DE102009019937A1 - Sequence solar cell arrangement for use in photovoltaic system, has sequence solar cells and reflectors, where solar cells have two photoactive layers and refractive intermediate layer - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der Photovoltaik auf eine möglichst effiziente Anordnung von Stapelsolarzellen mit reflektierender Zwischenschicht, beispielsweise in einem Photovoltaikmodul.The The present invention relates to the field of photovoltaics a most efficient arrangement of stacked solar cells with reflective intermediate layer, for example in a photovoltaic module.
Im Bereich der Photovoltaik spielen Tandem- bzw. Stapelsolarzellen in den letzten Jahren verstärkt eine Rolle. Unter Tandemsolarzelle wird im Stand der Technik einerseits eine Stapelsolarzelle mit zwei oder mehreren durch Zwischenschichten voneinander getrennten photoaktiven Schichten, andererseits eine aufgefaltete Tandemsolarzelle mit zwei V-förmig zueinander angeordneten photoaktiven Schichten verstanden.in the The field of photovoltaics is played by tandem or stacked solar cells increased in recent years a role. Under tandem solar cell in the prior art, on the one hand, a stacked solar cell with two or a plurality of photoactive by interlayer separated Layers, on the other hand, a folded tandem solar cell with two V-shaped to each other photoactive layers Understood.
Einfachsolarzellen weisen den Nachteil auf, dass lediglich ein eingeschränktes Absorptionsspektrum aus genutzt werden kann. Im Falle von organischen Solarzellen kommt hinzu, dass die Lichtabsorption zusätzlich begrenzt ist. Durch Absorption von Licht mit einer Energie oberhalb der Bandkante der organischen Halbleiterkomponenten werden frei bewegliche Ladungsträger erzeugt. Diese müssen sich durch die photoaktive Schicht bewegen und an den Kontakten extrahiert werden. Geringe Ladungsträgermobilitäten und in Bezug darauf zu geringe Extinktionskoeffizienten führen dazu, dass entweder bei sehr dünnen photoaktiven Schichten ein Teil der einfallenden Strahlung nicht absorbiert (Absorptionsbegrenzung) werden kann, oder bei dickeren photoaktiven Schichten, ein Teil der photogenerierten Ladungsträger innerhalb der Verweildauer in der photoaktiven Schicht rekombiniert (Transportbegrenzung).simple solar cells have the disadvantage that only a limited Absorption spectrum can be used from. In the case of organic Solar cells adds that the light absorption in addition is limited. By absorbing light with an energy above the band edge of the organic semiconductor components become freely movable Carrier generated. These have to get through move the photoactive layer and extract at the contacts become. Low charge mobility and in Regarding this result in low extinction coefficients to that either with very thin photoactive layers a part of the incident radiation is not absorbed (absorption limitation) or, for thicker photoactive layers, a part the photogenerated charge carrier within the residence time recombined in the photoactive layer (transport limitation).
Um
die Absorption zu erhöhen, wurde im Stand der Technik vorgeschlagen,
zwei Einzelsolarzellen V-förmig zueinander anzuordnen und
den Winkel zwischen den beiden Einzelzellen so zu wählen, dass
der Lichteinfallswinkel an die jeweiligen Materialien angepasst
wird. Solche aufgespalteten Solarzellen werden beispielsweise in
der
Die Nachteile der V-förmigen Anordnung von Solarzellen bestehen darin, dass maximal zwei Solarzellen mit gegebenenfalls unterschiedlicher Bandlücke eingesetzt werden können. Außerdem fallen 50% der einfallenden Strahlung zunächst auf die Solarzelle mit geringerer Bandlücke. Dies ist dann von Nachteil, wenn das Absorptionsspektrum der Solarzelle mit der kleinen Bandlücke (mit der Absorptionskante bei größeren Wellenlängen) sich mit dem Absorptionsspektrum der Solarzelle mit der größeren Bandlücke (mit der Absorptionskante bei kleineren Wellenlängen) überlappt.The Disadvantages of the V-shaped arrangement of solar cells exist in that a maximum of two solar cells with possibly different Band gap can be used. Furthermore First, 50% of the incident radiation falls on the Solar cell with lower band gap. This is then disadvantageous if the absorption spectrum of the solar cell with the small band gap (with the absorption edge at longer wavelengths) with the absorption spectrum of the solar cell with the larger band gap overlaps (with the absorption edge at smaller wavelengths).
Tendenziell haben organische Solarzellen mit optimierten Donator-/Akzeptorsystem mit einer Absorptionskante bei größeren Wellenlängen eine geringere offene-Klemmenspannung als Solarzellen mit einer Absorptionskante bei kleineren Wellenlängen. Aufgrund der Tatsache, dass oftmals gleiche Akzeptormaterialien mit großer Bandlücke verwendet werden, absorbieren Donor-Akzeptor Systeme mit unterschiedlicher Absorptionskante bei geringen Wellenlängen. Dies hat zur Folge, dass im ungünstigen Fall der Beleuchtung der Solarzellen mit der Absorptionskante bei großen Wellenlängen zuerst, ein Teil der hochenergetischen Strahlung nicht elektrisch genutzt werden kann, da die Energie über Thermalisierung abgegeben wird.The trend have organic solar cells with optimized donor / acceptor system with an absorption edge at longer wavelengths a lower open terminal voltage than solar cells with a Absorption edge at smaller wavelengths. Due to the Fact that often same acceptor materials with great Band gap can be used to absorb donor acceptor Systems with different absorption edge at low wavelengths. As a result, in the worst case of lighting the solar cells with the absorption edge at high wavelengths First, some of the high energy radiation is not used electrically can be because the energy is released via thermalization becomes.
Andererseits
können Tandemsolarzellen auch als Stapelsolarzellen ausgebildet
sein. Durch Stapeln von Einzelzellen mit unterschiedlichen Absorptionskanten
und deren serielle oder parallele Verschaltung kann die solare Energiekonversionseffizienz
im Vergleich zu Einfachsolarzellen deutlich gesteigert werden. Der
Grund dafür ist, dass ein breiterer Bereich des solaren
Spektrums effizient genutzt werden kann. Die Einzelsolarzellen (oder
die photoaktiven Schichten) sind durch eine Zwischenschicht voneinander
getrennt. In der Stapelanordnung muss diese Zwischenschicht eine
möglichst geringe Absorption der einfallenden Strahlung
aufweisen, dass Licht auch die auf die zweite photoaktive Schicht
einfallen kann. Im Falle der seriellen Verschaltung der Solarzellen
muss diese Schicht einen Sprung im Vakuumniveau zwischen den Einzelzellen
und somit eine effiziente Rekombination von Ladungsträgern benachbarter
Zellen bewirken. Außerdem müssen die Flächenstromdichten
der einzelnen Schichten aufeinander abgeglichen werden. Im Fall
der parallelen Verschaltung der Einzelzellen muss die Flächenleitfähigkeit
dieser Zwischenschicht hinreichend hoch für eine effiziente
Ladungsträger Extraktion sein. Um eine optimale Lichtabsorption
zu erzielen ist eine exakte Anpassung der Schichtdicken mit ihren
spezifischen Brechungsindizes erforderlich. Dies erfordert eine
exakte Herstellbarkeit dieser Schichtdicken. Für die Deposition
der funktionalen Schichten (Elektroden, Halbleiter, dotierte Halbleiter,
Rekombinationsschichten) kommen Vakuumverfahren und nasschemische
Beschichtungs- und Druckverfahren in Frage. Die Kompatibilität
der aufeinander folgenden Depositionsschritte ist essentiell, sowohl
in Hinblick auf die Funktionalität (Verträglichkeit
von Lösungsmitteln) als auch auf die Wirtschaftlichkeit
(Wechsel zwischen Vakuumverfahren und nasschemischen Verfahren). Solche
Stapelsolarzellen, insbesondere mit organischen photoaktiven Schichten,
werden z. B. in der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Anordnung von Stapelsolarzellen zur Verfügung zu stellen, welche die Nachteile der im Stand der Technik bekannten Solarzellen und Solarzellenanordnungen beseitigt. Die erfindungsgemäße Anordnung von Stapelsolarzellen soll dabei eine erhöhte Effizienz aufgrund einer erhöhten Lichtabsorption und eines erweiterten Absorptionsspektrums verwirklichen. Außerdem soll die Anordnung technisch einfach und kostengünstig zu verwirklichen sein.task The present invention is now an arrangement of stacked solar cells to provide the disadvantages of the in the state of Technique known solar cells and solar cell assemblies eliminated. The inventive arrangement of stacked solar cells it should be increased efficiency due to increased Realize light absorption and an extended absorption spectrum. In addition, the arrangement is technically simple and inexpensive to be realized.
Diese Aufgabe wird durch die Stapelsolarzellenanordnung nach Anspruch 1 und die Photovoltaikanlage nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Stapelsolarzellenanordnung werden in den abhängigen Ansprüchen genannt.These The object is achieved by the stacked solar cell arrangement according to claim 1 and the photovoltaic system according to claim 12 solved. advantageous Further developments of the stacked solar cell arrangement according to the invention are mentioned in the dependent claims.
Erfindungsgemäß weist eine Stapelsolarzellenanordnung mindestens eine Stapelsolarzelle, welche mindestens zwei photoaktive Schichten und mindestens eine reflektierende Zwischenschicht enthält, und mindestens einen Reflektor aufweist. Die mindestens zwei photoaktiven Schichten sind dabei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und werden durch die reflektierende Zwischenschicht voneinander getrennt. Die Stapelsolarzelle und der Reflektor wiederum sind durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet angeordnet und derart zueinander ausgerichtet, dass von der Stapelsolarzelle reflektierte Strahlung zumindest teilweise auf den Reflektor fällt und/oder dass vom Reflektor reflektierte Strahlung zumindest teilweise auf die Stapelsolarzelle fällt. Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht somit eine Mehrfachreflexion der einfallenden Strahlung. Somit kann beispielsweise Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs, welche von der photoaktiven Schicht absorbierbar ist, jedoch beim ersten Durchlaufen der photoaktiven Schicht nicht absorbiert wurde, sondern in Richtung des Reflektors gestrahlt wurde, durch Reflexion am Reflektor nochmals auf die photoaktive Schicht eingestrahlt werden.According to the invention a stacked solar cell arrangement at least one stacked solar cell, which at least two photoactive layers and at least one contains reflective intermediate layer, and at least having a reflector. The at least two photoactive layers are arranged substantially parallel to each other and are separated by the reflective intermediate layer. The Stack solar cell and the reflector in turn are separated by a gap spaced apart and aligned with each other so that Radiation reflected by the stacked solar cell at least partially falls on the reflector and / or that reflected by the reflector Radiation falls at least partially on the stacked solar cell. The structure of the invention thus allows a multiple reflection of the incident radiation. Thus, for example Radiation of a certain wavelength range, which absorbable by the photoactive layer but at the first Passing through the photoactive layer was not absorbed, but was blasted in the direction of the reflector, by reflection at the reflector be irradiated again on the photoactive layer.
Der durch die mindestens eine Solarzelle und den mindestens einen Reflektor aufgespannte Zwischenraum weist vorzugsweise einen als Eintrittsöffnung definierten Bereich auf der dem einfallenden Licht zuge wandten Seite und einen als Austrittsöffnung definierten Bereich auf der dem einfallenden Licht abgewandten Seite des Zwischenraums auf.Of the by the at least one solar cell and the at least one reflector spanned space preferably has one as an inlet opening defined area on the side facing the incident light and an area defined as an exit opening the side of the gap facing away from the incident light.
Um nun die Mehrfachreflexion möglichst effektiv auszunutzen, ist eine im Wesentlichen parallele Anordnung der mindestens einen Stapelsolarzelle und des mindestens einen Reflektors zueinander von Vorteil. Trifft Licht unter einem steilen Einfallswinkel auf den Reflektor bzw. die Stapelsolarzelle auf, so ist bei einer parallelen Anordnung auch bei einer geringen Ausdehnung von Reflektor und Stapelsolarzelle, d. h. bei einem geringen Abstand zwischen Eintritts- und Austrittsöffnung des Zwischenraums, eine Vielfachreflexion möglich. Damit besteht die Möglichkeit, dass der jeweils reflektierte Teil der Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs, welcher durch die Einzelsolarzelle absorbierbar ist, erneut auf die photoaktive Schicht trifft und zumindest teilweise absorbiert wird.Around now to use the multiple reflection as effectively as possible, is a substantially parallel arrangement of the at least one Stack solar cell and the at least one reflector to each other advantageous. Hits light at a steep angle of incidence the reflector or the stacked solar cell, so is at a parallel Arrangement even with a small extent of reflector and stacked solar cell, d. H. at a small distance between the inlet and outlet openings of the space, a multiple reflection possible. In order to there is a possibility that the respective reflected Part of the radiation of a certain wavelength range, which is absorbable by the single solar cell, again on the photoactive layer strikes and at least partially absorbs becomes.
Vorzugsweise wird anstelle des mindestens einen Reflektors eine weitere Stapelsolarzelle mit mindestens zwei parallel zueinander angeordneten photoaktiven Schichten, welche durch mindestens eine reflektierende Zwischenschicht voneinander getrennt werden, verwendet. An den durch den Zwischenraum voneinander beabstandeten, einander gegenüberliegenden photoaktiven Schichten der Stapelsolarzelle und der anstelle des Reflektors verwendeten weiteren Stapelsolarzelle kann die einfallende Strahlung ganz oder teilweise absorbiert werden, teilweise reflektiert werden. Durch die Mehrfachreflexion innerhalb des Zwischenraums kann die Absorption von Licht eines mit den photoaktiven Schichten absorbierbaren Wellenlängenbereichs optimiert werden.Preferably instead of the at least one reflector, a further stacked solar cell with at least two parallel to each other photoactive Layers, which by at least one reflective intermediate layer separated from each other used. At the through the gap spaced from each other, opposite each other photoactive layers of the stacked solar cell and the instead of the Reflectors used further stacked solar cell can be the incident Radiation be partially or completely absorbed, partially reflected become. Due to the multiple reflection within the gap can be the absorption of light with the photoactive layers absorbable wavelength range can be optimized.
Sowohl die einander gegenüberliegenden photoaktiven Schichten der einen Zwischenraum bildenden Stapelsolarzellen als auch die photoaktiven Schichten einer einzelnen Stapelsolarzelle können Strahlung des gleichen oder auch eines unterschiedlichen Wellenlängenbereichs absorbieren. Bei gleichen photoaktiven Schichten bzw. bei Licht im gleichen Wellenlängenbereich absorbierenden photoaktiven Schichten wird somit die Absorption von Strahlung eben dieses Wellenlängenbereichs verbessert. Dabei ist es vorteilhaft, wenn insbesondere die einander gegenüberliegenden photoaktiven Schichten Licht unterschiedlicher Wellenlänge absorbieren, da somit die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, dass in den Zwischenraum einfallendes Licht absorbiert wird. In diesem Fall ist es möglich, ein erweitertes Absorptionsspektrum auszunutzen. Vorzugsweise sind die photoaktiven Schichten dann an die eingestrahlte Strahlung angepasst. Wird beispielsweise Licht eingestrahlt, welches Strahlung im Wellenlängenbereich A und im Wellenlängenbereich B enthält, so können die photoaktiven Schichten derart gewählt sein, dass eine der photoaktiven Schichten den Wellenlängenbereich A absorbiert, während die andere photoaktive Schicht Licht des Wellenlängenbereichs B absorbiert.Either the opposite photoactive layers the gap forming stack solar cells and the photoactive layers of a single stacked solar cell can be radiation the same or a different wavelength range absorb. In the same photoactive layers or in light absorbing in the same wavelength range photoactive Layers thus becomes the absorption of radiation of precisely this wavelength range improved. It is advantageous if in particular the one another opposite photoactive layers light different Absorb wavelength, since thus the probability is increased, that in the space incident light is absorbed. In this case it is possible to have an extended one Exploit absorption spectrum. Preferably, the photoactive Layers then adapted to the incident radiation. For example Light irradiated, which radiation in the wavelength range A and in the wavelength range B, the photoactive layers can be chosen such that one of the photoactive layers absorbed the wavelength range A, while the other photoactive layer is light of the wavelength range B absorbed.
Alternativ kann als Reflektor auch ein Spiegel dienen. Vorzugsweise sollte der Spiegel dabei beidseitig reflektierend ausgebildet sein.alternative can serve as a reflector and a mirror. Preferably should the mirror can be designed to be reflective on both sides.
Der Spiegel kann ein dielektrischer Spiegel oder metallischer Spiegel, oder auch ein Schichtsystem aus metallischen und dielektrischen Schichten. Als Material für die dielektrischen Schichten eignet sich CrO, TiOx (Titanoxide), ZnO, WO3, V2O5, MoO3, Indiumzinnoxid (ITO), Antimon-dotiertes Zinnoxid (ATO). Als Materialien für metallische Schichten sind beispielsweise Aluminium, Chrom, Titan oder Silber einsetzbar. Die Schichtdicken der einzelnen Schichten betragen dabei einige nm bis wenige 100 nm. Die Anforderungen sind eine hohe Reflektivität insbesondere im Wellenlängenbereich, in dem die gegenüberliegende photoaktive Schicht absorbiert.The mirror can be a dielectric mirror or metallic mirror, or even a layer system of metallic and dielectric layers. Suitable material for the dielectric layers is CrO, TiO x (titanium oxides), ZnO, WO 3 , V 2 O 5 , MoO 3 , indium tin oxide (ITO), antimony-doped tin oxide (ATO). As materials for metallic layers, for example, aluminum, chromium, titanium or silver can be used. The layer thicknesses of the individual layers amount to a few nm to a few 100 nm. The requirements are a high reflectivity, especially in the wavelength range in which the opposite photoactive layer absorbs.
Die mindestens zwei photoaktiven Schichten der mindestens einen Stapelsolarzelle können gleiche oder unterschiedliche Materialien aufweisen. Die photoaktiven Schichten absorbieren dann Strahlung des gleichen oder eines unterschiedlichen Wellenlängenbereichs. Als Materialien bieten sich organische Halbleiter, anorganische Halbleiternanopartikel sowie Mischungen aus beiden an. Vorzugsweise wird bei der Wahl der Materialien für photoaktive Schichten darauf geachtet, dass der oder die Wellenlängenbereiche, in welchen die photoaktiven Schichten absorbieren, aus dem gesamten Sonnenspektrum ausgewählt sind. Das Sonnenspektrum überbrückt einen Wellenlängenbereich von 200 bis über 2000 nm. Das Intensitätsmaximum jedoch liegt bei Wellenlängen zwischen 350 bis 1000 nm, so dass vorzugsweise photoaktive Schichten, welche in dem Unterbereich von 350 bis 1000 nm absorbieren, verwendet werden.The at least two photoactive layers of the at least one stacked solar cell may have the same or different materials. The photoactive layers then absorb radiation of the same or a different wavelength range. When Materials include organic semiconductors, inorganic semiconductor nanoparticles and mixtures of both. Preferably, in the choice of Paid attention to materials for photoactive layers that the wavelength range or wavelengths in which the absorbing photoactive layers, from the entire solar spectrum are selected. The solar spectrum bridges a wavelength range from 200 to over 2000 nm. The intensity maximum, however, lies at wavelengths between 350 to 1000 nm, so that preferably photoactive layers, which in the subrange of 350 to 1000 nm.
Die photoaktiven Schichten einer Stapelsolarzelle können parallel oder in Reihe geschaltet sein.The photoactive layers of a stacked solar cell can be parallel or in series.
Mindestens eine der mindestens zwei photoaktiven Schichten der Stapelsolarzelle absorbiert Strahlung eines ausgewählten Wellenlängenteilbereichs, welcher von der mindestens einen photoaktiven Schicht absorbiert ist, ganz oder teilweise.At least one of the at least two photoactive layers of the stacked solar cell absorbs radiation of a selected wavelength subrange, which absorbs from the at least one photoactive layer is, in whole or in part.
Die mindestens eine reflektierende Zwischenschicht der Stapelsolarzelle ist vorzugsweise eine reflektierende Elektrode oder eine reflektierende Rekombinationsschicht. Als reflektierende Elektrode eignen sich Schichtsysteme, welche entweder aus dielektrischen Schichten oder aus einer Kombination aus metallischen und dielektrischen Schichten aufgebaut sind. Als Material für die dielektrischen Schichten eignet sich CrO, TiOx (Titanoxide), ZnO, WO3, V2O5, MoO3, Indiumzinnoxid (ITO), Antimon-dotiertes Zinnoxid (ATO). Als Materialien für metallische Schichten sind beispielsweise Aluminium, Chrom, Titan oder Silber einsetzbar. Die Schichtdicken der einzelnen Schichten betragen dabei einige nm bis wenige 100 nm. Die gesamte reflektierende Elektrode, welche zwischen mindestens zwei photoaktiven Schichten angeordnet ist, weist insgesamt vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 5 nm bis 1 mm auf.The at least one reflective intermediate layer of the stacked solar cell is preferably a reflective electrode or a reflective recombination layer. Suitable reflective electrodes are layer systems which are constructed either from dielectric layers or from a combination of metallic and dielectric layers. Suitable material for the dielectric layers is CrO, TiO x (titanium oxides), ZnO, WO 3 , V 2 O 5 , MoO 3 , indium tin oxide (ITO), antimony-doped tin oxide (ATO). As materials for metallic layers, for example, aluminum, chromium, titanium or silver can be used. The layer thicknesses of the individual layers amount to a few nm to a few 100 nm. The entire reflective electrode, which is arranged between at least two photoactive layers, preferably has a total thickness of between 5 nm and 1 mm.
Zwischen den an die reflektierende Schicht angrenzenden photoaktiven Schichten besteht bevorzugt ein guter Kontakt zum Löchertransportniveau oder zum Elektronentransportniveau, je nachdem, ob es sich um eine Anode oder eine Kathode handelt. Ein guter Kontakt bildet sich u. a. aus, wenn die Austrittsarbeit der Elektrode mit der Fermieenergie für die jeweiligen Ladungsträger übereinstimmt und der Halbleiter in direktem Kontakt mit der Elektrodenoberfläche ist.Between the photoactive layers adjacent to the reflective layer is preferably a good contact to the hole transport level or to the electron transport level, depending on whether it is an anode or a cathode. A good contact forms u. a. out, when the work function of the electrode with the Fermieenergie for the respective charge carriers coincide and the semiconductor in direct contact with the electrode surface is.
Als Elektrodenkontakte, die auf eine photoaktive Schicht aufgedampft werden können, bieten sich Al, Ag, Ca oder LiF an. Als Elektrodenkontakte, auf welche eine photoaktive Schicht deponiert werden soll, können vorzugsweise Ti oder Cr verwendet werden.When Electrode contacts vapor-deposited on a photoactive layer can be Al, Ag, Ca or LiF. When Electrode contacts on which a photoactive layer deposited is to be used, preferably Ti or Cr can be used.
Auf der der reflektierenden Schicht abgewandten Seite der photoaktiven Schichten ist vorzugsweise eine transparente Elektrode angeordnet. Als transparente Elektroden kommen z. B. Indium-Zinnoxid (ITO) Aluminium dotiertes Zinnoxid, Schichtsysteme aus dünnen Silberschichten und Metalloxiden sowie organische dotierte Halbleiterschichten in Frage.On the side facing away from the reflective layer of the photoactive Layers is preferably arranged a transparent electrode. When transparent electrodes come z. Indium tin oxide (ITO) aluminum doped tin oxide, layer systems of thin silver layers and metal oxides and organic doped semiconductor layers in Question.
Erfindungsgemäß baut die mindestens eine Solarzelle und der mindestens eine entsprechend zur Stapelsolarzelle angeordnete Reflektor einen Zwischenraum aus. Dieser kann mit Luft oder mit einem dielektrischen Material mit angepasstem Brechungsindex und geringer Lichtabsorption im Absorptionsbereich der photoaktiven Schichten aufgefüllt sein. Der Zwischenraum zwischen der mindestens einen Stapelsolarzelle und dem mindestens einem Reflektor ist derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen der Solarzelle und dem Reflektor einige 100 nm bis einige 10 cm, vorzugsweise einige 100 nm bis einige cm, beträgt oder in diesem Bereich variiert. Je nach Anwendungsfall kann der Abstand entsprechend angepasst werden. Der Abstand beeinflusst die Häufigkeit der Reflexionsereignisse beim Durchgang des Lichts durch den Zwischenraum.Builds according to the invention the at least one solar cell and the at least one corresponding arranged to stack solar cell reflector a gap. This can be done with air or with a dielectric material matched refractive index and low absorption of light in the absorption region be filled the photoactive layers. The gap between the at least one stacked solar cell and the at least a reflector is formed such that the distance between the Solar cell and the reflector some 100 nm to several 10 cm, preferably some 100 nm to a few centimeters, or in this range varied. Depending on the application, the distance can be adjusted accordingly become. The distance affects the frequency of reflection events the passage of light through the gap.
Im Bereich der Eintrittsöffnung oder außerhalb des Zwischenraums in die Richtung, aus welcher Licht eingestrahlt ist, können optische Elemente und/oder streuende Schichten angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können auch im Bereich der der Austrittsöffnung oder außerhalb des Zwischenraums auf der Seite der Austrittsöffnung des Zwischenraums optische Elemente (Strukturen) oder Streuscheiben angeordnet sein. Als optische Elemente bieten sich beispielsweise Spiegel oder Linsen an, die vorzugsweise planar, planar gekippt, konvex oder konkav ausgebildet sind. Durch das Anbringen optischer Elemente und/oder streuender Schichten wird bewirkt, dass das Licht in einem geeigneten Winkel auf dem Reflektor bzw. auf die Stapelsolarzelle auftrifft. Insbesondere in dem Fall, dass die Stapelsolarzelle und der Reflektor im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und dass das Licht parallel dazu in den Zwischenraum eintritt, sind optische Elemente und/oder streuende Schichten vorteilhaft.In the region of the inlet opening or outside the intermediate space in the direction from which light is radiated, optical elements and / or scattering layers can be arranged. Additionally or alternatively, optical elements (structures) or lenses may also be arranged in the region of the outlet opening or outside the intermediate space on the side of the outlet opening of the intermediate space. As optical elements, for example, mirror or lenses offer, which are preferably planar, planar tilted, convex or concave. By attaching optical elements and / or scattering layers, the light is caused to be at a suitable angle on the reflector or stacked solar cell le hits. In particular, in the case that the stacked solar cell and the reflector are arranged substantially parallel to each other, and that the light enters the gap in parallel thereto, optical elements and / or scattering layers are advantageous.
Vorzugsweise ist die Stapelsolarzellenanordnung derart relativ zur Einfallsrichtung der Strahlung geneigt, dass die einfallende Strahlung unter einem Winkel α auf die der einfallenden Strahlung zugewandte Seite der Stapelsolarzelle oder des Reflektors auftrifft. Der Winkel α beträgt dabei vorzugsweise einen Wert zwischen 0° und 90°, besonders bevorzugt zwischen 30° und 75°. Es ist von Vorteil, den Einfallswinkel an die Eigenschaften der photoaktiven Schichten anzupassen.Preferably is the stacked solar cell array so relative to the direction of incidence the radiation is inclined to the incident radiation at an angle α on the side of the stacked solar cell facing the incident radiation or of the reflector. The angle α is preferably a value between 0 ° and 90 °, more preferably between 30 ° and 75 °. It is advantageous, the angle of incidence on the properties of the photoactive layers adapt.
Jede Stapelsolarzelle kann auf einer oder beiden Seiten der reflektierenden Schicht zwei oder mehrere photoaktive Schichten, welche wiederum durch Zwischenschichten, wie beispielsweise Kontaktschichten oder transparente Elektroden, voneinander getrennt sind, aufweisen. Die auf einer Seite der reflektierenden Schicht angeordneten photoaktiven Schichten können dabei aus den gleichen oder unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sein und können Licht in gleichen oder unterschiedlichen Wellenlängenbereichen absorbieren.each Stacking solar cell can be reflective on one or both sides Layer two or more photoactive layers, which in turn by Interlayers, such as contact layers or transparent Electrodes are separated from each other. The one on one Side of the reflective layer arranged photoactive layers can be made of the same or different materials be composed and can light in the same or absorb different wavelength ranges.
Eine erfindungsgemäße Stapelsolarzellenanordnung kann auch mehr als eine Stapelsolarzelle und einen Reflektor enthalten. Die Stapelsolarzellen sind dann vorzugsweise nebeneinander angeordnet, so dass zwei Stirnseiten, welche nicht im Bereich der Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen liegen, benachbart sind. Alternativ können auch zwei Solarzellen übereinander angeordnet sein. Die beiden aneinander angrenzenden Solarzellen können dabei parallel zueinander ausgerichtet sein oder einen bestimmten Winkel einschließen. Die Reflektoren sind dann vorzugsweise entsprechend anzuordnen.A stacked solar cell assembly according to the invention can also contain more than one stacked solar cell and a reflector. The stacked solar cells are then preferably arranged next to each other, so that two end faces, which are not in the area of entry or Outlets are adjacent. alternative Two solar cells can also be arranged one above the other be. The two adjoining solar cells can be aligned parallel to each other or a specific Include angle. The reflectors are then preferred arrange accordingly.
Die mindestens eine Stapelsolarzelle und/oder der mindestens eine Reflektor der erfindungsgemäßen Stapelsolarzellenanordnung sind vorzugsweise auf einem Substrat aufgebracht. Bei dem Substrat handelt es sich vorzugsweise um ein transparentes Substrat, so dass sich Licht in dem Medium, welches das Substrat ausbildet, sich fortpflanzen kann. Als Substrat werden daher bevorzugt dielektrische Materialien mit angepasstem Brechungsindex und geringer Lichtabsorption im Absorptionsbereich der photoaktiven Schichten verwendet.The at least one stacked solar cell and / or the at least one reflector the stacked solar cell array according to the invention are preferably applied to a substrate. At the substrate it is preferably a transparent substrate, so that Light propagates in the medium that forms the substrate can. As a substrate, therefore, preferred are dielectric materials with adjusted refractive index and low absorption of light in the absorption area the photoactive layers used.
Beispielsweise kann ein Substrat auf seiner Oberseite oder auch auf beiden Seiten ein Sägezahnprofil aufweisen, wobei jedoch lediglich jeweils eine Seite eines jeden Sägezahns mit einer Stapelsolarzelle besetzt ist. Die unbesetzte Seite ist vorzugsweise lichtdurchlässig.For example can be a substrate on its top or on both sides have a sawtooth profile, but only one each Side of each saw tooth with a stacked solar cell is busy. The unoccupied side is preferably translucent.
Die mindestens eine Stapelsolarzelle und/oder der mindestens eine Reflektor der erfindungsgemäßen Solarzellenanordnung können auf einem Tracker angeordnet sein. Ändert sich also die Einstrahlungsrichtung des einfallenden Lichts, so können die Stapelsolarzelle und/oder der Reflektor entsprechend nachjustiert werden, dass das einfallende Licht eine Mehrfachreflexion durchläuft.The at least one stacked solar cell and / or the at least one reflector the solar cell array according to the invention can be placed on a tracker. So changes the direction of irradiation of the incident light, so can the stacked solar cell and / or the reflector are readjusted accordingly, that the incident light undergoes multiple reflection.
Eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Stapelsolarzellenanordnungen bilden eine Photovoltaikanlage. In einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage sind die einzelnen Stapelsolarzellenanordnungen nebeneinander (d. h. gegenüberliegende Stirnseiten der Anordnungen, welche nicht im Bereich der Eintritte- bzw. Austrittsöffnungen liegen, sind benachbart), versetzt nebeneinander (d. h. flächige Seiten der einzelnen Anordnungen liegen einander gegenüber), hintereinander, übereinander und/oder versetzt übereinander angeordnet. Benachbarte Solarzellen bzw. Reflektoren, welche übereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind, können abstandslos oder voneinander beabstandet angebracht sein. Weist die Photovoltaikanlage beispielsweise mehrere erfindungsgemäße Solarzellenanordnungen mit vertikal ausgerichteten Solarzellen und Reflektoren auf, wobei die Eintrittsöffnung des Zwischenraums durch die oberen horizontal ausgerichteten Stirnflächen der Solarzellen bzw. Reflektoren gebildet wird, so können mehrere Stapelsolarzellenanordnungen derart nebeneinander ausgerichtet sein, dass sämtliche Solarzellen und sämtliche Reflektoren im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und dass sich jeweils eine vertikale Stirnseite einer Solarzelle bzw. eines Reflektors mit einer vertikalen Stirnseite einer zusätzlichen Solarzelle bzw. eines zusätzlichen Reflektors gegenüberliegen. Desweiteren können auch jeweils die horizontalen Stirnseiten einander gegenüberliegen.A Variety of stacked solar cell assemblies according to the invention form a photovoltaic system. In an inventive Photovoltaic system are the individual stacked solar cell assemblies next to each other (ie opposite ends of the Arrangements, which are not in the area of the inlet and outlet openings lie, are adjacent), offset next to each other (ie Sides of the individual arrangements are opposite each other), one behind the other, one above the other and / or offset one above the other arranged. Adjacent solar cells or reflectors, which one above the other and / or juxtaposed, can be spaced or be spaced from each other. Indicates the photovoltaic system for example, a plurality of solar cell arrangements according to the invention with vertically oriented solar cells and reflectors on, wherein the inlet opening of the intermediate space through the upper horizontally oriented end faces of the solar cells or reflectors is formed, so can several stacked solar cell assemblies such be aligned side by side, that all solar cells and all the reflectors are substantially parallel to one another are arranged and that in each case a vertical end face a solar cell or a reflector with a vertical end face an additional solar cell or an additional Opposite reflector. Furthermore you can also in each case the horizontal end faces opposite each other.
In einer Photovoltaikanlage können die einzelnen Stapelsolarzellenanordnungen Stapelsolarzellen mit photoaktiven Schichten, welche Licht eines gleichen oder eines unterschiedlichen Wellenlängenbereichs absorbieren, aufweisen. Sind beispielsweise mehrere Sta pelsolarzellenanordnungen übereinander angeordnet, so bietet es sich an, dass die Stapelsolarzellenanordnungen mit photoaktiven Schichten mit großer Bandlücke oben angeordnet sind, während weiter unten photoaktive Schichten mit einer kleineren Bandlücke angebracht sind. Es ist von Vorteil, wenn zunächst kurzwelliges Licht absorbiert wird und langwelliges Licht erst weiter unten absorbiert wird.In a photovoltaic system, the individual stacked solar cell assemblies Stacked solar cells with photoactive layers, which light the same or absorb a different wavelength range, exhibit. For example, several Sta pelsolarzellenanordnungen one above the other arranged, it is appropriate that the stacked solar cell assemblies with photoactive layers with large band gap are arranged at the top while photoactive below Layers with a smaller band gap are attached. It is advantageous if initially short-wave light is absorbed and long-wavelength light is absorbed lower down.
Die einzelnen photoaktiven Schichten bzw. die photoaktiven Schichten der Stapelsolarzellenanordnungen in einer Photovoltaikanlage können parallel oder seriell verschaltet sein.The individual photoactive layers or the photoactive layers of the stacked solar cell arrangements in a photovoltaic system can be parallel lel or serially connected.
Im Folgenden werden einige Beispiele für erfindungsgemäße Stapelsolarzellenanordnungen und Photovoltaikanlagen gegeben. Es zeigenin the Below are some examples of inventive Stack solar cell assemblies and photovoltaic systems given. It demonstrate
Die
beiden Solarzellenanordnungen
In
Im
Falle der Solarzellenanordnung
Im
Falle der Stapelsolarzellenanordnung
Ein ähnliches
Bild zeigt auch
In
In
Die
mit den
In
Derartige
Strukturen lassen sich mit mikromechanischen Bearbeitungsverfahren
und auch interferenzlithographisch herstellen. Nach der Erzeugung
einer Urstruktur kann diese in ein optisch transparentes Material
des Substrats
Ein
Ausführungsbeispiel flächiger, lamellar angeordneter
Solarzellen
Die Stapelsolarzellenanordnung der vorliegenden Erfindung ermöglicht im Gegensatz zu konventionellen aufgefalteten Tandemkonzepten eine sinnvolle Bestrahlungsreihenfolge von mehr als zwei Solarzellen unterschiedlicher Bandlücke und erhöht die solare Energiekonventionseffizienz durch Vielfachreflexion und serielle Anordnung von Solarzellen mit unterschiedlicher Bandlücke zu erhöhen.The Stack solar cell assembly of the present invention allows in contrast to conventional unfolded tandem concepts a meaningful Irradiation order of more than two solar cells different Band gap and increases the solar energy convention efficiency by multiple reflection and serial arrangement of solar cells with increase different band gap.
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