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

The sequence solar cell arrangements (11,12) have sequence solar cells (2) and reflectors, where the solar cells have two photoactive layers (4) and a refractive intermediate layer. The photoactive layers are arranged parallel to each other. The intermediate layer is arranged between two photoactive layers. The solar cells and the reflector are arranged at a distance from each other by an intermediate space (6). An independent claim is also included for a photovoltaic system.

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 DE 41 41 083 A1 beschrieben.In order to increase the absorption, it has been proposed in the prior art to arrange two individual solar cells in a V-shape relative to one another and to choose the angle between the two individual cells in such a way that the angle of incidence of light is adapted to the respective materials. Such split solar cells are used for example in the DE 41 41 083 A1 described.

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 DE 103 26 546 A1 offenbart. Nachteilig an dieser Anordnung hat sich jedoch erwiesen, dass an die Zwischenschichten komplexe Anforderungen gestellt werden, wie beispielsweise geringe Absorption, geeigneter Brechungsindex, hohe Flächenleitfähigkeit. Die Verwirklichung dieser Anforderungen ist technisch anspruchsvoll und führt zu erhöhten Kosten bei der Herstellung.On the other hand, tandem solar cells can also be designed as stacked solar cells. By stacking single cells with different absorption edges and their serial or parallel interconnection, the solar energy conversion efficiency can be significantly increased compared to single solar cells. The reason is that a wider range of the solar spectrum can be used efficiently. The individual solar cells (or the photoactive layers) are separated by an intermediate layer. In the stack arrangement, this intermediate layer must have the lowest possible absorption of the incident radiation so that light can also be incident on the second photoactive layer. In the case of the serial interconnection of the solar cells, this layer must cause a jump in the vacuum level between the individual cells and thus efficient recombination of charge carriers of adjacent cells. In addition, the surface current densities of the individual layers must be balanced. In the case of the parallel interconnection of the individual cells, the surface conductivity of this intermediate layer must be sufficiently high for efficient charge carrier extraction. In order to achieve optimum light absorption, an exact adaptation of the layer thicknesses with their specific refractive indices is required. This requires an exact manufacturability of these layer thicknesses. The deposition of the functional layers (electrodes, semiconductors, doped semiconductors, recombination layers) involves vacuum processes and wet-chemical coating and printing processes. The compatibility of the successive deposition steps is essential, both in terms of functionality (compatibility of solvents) and on the economy (change between vacuum and wet chemical processes). Such stacked solar cells, in particular with organic photoactive layers are z. B. in the DE 103 26 546 A1 disclosed. A disadvantage of this arrangement, however, has proven that complex requirements are placed on the intermediate layers, such as low absorption, suitable refractive index, high surface conductivity. The realization of these requirements is tech demanding and leads to increased costs in the production.

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

1 einen Querschnitt durch zwei nacheinander angeordnete Solarzellenanordnungen, 1 a cross section through two successively arranged solar cell assemblies,

2A bis 2G jeweils einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage, 2A to 2G each a section of a photovoltaic system according to the invention,

3A bis 3D Verschaltungsmöglichkeiten für Stapelsolarzellen mit reflektierender Zwischenschicht, und 3A to 3D Interconnection options for stacked solar cells with reflective intermediate layer, and

4A bis 4C Ausschnitte aus einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage. 4A to 4C Cutouts from a photovoltaic system according to the invention.

1 zeigt den Querschnitt durch eine erste Stapelsolarzellenanordnung 11 und eine zweite Stapelso larzellenanordnung 12. Die erste und die zweite Stapelsolarzellenanordnung 11 und 12 weisen jeweils zwei Stapelsolarzellen 2, welche parallel zueinander ausgerichtet sind, auf. Die Stapelsolarzellen 2 weisen jeweils eine reflektierende Elektrode 3 auf, auf deren beiden flächigen Seiten jeweils eine photoaktive Schicht 4 angeordnet ist. Die beiden photoaktiven Schichten 4 weisen auf ihrer der reflektierenden Elektrode 3 abgewandten Seite eine transparente Elektrode 5 auf. Zwischen den jeweils zwei Stapelsolarzellen 2 einer Stapelsolarzellenanordnung 11 oder 12 ist ein Zwischenraum 6 ausgebildet. Jede der beiden Solarzellenanordnungen 11 und 12 weist eine Eingangsöffnung 7 und eine Ausgangsöffnung 8 auf, durch welche das Licht 9 (hier als Pfeile schematisch dargestellt) eintreten bzw. austreten kann. 1 shows the cross section through a first stacked solar cell assembly 11 and a second stacked cell array 12 , The first and second stacked solar cell assemblies 11 and 12 each have two stacked solar cells 2 , which are aligned parallel to each other, on. The stacked solar cells 2 each have a reflective electrode 3 on each of its two flat sides a photoactive layer 4 is arranged. The two photoactive layers 4 point to their reflective electrode 3 side facing away from a transparent electrode 5 on. Between the two stacked solar cells 2 a stacked solar cell array 11 or 12 is a gap 6 educated. Each of the two solar cell arrangements 11 and 12 has an entrance opening 7 and an exit port 8th on, through which the light 9 (shown here as arrows schematically) can enter or exit.

Die beiden Solarzellenanordnungen 11 und 12 sind so zueinander angeordnet, dass die einzelnen Stapelsolarzellen 2 im Wesentlichen parallel zueinander stehen und dass das aus der Austrittsöffnung 8 der ersten Solarzellenanordnung 11 austretende Licht durch die Eintrittsöffnung 7 der zweiten Solarzellenanordnung 12 in diese eintreten kann. Die Mehrfachreflexion des einfallenden Lichts innerhalb der ersten und der zweiten Solarzellenanordnung 11 und 12 ist durch Pfeile 9 angedeutet.The two solar cell arrangements 11 and 12 are arranged to each other so that the individual stacked solar cells 2 are essentially parallel to each other and that from the outlet opening 8th the first solar cell array 11 escaping light through the inlet 7 the second solar cell array 12 can enter into this. The multiple reflection of the incident light within the first and second solar cell array 11 and 12 is by arrows 9 indicated.

In 2A ist ein vertikaler Schnitt durch einen Ausschnitt einer Photovoltaikanlage gezeigt. Es ist eine streifenförmige Anordnung dargestellt. Die einzelnen Stapelsolarzellen 2 und gegebenenfalls Reflektoren 21 bzw. Solarzellenanordnungen 11, 12, 13 stehen dabei vertikal und sind parallel zueinander ausgerichtet. Das einfallende Licht tritt unter einem Winkel β von ungefähr 45° auf die jeweils linke Seite einer Stapelsolarzelle 2 bzw. eines Reflektors 21 und wird teilweise absorbiert und teilweise reflektiert. Die Pfeile 9 zeigen die Mehrfachreflexion innerhalb eines Zwischenraums 6 einer Stapelsolarzellenanordnung 11, 12, 13. Dabei beeinflusst das Verhältnis von Lamellenabstand (Abstand zwischen mindestens zwei parallel angeordneten Solarzellen 2 bzw. Reflektoren 21) und der Lamellenlänge (hier die Ausdehnung der Solarzellen in vertikale Richtung bei vertikaler Ausrichtung der Solarzellen) die Häufigkeit der Reflexionsereignisse beim Durchlaufen des Lichts 9 durch den Zwischenraum 6.In 2A is a vertical section through a section of a photovoltaic system shown. It is shown a strip-shaped arrangement. The individual stacked solar cells 2 and optionally reflectors 21 or solar cell arrangements 11 . 12 . 13 stand vertically and are aligned parallel to each other. The incident light passes at an angle β of about 45 ° on the left side of a stacked solar cell 2 or a reflector 21 and is partially absorbed and partially reflected. The arrows 9 show the multiple reflection within a space 6 a stacked solar cell array 11 . 12 . 13 , In this case, the ratio of fin spacing (distance between at least two parallel solar cells 2 or reflectors 21 ) and the lamella length (in this case the extent of the solar cells in the vertical direction with vertical alignment of the solar cells) the frequency of the reflection events when passing through the light 9 through the gap 6 ,

2B zeigt drei verschiedene Stapelsolarzellenanordnungen 11a, 11b und 11c, welche jeweils vertikal ausgerichtet sind. Im Falle der Stapelsolarzellenanordnung 11a fällt das Licht unter einem Winkel γ von ca. 45° zur Vertikalen in den Zwischenraum 6 ein und trifft unter einem Winkel β von ca. 45° auf die Stapelsolarzelle 2 bzw. den Reflektor 21 auf. 2 B shows three different stacked solar cell arrays 11a . 11b and 11c , which are each vertically aligned. In the case of the stacked solar cell array 11a the light falls into the space at an angle γ of approx. 45 ° to the vertical 6 and hits at an angle β of about 45 ° on the stack solar cell 2 or the reflector 21 on.

Im Falle der Solarzellenanordnung 11b fällt das Licht aus einer Richtung parallel zur Vertikalen in den Zwischenraum 6 ein. Im Bereich der Eintrittsöffnung 7 der Solarzellenanordnung 11b befindet sich eine Linse 70, welche das einfallende Licht 9 ablenkt, so dass es wiederum unter einen Winkel β von ca. 45° auf die Stapelsolarzellen 2 bzw. den Reflektor 21 auftrifft. Unterhalb der Austrittsöffnung 8 der Stapelsolarzelle 2 befindet sich ein planarer Spiegel 71, welcher das bereits mehrfach reflektierte Licht 9 zurück in den Zwischenraum 6 wirft.In the case of the solar cell arrangement 11b the light falls from one direction parallel to the vertical into the space 6 one. In the area of the entrance opening 7 the solar cell arrangement 11b there is a lens 70 which the incident light 9 deflects, making it again at an angle β of about 45 ° on the stacked solar cells 2 or the reflector 21 incident. Below the outlet 8th the stack solar cell 2 there is a planar mirror 71 , which the already multiple reflected light 9 back into the gap 6 throws.

Im Falle der Stapelsolarzellenanordnung 11c tritt das Licht 9 parallel zur Vertikalen in den Zwischenraum 6 ein und durchquert diesen, ohne an den Stapelsolar zellen 2 bzw. Reflektoren 21 gespiegelt zu werden. Im Bereich unterhalb der Austrittsöffnung 8 befindet sich ein konkav ausgebildeter Spiegel 72. Dieser reflektiert das Licht 9 derart, dass es unter einem Winkel β von ca. 45° auf die Solarzellen 2 bzw. Reflektoren 21 auftrifft und eine Mehrfachreflexion durchläuft.In the case of the stacked solar cell array 11c enters the light 9 parallel to the vertical in the gap 6 and traverses this, without cells on the pile solar cells 2 or reflectors 21 to be mirrored. In the area below the outlet opening 8th there is a concave mirror 72 , This reflects the light 9 such that it is at an angle β of about 45 ° to the solar cells 2 or reflectors 21 impinges and undergoes multiple reflection.

2C zeigt wiederum den vertikalen Schnitt durch einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Photovoltaikanlage. Die einzelnen Stapelsolarzellen 2 bzw. Reflektoren 21 sind dabei unter einem Winkel δ von ca. 45° zur Horizontalen ausgerichtet und parallel zueinander angeordnet. Das Licht 9 fällt aus einer vertikalen Richtung in den Zwischenraum 6 einer jeden Solarzellenanordnung 11, 12, 13 ein und trifft auf die nach oben zeigende Seite 2a der Solarzellen 2. Das eingestrahlte Licht 9 wird teilweise absorbiert, teilweise reflektiert. 2C again shows the vertical section through a section of a photovoltaic system according to the invention. The individual stacked solar cells 2 or reflectors 21 are aligned at an angle δ of about 45 ° to the horizontal and arranged parallel to each other. The light 9 falls from a vertical direction into the gap 6 each solar cell array 11 . 12 . 13 and hits the up-facing page 2a the solar cells 2 , The incident light 9 is partially absorbed, partially reflected.

2D zeigt im Wesentlichen einen Ausschnitt, wie er bereits für 2C erklärt wurde. Jedoch sind jeweils zwei Stapelsolarzellen 2 bzw. Reflektoren 21 übereinander abstandslos angeordnet, so dass ein verlängerter Zwischenraum entsteht und das einfallende Licht häufiger reflektiert wird. 2D essentially shows a section, as he already has for 2C was declared. However, there are two stacked solar cells each 2 or reflectors 21 arranged one above the other without gaps, so that an extended space is formed and the incident light is reflected more frequently.

Ein ähnliches Bild zeigt auch 2E, wobei die einzelnen übereinander angeordneten Solarzellen 2 beabstandet voneinander angebracht sind.A similar picture also shows 2E , wherein the individual solar cells arranged one above the other 2 spaced from each other are attached.

2F zeigt nun wiederum einen Schnitt durch einen Ausschnitt einer Photovoltaikanlage, wobei wiederum jeweils zwei Stapelsolarzellen 2 bzw. Reflektoren 21 übereinander angeordnet sind. Die oberen der Stapelsolarzellen 2a bzw. Reflektoren 21a sind wie in 2B dargestellt, angeordnet. Die unteren Stapelsolarzellen 2b bzw. Reflektoren 21b sind dagegen spiegelverkehrt dazu angeordnet, so dass jeweils eine obere und eine untere Stapelsolarzelle bzw. Reflektor einen Winkel von ungefähr 90° einschließen. 2F again shows a section through a section of a photovoltaic system, in turn, each two stacked solar cells 2 or reflectors 21 are arranged one above the other. The top of the stack solar cells 2a or reflectors 21a are like in 2 B represented, arranged. The lower stacked solar cells 2 B or reflectors 21b on the other hand are arranged mirror-inverted, so that in each case an upper and a lower stacked solar cell or reflector enclose an angle of approximately 90 °.

2G zeigt eine Aufsicht auf eine Photovoltaikanlage. Diese ist derart gestaltet, dass jeweils zwei erfindungsgemäße Solarzellenanordnungen 11a, 12a, 11b, 12b eine rautenförmige Einfallsöffnung 7 ausbildet. Der kleinere Winkel der Rautenform ist mit α bezeichnet. Die Aufsicht zeigt nun einen Ausschnitt aus einem Rautennetz. Das Licht fällt in dieser Anordnung in eine Vielzahl von „Tunnels” ein und wird an den „Tunnelwänden” reflektiert oder absorbiert. 2G shows a view of a photovoltaic system. This is designed such that in each case two solar cell arrangements according to the invention 11a . 12a . 11b . 12b a diamond-shaped incidence opening 7 formed. The smaller angle of the diamond shape is denoted by α. The top view now shows a section of a rhomboid net. The light is incident in this arrangement in a variety of "tunnels" and is reflected or absorbed at the "tunnel walls".

3A zeigt eine Stapelsolarzelle 2, wie sie in der erfindungsgemäßen Stapelsolarzellenanordnung 11 verwendbar ist. Die Stapelsolarzelle 2 weist eine reflektierende Elektrode 3 mit einer oberen und einer unteren Seite 3a und 3b auf. Auf der unteren und der oberen Seite 3a und 3b der reflektierenden Elektrode 3 ist jeweils eine photoaktive Schicht 4 angeordnet. Die von der reflektierenden Elektrode 3 abgewandte Seite der photoaktiven Schicht 4 weist jeweils eine transparente Elektrode 5 auf. Mit 9 ist wieder das einfallende Licht bezeichnet. 3A shows a stacked solar cell 2 as used in the stacked solar cell arrangement according to the invention 11 is usable. The stacked solar cell 2 has a reflective electrode 3 with an upper and a lower side 3a and 3b on. On the lower and the upper side 3a and 3b the reflective electrode 3 is in each case a photoactive layer 4 arranged. The of the reflective electrode 3 opposite side of the photoactive layer 4 each has a transparent electrode 5 on. With 9 is again the incident light designates.

3B zeigt nun eine Stapelsolarzelle 2 wie in 3A in Parallelschaltung. Dabei dient die reflektierende Elektrode 3 beispielsweise als Anode und die transparenten Elektroden 5 als Kathode oder umgekehrt. Die beiden transparenten Elektroden 5 sind miteinander verbunden. 3B now shows a stacked solar cell 2 as in 3A in parallel. The reflective electrode is used 3 for example, as an anode and the transparent electrodes 5 as a cathode or vice versa. The two transparent electrodes 5 are connected.

In 3C ist nun eine Stapelsolarzelle in Serien schaltung dargestellt. Eine reflektierende Rekombinationsschicht 3 weist auf ihrer einen Seite eine n-dotierte 41 und auf ihrer unteren Seite eine p-dotierte 42 Schicht auf. Auf der jeweils von der reflektierenden Rekombinationsschicht 3 abgewandten Seite der dotierten Schichten 41, 42 befindet sich eine photoaktive Schicht 4, die wiederum mit einer transparenten Elektrode 51, 52 in Kontakt ist. Die transparente Elektrode 51 auf der Seite der reflektierenden Rekombinationsschicht 3, auf welcher die n-dotierte Schicht 41 angeordnet ist, dient als Anode, die transparente Elektrode 52 auf der anderen Seite der reflektierenden Rekombinationsschicht 3 mit der p-dotierten Schicht 42 dient als Kathode.In 3C is now a stacked solar cell in series circuit shown. A reflective recombination layer 3 has on its one side an n-doped one 41 and on its lower side a p-doped one 42 Shift up. On each of the reflective recombination layer 3 opposite side of the doped layers 41 . 42 there is a photoactive layer 4 , in turn, with a transparent electrode 51 . 52 is in contact. The transparent electrode 51 on the side of the reflective recombination layer 3 on which the n-doped layer 41 is arranged, serves as the anode, the transparent electrode 52 on the other side of the reflective recombination layer 3 with the p-doped layer 42 serves as a cathode.

In 3D sind nun Stapelsolarzellen 2 mit Durchkontaktierung dargestellt. Man erkennt vier durchkontaktierte Stapelsolarzellen 2. Mittig befindet sich eine elektrisch leitfähige Schicht 31, welche alle Stapelsolarzellen 2 miteinander verbindet. Jede Stapelsolarzelle 2 weist oberhalb und unterhalb der elektrisch leitfähigen Schicht 31 jeweils eine dielektrische Schicht 43 auf. Die von der elektrisch leitfähigen Schicht 31 abgewandte Seite der dielektrischen Schicht 43 ist mit einer reflektierenden Elektrode 3 versehen, welche jeweils als Anode dienen können. Auf der der dielektrischen Schicht 43 abgewandten Seite der reflektierenden Elektroden 3 befindet sich jeweils eine photoaktive Schicht 4. Alle vier Stapelsolarzellen 2 sind in eine transparente Elektrode 5 mit Querleitfähigkeit eingebettet, welche als Anode verwendet wird. Die reflektierenden Elektroden 3 der einzelnen Stapelsolarzellen 2 sind dabei nicht mit der transparenten Elektrode 5 in Kontakt. Die reflektierenden Elektroden 3 sowie die transparente Elektrode 5 können auch als Kathode eingesetzt werden.In 3D are now stacked solar cells 2 shown with through-hole. Four through-hole stacked solar cells can be seen 2 , In the middle is an electrically conductive layer 31 , which are all stacked solar cells 2 connects with each other. Each stacked solar cell 2 points above and below the electrically conductive layer 31 each a dielectric layer 43 on. The of the electrically conductive layer 31 opposite side of the dielectric layer 43 is with a reflective electrode 3 provided, which can each serve as an anode. On the dielectric layer 43 opposite side of the reflective electrodes 3 each is a photoactive layer 4 , All four stacked solar cells 2 are in a transparent electrode 5 embedded with transverse conductivity, which is used as the anode. The reflective electrodes 3 the individual stacked solar cells 2 are not with the transparent electrode 5 in contact. The reflective electrodes 3 as well as the transparent electrode 5 can also be used as a cathode.

Die mit den 1 und 2A bis 2G beschriebenen Ausschnitte aus Photovoltaikanlagen bzw. Stapelsolarzellenanordnungen können auf flächigen Substraten oder auf dreidimensional strukturierten Substraten aufgebracht sein. Der Neigungswinkel der Lamellen kann den optimalen Nutzbedingungen entsprechend eingestellt werden.The with the 1 and 2A to 2G described sections of photovoltaic systems or stacked solar cell arrays can be applied to flat substrates or on three-dimensionally structured substrates. The angle of inclination of the slats can be set according to the optimum conditions of use.

In 4A ist ein System auf einem strukturierten Substrat, wie es in 4B dargestellt ist, dargestellt. Die Oberflächentopographie entspricht einem Sägezahnprofil mit einem Flankenwinkel von 45°.In 4A is a system on a structured substrate, as in 4B is shown represented. The surface topography corresponds to a sawtooth profile with a flank angle of 45 °.

4A zeigt den Querschnitt durch ein Sägezahnförmiges Substrat 80, wobei jeder Sägezahn eine vertikale Seite 81 und eine geneigte Seite 82 aufweist. Auf der geneigten Seite 82 befinden sich Stapelsolarzellen 2 mit Parallelschaltung. Im Bereich der Spitzen 83 des Sägezahnprofils ist eine Streifenelektrode 32 zur Kontaktierung der transparenten Elektroden 5 angeordnet. In 4A sind zwei derart gestaltete Sägezahnprofile 80 übereinander angeordnet. 4A shows the cross section through a sawtooth-shaped substrate 80 where each saw tooth is a vertical side 81 and a sloping side 82 having. On the inclined side 82 are stacked solar cells 2 with parallel connection. In the area of the peaks 83 of the sawtooth profile is a strip electrode 32 for contacting the transparent electrodes 5 arranged. In 4A are two such sawtooth profiles 80 arranged one above the other.

Derartige Strukturen lassen sich mit mikromechanischen Bearbeitungsverfahren und auch interferenzlithographisch herstellen. Nach der Erzeugung einer Urstruktur kann diese in ein optisch transparentes Material des Substrats 80 repliziert werden. Die Stapelsolarzellen 2 in dieser Anordnung sind parallel verschaltet. Dabei ist die intransparente Elektrode 3 eine gemeinsame Elektrode. Die Solarzelle 2 kann sowohl mit aus der Lösung deponierten Schichten als auch aus aufgedampften Materialien aufgebaut werden Hier wird der Aufbau auf der Basis aufgedampfter Schichten betrachtet. Als erste Schicht wird eine optisch transparente Elektrode 5 mit hinreichend hoher Flächenleitfähigkeit abgeschieden. Die Anforderungen an die Flächenleitfähigkeit sind abhängig von der Breite der Lamellen bzw. der einzelnen Solarzelle 2 und können für Lamellen von einigen zehn Mikrometern einige hundert Ohm betragen. Um einen effizienten Transport des Stromes in Ausdehnungsrichtung der Lamellen 2 zu gewährleisten, kann unterstützend eine Streifenelektrode 32 auf den Spitzen 83 des Sägezahnprofis 80 aufgebracht werden. Dies kann entweder durch Aufdampfen einer Metallschicht unter flachem Winkel, oder durch Drucken erfolgen. Die Streifenelektrode 32 sollte beide transparente Elektroden 5 kontaktieren. Das Aufdampfen der funktionalen Schichten (transparente Elektroden 5, dotierte Kontaktschichten 41, 42, photoaktive Schichten 5) der Solarzelle 2 erfolgt nahezu senkrecht. Es muss lediglich durch die eigene Verschattung gewährleistet werden, dass die vertikalen Flächen 81 des Substrats in der Beschichtungsprozesse bedeckt werden. Die intransparente Elektrode 3 kann aus einem Schichtsystem bestehen. Die Anforderungen sind ein jeweils guter (geringe Barriere) Kontakt zum jeweiligen Halbleiter, sowie eine hinreichende Flächenleitfähigkeit. Als Elektronenkontakte, die auf die photoaktive Schicht 4 aufgedampft werden haben sich Al, Ag, Ca, LiF als geeignet herausgestellt. Als Elektronenkontakte, auf welche die darauf folgende photoaktive Schicht 4 deponiert wird haben sich Ti und Cr als geeignet herausgestellt. Als transparente Elektroden 5 kommen z. B. Indium-Zinnoxid (ITO), Aluminium-dotiertes Zinnoxid, Schichtsysteme aus dünnen Silberschichten und Metalloxiden, sowie organische dotierte Halbleiterschichten in Frage. In der dargestellten Anordnung sind zwei strukturierte mit Stapelsolarzellen 2 ausgestattete Substrate 80 übereinander angeordnet. Diese Konfiguration erlaubt die optische Hintereinanderschaltung von bis zu vier Solarzellen 2 mit unterschiedlicher Bandlücke. Um Reflexionsverluste zu minimieren, sind beide Strukturen 80 mit einem Material mit möglichst ähnlichem Brechungsindex gefüllt und beide Ebenen optisch aneinander gekoppelt.Such structures can be produced by micromechanical processing methods and also by interference lithography. After the formation of a primary structure, this can be transformed into an optically transparent material of the substrate 80 be replicated. The stacked solar cells 2 in this arrangement are connected in parallel. In this case, the intransparent electrode 3 a common electrode. The solar cell 2 can be built up with layers deposited from the solution as well as from deposited materials. Here the structure is based on the basis considered evaporated layers. The first layer is an optically transparent electrode 5 deposited with sufficiently high surface conductivity. The requirements for the surface conductivity depend on the width of the lamellae or the individual solar cell 2 and may be several hundred ohms for fins of tens of microns. To efficiently transport the stream in the direction of expansion of the slats 2 To ensure, can support a strip electrode 32 on the tips 83 of the sawtooth professional 80 be applied. This can be done either by vapor deposition of a metal layer at a shallow angle, or by printing. The strip electrode 32 should both transparent electrodes 5 to contact. Vapor deposition of the functional layers (transparent electrodes 5 , doped contact layers 41 . 42 , photoactive layers 5 ) of the solar cell 2 takes place almost vertically. It must be ensured only by the own shading that the vertical surfaces 81 of the substrate in the coating processes. The intransparent electrode 3 can consist of a shift system. The requirements are each a good (low barrier) contact to the respective semiconductor, as well as a sufficient surface conductivity. As electron contacts on the photoactive layer 4 Al, Ag, Ca, LiF have proven to be suitable for vapor deposition. As electron contacts on which the following photoactive layer 4 deposited Ti and Cr have been found to be suitable. As transparent electrodes 5 come z. As indium tin oxide (ITO), aluminum-doped tin oxide, layer systems of thin silver layers and metal oxides, as well as organic doped semiconductor layers in question. In the illustrated arrangement, two are structured with stacked solar cells 2 equipped substrates 80 arranged one above the other. This configuration allows the optical series connection of up to four solar cells 2 with different bandgap. To minimize reflection losses, both structures are 80 filled with a material with a similar refractive index and both planes optically coupled to each other.

Ein Ausführungsbeispiel flächiger, lamellar angeordneter Solarzellen 2 zeigt 4C. Die Lamellen 20 (hier Module) basieren auf durchkontaktierten Bifacialen Stapelsolarzellen 2. Die Positionierung kann in einem äußeren Rahmen erfolgen. Die Lamellen tragen zu Modulen 20 seriell verschaltete Solarzellen 2. Die Verschaltung der Einzelsolarzellenflächen 2 zu Solarmodulen 20 mit entsprechend hoher Spannung sollte in Richtung der Längsausdehnung der Lamellen 20 erfolgen, um Strombegrenzungen durch eine Verschaltung von kompletten Einzelsolarzellen 2 zu umgehen.An embodiment of flat, lamellar arranged solar cells 2 shows 4C , The slats 20 (here modules) are based on plated-through bifacial stacked solar cells 2 , The positioning can be done in an outer frame. The slats contribute to modules 20 series-connected solar cells 2 , The interconnection of the individual solar cell surfaces 2 to solar modules 20 with correspondingly high voltage should be in the direction of the longitudinal extent of the slats 20 to limit current by interconnecting complete solar cells 2 to get around.

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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Claims (15)

Stapelsolarzellenanordnung mit mindestens einer Stapelsolarzelle und mindestens einem Reflektor, wobei die mindestens eine Stapelsolarzelle mindestens zwei parallel zueinander angeordnete photoaktive Schichten und zumindest eine reflektierende Zwischenschicht enthält, wobei die mindestens eine reflektierende Zwischenschicht zwischen zwei der mindestens zwei photoaktiven Schichten angeordnet ist, und wobei die mindestens eine Stapelsolarzelle und der mindestens eine Reflektor durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet angeordnet sind und derart zueinander ausgerichtet sind, dass von der Stapelsolarzelle reflektierte Strahlung zumindest teilweise auf den Reflektor fällt und/oder dass vom Reflektor reflektierte Strahlung zumindest teilweise auf die Stapelsolarzelle fällt.Stacked solar cell array with at least one Stacked solar cell and at least one reflector, the at least one stacked solar cell at least two parallel to each other arranged photoactive layers and at least one reflective Intermediate layer contains, wherein the at least one reflective Intermediate layer between two of the at least two photoactive layers is arranged, and wherein the at least one stacked solar cell and the at least one reflector through a gap from each other spaced apart and are aligned to each other, that reflected by the stacked solar cell radiation at least partially falls on the reflector and / or that reflected by the reflector Radiation falls at least partially on the stacked solar cell. Stapelsolarzellenanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stapelsolarzelle und der mindestens eine Reflektor im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.Stacked solar cell array after the previous one Claim, characterized in that the at least one stacked solar cell and the at least one reflector substantially parallel to each other are arranged. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Reflektor eine Stapelsolarzelle oder ein Spiegel, bevorzugt ein doppelseitig reflektierender Spiegel, ist.Stacked solar cell arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that the at least a reflector, a stacked solar cell or a mirror, preferably a double-sided reflecting mirror is. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei photoaktiven Schichten der mindestens einen Stapelsolarzelle Strahlung des gleichen oder eines unterschiedlichen Wellenlängenteilbereichs absorbieren, wobei der oder die Wellenlängenteilbereiche aus dem gesamten Sonnenspektrum ausgewählt sind.Stacked solar cell arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that the at least two photoactive layers of the at least one stacked solar cell Radiation of the same or a different wavelength subrange absorb, wherein the one or more wavelength subregions are selected from the entire solar spectrum. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens zwei photoaktiven Schichten der mindestens einen Stapelsolarzelle Strahlung eines Wellenlängenteilbereichs, welcher von der mindestens einen photoaktiven Schicht absorbierbar ist, ganz oder teilweise absorbiert.Stacked solar cell arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that at least one the at least two photoactive layers of the at least one Stacked solar cell radiation of a wavelength division, which is absorbable by the at least one photoactive layer, completely or partially absorbed. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine reflektierende Zwischenschicht der Stapelsolarzelle eine reflektierende Elektrode oder eine reflektierende Rekombinationsschicht ist.Stacked solar cell arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that the at least a reflective intermediate layer of the stacked solar cell a reflective electrode or a reflective recombination layer. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich oder oberhalb einer Öffnung des Zwischenraumes, durch welche Strahlung in die Stapelsolarzellenanordnung eintritt, und/oder im Bereich einer Öffnung des Zwischenraums, durch welchen Strahlung aus der Solarzellenanordnung austritt, optische Elemente und/oder streuende Schichten angeordnet sind.Stacked solar cell arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that in the area or above an opening of the space through which Radiation enters the stacked solar cell array, and / or im Area of an opening of the space through which radiation exits the solar cell array, optical elements and / or scattering layers are arranged. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stapelsolarzelle und/oder der mindestens eine Reflektor relativ zur Einfallsrichtung der Strahlung derart geneigt ist, dass die einfallende Strahlung unter einem Winkel α auf die der einfallenden Strahlung zugewandte Seite der Stapelsolarzelle auftrifft, wobei 0° > α > 90°, insbesondere 30° > α > 75°, gilt.Stacked solar cell arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that the at least a stacked solar cell and / or the at least one reflector relative is inclined to the direction of incidence of the radiation such that the incident radiation at an angle α to the impinging incident side of the stacked solar cell impinges where 0 °> α> 90 °, in particular 30 °> α> 75 °, applies. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zueinander benachbarten Stapelsolarzellen, welche in einem bestimmten Winkel zueinander ausgerichtet sind, und zwei zueinander benachbarten Reflektoren, welche in einem bestimmten Winkel zueinander ausgerichtet sind, einander gegenüberliegen, wobei die zwei Stapelsolarzellen und die zwei Reflektoren jeweils übereinander oder nebeneinander angeordnet sind.Stacked solar cell arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that two to each other adjacent stack solar cells, which at a certain angle aligned with each other, and two mutually adjacent reflectors, which are aligned at a certain angle to each other, facing each other, the two stacked solar cells and the two reflectors one above the other or side by side are arranged. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stapelsolarzelle und/oder der mindestens eine Reflektor auf einem Substrat, vorzugsweise einem transparenten Substrat, aufgebracht sind.Stacked solar cell arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that the at least a stacked solar cell and / or the at least one reflector a substrate, preferably a transparent substrate applied are. Stapelsolarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stapelsolarzelle und/oder der mindestens eine Reflektor auf einem Tracker angeordnet sind.Stacked solar cell arrangement according to one of the preceding Claims, characterized in that the at least a stacked solar cell and / or the at least one reflector a tracker are arranged. Photovoltaikanlage mit einer Vielzahl an Stapelsolarzellenanordnungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelsolarzellenanordnungen nebeneinander, versetzt nebeneinander, hintereinander, übereinander und/oder versetzt übereinander angeordnet sind.Photovoltaic system with a variety of stacked solar cell assemblies according to one of the preceding claims, characterized in that the stacked solar cell assemblies side by side, offset side by side, one behind the other, one above the other and / or offset one above the other are arranged. Photovoltaikanlage nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass übereinander und/oder nebeneinander angeordnete Stapelsolarzellenanordnungen abstandslos oder voneinander beabstandet angeordnet sind.Photovoltaic system according to the preceding claim, characterized in that one above the other and / or side by side arranged stacked solar cell assemblies without spacing or from each other spaced apart. Photovoltaikanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelsolarzellenanordnungen photoaktive Schichten aufweisen, welche Strahlung des gleichen oder eines unterschiedlichen Wellenlängenteilbereiches absorbieren.Photovoltaic system according to one of the preceding claims 12 or 13, characterized in that the stacked solar cell assemblies have photoactive layers, which radiation absorb the same or a different wavelength portion. Photovoltaikanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die photoaktiven Schichten der Stapelsolarzellen in übereinander angeordneten Stapelsolarzellenanordnungen mit wachsendem Abstand von einer Öffnung, durch welche Strahlung in den oder die Zwischenräume der Photovoltaikanlage eintritt, langwelligere Strahlung absorbieren.Photovoltaic system according to one of the preceding Claims 12 to 14, characterized in that the photoactive Layers of stacked solar cells arranged one above the other Stacked solar cell assemblies with increasing distance from an opening, by which radiation in the or the interstices of the Photovoltaic system occurs, absorbing long-wave radiation.
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