EP2301082A2 - Solarzelle mit lichtfalle und solarmodul - Google Patents

Solarzelle mit lichtfalle und solarmodul

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EP2301082A2
EP2301082A2 EP09757228A EP09757228A EP2301082A2 EP 2301082 A2 EP2301082 A2 EP 2301082A2 EP 09757228 A EP09757228 A EP 09757228A EP 09757228 A EP09757228 A EP 09757228A EP 2301082 A2 EP2301082 A2 EP 2301082A2
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EP
European Patent Office
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light
solar cell
holographic element
cell according
holographic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09757228A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karl-Heinz Stegemann
Steffen Krug
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Nanooptics GmbH
Original Assignee
Nanooptics GmbH
Signet Solar GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2301082A2 publication Critical patent/EP2301082A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the application relates to a device for photovoltaic conversion, such as a solar cell or solar cells connected to a solar module, which have a light trap.
  • Optical losses are due, for example, to the fact that light incident on the solar cell is reflected or the light passes through the photovoltaically active layers and re-flows the solar cell without being absorbed. This light is lost for the photovoltaic conversion of light into electricity.
  • Light traps are used to generate electron-hole pairs in the absorber layer suitable light, for. B. light with a photon energy above the band gap of the absorber layer to absorb as completely as possible in the solar cell and thus to reduce optical losses.
  • light traps direct the light incident on a solar cell at appropriate angles so in the photovoltaic active layers, without collecting it and concentrate that the path length of light within the solar cell longer and the absorption probability higher is as in omitting the light traps.
  • light traps can be texturized to the light incidence side produce directed surface of the monocrystalline silicon.
  • An example of a textured surface are pyramidal structures that are formed utilizing a silicon etch rate dependent on the crystal direction. The texture of the surface causes less light to be reflected, and the light entering the cell is deflected such that, on average, it is path-extended.
  • Light-traps formed by texture for single-crystalline silicon solar cells typically have feature sizes that are substantially smaller than the layer thickness of the photovoltaically active layer.
  • the structure size of the texture would be in the region of the layer thickness of the photovoltaically active layer.
  • Texturing takes place here, for example, by texturing a glass surface or a transparent, conductive electrode layer.
  • Fig. IA shows a schematic simplification a
  • FIG. IB shows a schematic simplification a
  • Fig. 2A shows a schematic simplification of a
  • Fig. 2B shows a schematic simplification a
  • Fig. 2C shows a schematic simplification
  • 2D shows, in a schematic simplification, a cross section through a solar cell with a reflective holographic element on the rear side and the light deflection effected by the holographic element.
  • Fig. 3 shows a schematic simplification
  • FIG. 4 shows a schematic simplification
  • Fig. 5 shows a schematic simplification a
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an exemplary transmission behavior of a holographic element at normal incidence of light as a function of a light deflection angle ⁇ .
  • FIG. 7A shows a schematic representation of an exemplary spectral transmission behavior of a first hologram layer of a holographic element in the case of normal incidence of light.
  • FIG. 7B shows a schematic representation of an exemplary spectral transmission behavior of a first hologram layer of the holographic element when light is incident at an angle ⁇ to the normal.
  • FIG. 7C shows a schematic representation of an exemplary spectral transmission behavior of a first hologram layer of the holographic element when light is incident at an angle ⁇ to the normal.
  • FIG. 7D shows a schematic representation of an exemplary spectral transmission behavior of a second hologram layer of the holographic element in the case of normal incidence of light.
  • Fig. 7E shows a schematic representation of an exemplary spectral transmission behavior of a second hologram layer of the holographic element at light incidence at an angle ⁇ to
  • 7F shows a schematic representation of an exemplary spectral transmission behavior of a second hologram position of the holographic
  • 7G shows a schematic representation of an exemplary spectral transmission behavior of a third hologram layer of the holographic element in the case of normal incidence of light.
  • 7H shows a schematic representation of an exemplary spectral transmission behavior of a third hologram layer of the holographic element when light is incident at an angle ⁇ to the normal.
  • 71 shows a schematic illustration of an exemplary spectral transmission behavior of a third hologram position of the holographic element when light is incident at an angle ⁇ to the normal.
  • FIG. 7J shows a schematic representation of an exemplary spectral transmission behavior of the holographic element with superimposed first, second and third hologram position under normal incidence of light.
  • Fig. IA shows in schematic simplification a cross section through a solar cell with a holographic element on the front side.
  • the solar cell 100 comprises a photovoltaic element 101 having a front side 102 formed as a light entry surface and a rear side 103 opposite thereto.
  • a holographic element 104 acting as a light trap is arranged, which transmits at least part of the incident light 105 and thus into the photovoltaic Element 101 deflects without concentrating it undergoes an optical path extension WV between front 102 and back 103.
  • the back surface 103 of the photovoltaic element 101 may be reflective, such as by providing a reflective metal layer on the back surface 103, e.g. made of silver (Ag).
  • the optical path extension WV results here as an optical path difference compared to the case in which the light 105 passes through the photovoltaic element 101 without light trap 104 from the front side 102 to the rear side 103.
  • the light 105 is incident perpendicularly on the front side 102 and is directed via the holographic element 104 at an angle ⁇ into the photovoltaic element 101.
  • Deflection is not limited to perpendicularly incident light, but may be achieved for an angular range, which in turn may depend on the thickness of the holographic planes in the holographic element 104. If the holographic planes in the holographic element 104 have a total thickness in the range of a few 10 ⁇ m, e.g. 30 ⁇ m to 50 ⁇ m such as 40 ⁇ m, a deflection in the angular range of several degrees, e.g. 1 ° to 4 ° can be achieved. If the thickness of the holographic planes in the holographic element 104 is less than 10 ⁇ m, then, for example, angular ranges of the deflection of about 5 ° to 20 ° or even 10 ° to 15 ° can be achieved.
  • the angular range can be further increased by stacking several hologram planes that are tuned to different wavelength ranges.
  • a changing angle of incidence of light e.g. a wandering position of the sun can be accommodated by causing a desired light deflection of different hologram layers in different light incident angle ranges.
  • Possible material systems for absorber layers of the photovoltaic element are chalcopyrites such as CuIn x Ga ( 1.x ) Se 2 (CIGS) and derivatives thereof, such as CIGSSe, III-V
  • Semiconductor materials such as GaAs, silicon in various crystal states such as monocrystalline silicon, amorphous silicon (a-Si or a-Si.H), multicrystalline silicon (mc-Si), microcrystalline silicon ( ⁇ c-Si), polycrystalline silicon (poly-Si), nanocrystalline silicon (nc-Si), CdTe, or organic semiconductors based on z.
  • a-Si or a-Si.H amorphous silicon
  • mc-Si multicrystalline silicon
  • ⁇ c-Si microcrystalline silicon
  • poly-Si polycrystalline silicon
  • nc-Si nanocrystalline silicon
  • CdTe organic semiconductors based on z.
  • organic semiconductors based on z.
  • the solar cell 100 may be on a single charge separating
  • Multi-junction solar cells Based transition, z. A pn junction or a pin junction, or on multiple charge-sharing junctions (Multi-junction solar cells). Examples of such multi-junction solar cells are tandem solar cells made of material systems such. As microcrystalline silicon / amorphous silicon or InGaP / GaAs, or triple junction solar cells such. B. a-Si: H / ⁇ c-Si: H / ⁇ c-Si: H, InGaP / GaAs / Ge or a-Si: H / aSiGe: H.
  • the holographic element 104 acting as a light trap merely redirects the incident light 105 without concentrating it.
  • the holographic element 104 differs from light concentrators in that it does not collect incident light and thus does not concentrate light incident on a first surface onto a surface of a photovoltaic layer that is smaller than the first surface.
  • the light deflection shown in FIG. 1A is a simplified illustration. So the diversion, d. H.
  • the angle ⁇ for example, be location-dependent or wavelength-dependent, with various techniques such as spectral multiplexing or spatial multiplexing may come into play.
  • spatial multiplexing can counteract optical losses caused, for example, by the fact that light deflected by the holographic element 104 exits the photovoltaic device 100 again after the reflection on the rear side 103 through the holographic element 104.
  • a reflective holographic element may be positioned on the back surface which reflects the light at a suitable angle to the front surface so that it does not exit through the holographic element 104.
  • an anti-reflection structure may be arranged between the holographic element 104 and a photovoltaically active structure within the photovoltaic element 101, for. B. pn absorber layers.
  • Such an anti-reflection structure reduces, for example, starting from the medium surrounding the solar cell 100, for. Air, Refractive index jumps in the transition of various media in the direction of the photovoltaically active layer. Reduced refractive index jumps reduce reflection losses and couple more light into the photovoltaic element 101.
  • the antireflection structure may for example consist of a single layer or of a layer stack. Layers of the antireflection structure have the highest possible transmissivity and are arranged approximately in such a way that the refractive indices increase in the direction of the photovoltaically active layer.
  • the antireflection structure may, for example, comprise or consist of at least one of the materials silicon oxynitride and silicon nitride.
  • the holographic element 104 may be incorporated in a conductive and translucent front-side electrode layer.
  • the front-side electrode layer derives the charge carriers separated in the photovoltaically active layers, ie the photovoltaically generated current, at the front side of the cell.
  • one or more hologram layers (n) for reflection of heat radiation in the infrared region may be formed (not shown).
  • the hologram layers may be the layers closest to the light incidence side.
  • the holographic element 104 can then be used as a light trap to increase the light absorption in the photovoltaically active layers of the photovoltaic element 101 and additionally as a heat shield against heating of the photovoltaic element 101 by infrared radiation.
  • Such a warming of the photovoltaic element 101 may lead to a decrease in the open-circuit voltage as well as to a slight increase in the short-circuit current and overall reduce the electric power provided by the solar cell.
  • the illustrated in Fig. IB solar cell 1 10 has a photovoltaic element 1 1 1 with a designed as a light entrance surface front side 1 12 and one of these opposite back 1 13.
  • a holographic element 1 14 is arranged, which acts as a light trap is tuned to the light absorption characteristic of the photovoltaic element 1 1 1 and at least a portion of the light transmitted through the photovoltaic element light 1 15 by reflection so deflects back into the photovoltaic element 1 1 1, without concentrating it, that it undergoes an optical path extension between the back of 1 13 and front 1 12.
  • the features and properties listed above for the photovoltaic element 101 and the holographic element 104 can be transferred in a corresponding manner to the solar cell 110 shown in FIG. 1B and to the embodiments shown in the further illustrations.
  • the angle ⁇ which characterizes the angle of reflection for light incident perpendicularly on the holographic element 14, can be selected, for example, such that this light is totally reflected at the front side 12 of the photovoltaic element 11, and thus again into the photovoltaic element 1 1 1 is deflected, whereby the light absorption within the photovoltaic element 1 1 1 is further increased.
  • the holographic element 1 14 may have a spatial multiplexing and thus have different diffraction vectors in different areas.
  • the holographic elements 104, 14 can be constructed such that the light is deflected on the entire light incident side.
  • the hologram layers are formed over the entire surface and the holographic element has, for example, no areas in which incident light having a wavelength whose absorption length in the absorber corresponds to a multiple of the thickness of the absorber is transmitted without being deflected.
  • the holographic element 104, 14 has at least one hologram layer.
  • the at least one hologram layer can be formed within a polymer layer, for example.
  • the at least one hologram layer can be formed approximately with the aid of UV laser irradiation, for. In chromate gelatin.
  • the polymer containing the at least one hologram layer can be a conductive polymer, so that the polymer, in addition to its function as a light trap, can also contribute to the transport of electricity, eg. In the form of a front side or rear side electrode of the photovoltaic element.
  • the polymer is formed as a polymer film or part thereof.
  • the polymer can be arranged on a transparent support, for. B. on a glass or a transparent plastic.
  • the at least one hologram layer of the holographic element is constructed, for example, to provide at least 80% of the incident light at an angle ⁇ for a wavelength in the visible part of the spectrum at which an absorption length within the photovoltaic element is greater than the thickness of the photovoltaic element > 50 °, wherein the angle ⁇ describes the deflection angle relative to a normal of the light incident surface.
  • the at least one hologram layer has, for example a sinoidal refractive index modulation and thereby differs from a conventional diffraction grating.
  • a deflection of the light in the holographic elements 104, 1 14 can be optimized, for example, to a wavelength range in which an optical absorption length within the photovoltaically active layer (s) (absorber layer (s)) of the photovoltaic elements 101, 1 1 1 is greater as the thickness of this layer (s).
  • the hologram layers can be spectrally optimized. In particular for wavelengths whose optical absorption length is greater than the thickness of the absorber layer (s), a deflection of the light by the holographic elements leads to an increase in the short-circuit current contribution attributable to this spectral range.
  • the photovoltaic elements 101, 1 1 1 can be, for example, multi-junction solar cells with a certain number of Ia- tion separating junctions, z.
  • Tandem cells with two charge-separating junctions or triple cells with three Ia- separating fusions, and a deflection of the light in the holographic element can be optimized for at least one of the number of corresponding number of wavelength ranges so that for each of these wavelength ranges one high light absorption takes place in a different cell of the multi-junction solar cell.
  • the holographic elements 104, 14 can be optimized for different wavelength ranges whose energy equivalents are in relation to the energy band gap of the various absorber layers of the multi-junction solar cell.
  • the spectral energy distribution of the solar spectrum may be, for. B. AM 1, 5 (Air Mass 1, 5).
  • the photovoltaic elements 101, 11 may, for example, comprise one or more thin-film solar cell (s), e.g. a-Si: H, a-Si: H / ⁇ c-Si: H or a-Si: H / ⁇ c-Si: H / / ⁇ c-Si: H solar cells.
  • s thin-film solar cell
  • a solar cell 201 is shown, in which on a transparent substrate 206, z.
  • a transparent front side electrode 207 is applied.
  • ITO In 2 O 3 ISNO 2
  • ZnO.Al, ZnOrB or SnO 2 F
  • F transparent conductive polymer
  • the absorber layer 208 electron-hole pairs are generated by light absorption, which are dissipated via the charge-separating transition of the absorber layer 208 to the front-side electrode 207 or to a rear-side electrode 209 positioned at the absorber layer 208 and opposite the front-side electrode.
  • the backside electrode 209 may be used as a backside reflector which reflects incident light back into the absorber layer 208.
  • the solar cell 201 may include other layers not shown in FIG. 2A, e.g. B. Passivi fürstiken to reduce the O- berfestrekombination of optically generated minority charge carriers or anti-reflection layers to reduce reflection losses of the incident light.
  • a holographic element 204 acting as a light trap is arranged on the side facing away from the front side electrode 207 of the transparent substrate 206.
  • the holographic For example, based on the light absorption characteristic and the thickness of the absorber layer (s) 208, element 204, at least part of the incident light 205, can be converted into the absorber layer (s) 208 without concentrating on an optical path extension between one optical path Front 202 of the absorber layer (s) 208 and a rear 203 of the absorber layer (s) 208 experiences.
  • the light deflections shown in Fig. 2A as well as in Figs. 2B-2D are shown only schematically.
  • the solar cell structure shown in FIG. 2A may, for example, be a solar cell with a single absorber layer 208 of amorphous silicon or a multi-junction solar cell with absorber layers of microcrystalline silicon and amorphous silicon.
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of a solar cell 221 having a holographic element 224 which also serves as a front-side electrode and is deposited on a transparent substrate 226.
  • a holographic element 224 On the holographic element 224 one or more photovoltaically active layers 228 are arranged opposite to the substrate 226.
  • An interface between the photovoltaic active layer 228 and the holographic element 224 defines a front side 222, ie the side from which the light penetrates into the photovoltaically active layers 228, ie the absorber layer (s) 228.
  • a rear side electrode 229 is arranged on a rear side 223 of the absorber layer 228, a rear side electrode 229 is arranged.
  • Incident light 225 is redirected to absorber layer 228 in holographic element 224, as discussed above, without being focused to undergo an optical path extension between front side 222 and back side 223.
  • the backside electrode 229 may be reflective.
  • the construction shown in FIG. 2B is suitable, for example, for solar cells made of amorphous silicon or else tandem solar cells made of amorphous and microcrystalline silicon.
  • FIG. 2C is a schematic cross-sectional view of a solar cell 241 having a reflective backside electrode 249 disposed on a carrier substrate 246. Since the light does not enter through the carrier substrate 246, it may be permeable or non-transmissive to light.
  • an absorber layer 248 is disposed opposite to the carrier substrate 246, and a front-side electrode 247 is disposed on the absorber layer 248 opposite to the backside electrode 249.
  • a holographic element 244 is arranged on the front side electrode 247, ie on a front side 242 of the absorber layer 248, .
  • the holographic element 244 redirects incident light 245 into the absorber layer 248, thereby increasing the light absorption and the photocurrent within the absorber layer 248.
  • the layer structure shown in FIG. 2C is suitable, for example, for solar cells in whose production process a backside electrode is first applied to a carrier substrate, as for example in solar cells such as a-Si: H on metal or polymer film or in solar cells with chalcopyrite absorber layers Case is, for. B. CIS solar cells and their derivatives.
  • FIG. 2D is a schematic cross-sectional view of a solar cell 261 with a translucent substrate 266 of e.g. As glass or transparent plastic on which a transparent front side electrode 267 is applied.
  • the front-side transparent electrode 267 may be, for example, a transparent conductive oxide or a transparent conductive polymer.
  • one or more absorber layers 268 are disposed on the front side electrode 267.
  • a holographic element 264 is arranged on the absorber layer 268, which also serves as a back-side electrode.
  • the holographic element 264 is thus disposed on a backside 263 of the absorber layer 268 and, unlike the holographic ones shown in FIGS. 2A-2C, causes Elements 204, 224, 244, a light deflection with simultaneous reflection.
  • the structure shown in FIG. 2D may be, for example, an amorphous silicon solar cell or else a tandem solar cell made of microcrystalline silicon and amorphous silicon.
  • FIG. 3 shows a reflective holographic element 300 having two hologram layers 301, 302 capable of reflecting and deflecting at least a portion of incident light 304 without concentrating it, the two hologram layers 301, 302 being embedded in a polymer 303.
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of a holographic element 400.
  • the holographic element 400 causes a deflection during transmission.
  • the holographic element 400 has hologram layers 401, 402 which are embedded in an approximately transparent polymer 403.
  • each have two hoofogram positions 301, 302 and 401, 402 this is only to be regarded as an example and several hologram layers, but at least one, may be incorporated into the respective polymer 303 or 403.
  • An increase in the number of hologram layers, for example, allows optimization of the spectral dependence of the deflection.
  • FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of a solar module 500.
  • the solar module 500 has solar cells with a holographic element 504, a transparent substrate 506, a front-side electrode 507, an absorber layer 508, and an For backlit electrode 509.
  • material selection and light redirection of incident light 505 reference is made to the explanations of the respective layers 204, 206, 207, 208 and 209 of the example shown in FIG. 2A.
  • the front-side electrode 507, the absorber layer 508 and the rear-side electrode 509 are structured in such a way that a first cell associated with the absorber layer 508a is connected in series with a second cell associated with the absorber layer 508b.
  • the series connection is made by connecting the rear side contact 509 of the absorber layer 508a with the front side contact of the absorber layer 508b.
  • the cells may also be encapsulated to protect them from environmental influences (not shown).
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an exemplary transmission behavior of a transmissive holographic element 604 as a function of a light deflection angle ⁇ .
  • the transmission behavior is shown for a wavelength to which the deflection has been optimized.
  • Vertical incident light 605 is passed undistracted to a small extent of less than 20%, eg, less than 10%, such as about 3%.
  • the majority of the incident light 605, that is, more than 80%, eg more than 90% such as 97%, is deflected by a predetermined angle ⁇ 0th
  • the holographic element 604 in contrast to conventional gratings, does not have any intensity contributions attributable to higher orders, to which further deflection angles are assigned.
  • FIG. 7A shows a schematic representation of an exemplary spectral transmission behavior of a first hologram layer H 0 of a holographic element.
  • the exemplary spectral transmission behavior shown as a diagram is based on a measuring arrangement simplified as sketched above the diagram.
  • Light 705 falls perpendicular to the hologram H 0 of the holographic element.
  • a detector D which is positioned on the side opposite to the light incident side, measures the intensity component of the light 705 that has been passed undistracted.
  • the deflection of the light 705 by the predetermined angle ⁇ 0 is set by way of example for the hologram position H 0 to a wavelength ⁇ 0 of 600 nm.
  • the intensity component of undirected light 705 measured by the detector D is therefore minimal at ⁇ 0 .
  • the intensity measured at the detector D increases, ie the transmission of the hologram layer increases and in the ideal case increases to 100%. Losses such as reflection or parasitic absorption can cause maximum transmission values that are less than 100%, eg between 80% and 100% or between 90% and 100%.
  • FIGS. 7B to 7C described below serve to explain the spectral transmission behavior of the first hologram layer H 0 when the light incidence angle changes. Since these figures and the following FIGS. 7D to 7J are constructed to form further hologram layers such as FIG. 7A, only essential differences from FIG. 7A are discussed below.
  • FIG. 7B shows a schematic representation of the spectral transmission behavior of the first hologram layer H 0 when the light incidence from vertical (see FIG. 7A) changes to an angle ⁇ to the normal.
  • the angle ⁇ is for example 10%.
  • the change of the light incidence angle leads to a change of the light deflection angle at which the transmission at the detector D becomes minimal.
  • a change in the angle of incidence of light from 0 ° to the normal (see FIG. 7A) on ⁇ leads to a change in the light deflection angle from ⁇ 0 to ⁇ 1 , accompanied by a change in the maximum deflection of the light.
  • ordered wavelength of ⁇ o 6OOnm (see Fig. 7A) to example
  • FIGS. 7D to 7F are schematic representations for spectral transmission characteristics of a second hologram layer H 1 for vertical incidence of light (FIG. 7D), light incident at an angle ⁇ relative to the normal (see. Fig. 7E) and light ⁇ at an angle to the normal (cf. Fig. 7F).
  • FIGS. 7G to 71 show schematic representations of the spectral transmission behavior of a third hologram position H 2 for vertical incidence of light (FIG. 7G), incidence of light at an angle ⁇ to the normal (see FIG. 7H) and incidence of light at an angle ⁇ to the normal (cf. Fig. 71).
  • the spectral transmission behavior of the holographic element with superimposed hologram layers H 0 , H 1 and H 2 with vertically incident light 705 is shown schematically in FIG. 7J.
  • a light deflection is achieved in an exemplary spectral range of 600 to 800 nm.
  • the spectral transmission behavior of a holographic element is shown in FIG. 7J by way of example with three superimposed hologram layers H 0 , H 1 and H 2 which optimally deflect perpendicularly incident light with wavelengths of 600 nm, 700 nm and 800 nm
  • the holographic element can of course be one of have three different numbers of hologram layers whose deflection can be set to predetermined wavelengths. The number and design of the hologram layers can be matched to a light deflection in a desired spectral range, for example.
  • the holographic element may be a reflective holographic element.

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Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung gibt eine Solarzelle (100) mit Lichtfalle (104) an. Die Solarzelle (100) weist ein photovoltaisches Element (101) mit einer Vorderseite (102) und einer gegenüberliegenden Rückseite ( 103) auf. Das holografische Element (104) ist an der Vorderseite des photovoltaischen Elements ( 101 ) angeordnet, wobei es wenigstens einen Teil einfallenden Lichtes ( 105) hindurchlässt und so in das photovoltaische Element (101) umlenkt, ohne es dabei zu konzentrieren, dass es eine optische Wegverlängerung zwischen Vorderseite (102) und Rückseite (103) erfährt.

Description

Solarzelle mit Lichtfalle und Solarmodul
Beschreibung
Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur photovoltaischen Wandlung wie eine Solarzelle oder zu einem Solarmodul verschaltete Solarzellen, die eine Lichtfalle aufweisen.
Die Erhöhung des Wirkungsgrads von Solarzellen ist ein anhaltendes Entwicklungsziel der Photovoltaikindustrie. Hierzu wird eine Reduzierung der Verlustmechanismen in der Solarzelle angestrebt. Optische Verluste sind etwa darauf zurückzuführen, dass auf die Solarzelle einfallendes Licht reflektiert wird oder das Licht durch die photovoltaisch aktiven Schichten hindurch tritt und die Solarzelle wieder verläset, ohne absorbiert zu werden. Dieses Licht ist für die photovoltaische Umwandlung von Licht in Strom verloren.
Lichtfallen werden dazu genutzt, zur Erzeugung von Elektron- Loch-Paaren in der Absorberschicht geeignetes Licht, z. B. Licht mit einer Photonenergie oberhalb der Bandlücke der Absorberschicht, möglichst vollständig in der Solarzelle zu absorbieren und damit optische Verluste zu reduzieren. Im Gegensatz zu Lichtkonzentratoren, die Licht von einer größeren Lichteinfallsfläche auf eine kleinere Oberfläche einer Solarzelle konzentrieren, z. B. mittels Licht sammelnden Optiken wie Linsen, lenken Lichtfallen das auf eine Solarzelle einfallende Licht unter geeigneten Winkeln derart in die photovoltaisch aktiven Schichten, ohne es dabei zu sammeln und zu konzentrieren, dass die Weglänge des Lichtes innerhalb der Solarzelle länger und die Absorptionswahrscheinlichkeit damit höher ist als bei Weglassen der Lichtfallen.
Für einkristalline Siliziumsolarzellen lassen sich Lichtfallen beispielsweise durch Texturierung der zur Lichteinfallsseite gerichteten Oberfläche des einkristallinen Siliziums erzeugen. Ein Beispiel einer texturierten Oberfläche sind Pyramidenstrukturen, die unter Ausnutzung einer von der Kristallrichtung abhängigen Siliziumätzrate ausgebildet werden. Die Textur der Oberfläche bewirkt, dass weniger Licht reflektiert wird und dass das in die Zelle eindringende Licht derart abgelenkt wird, dass es im Mittel eine Wegverlängerung erfährt.
Für einkristalline Siliziumsolarzellen mittels Textur ausgebildete Lichtfallen weisen typischerweise Strukturgrößen auf, die wesentlich kleiner sind als die Schichtdicke der photovoltaisch aktiven Schicht. Bei Dünnschichtsolarzellen mit Schichtdicken der Absorberschichten im Größenordnungsbereich von einigen μm läge die Strukturgröße der Textur im Bereich der Schichtdicke der photovoltaisch aktiven Schicht. Das Ausbilden einer definierten
Oberflächentextur für nicht einkristalline Materialien erscheint aufwändig, z. B. hinsichtlich möglicher Schädigungen der
Zellstruktur oder der Prozessführung. Eine Texturierung erfolgt hier etwa durch Texturierung einer Glasoberfläche oder einer lichtdurchlässigen, leitenden Elektrodenschicht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine universal anwendbare und kostengünstige Lichtfalle sowie eine Solarzelle oder zu einem Modul verschaltete Solarzellen mit einer derartigen Lichtfalle anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Lehre der Patentansprüche 1 , 7 und 18. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Fig. IA zeigt in schematischer Vereinfachung einen
Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem holografischen Element an der Vorderseite. Fig. IB zeigt in schematischer Vereinfachung einen
Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem holografischen Element an der Rückseite.
Fig. 2A zeigt in schematischer Vereinfachung einen
Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem transmissiven holografischen Element an der Vorderseite sowie die von dem holografischen Element bewirkte Lichtumlenkung.
Fig. 2B zeigt in schematischer Vereinfachung einen
Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem in eine Vorderseitenelektrode integrierten transmissiven holografischen Element sowie die von dem holografischen Element bewirkte
Lichtumlenkung.
Fig. 2C zeigt in schematischer Vereinfachung einen
Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem transmissiven holografischen Element an der
Vorderseite sowie die von dem holografischen Element bewirkte Lichtumlenkung.
Fig. 2D zeigt in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem reflektiven holografischen Element an der Rückseite sowie die von dem holografischen Element bewirkte Lichtumlenkung.
Fig. 3 zeigt in schematischer Vereinfachung einen
Querschnitt durch ein reflektives holografisches Element. Fig. 4 zeigt in schematischer Vereinfachung einen
Querschnitt durch ein transmissives holografisches Element.
Fig. 5 zeigt in schematischer Vereinfachung einen
Querschnitt durch ein Solarmodul mit einem transmissiven holografischen Element.
Fig. 6 zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes Transmissionsverhalten eines holografischen Elements bei senkrechtem Lichteinfall in Abhängigkeit von einem Lichtumlenkungswinkel α.
Fig. 7 A zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer ersten Hologrammlage eines holografischen Elements bei senkrechtem Lichteinfall.
Fig. 7B zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer ersten Hologrammlage des holografischen Elements bei Lichteinfall unter einem Winkel γ zur Normalen.
Fig. 7C zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer ersten Hologrammlage des holografischen Elements bei Lichteinfall unter einem Winkel δ zur Normalen.
Fig. 7D zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer zweiten Hologrammlage des holografischen Elements bei senkrechtem Lichteinfall. Fig. 7E zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer zweiten Hologrammlage des holografischen Elements bei Lichteinfall unter einem Winkel γ zur
Normalen.
Fig. 7F zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer zweiten Hologrammlage des holografischen
Elements bei Lichteinfall unter einem Winkel δ zur Normalen.
Fig. 7G zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer dritten Hologrammlage des holografischen Elements bei senkrechtem Lichteinfall.
Fig. 7H zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer dritten Hologrammlage des holografischen Elements bei Lichteinfall unter einem Winkel γ zur Normalen.
Fig. 71 zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer dritten Hologrammlage des holografischen Elements bei Lichteinfall unter einem Winkel δ zur Normalen.
Fig. 7J zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten des holografischen Elements mit überlagerter erster, zweiter und dritter Hologrammlage bei senkrechtem Lichteinfall. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sowie deren Merkmale sind jeweils beliebig miteinander kombinierbar, d. h. , es gibt keine Einschränkung dahingehend, dass bestimmte Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben werden, nicht mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombinierbar sein könnten.
Fig. IA zeigt in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem holografischen Element an der Vorderseite.
Die Solarzelle 100 umfasst ein photovoltaisches Element 101 mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten Vorderseite 102 und einer dieser gegenüberliegenden Rückseite 103. Auf der Vorderseite 102 ist ein als Lichtfalle wirkendes holografisches Element 104 angeordnet, das wenigstens einen Teil des einfallenden Lichtes 105 hindurchlässt und so in das photovoltaische Element 101 umlenkt, ohne es dabei zu konzentrieren, dass es eine optische Wegverlängerung WV zwischen Vorderseite 102 und Rückseite 103 erfährt. Die Rückseite 103 des photovoltaischen Elements 101 kann beispielsweise reflektierend sein, etwa indem auf der Rückseite 103 eine reflektierende Metallschicht vorgesehen ist, z.B. aus Silber (Ag).
Die optische Wegverlängerung WV ergibt sich hierbei als optische Wegdifferenz gegenüber dem Fall, in dem das Licht 105 das photovoltaische Element 101 ohne Lichtfalle 104 von der Vorderseite 102 zur Rückseite 103 durchläuft. In der schematischen Darstellung von Fig. IA fällt das Licht 105 senkrecht auf die Vorderseite 102 ein und wird über das holografische Element 104 unter einem Winkel α in das photovoltaische Element 101 gelenkt. Die optische Wegverlängerung WV zwischen Vorderseite 102 und Rückseite 103 beträgt unter Berücksichtigung einer Dicke d des photovoltaischen Elements 101 WV=d([cosα] '- I ). Eine
Umlenkung ist nicht auf senkrecht einfallendes Licht beschränkt, sondern kann für einen Winkelbereich erzielt werden, der wiederum von der Dicke der holografischen Ebenen im holografischen Element 104 abhängen kann. Weisen die holografischen Ebenen im holografischen Element 104 etwa eine Gesamtdicke im Bereich einiger lOμm auf, z.B. 30μm bis 50μm wie etwa 40μm, so kann eine Umlenkung im Winkelbereich einiger Grad, z.B. 1° bis 4° erzielt werden. Liegt die Dicke der holografischen Ebenen im holografischen Element 104 bei Werten kleiner als lOμm, so lassen sich beispielsweise Winkelbereiche der Umlenkung von etwa 5° bis 20° oder auch 10° bis 15° erzielen.
Der Winkelbereich lässt sich weiter erhöhen, indem mehrere Hologrammebenen, die auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche abgestimmt sind, gestapelt werden. Hiermit kann einem sich verändernden Lichteinfallswinkel, z.B. einem wandernden Sonnenstand, Rechnung getragen werden, indem eine gewünschte Lichtumlenkung von verschiedenen Hologrammlagen in unterschiedlichen Lichteinfallswinkelbereichen bewirkt wird.
Mögliche Materialsysteme für Absorberschichten des photovoltaischen Elements bilden Chalkopyrite wie CuInxGa( 1.x)Se2 (CIGS) und Derivate davon, wie CIGSSe, III-V
Halbleitermaterialien wie GaAs, Silizium in verschiedenartigen Kristallzuständen wie einkristallines Silizium, amorphes Silizium (a-Si oder a-Si.H), multikristallines Silizium (mc-Si), mikrokristallines Silizium (μc-Si), polykristallines Silizium (poly- Si), nanokristallines Silizium (nc-Si), CdTe, oder organische Halbleiter auf Basis von z. B. konjugierten Polymeren.
Die Solarzelle 100 kann auf einem einzelnen ladungstrennenden
Übergang basieren, z. B. einem pn-Übergang oder einem pin- Übergang, oder auf mehreren ladungstrennenden Übergängen (Multijunction-Solarzellen). Beispiele derartiger Multijunction- Solarzellen sind Tandem-Solarzellen aus Materialsystemen wie z. B. mikrokristallinem Silizium/ amorphem Silizium oder InGaP/GaAs, oder auch Triple-Junction-Solarzellen wie z. B. a- Si:H/μc-Si:H/μc-Si:H, InGaP/GaAs/Ge oder a-Si:H/aSiGe:H.
Das als Lichtfalle wirkende holografische Element 104 lenkt das einfallende Licht 105 lediglich um, ohne es dabei zu konzentrieren. Somit unterscheidet sich das holografische Element 104 etwa dadurch von Lichtkonzentratoren, dass es einfallendes Licht nicht sammelt und damit auch nicht Licht, das auf eine erste Fläche einfällt, auf eine zur ersten Fläche kleinere Oberfläche einer photovoltaischen Schicht konzentriert.
Bei der in Fig. IA gezeigten Lichtumlenkung handelt es sich um eine vereinfachte Darstellung. So kann die Umlenkung, d. h. der Winkel α, beispielsweise ortsabhängig oder auch wellenlängenabhängig sein, wobei verschiedenartige Techniken wie spektrales Multiplexing oder räumliches Multiplexing zum Tragen kommen können. Beispielsweise kann räumliches Multiplexing optischen Verlusten entgegenwirken, die etwa dadurch entstehen, dass durch das holografische Element 104 umgelenktes Licht nach der Reflexion an der Rückseite 103 wieder durch das holografische Element 104 aus der Photovoltaikvorrichtung 100 austritt. Auch kann an der Rückseite ein reflektives holografisches Element positioniert werden, welches das Licht unter geeignetem Winkel zur Vorderseite reflektiert, so dass dieses nicht durch das holografische Element 104 austritt.
Beispielsweise kann zwischen dem holografischen Element 104 und einer photovoltaisch aktiven Struktur innerhalb des photovoltaischen Elements 101 , z. B. pn-Absorberschichten, eine Antireflexionsstruktur angeordnet sein. Eine solche Antireflexionsstruktur reduziert beispielsweise ausgehend von dem Medium, das die Solarzelle 100 umgibt, z. B. Luft, Brechungsindexsprünge beim Übergang verschiedenartiger Medien in Richtung der photovoltaisch aktiven Schicht. Reduzierte Brechungsindexsprünge verringern Reflexionsverluste und koppeln mehr Licht in das photovoltaische Element 101 ein.
Die Antireflexionsstruktur kann beispielsweise aus einer einzelnen Schicht oder aus einem Schichtstapel bestehen. Schichten der Antireflexionsstruktur weisen ein möglichst hohes Transmissionsvermögen auf und sind etwa derart angeordnet, dass die Bre- chungsindizes in Richtung der photovoltaisch aktiven Schicht zunehmen. Die Antireflexionsstruktur kann beispielsweise wenigstens eines der Materialien Siliziumoxynitrid und Siliziumnitrid aufweisen oder aus einem dieser Materialien bestehen.
Das holografische Element 104 kann in eine leitfähige und lichtdurchlässige Vorderseitenelektrodenschicht eingebracht sein. Die Vorderseitenelektrodenschicht leitet die in den photovoltaisch aktiven Schichten getrennten Ladungsträger, d. h. den photovoltaisch erzeugten Strom, an der Vorderseite der Zelle ab. Beispiele für die Vorderseitenelektrodenschicht sind Schichten aus leitfähigen Polymeren, z. B. Polymeren mit ausgedehntem n- Elektronensystem wie Polyacetylen, Poly(para-phenylen), Polythi- ophen oder Polypyrrol als auch leitfähige Oxide, wie In2O3:SnO2(ITO), ZnO=Al, ZnO:B und SnO2:F.
In dem in Fig. IA gezeigten transmissiven holografischen Element 104 können beispielsweise eine oder mehrere Hologrammlage(n) zur Reflexion von Wärmestrahlung im Infrarotbereich ausgebildet sein (nicht dargestellt). Bei den Hologrammlagen kann es sich um die zur Lichteinfallsseite nächst benachbarten Lagen handeln. Das holografische Element 104 kann dann als Lichtfalle zur Erhöhung der Lichtabsorption in den photovoltaisch aktiven Schichten des photovoltaischen Elements 101 und zusätzlich als Wärmeschutzschild gegen eine Erwärmung des photovoltaischen Elements 101 durch Infrarotstrahlung genutzt werden. Eine solche Erwärmung des photovoltaischen Elements 101 kann zu einer Abnahme der Leerlaufspannung als auch zu einem geringfügigen Anstieg des Kurzschlussstroms führen und insgesamt die von der Solarzelle bereitgestellte elektrischen Leistung verringern.
Die in Fig. IB dargestellte Solarzelle 1 10 weist ein photovoltaisches Element 1 1 1 mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten Vorderseite 1 12 und einer dieser gegenüberliegenden Rückseite 1 13 auf. Auf der Rückseite 1 13 des photovoltaischen Elements 1 1 1 ist ein holografisches Element 1 14 angeordnet, das als Lichtfalle wirkt, auf die Lichtabsorptionscharakteristik des photovoltaischen Elements 1 1 1 abgestimmt ist und wenigstens einen Teil des durch das photovoltaische Element hindurchgetretenen Lichtes 1 15 durch Reflexion so zurück ins photovoltaische Element 1 1 1 umlenkt, ohne es dabei zu konzentrieren, dass es eine optische Wegverlängerung zwischen Rückseite 1 13 und Vorderseite 1 12 erfährt.
Die oben für das photovoltaische Element 101 sowie das holografische Element 104 aufgeführten Merkmale und Eigenschaften sind in entsprechender Weise auf die in Fig. IB gezeigte Solarzelle 1 10 sowie auf die in den weiteren Abbildungen gezeigten Ausführungsformen übertragbar.
Der Winkel α, der den Reflexionswinkel für senkrecht auf das holografische Element 1 14 einfallendes Lichtes kennzeichnet, kann z.B. derart gewählt werden, dass dieses Licht an der Vorderseite 1 12 des photovoltaischen Elements 1 1 1 total reflektiert wird und damit erneut in das photovoltaische Element 1 1 1 umgelenkt wird, wodurch die Lichtabsorption innerhalb des photovoltaischen Elements 1 1 1 weiter erhöht wird. Um zu verhindern, dass an der Vorderseite 1 12 total reflektiertes Licht bei erneutem Auftreffen auf das holografische Element 1 14 durch Reflexion aus dem photovoltaischen Element auf dieselbe Weise (d.h. unter gleichem Winkel) austritt, wie es eingetreten ist, kann das holografische Element 1 14 ein räumliches Multiplexing aufweisen und somit in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Beugungsvektoren aufweisen.
Die holografischen Elemente 104, 1 14 können derart aufgebaut sein, dass das Licht auf der gesamten Lichteinfallsseite umgelenkt wird. In diesem Fall sind die Hologrammlagen ganzflächig ausgebildet und das holografische Element weist beispielsweise keine Bereiche auf, in denen einfallendes Licht mit einer Wellenlänge, deren Absorptionslänge im Absorber einem Mehrfachen der Dicke des Absorbers entspricht, hindurchgelassen wird, ohne abgelenkt zu werden.
Das holografische Element 104, 1 14 weist wenigstens eine Hologrammlage auf. Die wenigstens eine Hologrammlage kann beispielsweise innerhalb einer Polymerschicht ausgebildet sein. Die wenigstens eine Hologrammlage kann etwa mit Hilfe von UV- Laserbestrahlung ausgebildet werden, z. B. in Chromatgelatine. Das die wenigstens eine Hologrammlage enthaltende Polymer kann ein leitfähiges Polymer sein, so dass das Polymer neben seiner Funktion als Lichtfalle auch zum Stromtransport beitragen kann, z. B. in Form einer Vorderseiten- oder Rückseitenelektrode des photovoltaischen Elements. Beispielsweise ist das Polymer als Po- lymerfolie oder Teil derselben ausgebildet. Ebenso kann das Polymer auf einem transparenten Träger angeordnet sein, z. B. auf einem Glas oder einem transparenten Kunststoff. Die wenigstens eine Hologrammlage des holografischen Elements ist beispielsweise derart aufgebaut, dass sie für eine Wellenlänge im sichtbaren Teil des Spektrums, bei der eine Absorptionslänge innerhalb des photovoltaischen Elements größer ist als die Dicke des photovoltaischen Elements, wenigstens 80 % des einfallenden Lichtes um einen Winkel α>50° umlenkt, wobei der Winkel α den Umlen- kungswinkel relativ zu einer Normalen der Lichteinfallsfläche be- schreibt. Die wenigstens eine Hologrammlage weist beispielsweise eine sinoidale Brechungsindexmodulation auf und unterscheidet sich hierdurch von einem herkömmlichen Beugungsgitter.
Eine Umlenkung des Lichtes in den holografischen Elementen 104, 1 14 kann beispielsweise auf einen Wellenlängenbereich hin optimiert sein, in dem eine optische Absorptionslänge innerhalb der photovoltaisch aktiven Schicht(en) (Absorberschicht(en)) der photovoltaischen Elemente 101 , 1 1 1 größer ist als die Dicke dieser Schicht(en). Somit können die Hologrammlagen spektral optimiert sein. Insbesondere für Wellenlängen, deren optische Absorptionslänge größer ist als die Dicke der Absorberschicht(en), führt eine Umlenkung des Lichts durch die holografischen Elemente zu einer Erhöhung des auf diesen Spektralbereich entfallenden Kurzschlussstrombeitrag.
Die photovoltaischen Elemente 101 , 1 1 1 können beispielsweise Multijunction-Solarzellen mit einer bestimmten Anzahl von Ia- dungstrennenden Übergängen sein, z. B. Tandem-Zellen mit zwei ladungstrennenden Übergängen oder Triple-Zellen mit drei Ia- dungstrennenden Übergängen, und eine Umlenkung des Lichtes im holografischen Element kann auf wenigstens eine der bestimmten Anzahl entsprechenden Anzahl von Wellenlängenbereichen so optimiert sein, dass für jede dieser Wellenlängenbereiche eine möglichst hohe Lichtabsorption in einer unterschiedlichen Zelle der Multijunction-Solarzelle erfolgt. Beispielsweise können die holografischen Elemente 104, 1 14 auf verschiedene Wellenlängenbereiche hin optimiert sein, deren Energieäquivalente in Relation zur Energiebandlücke der verschiedenen Absorberschichten der Multijunction-Solarzelle steht. Beispielsweise wird Licht mit solchen Wellenlängen, bei denen die Absorption in einer entsprechenden Absorberschicht gerade erst einsetzt (d.h. Licht mit Photonenenergien nahe der Bandlücke), schwach absorbiert. Hier eignen sich Lichtfallen in besonderem Maße dazu, durch Lichtumlenkung eine höhere Absorption in den Absorberschichten zu erzielen. Ein wei- terer Parameter zur Bestimmung der Wellenlängen, für die eine spektrale Optimierung der holografischen Elemente 104, 1 14 erfolgt, kann beispielsweise die spektrale Energieverteilung des Sonnenspektrums sein, z. B. AM 1 ,5 (Air Mass 1 ,5).
Die photovoltaischen Elemente 101 , 1 1 1 können beispielsweise eine oder mehrere Dünnschichtsolarzelle(n) aufweisen, z.B. a-Si:H, a-Si:H/μc-Si:H oder a-Si:H/μc-Si:H/ /μc-Si:H Solarzellen.
In der schematischen Querschnittsansicht von Fig. 2A ist eine So- larzelle 201 dargestellt, bei der auf ein lichtdurchlässiges Substrat 206, z. B. Glas oder transparentem Kunststoff, eine transparente Vorderseitenelektrode 207 aufgebracht ist. Die transparente Vorderseitenelektrode 207 kann beispielsweise ein transparentes leitfähiges Oxid, z.B. In2O3ISnO2(ITO), ZnO.Al, ZnOrB oder SnO2=F, oder ein transparentes, leitfähiges Polymer sein. Auf der Vorderseitenelektrode 207 sind eine oder mehrere photovoltaisch aktive Schichten (Absorberschicht(en)) 208 angeordnet. In der Absorberschicht 208 werden durch Lichtabsorption Elektron-Loch-Paare generiert, die über den ladungstrennenden Übergang der Absor- berschicht 208 zur Vorderseitenelektrode 207 bzw. zu einer an der Absorberschicht 208 positionierten und der Vorderseitenelektrode gegenüberliegenden Rückseitenelektrode 209 abgeführt werden. Die Rückseitenelektrode 209 kann hierbei als Rückseitenreflektor genutzt werden, der einfallendes Licht zurück in die Absorber- Schicht 208 reflektiert.
Die Solarzelle 201 kann weitere in Fig. 2A nicht gezeigte Schichten enthalten, z. B. Passivierungsschichten zur Reduktion der O- berflächenrekombination von optisch generierten Minoritätsla- dungsträgern oder Antireflexionsschichten zur Verringerung von Reflexionsverlusten des einfallendes Lichtes. Auf der zur Vorderseitenelektrode 207 abgewandten Seite des transparenten Substrats 206 ist ein als Lichtfalle wirkendes holografisches Element 204 angeordnet. Wie bereits im Zusammenhang mit den in Fig. IA und IB gezeigten Ausführungsformen erläutert, lenkt das hologra- fische Element 204, z.B. abgestimmt auf die Lichtabsorptionscharakteristik und Dicke der Absorberschicht(en) 208, wenigstens einen Teil des einfallende Lichtes 205 so in die Absor- berschicht(en) 208 um, ohne es dabei zu konzentrieren, dass es eine optische Wegverlängerung zwischen einer Vorderseite 202 der Absorberschicht(en) 208 und einer Rückseite 203 der Absorber- schicht(en) 208 erfährt. Die in Fig. 2A als auch in den Fig. 2B-2D gezeigten Lichtumlenkungen sind lediglich schematisch dargestellt.
Bei dem in Fig. 2A gezeigten Solarzellenaufbau kann es sich beispielsweise um eine Solarzelle mit einer einzigen Absorberschicht 208 aus amorphem Silizium oder um eine Multijunction-Solarzelle mit Absorberschichten aus mikrokristallinem Silizium und amor- phem Silizium handeln.
Fig. 2B ist eine schematische Querschnittansicht einer Solarzelle 221 mit einem holografischen Element 224, das zugleich als Vorderseitenelektrode dient und auf einem transparenten Substrat 226 aufgebracht ist. Auf dem holografischen Element 224 sind gegenüber dem Substrat 226 eine oder mehrere photovoltaisch aktive Schichten 228 angeordnet. Eine Grenzfläche zwischen der photovoltaisch aktiven Schicht 228 und dem holografischen Element 224 definiert eine Vorderseite 222, d. h. die Seite, von der aus das Licht in die photovoltaisch aktiven Schichten 228, d. h. die Ab- sorberschicht(en) 228, eindringt. Auf einer Rückseite 223 der Absorberschicht 228 ist eine Rückseitenelektrode 229 angeordnet. Einfallendes Licht 225 wird im holografischen Element 224, wie oben erläutert, so in die Absorberschicht 228 umgelenkt, ohne dabei konzentriert zu werden, dass es eine optische Wegverlängerung zwischen Vorderseite 222 und Rückseite 223 erfährt. Die Rückseitenelektrode 229 kann reflektierend sein. Der in Fig. 2B gezeigte Aufbau eignet sich beispielsweise für Solarzellen aus a- morphem Silizium oder auch Tandem-Solarzellen aus amorphem und mikrokristallinem Silizium. Fig. 2C ist eine schematische Querschnittsansicht einer Solarzelle 241 mit einer reflektierenden Rückseitenelektrode 249, die auf einem Trägersubstrat 246 angeordnet ist. Da das Licht nicht durch das Trägersubstrat 246 einfällt, kann es für Licht durchlässig o- der auch nicht durchlässig sein. Auf der Rückseitenelektrode 249 ist gegenüber dem Trägersubstrat 246 eine Absorberschicht 248 und auf der Absorberschicht 248 gegenüber der Rückseitenelektrode 249 eine Vorderseitenelektrode 247 angeordnet. Auf der Vor- derseitenelektrode 247, d. h. an einer Vorderseite 242 der Absorberschicht 248, ist ein holografisches Element 244 angeordnet. Das holografische Element 244 lenkt einfallendes Licht 245 in die Absorberschicht 248 um und erhöht so die Lichtabsorption und den Photostrom innerhalb der Absorberschicht 248.
Der in Fig. 2C gezeigte Schichtaufbau eignet sich beispielsweise für Solarzellen, bei deren Herstellungsprozess zunächst eine Rückseitenelektrode auf ein Trägersubstrat aufgebracht wird, wie dies beispielsweise bei Solarzellen wie a-Si:H auf Metall oder Po- lymerfolie oder bei Solarzellen mit Chalkopyrit-Absorberschichten der Fall ist, z. B. CIS-Solarzellen und deren Derivate.
Fig. 2D ist eine schematische Querschnittsansicht einer Solarzelle 261 mit einem lichtdurchlässigen Substrat 266 aus z. B. Glas o- der transparentem Kunststoff, auf das eine transparente Vorderseitenelektrode 267 aufgebracht ist. Die transparente Vorderseitenelektrode 267 kann beispielsweise ein transparentes leitfähiges Oxid oder auch ein transparentes leitfähiges Polymer sein. Gegenüber dem Substrat 266 sind auf der Vorderseitenelektrode 267 eine oder mehrere Absorberschichten 268 angeordnet. Gegenüber der Vorderseitenelektrode 267 ist auf der Absorberschicht 268 ein holografisches Element 264 angeordnet, das zugleich als Rückseitenelektrode dient. Das holografische Element 264 ist somit an einer Rückseite 263 der Absorberschicht 268 angeordnet und bewirkt, anders als die in Fig. 2A-2C gezeigten holografischen Elemente 204, 224, 244, eine Lichtumlenkung bei gleichzeitiger Reflexion.
Bei dem in Fig. 2D gezeigten Aufbau kann es sich beispielsweise um eine Solarzelle aus amorphem Silizium oder auch um eine Tandemsolarzelle aus mikrokristallinem Silizium und amorphem Silizium handeln.
Fig. 3 zeigt ein reflektives holografisches Element 300 mit zwei Hologrammlagen 301 , 302, die geeignet sind, wenigstens einen Teil einfallenden Lichtes 304 zu reflektieren und umzulenken, ohne es zu konzentrieren, wobei die beiden Hologrammlagen 301 , 302 in ein Polymer 303 eingebettet sind.
Fig. 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines hologra- fischen Elements 400. Anders als das in Fig. 3 gezeigte holograf- ische Element, bei dem die Umlenkung mit einer Lichtreflexion verknüpft ist, bewirkt das holografische Element 400 eine Umlenkung bei Transmission. Zur Umlenkung des Lichtes 404 weist das holografische Element 400 Hologrammlagen 401 , 402 auf, welche in ein näherungsweise transparentes Polymer 403 eingebettet sind.
Obgleich die gezeigten Ausführungsformen jeweils zwei HoIo- grammlagen 301 , 302 bzw. 401 , 402 aufweisen, ist dies jedoch lediglich beispielhaft zu werten und es können mehrere Hologrammlagen, jedoch wenigstens eine, in das jeweilige Polymer 303 bzw. 403 eingebracht sein. Eine Erhöhung der Anzahl der Hologrammlagen ermöglicht beispielsweise eine Optimierung der spektralen Abhängigkeit der Umlenkung.
Fig. 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls 500. Das Solarmodul 500 weist Solarzellen auf mit einem ho- lografischen Element 504, einem transparenten Substrat 506, ei- ner Vorderseitenelektrode 507, einer Absorberschicht 508 und ei- ner Rückseitenelektrode 509. Zur Schichtanordnung, Materialauswahl und Lichtumlenkung von einfallendem Licht 505 wird auf die Erläuterungen zu den entsprechenden Schichten 204, 206 , 207, 208 und 209 des in Fig. 2A gezeigten Beispiels verwiesen.
Die Vorderseitenelektrode 507, die Absorberschicht 508 und die Rückseitenelektrode 509 sind derart strukturiert, dass eine der Absorberschicht 508a zugeordnete erste Zelle mit einer der Absorberschicht 508b zugeordneten zweiten Zelle in Serie verschaltet ist. Die Serienverschaltung erfolgt durch Verbinden des Rückseitenkontaktes 509 der Absorberschicht 508a mit dem Vorderseitenkontakt der Absorberschicht 508b. Die Zellen können zudem verkapselt sein, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen (nicht dargestellt).
Fig. 6 zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes Transmissionsverhalten eines transmissiven holografischen Elements 604 in Abhängigkeit von einem Lichtumlenkungswinkel α. Das Transmissionsverhalten ist für eine Wellenlänge dargestellt, auf welche die Umlenkung optimiert wurde. Senkrecht einfallendes Licht 605 wird zu einem geringen Teil von weniger als 20% , z.B. weniger als 10% wie etwa 3%, unabgelenkt hindurch gelassen. Der Großteil des einfallenden Lichtes 605, d.h. mehr als 80%, z.B. mehr als 90% wie etwa 97%, wird um einen vorgegebenen Winkel α0 umgelenkt. Das holografische Element 604 weist im Gegensatz zu herkömmlichen Gittern keine auf höhere Ordnungen, denen weitere Umlenkungswinkel zugeordnet sind, entfallenden Intensitätsbeiträge auf.
Fig. 7A zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer ersten Hologrammlage H0 eines holografischen Elements. Dem als Diagramm gezeigten beispielhaften spektralen Transmissionsverhalten liegt eine wie oberhalb des Diagramms vereinfacht skizzierte Messanordnung zugrunde. Licht 705 fällt senkrecht auf die Hologrammlage H0 des holografischen Elements. Ein Detektor D, welcher auf der zur Lichteinfallsseite gegenüber liegenden Seite positioniert ist, misst den unabgelenkt hindurch gelassenen Intensitätsanteil des Lichtes 705.
Die Umlenkung des Lichtes 705 um den vorgegebenen Winkel α0 ist für die Hologrammlage H0 beispielhaft auf eine Wellenlänge λ0 von 600nm eingestellt. Der vom Detektor D gemessene Intensitätsanteil von unabgelenktem Licht 705 ist deshalb bei λ0 mini- mal. Mit zunehmender Wellenlängendifferenz zu λ0 steigt die am Detektor D gemessene Intensität an, d.h. die Transmission der Hologrammlage nimmt zu und steigt im Idealfall auf 100% an. Verluste wie z.B. Reflektion oder parasitäre Absorption können maximale Transmissions werte bedingen, die kleiner sind als 100%, z.B. zwischen 80% und 100% oder auch zwischen 90% und 100% .
Die im Folgenden beschriebenen Figuren 7B bis 7C dienen der Erläuterung des spektralen Transmissionsverhaltens der ersten Ho- logrammlage H0 bei Änderung des Lichteinfallswinkels. Da diese Figuren sowie die folgenden Figuren 7D bis 7J zu weiteren Hologrammlagen wie Fig. 7A aufgebaut sind, wird nachfolgend lediglich auf wesentliche Unterschiede zur Fig. 7A eingegangen.
In Fig. 7B ist in schematischer Darstellung das spektrale Transmissionsverhalten der ersten Hologrammlage H0 bei Änderung des Lichteinfalls von senkrecht (vgl. Fig. 7A) auf einen Winkel γ zur Normalen beispielhaft gezeigt. Der Winkel γ beträgt beispielsweise 10% . Die Änderung des Lichteinfallswinkels führt zu einer Ände- rung des Lichtumlenkungswinkels, bei dem die Transmission am Detektor D minimal wird. Beispielhaft führt eine Änderung des Lichteinfallswinkels von 0° zur Normalen (vgl. Fig. 7A) auf γ zu einer Änderung des Lichtumlenkungswinkels von α0 auf α, , begleitet von einer Änderung der der maximalen Lichtumlenkung zuge- ordneten Wellenlänge von λo=6OOnm (vgl. Fig. 7A) auf beispielhaft
Wie in der schematischen Darstellung zum spektralen Transmissi- onsverhalten der ersten Hologrammlage H0 in Fig. 7C gezeigt ist, führt eine weitere Änderung des Lichteinfallswinkels von γ (Fig. 7B) auf δ, z.B. von 10° auf 20°, zu einer weiteren Änderung des Lichtumlenkungswinkels von Ct1 auf α2, begleitet von einer Änderung der der maximalen Lichtumlenkung zugeordneten Wellenlän- ge von λ^OOnm (vgl. Fig. 7B) auf beispielhaft λ2=800nm.
In den Figuren 7D bis 7F sind schematische Darstellungen zum spektralen Transmissionsverhalten einer zweiten Hologrammlage H1 für senkrechten Lichteinfall (Fig. 7D), Lichteinfall unter einem Winkel γ zur Normalen (vgl. Fig. 7E) und Lichteinfall unter einem Winkel δ zur Normalen (vgl. Fig. 7F) gezeigt. Die Hologrammlage H1 unterscheidet sich dadurch von der Hologrammlage H0 der Fig. 7A bis 7C, dass eine Lichtumlenkung um den Winkel α0 bei senkrechtem Lichteinfall beispielhaft auf eine Wellenlänge von λo=7OOnm eingestellt ist.
In den Figuren 7G bis 71 sind schematische Darstellungen zum spektralen Transmissionsverhalten einer dritten Hologrammlage H2 für senkrechten Lichteinfall (Fig. 7G), Lichteinfall unter einem Winkel γ zur Normalen (vgl. Fig. 7H) und Lichteinfall unter einem Winkel δ zur Normalen (vgl. Fig. 71) gezeigt. Die Hologrammlage H2 unterscheidet sich dadurch von den Hologrammlagen H0 und H1 der Fig. 7A bis 7F, dass eine Lichtumlenkung um den Winkel α0 bei senkrechtem Lichteinfall beispielhaft auf eine Wellenlänge von λo=800nm eingestellt ist.
In Fig. 7J ist in schematischer Darstellung das spektrale Transmissionsverhalten des holografischen Elements mit überlagerten Hologrammlagen H0, H1 und H2 bei senkrecht einfallendem Licht 705 gezeigt. Durch Überlagerung der Hologrammlagen H0, H1 und H2 wird eine Lichtumlenkung in einem beispielhaften Spektralbereich von 600 bis 800nm erzielt.
Obgleich das spektrale Transmissionsverhalten eines holografischen Elements in der Fig. 7J beispielhaft mit drei überlagerten Hologrammlagen H0, H1 und H2 gezeigt ist, die senkrecht einfallendes Licht mit Wellenlängen von 600nm, 700nm und 800nm optimal umlenken, kann das holografische Element selbstverständlich eine von drei verschiedene Anzahl von Hologrammlagen aufweisen, deren Umlenkung auf vorgegebene Wellenlängen eingestellt sein kann. Anzahl und Gestaltung der Hologrammlagen können beispielsweise auf eine Lichtumlenkung in einem gewünschten Spektralbereich abgestimmt sein. Auch kann das holografische Element ein reflektives holografisches Element sein.

Claims

Patentansprüche
1. Solarzelle (100, 110), die aufweist: ein photovoltaisches Element (101, 111) mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten Vorderseite (102, 112) und einer der Vorderseite (102, 112) gegenüberliegenden Rückseite (103, 113); ein holografisches Element (104, 114) an der Vorderseite
(102, 112) des photovoltaischen Elements (101, 111); wobei das holografische Element (104, 114) wenigstens einen Teil einfallenden Lichtes (105, 115) hindurch lässt und so in das pho- tovoltaische Element (101, 111) umlenkt, ohne es dabei zu kon- zentrieren, dass es eine optische Wegverlängerung zwischen Vorderseite (102, 112) und Rückseite (103, 113) erfährt.
2. Solarzelle nach Anspruch 1, wobei zwischen dem holografi- schen Element (104, 114) und einer photovoltaisch aktiven Struk- tur des photovoltaischen Elements (101, 111) eine Antireflexions- struktur angeordnet ist.
3. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das holografische Element (104, 114) in eine leitfähige und licht- durchlässige Vorderseitenelektrodenschicht eingebracht ist.
4. Solarzelle nach Anspruch 3, wobei die Vorderseitenelektrodenschicht ein leitfähiges Polymer enthält.
5. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere Hologrammlagen des holografischen Elements (104, 114) zur Reflexion von Wärmestrahlung im Infrarotbereich ausgebildet sind.
6. Solarzelle nach Anspruch 5, wobei die eine oder mehreren Hologrammlagen zur Reflexion von Wärmestrahlung Hologrammlagen des holografischen Elements (104, 114) sind, die zur Vorderseite (102, 112) nächst benachbart ausgebildet sind.
7. Solarzelle (100, 110), die aufweist: ein photovoltaisches Element (101, 111) mit einer als Licht- eintrittsfläche ausgebildeten Vorderseite (102, 112) und einer der Vorderseite (102, 112) gegenüberliegenden Rückseite (103, 113); ein holografisches Element (104, 114) an der Rückseite (103, 113) des photovoltaisches Elements (101, 111); wobei das holografische Element (104, 114) wenigstens einen Teil des durch das photovoltaische Element (101, 111) hindurch getre- tenen Lichtes durch Reflexion so zurück in das photovoltaische Element (101, 111) umlenkt, ohne es dabei zu konzentrieren, dass es eine optische Wegverlängerung zwischen Rückseite (103, 113) und Vorderseite (102, 112) erfährt.
8. Solarzelle nach Anspruch 7, wobei die Umlenkung derart ist, dass an die Vorderseite (102, 112) des photovoltaischen Elements (101, 111) zurückgeführtes Licht total reflektiert wird.
9. Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei das ho- lografische Element (104, 114) in eine leitfähige und lichtdurchlässige Rückseitenelektrodenschicht eingebracht ist.
10. Solarzelle nach Anspruch 9, wobei die Rückseitenelektrodenschicht ein leitfähiges Polymer aufweist.
11. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das holografische Element (104, 114) so aufgebaut ist, dass eine Lichtumlenkung im gesamten Bereich seiner Lichteinfallsseite erfolgt.
12. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das holografische Element (104, 114) wenigstens eine in ein Polymer eingebrachte Hologrammlage aufweist.
13. Solarzelle nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei die wenigstens eine Hologrammlage in Chromatgelatine eingebracht ist.
14. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Umlenkung des Lichtes im holografischen Element ( 104, 1 14) auf eine Wellenlänge optimiert ist, bei der eine optische Absorptionslänge innerhalb des photovoltaischen Elements ( 101 , 1 1 1 ) größer ist als seine Dicke.
15. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das photovoltaische Element ( 101 , 1 1 1 ) eine Multijunction- Solarzelle ist mit einer bestimmten Anzahl von ladungstrennenden Übergängen und eine Umlenkung des Lichtes im holografischen Element ( 104, 1 14) auf wenigstens eine der bestimmten Anzahl entsprechende Anzahl von Wellenlängen so optimiert ist, dass für jede dieser Wellenlängen eine möglichst vollständige Lichtabsorption in einer unterschiedlichen Zelle der Multijunction- Solarzelle erfolgt.
16. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das photovoltaische Element ( 101 , 1 1 1 ) eine Dünnschichtsolarzelle aufweist.
17. Solarmodul, das wenigstens eine Solarzelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
18. Holografisches Element (300, 400), das aufweist: wenigstens eine Hologrammlage (301 , 302, 401 , 402), die geeignet ist, wenigstens einen Teil einfallenden Lichtes (304, 404) hindurchzulassen und umzulenken oder zu reflektieren und umzulenken, ohne es dabei zu konzentrieren, wobei die wenigstens eine Hologrammlage (301 , 302, 401 , 402) in ein Polymer (303, 304) eingebracht ist.
19. Holografisches Element (300, 400) nach Anspruch 18, wobei mehr als vier Hologrammlagen übereinander angeordnet sind.
20. Verfahren zum Herstellen eines Solarmoduls, bei dem ein holografisches Element nach Anspruch 18 auf eine Solarzelle aufgebracht wird.
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