbleiterschicht 120 und die Abstandsschicht 150 gebildet wird, und eine zweite Grenzfläche 204, die durch die erste Reaktionsschicht 132 und die zweite Reaktionsschicht 134 gebildet wird, einen ersten Resonator für die Verstärkung der Frequenz ν2, die der Ausgangsenergie Eph2 der Photonen entspricht, bilden. 3 shows a cross-sectional view of a photocell 100 comprising a first resonator and a second resonator according to another embodiment of the present invention. As in 3 shown, shows the sequence of layers 110 a spacer layer 150 on. The semiconductor layer 120 is on the spacer layer 150 arranged, wherein the semiconductor layer 120 and the spacer layer 150 adjoin one another. The sequence of layers 110 has a first pair 130 of reaction layers with a first reaction layer 132 and a second reaction layer 134 on, wherein the first reaction layer 132 and the second reaction layer 134 adjoin one another. Further, the spacer layer is 150 on the first pair 130 arranged by reaction layers, wherein the spacer layer 150 and the first couple 130 of reaction layers adjacent to each other. In the embodiment of 3 is the spacer layer 150 designed so that a first interface 202 passing through the semiconductor layer 120 and the spacer layer 150 is formed, and a second interface 204 passing through the first reaction layer 132 and the second reaction layer 134 is formed, a first resonator for the gain of the frequency v2, which corresponds to the output energy Eph2 of the photons form.

Bei Ausführungsbeispielen bilden die erste Grenzfläche 202 und die zweite Grenzfläche 204 einen ersten Laserresonator. Ferner kann der erste Laserresonator ausgebildet sein, um die Anzahl der Photonen mit der Ausgangsenergie Eph2, die in Richtung der Halbleiterschicht 120 gelenkt werden, unter Verwendung einer stimulierten Emission zu erhöhen.In embodiments form the first interface 202 and the second interface 204 a first laser resonator. Furthermore, the first laser resonator can be designed to reduce the number of photons with the output energy Eph2, which is in the direction of the semiconductor layer 120 be directed to increase using a stimulated emission.

Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Abstandsschicht 150 so ausgebildet, dass die Frequenz ν2, die mit dem ersten Resonator verstärkt wird, die Resonanzbedingung ν2 = n·c/2La erfüllt, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, n einen Brechungsindex des Resonatormediums beschreibt und La der Abstand zwischen der ersten Grenzfläche 202 und der zweiten Grenzfläche 204 ist. Dadurch, dass im ersten Resonator die Resonanzbedingung erfüllt ist, kann die Frequenz ν2, die der Ausgangsenergie Eph2 der Photonen entspricht, selektiv verstärkt werden. Somit kann die Intensität der Photonen mit der Ausgangsenergie Eph2, die in Richtung der Halbleiterschicht 120 gelenkt werden, effizient vergrößert werden.At the in 3 the embodiment shown is the spacer layer 150 is formed so that the frequency ν2, which is amplified with the first resonator, the resonance condition ν2 = n · c / 2La where c is the speed of light, n is a refractive index of the resonator medium, and La is the distance between the first interface 202 and the second interface 204 is. By satisfying the resonance condition in the first resonator, the frequency ν2 corresponding to the output energy Eph2 of the photons can be selectively amplified. Thus, the intensity of the photons with the output energy Eph2, that in the direction of the semiconductor layer 120 be steered, efficiently enlarged.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen weist die Schichtfolge 110 ein zweites Paar 140 von Reaktionsschichten mit einer dritten Reaktionsschicht 142 und einer vierten Reaktionsschicht 144 auf, wobei die dritte Reaktionsschicht 142 und die vierte Reaktionsschicht 144 aneinander angrenzen. Das erste Paar 130 von Reaktionsschichten ist auf dem zweiten Paar 140 von Reaktionsschichten angeordnet, wobei das erste Paar 130 von Reaktionsschichten und das zweite Paar 140 von Reaktionsschichten aneinander angrenzen. Ferner kann die Abstandsschicht 150 so ausgebildet sein, dass die erste Grenzfläche 202, die durch die Halbleiterschicht 120 und die Abstandsschicht 150 gebildet wird, und eine dritte Grenzfläche 206, die durch die dritte Reaktionsschicht 142 und die vierte Reaktionsschicht 144 gebildet wird, einen zweiten Resonator für die Verstärkung der Frequenz ν2, die der Ausgangsenergie Eph2 der Photonen 125 entspricht, bilden.In further embodiments, the layer sequence 110 a second couple 140 of reaction layers with a third reaction layer 142 and a fourth reaction layer 144 on, wherein the third reaction layer 142 and the fourth reaction layer 144 adjoin one another. The first couple 130 of reaction layers is on the second pair 140 arranged by reaction layers, wherein the first pair 130 of reaction layers and the second pair 140 of reaction layers adjacent to each other. Furthermore, the spacer layer 150 be formed so that the first interface 202 passing through the semiconductor layer 120 and the spacer layer 150 is formed, and a third interface 206 passing through the third reaction layer 142 and the fourth reaction layer 144 is formed, a second resonator for the amplification of the frequency ν2, the output energy Eph2 of the photons 125 corresponds to form.

Beispielsweise bilden die erste Grenzfläche 202 und die dritte Grenzfläche 206 einen zweiten Laserresonator. Ferner kann der zweite Laserresonator ausgebildet sein, um die Anzahl der Photonen 125 mit der Ausgangsenergie Eph2, die in Richtung der Halbleiterschicht 120 gelenkt werden, unter Verwendung einer stimulierten Emission zu erhöhen.For example, form the first interface 202 and the third interface 206 a second laser resonator. Furthermore, the second laser resonator can be designed to reduce the number of photons 125 with the output energy Eph2, which is in the direction of the semiconductor layer 120 be directed to increase using a stimulated emission.

Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Abstandsschicht 150 so ausgebildet, dass die Frequenz ν2, die mit dem zweiten Resonator verstärkt wird, die Resonanzbedingung ν2 = n·c/2Lb erfüllt, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, n einen Brechungsindex des Resonatormediums beschreibt und Lb der Abstand zwischen der ersten Grenzfläche 202 und der dritten Grenzfläche 206 ist.At the in 3 the embodiment shown is the spacer layer 150 is formed so that the frequency ν2, which is amplified with the second resonator, the resonance condition ν2 = n · c / 2Lb where c is the speed of light, n is a refractive index of the resonator, and Lb is the distance between the first interface 202 and the third interface 206 is.

4 zeigt eine Querschnittsansicht einer Photozelle 100 mit einer ersten bis vierten Reaktionsschicht 132, 134, 142, 144 für die Erzeugung der Photonen 125 mit der Ausgangsenergie Eph2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 4 ist eine Sonne 105 schematisch dargestellt, die ein Sonnenlichtspektrum aussendet, das die in die Halbleiterschicht 120 einfallenden Photonen 101 mit der Energie Eph0 und die durch die Halbleiterschicht 120 transmittierten niederenergetischen Photonen 121 mit der Anfangsenergie Eph1 umfasst. Ferner sind in 4 weitere Photonen 103 mit den Energien hν1...hνn schematisch dargestellt, die die Halbleiterschicht 120 durchdringen und unterschiedlich tief in die Schichtfolge 110 eindringen können. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind außerdem die Photonen 125 mit der Ausgangsenergie Eph2, die von der ersten und der zweiten Reaktionsschicht 132, 134 und/oder von der dritten und der vierten Reaktionsschicht 142, 144 erzeugt werden, schematisch dargestellt. Ferner sind bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel Photonen 155 mit der Anfangsenergie Eph1, die alternativ oder zusätzlich von der dritten und der vierten Reaktionsschicht 142, 144 erzeugt werden, schematisch dargestellt. Des Weiteren wird in 4 schematisch dargestellt, wie die aus dem Sonnenlichtspektrum gelieferten, in die Halbleiterschicht 120 einfallenden Photonen 101 und die von der Schichtfolge 110 in Richtung der Halbleiterschicht 120 gelenkten Photonen 125 mit der Ausgangsenergie Eph2 von der Halbleiterschicht 120 absorbiert werden, wobei die Energiebandlücke Eg der Halbleiterschicht 120 der Differenz der Energie des Leitungsbands EL und der Energie des Valenzbands EV entspricht. 4 shows a cross-sectional view of a photocell 100 with a first to fourth reaction layer 132 . 134 . 142 . 144 for the generation of photons 125 with the output energy Eph2 according to another embodiment of the present invention. In 4 is a sun 105 shown schematically, which emits a spectrum of sunlight, which in the semiconductor layer 120 incident photons 101 with the energy Eph0 and that through the semiconductor layer 120 transmitted low-energy photons 121 with the initial energy Eph1 includes. Furthermore, in 4 more photons 103 with the energies hν1 ... hνn shown schematically, the semiconductor layer 120 penetrate and different deep into the sequence of layers 110 can penetrate. At the in 4 also shown are the photons 125 with the output energy Eph2 coming from the first and the second reaction layer 132 . 134 and / or the third and fourth reaction layers 142 . 144 are generated, shown schematically. Furthermore, in the in 4 shown embodiment photons 155 with the initial energy Eph1, alternatively or additionally from the third and fourth reaction layers 142 . 144 are generated, shown schematically. Furthermore, in 4 shown schematically, as delivered from the sunlight spectrum, in the semiconductor layer 120 incident photons 101 and the of the layer sequence 110 in the direction of the semiconductor layer 120 steered photons 125 with the output energy Eph2 from the semiconductor layer 120 are absorbed, wherein the energy band gap Eg of the semiconductor layer 120 the difference of the energy of the conduction band EL and the energy of the valence band EV corresponds.

Bei Ausführungsbeispielen gemäß 4 weist die Schichtfolge 110 eine reflektierende Schicht 410 auf. Die reflektierende Schicht 410 ist ausgebildet, um die Photonen 125 mit der Ausgangsenergie Eph2, die auf die reflektierende Schicht 410 auftreffen, in Richtung der Halbleiterschicht 120 zu reflektieren.In embodiments according to 4 has the sequence of layers 110 a reflective layer 410 on. The reflective layer 410 is trained to the photons 125 with the output energy Eph2 acting on the reflective layer 410 impinge, towards the semiconductor layer 120 to reflect.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen gemäß 4 weist die Schichtfolge 110 eine Abstandsschicht 150, wie zum Beispiel ein transparentes Medium, auf. Die Halbleiterschicht 120 ist auf der Abstandsschicht 150 angeordnet. Ferner kann die Abstandsschicht 150 so ausgebildet sein, dass die durch die Halbleiterschicht 120 transmittierten niederenergetischen Photonen 121 die Abstandsschicht 150 ungestört durchqueren.In further embodiments according to 4 has the sequence of layers 110 a spacer layer 150 , such as a transparent medium. The semiconductor layer 120 is on the spacer layer 150 arranged. Furthermore, the spacer layer 150 be formed so that through the semiconductor layer 120 transmitted low-energy photons 121 the spacer layer 150 pass undisturbed.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen gemäß 4 weist die Schichtfolge 110 eine erste bis vierte Reaktionsschicht 132, 134, 142, 144 auf, wobei die erste bis vierte Reaktionsschicht 132, 134, 142, 144 entlang einer Einfallsrichtung 111 der durch die Halbleiterschicht 120 transmittierten niederenergetischen Photonen 121 angeordnet sind. Die erste bis vierte Reaktionsschicht 132, 134, 142, 144 sind ausgebildet, um die Photonen 125 mit der Ausgangsenergie Eph2 zu erzeugen. Ferner kann die erste Reaktionsschicht 132 ausgebildet sein, um einfallende Photonen 121, 155 mit der Anfangsenergie Eph1 zu absorbieren.In further embodiments according to 4 has the sequence of layers 110 a first to fourth reaction layer 132 . 134 . 142 . 144 on, wherein the first to fourth reaction layer 132 . 134 . 142 . 144 along a direction of incidence 111 through the semiconductor layer 120 transmitted low-energy photons 121 are arranged. The first to fourth reaction layers 132 . 134 . 142 . 144 are trained to use the photons 125 to produce with the output energy Eph2. Furthermore, the first reaction layer 132 be trained to capture incident photons 121 . 155 to absorb with the initial energy Eph1.

Bei der in 4 gezeigten Photozelle 100 weist die erste Reaktionsschicht 132 beispielsweise Cadmiumselenid(CdSe)-Quantenpunkte („quantum dots”, QD) auf. Ferner weist die zweite Reaktionsschicht 134 beispielsweise Tantaloxidnitrid (TaON) auf. Ferner weist die dritte Reaktionsschicht 142 beispielsweise CdSe(ZnS), Cadmiumtellurid (CdTe) oder ein Luminophor auf. Des Weiteren weist die vierte Reaktionsschicht 144 beispielsweise Kupfer oder Gold auf.At the in 4 shown photocell 100 has the first reaction layer 132 For example, cadmium selenide (CdSe) quantum dots ("QDs"). Furthermore, the second reaction layer 134 For example, tantalum oxide (TaON) on. Further, the third reaction layer 142 For example, CdSe (ZnS), cadmium telluride (CdTe) or a luminophore. Furthermore, the fourth reaction layer 144 for example, copper or gold.

Im Folgenden wird die Funktionsweise der in 4 gezeigten Photozelle 100 näher beschrieben. Bezug nehmend auf 4 folgt die Beschreibung von links nach rechts (d. h. entlang der Einfallsrichtung 111). Wie in 4 gezeigt, weist die Photozelle 100 beispielsweise eine Antireflexionsschicht 420 auf, die auf der Halbleiterschicht 120 angeordnet ist. In 4 ist zu erkennen, wie die Photonen 101, 121, 103 vom Sonnenlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen die Antireflexionsschicht 420 durchdringen und die Halbleiterschicht 120 erreichen, in welcher hauptsächlich die Strahlen mit der Energie Eg = hν2 absorbiert werden. Die restlichen Photonen (z. B. mit Energien von hν1 bis hν1) können ungestört die Abstandsschicht 150 durchqueren und die erste Reaktionsschicht 132 bzw.The following is the operation of the in 4 shown photocell 100 described in more detail. Referring to 4 the description follows from left to right (ie along the direction of incidence 111 ). As in 4 shown points the photocell 100 for example, an antireflection coating 420 on top of that on the semiconductor layer 120 is arranged. In 4 you can see how the photons are 101 . 121 . 103 from sunlight with different wavelengths the antireflection layer 420 penetrate and the semiconductor layer 120 in which mainly the rays with the energy Eg = hν2 are absorbed. The remaining photons (eg with energies from hν1 to hν1) can undisturbed the spacer layer 150 traverse and the first reaction layer 132 respectively.

Materialschicht erreichen. Hier findet die erste Streuung statt, d. h. zwischen den Photonen mit der Energie hν1, dem Elektron mit der Energie Ek1 und den Phononen mit der Energie Eω1, die aus der Gitterschwingung der zweiten Reaktionsschicht 134 nachgelegt werden kann. Durch diese Dreikörperstreuung entsteht beispielsweise eine Anti-Stokes-Verschiebung, die ein einschlagendes Photon mit einer Anfangsenergie hν1 auf ein höheres Energieniveau hν2 bringt. Um das zu ermöglichen, absorbiert die erste Reaktionsschicht 132 beispielsweise nur eine gewisse Wellenlänge λ1, die der Energie hν1 entspricht, während die zweite Reaktionsschicht 134 beispielsweise alle Wellenlängen kleiner als λ1 absorbiert. Diese Wellenlängen können in der zweiten Reaktionsschicht 134 in Wärme bzw. eine erste Kristalltemperatur ΔT1 umgewandelt werden, um die Gitterschwingungen des Kristalls bzw. des Kristallgitters entsprechend zu erhöhen. Eine zu der gerade beschriebenen ähnliche zweite Streuung kann auch zwischen der dritten und der vierten Reaktionsschicht 142, 144 stattfinden, wobei die zweite Streuung beispielsweise nur mit größeren Wellenlängenbereichen (bzw. mit kleineren Energiebereichen) erfolgt. Hierbei können im Übrigen durch die in der dritten Reaktionsschicht 142 stattfindende Dreikörperreaktion Photonen mit der Anfangsenergie hν₁ erzeugt werden, um so die Reaktion auf der ersten Reaktionsschicht 132 zu verstärken oder direkt Photonen 155 mit der Energie Eg = hν2 zu erzeugenAchieve material layer. Here the first scattering takes place, ie between the photons with the energy hν1, the electron with the energy Ek1 and the phonons with the energy Eω1, which consists of the lattice vibration of the second reaction layer 134 can be refilled. For example, this three-body scattering gives rise to an anti-Stokes shift, which brings a colliding photon with an initial energy hν1 to a higher energy level hν2. To make that possible, the first reaction layer absorbs 132 For example, only a certain wavelength λ1, which corresponds to the energy hν1, while the second reaction layer 134 For example, all wavelengths less than λ1 absorbed. These wavelengths can be in the second reaction layer 134 be converted into heat or a first crystal temperature .DELTA.T1 to increase the lattice vibrations of the crystal or the crystal lattice accordingly. A similar second scattering to that just described may also occur between the third and fourth reaction layers 142 . 144 take place, wherein the second scattering, for example, only with larger wavelength ranges (or with smaller energy ranges) takes place. Incidentally, this can be done by the in the third reaction layer 142 three-body reaction photons are generated with the initial energy hν ₁ , so as to complete the reaction on the first reaction layer 132 to amplify or directly photons 155 with the energy Eg = hν2

Damit man nur die Frequenzen (ν₂) bzw. Wellenlängen (λ2) erhöht, die der Bandlückenenergie Eg des Halbleiters bzw. der Halbleiterschicht 120 und den beispielsweise Dreikörperstreuungen in der ersten und dritten Reaktionsschicht 132, 142 entsprechen, können die Längen bzw. Abstände La und Lb so gewählt werden, dass man jeweils einen Resonator darstellt, in dem die folgende Resonanzbedingung erfüllt wird:

So that only the frequencies (ν ₂ ) or wavelengths (λ 2) increases, that of the bandgap energy Eg of the semiconductor or the semiconductor layer 120 and, for example, three-body scattering in the first and third reaction layers 132 . 142 The lengths or distances La and Lb can be chosen such that one respectively represents a resonator in which the following resonance condition is fulfilled:

Durch das Bereitstellen von geeigneten Resonatoren innerhalb der Photozelle 100 bzw. der ASEC-Zelle wird es ermöglicht, das Prinzip der stimulierten Emission zu verwenden, wie es in Saleh, Bahaa E. A. and Teich, Malvin Carl (1991); Fundamentals of Photonics; New York: John Wiley & Sons beschrieben wird. Demzufolge kann ähnlich wie bei einem Laser die Produktion der Photonen durch das Prinzip der Besetzungsinversion, wie es in Lasers Gould, R. Gordon (1959); „The LASER, Light Amplification by Simulated Emission of Radiation”; In Franken, P. A. and Sands, R. H. (Eds.); The Ann Arbor Conference on Optical Pumping, the University of Michigan, 15 June through 18 June 1959. p. 128. OCLC 02460155 beschrieben wird, erhöht werden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen es somit, die Produktion von den erwünschten Photonen (die Photonen 125 mit der Ausgangsenergie Eph2) deutlich zu erhöhen.By providing suitable resonators within the photocell 100 or the ASEC cell, it is possible to use the principle of stimulated emission, as in Saleh, Bahaa EA and pond, Malvin Carl (1991); Fundamentals of Photonics; New York: John Wiley & Sons is described. Consequently, similar to a laser, the production of photons can be determined by the principle of population inversion, as described in Lasers Gould, R. Gordon (1959); "The LASER, Light Amplification by Simulated Emission of Radiation"; In Francs, PA and Sands, RH (Eds.); The Ann Arbor Conference on Optical Pumping, University of Michigan, 15 June through 18 June 1959. p. 128. OCLC 02460155 will be increased. Embodiments of the present invention thus enable the production of the desired photons (the photons 125 with the output energy Eph2) increase significantly.

Zusammenfassend beschreibt 4 den folgenden beispielhaften Aufbau der Photozelle 100 bzw. der ASEC-Zelle. Wie in 4 gezeigt, weist die Photozelle 100 beispielsweise eine transparente Antireflexionsschicht 420, eine Halbleiterschicht 120 bzw. einen Halbleiter, eine Abstandsschicht 150, eine erste bis vierte Reaktionsschicht 132, 134, 142, 144 und eine reflektierende Schicht 410 auf. Die Halbleiterschicht 120 bzw. der Halbleiter umfasst beispielsweise ein transparentes Material, das für das gesamte Sonnenlichtspektrum, außer für die Wellenlängen mit der Energie Eg = hν2 transparent ist. Im Halbleiter werden die Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband angetrieben. Die Abstandsschicht 150 umfasst beispielsweise eine Flüssigkeit, einen Festkörper oder ein Gas, wobei die Abstandsschicht 150 nicht mit den durch sie hindurchtretenden Photonen bzw. Wellen wechselwirkt. Die erste und die zweite Reaktionsschicht 132, 134 umfassen geeignete Materialien (wie z. B. Moleküle, Quantum-Dots, Dünnfilm-(Thinfilm)Materialien, Nanokristalle, usw.), in denen die unterschiedlichen Wechselwirkungen zwischen den einschlagenden Photonen und den Elektronen stattfinden. Die zweite und die vierte Reaktionsschicht 134, 144 umfassen geeignete Materialien, die die Phononen durch die Gitterschwingungen des jeweiligen Kristallgitters bzw. Kristalls mit beispielsweise unterschiedlichen Temperaturen (ΔT1, ΔT2), der ersten und der dritten Reaktionsschicht 132, 142 zur Verfügung stellen. Die reflektierende Schicht 410 umfasst beispielsweise ein geeignetes Material, das als Spiegel wirkt und die erzeugten Photonen wieder zum Halbleiter bzw. zur Halbleiterschicht 120 reflektiert.In summary, describes 4 the following exemplary construction of the photocell 100 or the ASEC cell. As in 4 shown points the photocell 100 For example, a transparent anti-reflection layer 420 , a semiconductor layer 120 or a semiconductor, a spacer layer 150 , a first to fourth reaction layer 132 . 134 . 142 . 144 and a reflective layer 410 on. The semiconductor layer 120 For example, the semiconductor comprises a transparent material that is transparent to the entire spectrum of sunlight, except for the wavelengths of energy Eg = hν2. In the semiconductor, the electrons are driven from the valence band to the conduction band. The spacer layer 150 includes, for example, a liquid, a solid or a gas, wherein the spacer layer 150 does not interact with the photons or waves passing through them. The first and second reaction layers 132 . 134 include suitable materials (such as molecules, quantum dots, thin film materials, nanocrystals, etc.) in which the different interactions between the incident photons and the electrons take place. The second and fourth reaction layers 134 . 144 For example, suitable materials include the phonons through the lattice vibrations of the respective crystal lattice or crystal having, for example, different temperatures (ΔT1, ΔT2), the first and third reaction layers 132 . 142 provide. The reflective layer 410 comprises, for example, a suitable material which acts as a mirror and the photons generated again to the semiconductor or to the semiconductor layer 120 reflected.

Ferner können die einzelnen Schichten der in 4 gezeigten Photozelle 100 verschiedene geeignete Materialien aufweisen, wie es im Folgenden beschrieben wird. Mit Bezug auf 4 kann z. B. die erste Reaktionsschicht 132 aus CdSe Quantum-Dots (QD) bestehen. Beispielsweise können die CdSe QD gewünschte Wellenlängen absorbieren (wobei z. B. unter Verwendung des bekannten „CdSe 480” alle Wellenlängen unter etwa 500 nm absorbiert werden). Nach der Absorption können diese Quantum-Dots beispielsweise durch eine Stokes-Verschiebung Licht mit einer größeren Wellenlänge und demzufolge mit einer geringeren Energie erzeugen. Mit dem bekannten CdSe 480 kann somit beispielsweise Licht mit größeren Wellenlängen in einem Wellenlängenbereich oberhalb von 500 nm erzeugt werden.Furthermore, the individual layers of the in 4 shown photocell 100 have various suitable materials, as described below. Regarding 4 can z. B. the first reaction layer 132 consist of CdSe Quantum Dots (QD). For example, the CdSe QD can absorb desired wavelengths (eg, using the known "CdSe 480", all wavelengths below about 500 nm are absorbed). After absorption, these quantum dots can, for example, generate light with a longer wavelength and consequently with a lower energy by means of a Stokes shift. With the well-known CdSe 480 Thus, for example, light with longer wavelengths in a wavelength range above 500 nm can be generated.

Ferner kann die zweite Reaktionsschicht 134, die durch die Gitterschwankungen die Phononen zur Verfügung stellt, beispielsweise aus Tantaloxidnitrid (TaON) sein. Diese TaON-Schicht kann beispielsweise alle restlichen Wellenlängen unter 600 nm absorbieren.Furthermore, the second reaction layer 134 which provides the phonons through the lattice variations, for example, from tantalum oxide nitride (TaON). For example, this TaON layer can absorb all remaining wavelengths below 600 nm.

Hierbei ist es wichtig zu erwähnen, dass die erste und die zweite Reaktionsschicht 132, 134 nicht unbedingt getrennt sein müssen. Beispielsweise kann die zweite Reaktionsschicht 134 in der ersten Reaktionsschicht 132 gemischt sein. In diesem Fall handelt es sich beispielsweise um eine Dotierung der TaON-Schicht mit CdSe 480 Quantum-Dots.It is important to mention that the first and the second reaction layer 132 . 134 not necessarily be separated. For example, the second reaction layer 134 in the first reaction layer 132 be mixed. In this case, for example, it is a doping of the TaON layer with CdSe 480 Quantum Dots.

Bei Ausführungsbeispielen sollte die erzeugte Wellenlänge λ2 (die der Ausgangsenergie hν2 der Photonen 125 entspricht) der Energiebandlücke (Eg) der Halbleiterschicht 120 entsprechen. Die Energiebandlücke (Eg) der Halbleiterschicht 120 kann beispielsweise mit Materialien aus der Werkstofftechnik gewünscht eingestellt werden. Beispielsweise kann durch einfaches Ändern der Konzentration von Elementen, wie z. B. in Verbindungshalbleitern der III–V- oder II–VI-Gruppe, die gewünschte Eigenschaft bzw. die gewünschte Energiebandlücke (Eg) erreicht werden.In embodiments, the generated wavelength λ2 (that of the output energy hν2 of the photons 125 corresponds) of the energy band gap (Eg) of the semiconductor layer 120 correspond. The energy band gap (Eg) of the semiconductor layer 120 can be adjusted, for example, with materials from materials technology desired. For example, by simply changing the concentration of elements such. B. in compound semiconductors of the III-V or II-VI group, the desired property or the desired energy band gap (Eg) can be achieved.

Ähnlich wie bei der ersten Reaktionsschicht 132 kann für die dritte Reaktionsschicht 142 wiederum CdSe(ZnS) verwendet werden. Alternativ dazu kann auch CdTe (Cadmiumtellurid) verwendet und das gewünschte Absorptionsspektrum ausgewählt werden. Ferner können beispielsweise jegliche bekannte Luminophore verwendet werden.Similar to the first reaction layer 132 can for the third reaction layer 142 again CdSe (ZnS) can be used. Alternatively, CdTe (cadmium telluride) may be used and the desired absorption spectrum selected. Further, for example, any known luminophores can be used.

Für die vierte Reaktionsschicht 144 kann beispielsweise einfaches Kupfer verwendet werden, das gleichzeitig auch ein sehr guter Temperaturleiter ist. Ferner kann für die vierte Reaktionsschicht 144 auch Gold verwendet werden, was für dieselbe gut geeignet ist.For the fourth reaction layer 144 For example, simple copper can be used, which is also a very good temperature conductor at the same time. Further, for the fourth reaction layer 144 also be used gold, which is well suited for the same.

Darüber hinaus kann man aus der Chemie, der Festkörperphysik und der Biologie weitere Ausführungsbeispiele von unterschiedlichen Kombinationen verwenden, die im Wesentlichen die gleiche Wirkung wie die oben beschriebenen Materialien haben.In addition, one may use other embodiments of different combinations of chemistry, solid state physics, and biology that have substantially the same effect as the materials described above.

Somit schaffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Photozelle bzw. ASEC-Zelle, die durch die Auswahl von geeigneten Materialien, die ein geeignetes Absorptionsspektrum haben, ausgezeichnet ist. Hierbei ist zu erwähnen, dass heutzutage alle diese Materialien ziemlich einfach durch die Werkstofftechnik zu realisieren sind.Thus, embodiments of the present invention provide a photocell or ASEC cell which is characterized by the selection of suitable materials having a suitable absorption spectrum. It should be mentioned that nowadays all these materials are quite easy to realize by material technology.

Ein hohes Potenzial der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass durch die Auswahl der Resonatorlängen (z. B. La, Lb) und der Materialien der verschiedenen Schichten (die erste bis vierte Reaktionsschicht 132, 134, 142, 144) die gewünschte Wellenlänge λ2 erzeugt werden kann. Dies kann entsprechend der gewollten Nutzung für die Photozelle bzw. ASEC-Zelle durchgeführt werden.A high potential of the present invention is that by selecting the resonator lengths (eg, La, Lb) and the materials of the different layers (the first to fourth reaction layers 132 . 134 . 142 . 144 ) the desired wavelength λ2 can be generated. This can be done according to the intended use for the photocell or ASEC cell.

Demzufolge schaffen Ausführungsbeispiele eine Photozelle bzw. ASEC-Zelle, die eine effektive Lösung bereitstellt, um mehr Energie aus dem Sonnenlichtspektrum zu gewinnen. Dies kann überall dort vorteilhaft angewendet werden, wo man Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband promovieren will oder gewisse Wellenlängen erzeugen möchte.As a result, embodiments provide a photocell or ASEC cell that provides an effective solution to gain more energy from the sunlight spectrum. This can be used advantageously everywhere, where one wants to earn a doctorate from the valence band to the conduction band or to generate certain wavelengths.

Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik kann somit gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung durch eine Photon-Elektron-Phonon-Streuung mehr Energie vom Sonnenlichtspektrum verwendet werden, so dass die verbesserte Lichtausbeute mit der Photozelle erreicht werden kann.In contrast to the known prior art, according to embodiments of the present invention, photon-electron-phonon scattering thus allows more energy from the sunlight spectrum to be used so that the improved light output with the photocell can be achieved.

Claims

Photozelle (100), mit folgenden Merkmalen: einer Schichtfolge (110) zum Aufwärts-Konvertieren von Photonenenergie; und einer Halbleiterschicht (120), die auf der Schichtfolge (110) angeordnet ist, wobei die Halbleiterschicht (120) eine Energiebandlücke (Eg) aufweist; wobei die Halbleiterschicht (120) ausgebildet ist, um einfallende Photonen (101) mit einer Energie (Eph0), die zumindest der Energiebandlücke (Eg) der Halbleiterschicht (120) entspricht, zu absorbieren; wobei die Schichtfolge (110) ausgebildet ist, um die Anfangsenergie (Eph1) von durch die Halbleiterschicht (120) transmittierten niederenergetischen Photonen (121) auf eine Ausgangsenergie (Eph2) zu erhöhen, so dass die Ausgangsenergie (Eph2) mindestens der Energiebandlücke (Eg) der Halbleiterschicht (120) entspricht; und wobei die Schichtfolge (110) ausgebildet ist, um die Photonen (125) mit der Ausgangsenergie (Eph2) in Richtung der Halbleiterschicht (120) zu lenken; wobei die Schichtfolge (110) ein erstes Paar (130) von Reaktionsschichten mit einer ersten Reaktionsschicht (132) und einer zweiten Reaktionsschicht (134) aufweist; wobei die erste Reaktionsschicht (132) ausgebildet ist, um eine Photon-Elektron-Wechselwirkung zwischen den durch die Halbleiterschicht (120) transmittierten niederenergetischen Photonen (121) mit der Anfangsenergie (Eph1), die auf die erste Reaktionsschicht (132) auftreffen, und Elektronen, die sich in der ersten Reaktionsschicht (132) befinden, zu bewirken; wobei die erste Reaktionsschicht (132) ausgebildet ist, um die Elektronen, die sich in der ersten Reaktionsschicht (132) befinden, von einem niederenergetischen Zustand (Ek1) mittels der durch die Halbleiterschicht (120) transmittierten niederenergetischen Photonen (121) mit der Anfangsenergie (Eph1), die auf die erste Reaktionsschicht (132) auftreffen, in einen höherenergetischen Zustand (Ek2) zu versetzen; wobei die zweite Reaktionsschicht (134) ausgebildet ist, um Phononen mit einer ersten Phononenenergie (Eω1) für die erste Reaktionsschicht (132) bereitzustellen; wobei die erste Reaktionsschicht (132) ausgebildet ist, um eine Elektron-Phonon-Wechselwirkung zwischen Elektronen, die mittels der ersten Reaktionsschicht (132) in einen höherenergetischen Zustand (Ek2) versetzt werden, und Phononen, die von der zweiten Reaktionsschicht (134) für die erste Reaktionsschicht (132) bereitgestellt werden, zu bewirken; wobei die erste Reaktionsschicht (132) und die zweite Reaktionsschicht (134) ausgebildet sind, um die Photonen (125) mit der Ausgangsenergie (Eph2) zu erzeugen.Photocell ( 100 ), having the following features: a sequence of layers ( 110 ) for up-converting photon energy; and a semiconductor layer ( 120 ), which are based on the sequence of layers ( 110 ), wherein the semiconductor layer ( 120 ) has an energy band gap (Eg); wherein the semiconductor layer ( 120 ) is adapted to detect incident photons ( 101 ) having an energy (Eph0) which is at least the energy band gap (Eg) of the semiconductor layer ( 120 ) absorbs; where the sequence of layers ( 110 ) is adapted to the initial energy (Eph1) of the semiconductor layer ( 120 ) transmitted low-energy photons ( 121 ) to an output energy (Eph2) so that the output energy (Eph2) of at least the energy band gap (Eg) of the semiconductor layer ( 120 ) corresponds; and wherein the layer sequence ( 110 ) is adapted to the photons ( 125 ) with the output energy (Eph2) in the direction of the semiconductor layer ( 120 ) to steer; where the sequence of layers ( 110 ) a first pair ( 130 ) of reaction layers with a first reaction layer ( 132 ) and a second reaction layer ( 134 ) having; wherein the first reaction layer ( 132 ) is adapted to effect a photon-electron interaction between the layers through the semiconductor layer ( 120 ) transmitted low-energy photons ( 121 ) with the initial energy (Eph1), which on the first reaction layer ( 132 ), and electrons that are in the first reaction layer ( 132 ) to effect; wherein the first reaction layer ( 132 ) is adapted to the electrons that are in the first reaction layer ( 132 ) from a low-energy state (Ek1) by means of the through the semiconductor layer ( 120 ) transmitted low-energy photons ( 121 ) with the initial energy (Eph1), which on the first reaction layer ( 132 ) to put into a higher-energy state (Ek2); wherein the second reaction layer ( 134 ) is adapted to generate phonons having a first phonon energy (Eω1) for the first reaction layer ( 132 ) to provide; wherein the first reaction layer ( 132 ) is adapted to an electron-phonon interaction between electrons, which by means of the first reaction layer ( 132 ) are put into a higher energy state (Ek2), and phonons that are released from the second reaction layer ( 134 ) for the first reaction layer ( 132 ) to effect; wherein the first reaction layer ( 132 ) and the second reaction layer ( 134 ) are adapted to the photons ( 125 ) with the output energy (Eph2).

Die Photozelle (100) nach Anspruch 1, wobei die Schichtfolge (110) so ausgebildet ist, dass die Differenz (ΔEph) zwischen der Ausgangsenergie (Eph2) der Photonen (125) und der Anfangsenergie (Eph1) von den durch die Halbleiterschicht (120) transmittierten niederenergetischen Photonen (121) einer Anti-Stokes-Verschiebung entspricht.The photocell ( 100 ) according to claim 1, wherein the layer sequence ( 110 ) is designed so that the difference (ΔEph) between the output energy (Eph2) of the photons ( 125 ) and the initial energy (Eph1) of those by the Semiconductor layer ( 120 ) transmitted low-energy photons ( 121 ) corresponds to an anti-Stokes shift.

Die Photozelle (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schichtfolge (110) ausgebildet ist, um die Anfangsenergie (Eph1) von den durch die Halbleiterschicht (120) transmittierten niederenergetischen Photonen (121) mittels einer Photon-Elektron-Phonon-Streuung auf die Ausgangsenergie (Eph2) zu erhöhen.The photocell ( 100 ) according to claim 1 or 2, wherein the layer sequence ( 110 ) is designed to reduce the initial energy (Eph1) from that through the semiconductor layer ( 120 ) transmitted low-energy photons ( 121 ) by means of a photon-electron-phonon scattering on the output energy (Eph2).

Die Photozelle (100) nach Anspruch 1, wobei die Schichtfolge (110) ein zweites Paar (140) von Reaktionsschichten mit einer dritten Reaktionsschicht (142) und einer vierten Reaktionsschicht (144) aufweist;The photocell ( 100 ) according to claim 1, wherein the layer sequence ( 110 ) a second pair ( 140 ) of reaction layers with a third reaction layer ( 142 ) and a fourth reaction layer ( 144 ) having;

Die Photozelle (100) nach Anspruch 4, wobei die dritte Reaktionsschicht (142) ausgebildet ist, um eine Photon-Elektron-Wechselwirkung zwischen Photonen mit einer im Vergleich zur Anfangsenergie (Eph1) geringeren Energie (Eph1'), die auf die dritte Reaktionsschicht (142) auftreffen und Elektronen, die sich in der dritten Reaktionsschicht (142) befinden, zu bewirken.The photocell ( 100 ) according to claim 4, wherein the third reaction layer ( 142 ) is adapted to effect a photon-electron interaction between photons having a lower energy (Eph1 ') than the initial energy (Eph1) which is incident on the third reaction layer ( 142 ) and electrons that are in the third reaction layer ( 142 ) to effect.

Die Photozelle (100) nach Anspruch 5, wobei die dritte Reaktionsschicht (142) ausgebildet ist, um die Elektronen, die sich in der dritten Reaktionsschicht (142) befinden, von einem niederenergetischen Zustand (Ek1') mittels der Photonen mit der im Vergleich zur Anfangsenergie (Eph1) geringeren Energie (Eph1'), die auf die dritte Reaktionsschicht (142) auftreffen, in einen höherenergetischen Zustand (Ek2') zu versetzen.The photocell ( 100 ) according to claim 5, wherein the third reaction layer ( 142 ) is adapted to the electrons that are in the third reaction layer ( 142 ) from a low-energy state (Ek1 ') by means of the photons with the energy (Eph1') which is lower than the initial energy (Eph1) and which is incident on the third reaction layer ( 142 ), to place in a higher energy state (Ek2 ').

Die Photozelle (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die vierte Reaktionsschicht (144) ausgebildet ist, um Photonen mit einer zweiten Phononenenergie (Eω2) für die dritte Reaktionsschicht (142) bereitzustellen; wobei die dritte Reaktionsschicht (142) ausgebildet ist, um eine Elektron-Phonon-Wechselwirkung zwischen Elektronen, die mittels der dritten Reaktionsschicht (142) in einen höherenergetischen Zustand (Ek2') versetzt werden, und Phononen, die von der vierten Reaktionsschicht (144) für die dritte Reaktionsschicht (142) bereitgestellt werden, zu bewirken; wobei die dritte Reaktionsschicht (142) und die vierte Reaktionsschicht (144) ausgebildet sind, um die Photonen mit der Ausgangsenergie (Eph2) oder Photonen (155) mit der Anfangsenergie (Eph1) zu erzeugen.The photocell ( 100 ) according to one of claims 4 to 6, wherein the fourth reaction layer ( 144 ) is adapted to photons with a second phonon energy (Eω2) for the third reaction layer ( 142 ) to provide; wherein the third reaction layer ( 142 ) is adapted to an electron-phonon interaction between electrons, by means of the third reaction layer ( 142 ) are put into a higher-energy state (Ek2 '), and phonons which are displaced from the fourth reaction layer ( 144 ) for the third reaction layer ( 142 ) to effect; wherein the third reaction layer ( 142 ) and the fourth reaction layer ( 144 ) are designed to detect the photons with the output energy (Eph2) or photons ( 155 ) with the initial energy (Eph1).

Die Photozelle (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die zweite Reaktionsschicht (134) ein erstes Kristallgitter mit einer Kristalltemperatur (ΔT1) aufweist; wobei die vierte Reaktionsschicht (144) ein zweites Kristallgitter mit einer zweiten, unterschiedlichen Kristalltemperatur (ΔT2) aufweist; wobei die zweite Reaktionsschicht (134) ausgebildet ist, um Phononen mit einer ersten Phononenenergie (Eω1) durch Gitterschwingungen des ersten Kristallgitters mit der ersten Kristalltemperatur (ΔT1) für die erste Reaktionsschicht (132) bereitzustellen; wobei die vierte Reaktionsschicht (144) ausgebildet ist, um Phononen mit einer zweiten Phononenenergie (Eω2) durch Gitterschwingungen des zweiten Kristallgitters mit der zweiten, unterschiedlichen Kristalltemperatur (ΔT2) für die dritte Reaktionsschicht (142) bereitzustellen.The photocell ( 100 ) according to any one of claims 4 to 7, wherein the second reaction layer ( 134 ) has a first crystal lattice having a crystal temperature (ΔT1); the fourth reaction layer ( 144 ) has a second crystal lattice with a second, different crystal temperature (ΔT2); wherein the second reaction layer ( 134 ) is adapted to form phonons having a first phonon energy (Eω1) by lattice vibrations of the first crystal lattice having the first crystal temperature (ΔT1) for the first reaction layer ( 132 ) to provide; the fourth reaction layer ( 144 ) is adapted to form phonons having a second phonon energy (Eω2) by lattice vibrations of the second crystal lattice having the second, different crystal temperature (ΔT2) for the third reaction layer ( 142 ).

Die Photozelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schichtfolge (110) eine Abstandsschicht (150) aufweist; wobei die Halbleiterschicht (120) auf der Abstandsschicht (150) angeordnet ist, wobei die Halbleiterschicht (120) und die Abstandsschicht (150) aneinander angrenzen; wobei die Schichtfolge (110) ein erstes Paar (130) von Reaktionsschichten mit einer ersten Reaktionsschicht (132) und einer zweiten Reaktionsschicht (134) aufweist, wobei die erste Reaktionsschicht (132) und die zweite Reaktionsschicht (134) aneinander angrenzen; wobei die Abstandsschicht (150) auf dem ersten Paar (130) von Reaktionsschichten angeordnet ist, wobei die Abstandsschicht (150) und das erste Paar (130) von Reaktionsschichten aneinander angrenzen; wobei die Abstandsschicht (150) so ausgebildet ist, dass eine erste Grenzfläche (202), die durch die Halbleiterschicht (120) und die Abstandsschicht (150) gebildet wird, und eine zweite Grenzfläche (204), die durch die erste Reaktionsschicht (132) und die zweite Reaktionsschicht (134) gebildet wird, einen ersten Resonator für die Verstärkung der Frequenz (ν2), die der Ausgangsenergie (Eph2) der Photonen entspricht, bilden.The photocell ( 100 ) according to one of claims 1 to 8, wherein the layer sequence ( 110 ) a spacer layer ( 150 ) having; wherein the semiconductor layer ( 120 ) on the spacer layer ( 150 ), wherein the semiconductor layer ( 120 ) and the spacer layer ( 150 ) abut each other; where the sequence of layers ( 110 ) a first pair ( 130 ) of reaction layers with a first reaction layer ( 132 ) and a second reaction layer ( 134 ), wherein the first reaction layer ( 132 ) and the second reaction layer ( 134 ) abut each other; wherein the spacer layer ( 150 ) on the first pair ( 130 ) is arranged by reaction layers, wherein the spacer layer ( 150 ) and the first pair ( 130 ) of reaction layers adjacent to each other; wherein the spacer layer ( 150 ) is formed so that a first interface ( 202 ) passing through the semiconductor layer ( 120 ) and the spacer layer ( 150 ) and a second interface ( 204 ) passing through the first reaction layer ( 132 ) and the second reaction layer ( 134 ) is formed, a first resonator for the amplification of the frequency (ν2) corresponding to the output energy (Eph2) of the photons form.

Die Photozelle (100) nach Anspruch 9, wobei die erste Grenzfläche (202) und die zweite Grenzfläche (204) einen ersten Laserresonator bilden; wobei der erste Laserresonator ausgebildet ist, um die Anzahl der Photonen (125) mit der Ausgangsenergie (Eph2), die in Richtung der Halbleiterschicht (120) gelenkt werden, unter Verwendung einer stimulierten Emission zu erhöhen.The photocell ( 100 ) according to claim 9, wherein the first interface ( 202 ) and the second interface ( 204 ) form a first laser resonator; wherein the first laser resonator is designed to reduce the number of photons ( 125 ) with the output energy (Eph2), which in the direction of the semiconductor layer ( 120 ) to increase using a stimulated emission.

Die Photozelle (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Abstandsschicht (150) so ausgebildet ist, dass die Frequenz (ν2), die mit dem ersten Resonator verstärkt wird, die Resonanzbedingung

ν2 = n·c/2La

erfüllt, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, n einen Brechungsindex des Resonatormediums beschreibt und La der Abstand zwischen der ersten Grenzfläche (202) und der zweiten Grenzfläche (204) ist. The photocell ( 100 ) according to claim 9 or 10, wherein the spacer layer ( 150 ) is formed so that the frequency (ν2) amplified by the first resonator becomes the resonance condition

ν2 = n · c / 2La

where c is the speed of light, n is a refractive index of the resonator medium, and La is the distance between the first interface ( 202 ) and the second interface ( 204 ).

Die Photozelle (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Schichtfolge (110) ein zweites Paar (140) von Reaktionsschichten mit einer dritten Reaktionsschicht (142) und einer vierten Reaktionsschicht (144) aufweist, wobei die dritte Reaktionsschicht (142) und die vierte Reaktionsschicht (144) aneinander angrenzen; wobei das erste Paar (130) von Reaktionsschichten auf dem zweiten Paar (140) von Reaktionsschichten angeordnet ist, wobei das erste Paar (130) von Reaktionsschichten und das zweite Paar (140) von Reaktionsschichten aneinander angrenzen; wobei die Abstandsschicht (150) so ausgebildet ist, dass die erste Grenzfläche (202), die durch die Halbleiterschicht (120) und die Abstandsschicht (150) gebildet wird, und eine dritte Grenzfläche (206), die durch die dritte Reaktionsschicht (142) und die vierte Reaktionsschicht (144) gebildet wird, einen zweiten Resonator für die Verstärkung der Frequenz (ν2), die der Ausgangsenergie (Eph2) der Photonen (125) entspricht, bilden.The photocell ( 100 ) according to one of claims 9 to 11, wherein the layer sequence ( 110 ) a second pair ( 140 ) of reaction layers with a third reaction layer ( 142 ) and a fourth reaction layer ( 144 ), wherein the third reaction layer ( 142 ) and the fourth reaction layer ( 144 ) abut each other; where the first pair ( 130 ) of reaction layers on the second pair ( 140 ) of reaction layers, the first pair ( 130 ) of reaction layers and the second pair ( 140 ) of reaction layers adjacent to each other; wherein the spacer layer ( 150 ) is formed so that the first interface ( 202 ) passing through the semiconductor layer ( 120 ) and the spacer layer ( 150 ), and a third interface ( 206 ) through the third reaction layer ( 142 ) and the fourth reaction layer ( 144 ), a second resonator for the amplification of the frequency (ν2), that of the output energy (Eph2) of the photons ( 125 ), form.

Die Photozelle (100) nach Anspruch 12, wobei die erste Grenzfläche (202) und die dritte Grenzfläche (206) einen zweiten Laserresonator bilden; wobei der zweite Laserresonator ausgebildet ist, um die Anzahl der Photonen (125) mit der Ausgangsenergie (Eph2), die in Richtung der Halbleiterschicht (120) gelenkt werden, unter Verwendung einer stimulierten Emission zu erhöhen.The photocell ( 100 ) according to claim 12, wherein the first interface ( 202 ) and the third interface ( 206 ) form a second laser resonator; wherein the second laser cavity is adapted to reduce the number of photons ( 125 ) with the output energy (Eph2), which in the direction of the semiconductor layer ( 120 ) to increase using a stimulated emission.

Die Photozelle (100) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Abstandsschicht (150) so ausgebildet ist, das die Frequenz (ν2), die mit dem zweiten Resonator verstärkt wird, die Resonanzbedingung

ν2 = n·c/2Lb

erfüllt, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, n einen Brechungsindex des Resonatormediums beschreibt und Lb der Abstand zwischen der ersten Grenzfläche (202) und der dritten Grenzfläche (206) ist.The photocell ( 100 ) according to claim 12 or 13, wherein the spacer layer ( 150 ) is formed so that the frequency (ν2) amplified by the second resonator becomes the resonance condition

ν2 = n · c / 2Lb

where c is the speed of light, n is a refractive index of the resonator medium, and Lb is the distance between the first interface ( 202 ) and the third interface ( 206 ).

Die Photozelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Schichtfolge (110) eine reflektierende Schicht (410) aufweist; wobei die reflektierende Schicht (410) ausgebildet ist, um die Photonen (125) mit der Ausgangsenergie (Eph2), die auf die reflektierende Schicht (410) auftreffen, in Richtung der Halbleiterschicht (120) zu reflektieren.The photocell ( 100 ) according to one of claims 1 to 14, wherein the layer sequence ( 110 ) a reflective layer ( 410 ) having; wherein the reflective layer ( 410 ) is adapted to the photons ( 125 ) with the output energy (Eph2) applied to the reflective layer ( 410 ), in the direction of the semiconductor layer ( 120 ) to reflect.