WO2009062837A1 - Solar cell having optical amplifier structures - Google Patents

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WO2009062837A1
WO2009062837A1 PCT/EP2008/064532 EP2008064532W WO2009062837A1 WO 2009062837 A1 WO2009062837 A1 WO 2009062837A1 EP 2008064532 W EP2008064532 W EP 2008064532W WO 2009062837 A1 WO2009062837 A1 WO 2009062837A1
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WO
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solar
solar cell
surface elements
elements
cell according
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Application number
PCT/EP2008/064532
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German (de)
French (fr)
Inventor
Martin Klenke
Matthias Henyk
Ralf Zastrau
Original Assignee
Nanogate Advanced Materials Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Nanogate Advanced Materials Gmbh filed Critical Nanogate Advanced Materials Gmbh
Priority to EP08850554A priority Critical patent/EP2188846A1/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0547Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the reflecting type, e.g. parabolic mirrors, concentrators using total internal reflection
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52PV systems with concentrators

Definitions

  • the invention relates to a SoSarzeile.
  • Solar tents have a solar element which is usually designed as a semi-finished element.
  • the energy supplied in particular by the sunlight is converted into electrical current. This essentially takes place in that the radiation penetrates into the semiconductor component and generates free charge carriers there. With the help of an internal electric field then a current flow occurs.
  • the efficiency of a solar cell depends, in addition to the materials used, in particular on how much radiation penetrates into the solar element and generates free charge carriers. This depends in part on the amount of radiation or the radiation density and on the other hand on the wavelength of the radiation. In this case, short-wave light is more effective, since this is high-energy radiation.
  • the object of the invention is to provide a solar cell with improved efficiency, in particular an increase in efficiency at a flat angle of incidence of solar radiation to be achieved.
  • the solar cell according to the invention has a solar element, which is in particular a semiconductor element.
  • the solar element converts the incident solar radiation into electrical energy in a known manner.
  • the solar panel is covered with a radiation-transparent cover element.
  • the cover serves in particular to avoid contamination.
  • the cover element can thus be a glass or plastic cover element which is transparent in particular to sunlight.
  • the cover may be formed as a foil.
  • the covering element is directly connected to the solar element or arranged at a distance therefrom.
  • the cover member is a planar cover member
  • diffractive surface elements are provided on the cover element. These surface elements, which are particularly small and are provided in a large number, are preferably elevations which, at least on one side, have a diffraction grating for directing incident sunlight. As a result, the surface elements are formed such that the incident sunlight is deflected in the direction of the solar element. In particular, in sunlight that strikes the solar cell at a shallow angle, therefore, no reflection of a major part of the light takes place. Rather, a large part of the incident sunlight is deflected and can thus be used for energy. As a result, the efficiency of the solar cell is considerably improved, since in particular in the morning and evening hours incident on the solar cell light can be used to a greater extent than in known solar cells.
  • Essential to the invention is that the sunlight by diffraction, ie diffraction on a grid and not by refraction to the effective surface of the Solar cell is deflected.
  • Diffraction or diffraction occurs only in gratings with a small grating period which is at least smaller than 10,000 nm. In particular, the grating period is in the range of 300 to 900 nm.
  • diffraction occurs only at the edge for wider columns.
  • the light deflection is already essentially due to the laws of refraction. This also differs from the refraction, which is geometric Lichtienkung. Refraction describes light phenomena in geometric optics, such as lenses and the like, and is not to be equated with light diffraction as a special case of refraction.
  • the surface elements in particular their dimensions and their surface design are formed such that even light which strikes at an angle of less than 45 ° relative to the cover on this, is directed in the main part in the direction of Solareiements.
  • a deflection of the incident light in the direction of the solar element takes place at angles of less than 30 °, more preferably at angles of less than 20 ° and more preferably at an angle of less than 10 °.
  • the surface elements in the direction of the solar element, which has a wavelength range of less than 500 nm, in particular less than 450 nm, and is therefore of high energy.
  • a Einfange ⁇ of light in angular ranges is possible in which takes place at today known solar lines total reflection.
  • the angle of total reflection depends in particular on the material used.
  • the individual heatnelernente are preferably formed as a survey and have a substantially cuboid or cubic shape.
  • a diffraction grating surface structure acting as a diffraction grating surface structure.
  • This is in particular welienförmig and particularly preferably formed as a double sine wave.
  • the surface structure in particular the frequency and the amplitude of a wave-shaped surface structure, it can be defined which light of a certain wavelength range is diffracted and diffraction takes place in the soft direction.
  • different surface elements have surfaces with different diffraction characteristics.
  • the light striking the solar cell can be deflected in the direction of the solar elements, so that the efficiency of the solar line can be further improved.
  • the individual surface elements preferably have a size of 0.04 ⁇ m 2 to 10,000 ⁇ m 2 , in particular 0.04 ⁇ m 2 to 500 ⁇ m 2 .
  • the distance between the individual surface elements with one another is preferably 0 to 100 ⁇ m 2 , in particular 0 to 50 ⁇ m 2 and particularly preferably 0 to 15 ⁇ m 2 .
  • the spacing of the individual surface elements is greater than 0 ⁇ m 2 , in particular greater than 1 ⁇ m 2, and particularly preferably greater than 3 ⁇ m 2 . This has the advantage that the production of the individual surface elements is simplified if the surface elements are arranged at a distance from one another.
  • the spacing of the surface elements avoids adulteration at the boundaries of the surface elements, for example as a result of resulting paint webs.
  • the cover is arranged at a distance from the surface of the soi element.
  • Surface elements according to the invention are provided on the inside, that is to say on the side of the covering element facing the base of the covering.
  • the cover coupling elements such.
  • B. Rippe ⁇ comprise connected.
  • the rib elements are cuboid-shaped elements which are connected to the cover element in such a way that they point away from it.
  • the Rippeneleme ⁇ te are arranged perpendicular to the cover.
  • the coupling elements may also be other geometric web or rod-shaped body, which are arranged on the upper side of the cover.
  • cylindrically shaped coupling elements are possible. These may also be pyramid or partially pyramidal elements or the like.
  • the coupling elements have on at least one outer surface elements by which the incident light is deflected by diffraction at least partially in the direction of the solar element.
  • the coupling elements are preferably made of the same material as the cover.
  • the rib elements are made of light-transparent Material.
  • the material is the thermoplastics listed below or combinations of these materials:
  • mineral glass or FEP Teflon and EVA are also possible materials.
  • the use is often via adhesive compounds using PVB f silicone or EPDM. Preference is given to the use of material composites, such as PVF-PET-PVF, wherein packet layer thicknesses in the range of 0.1 to 0.4 mm are preferred.
  • a Reflekomseiement such as a Sptegelelement is preferably provided on these outer sides. This may be a vapor-deposited layer or the like.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of a first
  • FIG. 2 shows a schematic enlargement of a region II in FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 is a schematic enlarged sectional view of part of a second embodiment of a solar cell
  • FIG. 4 shows a schematic enlarged sectional view of part of a third embodiment of a solar cell
  • 5 shows a schematic perspective view of the third preferred embodiment of the solar cell
  • FIGS. 8 to 10 are schematic enlarged sectional views of further embodiments of a solar cell
  • a solar element 10 which is usually designed as a semiconductor element, is arranged on a carrier element 12. Within the solar element 10 is carried out by the penetrating radiation, a release of charges and due to an internal electric field generating electric current. This is discharged via lines 14.
  • An upper side of the solar element 10 is connected in the illustrated embodiment with a cover 16.
  • the cover 16 is for example directly on the solar element 10 or is firmly connected thereto by gluing or the like.
  • the light-transparent cover element 16 has on its upper side 18 a plurality of individual doctorsneiementen 20.
  • the individual surface elements are substantially cuboidal or litter-shaped and have at their top 22 a wave-shaped structure, so that a diffractive surface is formed.
  • the structure is formed sinusoidal.
  • a bending and thus deflecting light radiation as shown simplified by the arrows 24, in the direction of the solar element 10.
  • a significant improvement in the efficiency of the solar cell can be achieved.
  • identical or similar components are identified by the same reference numerals.
  • the cover 16 is disposed at a distance from a top 26 of the solar element 10.
  • the intermediate space 28 may in this case be hollow, that is filled with air, or be filled with another possibly solid medium.
  • a schematically illustrated light beam 30 is partially reflected at a point 32 on the upper surface 26 of the solar cell and would be radiated without the inventive provision of surface elements substantially completely in the direction of a dotted arrow 34 and thus can not be used for energy.
  • a plurality of surface elements 20 are arranged on an inner surface 36 of the cover 16 according to the invention. These are preferably as described with reference to FIG. 2, formed.
  • the provision of surface elements 20 on the inner surface 36 of the Abdeckeiements 16 causes the space essentially serves as a light trap.
  • rib elements 38 are provided on the outside 18 of the cover element in this embodiment.
  • the rib members 38 are formed substantially cuboid and arranged perpendicular to the outer surface 18 of the cover 16.
  • a plurality of surface elements 20, which are formed as explained above, are provided on at least one outer surface 40 of the rib members 38.
  • a plurality of surface elements 20 which are formed as explained above, are provided on at least one outer surface 40 of the rib members 38.
  • the beam path 42 thus at least a portion of the light is reflected within the fin element and thus passes in the direction of the solar element 10.
  • An unreflected portion 44 of the light is due to the corresponding diffraction by the surface elements of the adjacent rib member 38 within this fin element in Direction of the solar element 10 deflected.
  • rib elements with surface elements 20 provided at least on an outer surface 40
  • the effective surface of the solar cell can be significantly increased.
  • this reflection elements 46 are provided on this reflection elements 46.
  • FIG. 6 shows a conventional solar cell 10, on the upper side of which, according to the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 4 and 5, rib elements 38 are arranged.
  • the rib elements 38 each have smooth surfaces 40 in the example shown in FIG. On the surfaces 40 no surface elements are provided.
  • the transmittance of the material is 95%, the degree of reflection 5% and the Absorbtionsgrad 0%,
  • the course of a single incident light beam 48 is shown in Figure 6. As can be seen, only a small part of the light beam strikes the outside 18 of the solar element 10.
  • FIG. 7 the identical component has now been used in the simulation as in FIG. 6, wherein diffractive surface elements 20 are arranged on the surfaces 40 of the rib elements 38.
  • the surface elements have a grating period of 400 to 2000 nm.
  • the simulation has shown that an increase of approximately 30% can be achieved by providing the rib elements 38 with diffractive surface elements 20 in comparison to conventional solar cells. "In this case, the diffractions of higher orders were not taken into account. This would lead to a further increase in efficiency.
  • a further increase in efficiency can be achieved by reducing the distance between the rib members 38. Furthermore, it is possible to provide a semi-permeable mirror opposite the surface 18 of the soya element 10, for example at the top of the rib elements 38, so that radiation which is deflected upwards away from the solar element 10 is reflected back.
  • FIGS. 8 to 10 different embodiments of coupling elements, which replace the ribbed elements 38, are shown on the solar element 10. Of course it is possible to combine all illustrated embodiments with each other.
  • Einkoppeliana 58 which are formed nikzylindrisch are designed such that a good coupling of the sun's rays is possible, although the angle of incidence changes during the day.
  • diffractive surface elements 20 are arranged on the cylindrical outer side of the coupling elements 58 in turn.
  • a particularly semitransparent mirror may be provided, the function of which corresponds to mirror 46 (FIGS. 4 and 5).
  • FIG. 1 Another embodiment, which has a lower overall height, is shown schematically in FIG.
  • the individual coupling elements 64, 66 are in a right angle! arranged to each other and stacked according to a grid structure.
  • surface elements 20 On different outer sides of the coupling elements 64, 66 surface elements 20 may be provided, which optionally have different grating structures.

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Abstract

The invention relates to a solar cell having a solar element (10) for converting solar rays into electrical energy. The solar element (10) is covered by a radiation-transparent cover element (16), through which the sunlight penetrates. According to the invention, diffractive surface elements (20) are provided on the cover element (16). The incident sun light is directed toward the solar element (10) by the surface elements (20). In this manner, the effectiveness of the solar cell (10) can be improved significantly.

Description

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SOLARZELLE MIT OPTISCHEN VERSTÄRKUNGSSTRUKTURENSOLAR CELL WITH OPTICAL REINFORCEMENT STRUCTURES
Die Erfindung betrifft eine SoSarzeile.The invention relates to a SoSarzeile.
Solarzelten weisen ein üblicherweise ais Haibleitereiement ausgebildetes Solarelement auf. In dem Haibleitereiement wird die insbesondere durch das Sonnenlicht zugefuhrte Energie in elektrischen Strom umgewandelt. Dies erfolgt Im Wesentlichen dadurch, dass die Strahlung in das Halbleiterbauteii eindringt und dort freie Ladungsträger erzeugt. Mit Hilfe eines internen elektrischen Feldes erfolgt sodann ein Stromfluss. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle hängt neben den verwendeten Materialien insbesondere davon ab, wieviel Strahlung in das Solarelement eindringt und freie Ladungsträger erzeugt. Dies hängt teilweise von der Menge an Strahlung bzw. der Strahlungsdichte und andererseits von der Wellenlänge der Strahlung ab. Hierbei ist kurzwelligeres Licht wirkungsvoller, da es steh hierbei um hoch energetische Strahlung handelt.Solar tents have a solar element which is usually designed as a semi-finished element. In the semi-finished area, the energy supplied in particular by the sunlight is converted into electrical current. This essentially takes place in that the radiation penetrates into the semiconductor component and generates free charge carriers there. With the help of an internal electric field then a current flow occurs. The efficiency of a solar cell depends, in addition to the materials used, in particular on how much radiation penetrates into the solar element and generates free charge carriers. This depends in part on the amount of radiation or the radiation density and on the other hand on the wavelength of the radiation. In this case, short-wave light is more effective, since this is high-energy radiation.
Bei bekannten Solarzellen besteht der Nachteil, dass insbesondere in den Morgen- und Abendstunden das Licht in einem flachen Winkel auf die Soiarzeile trifft und somit ein Großteil des auftreffenden Lichts reflektiert wird. Ein Großteil des auf die Solarzelle treffenden Lichts wird somit nicht in elektrischen Strom umgewandelt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Solarzelle mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen, wobei insbesondere eine Wirkungsgraderhöhung bei flachem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung erreicht werden soll.In known solar cells, there is the disadvantage that, especially in the morning and evening hours, the light strikes the soya line at a shallow angle, and thus a large part of the incident light is reflected. A large part of the light striking the solar cell is thus not converted into electrical current. The object of the invention is to provide a solar cell with improved efficiency, in particular an increase in efficiency at a flat angle of incidence of solar radiation to be achieved.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
Die erfindungsgemäße Solarzelle weist ein Solarelement auf, bei dem es sich insbesondere um ein Halbleitereiement handelt. Durch das Solarelement erfolgt eine Umwandlung der auftreffenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie auf bekannte Weise. Das Solareiement ist mit einem strahlungstransparenten Abdeckelement abgedeckt. Das Abdeckelement dient insbesondere zur Vermeidung von Verschmutzungen. Bei dem Abdeckelement kann es sich somit um ein insbesondere für Sonnenlicht transparentes Abdeckelement aus Glas oder Kunststoff handeln. Das Abdeckelement kann als Folie ausgebildet sein. Das Abdeckeiement ist unmittelbar mit dem Solareiement verbunden oder in einem Abstand zu diesem angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Abdeckelement um ein ebenes AbdeckeSementThe solar cell according to the invention has a solar element, which is in particular a semiconductor element. The solar element converts the incident solar radiation into electrical energy in a known manner. The solar panel is covered with a radiation-transparent cover element. The cover serves in particular to avoid contamination. The cover element can thus be a glass or plastic cover element which is transparent in particular to sunlight. The cover may be formed as a foil. The covering element is directly connected to the solar element or arranged at a distance therefrom. Preferably, the cover member is a planar cover member
Erfindungsgemäß sind an dem Abdeckelement diffraktive Oberflächeelemente vorgesehen. Bei diesen insbesondere klein ausgestalteten und in einer großen Anzahl vorgesehenen Oberflächenelementen handelt es sich vorzugsweise um Erhebungen, die zumindest an einer Seite ein Beugungsgitter zur Lenkung einfallenden Sonnenlichts aufweisen. Hierdurch sind die Oberflächenelemente derart ausgebildet, dass das einfallende Sonnenlicht in Richtung des Solarelements umgelenkt wird. Insbesondere bei Sonnenlicht, das in einem flachen Winkel auf die Solarzelle trifft, erfolgt somit keine Reflexion eines Großteils des Lichts. Vielmehr wird ein Großteil des einfallenden Sonnenlichtes umgelenkt und kann somit zur Energiegewinnung genutzt werden. Hierdurch ist die Effizienz der Solarzelle erheblich verbessert, da auch insbesondere in den Morgen- und Abendstunden auf die Solarzelle auftreffendes Licht zu einem größeren Teil als bei bekannten Solarzellen genutzt werden kann.According to the invention, diffractive surface elements are provided on the cover element. These surface elements, which are particularly small and are provided in a large number, are preferably elevations which, at least on one side, have a diffraction grating for directing incident sunlight. As a result, the surface elements are formed such that the incident sunlight is deflected in the direction of the solar element. In particular, in sunlight that strikes the solar cell at a shallow angle, therefore, no reflection of a major part of the light takes place. Rather, a large part of the incident sunlight is deflected and can thus be used for energy. As a result, the efficiency of the solar cell is considerably improved, since in particular in the morning and evening hours incident on the solar cell light can be used to a greater extent than in known solar cells.
Erfindungswesentlich ist, dass das Sonnenlicht durch Diffraktion, d.h. Beugung an einem Gitter und nicht durch Brechung zu der wirksamen Oberfläche der Solarzelle umgelenkt wird. Eine Diffraktion bzw. Beugung erfolgt nur bei Gittern mit einer kleinen Gitterperiode, die zumindest kleiner als 10.000 nm ist. Insbesondere liegt die Gitterperiode im Bereich von 300 bis 900 nm. Des Weiteren tritt Beugung bei breiteren Spalten nur am Rand auf. Hierbei erfolgt die Lichtlenkung jedoch bereits im wesentlichen aufgrund der Brechungsgesetze. Hiervon unterscheidet sich auch die Refraktion, bei der es sich um geometrische Lichtienkung handelt. Refraktion beschreibt Lichtphänomene bei geometrischen Optiken, wie Linsen und dergleichen und ist als ein Sonderfali der Lichtbrechung nicht mit Lichtbeugung gleichzusetzen.Essential to the invention is that the sunlight by diffraction, ie diffraction on a grid and not by refraction to the effective surface of the Solar cell is deflected. Diffraction or diffraction occurs only in gratings with a small grating period which is at least smaller than 10,000 nm. In particular, the grating period is in the range of 300 to 900 nm. In addition, diffraction occurs only at the edge for wider columns. However, the light deflection is already essentially due to the laws of refraction. This also differs from the refraction, which is geometric Lichtienkung. Refraction describes light phenomena in geometric optics, such as lenses and the like, and is not to be equated with light diffraction as a special case of refraction.
Vorzugsweise sind die Oberflächenelemente, insbesondere deren Abmessungen und deren Oberflächegestaltung derart ausgebildet, dass auch Licht, das in einem Winkel von weniger als 45° bezogen auf das Abdeckelement auf dieses trifft, im wesentlichen Teil in Richtung des Solareiements gelenkt wird. Insbesondere erfolgt ein Umlenken des einfallenden Lichts in Richtung des Solarelements bei Winkeln von weniger als 30°, besonders bevorzugt bei Winkeln von weniger als 20° und weiter bevorzugt einen Winkel von weniger als 10°. Erfindungsgemäß wird hierbei insbesondere von dem hochenergetischen Licht, das in einem Welienlängenbereich von 300 bis 500 nm liegt, mehr als 50% insbesondere mehr als 80% in Richtung des Solarelements umgelenkt und kann somit zu einem entsprechenden Prozentsatz zur Stromerzeugung genutzt werden. Besonders bevorzugt ist es, Licht durch die Oberflächenelemente in Richtung des Solarelements umzulenken, das einen Wellenlängenbereich von weniger als 500 nm, insbesondere von weniger als 450 nm aufweist und somit hochenergetisch ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist somit durch das Vorsehen der erfindungsgemäßen Oberflächenelemente ein Einfangeπ von Licht in Winkelbereichen möglich, bei denen bei heute bekannten Solarzeilen Totalreflexion stattfindet. Der Winkel der Totalreflexion hängt hierbei insbesondere von dem verwendeten Material ab. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen der Oberflächenelemente kann somit der Winkelbereich, in dem Licht in Richtung des Solarelements umgelenkt wird, vergrößert werden. Hierdurch kann die Effizienz der Solarzelle deutlich verbessert werden. Die einzelnen Oberflächenelernente sind vorzugsweise als Erhebung ausgebildet und weisen einen im wesentlichen quader- oder würfelförmige Form auf. Insbesondere an der Oberseite der Oberflächenelernente ist eine als Beugungsgitter wirkende Oberflächenstruktur vorgesehen. Diese ist insbesondere welienförmig und besonders bevorzugt als Doppel-Sinuswelle ausgebildet. Je nach Abstand der Wellen bzw. je nach Frequenz der Welienstruktur erfolgt eine Beugung von Licht der korrespondierenden Wellenlänge. Durch die Wahl der Oberflächenstruktur insbesondere der Frequenz und der Amplitude einer wellenförmigen Oberflächenstruktur kann definiert werden, welches Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs gebeugt wird und in weiche Richtung die Beugung erfolgt.Preferably, the surface elements, in particular their dimensions and their surface design are formed such that even light which strikes at an angle of less than 45 ° relative to the cover on this, is directed in the main part in the direction of Solareiements. In particular, a deflection of the incident light in the direction of the solar element takes place at angles of less than 30 °, more preferably at angles of less than 20 ° and more preferably at an angle of less than 10 °. According to the invention, more than 50%, in particular more than 80%, of the high-energy light, which lies in a wavelength range of 300 to 500 nm, is deflected in the direction of the solar element and can thus be used to generate electricity at a corresponding percentage. It is particularly preferable to redirect light through the surface elements in the direction of the solar element, which has a wavelength range of less than 500 nm, in particular less than 450 nm, and is therefore of high energy. In a preferred embodiment of the invention, by providing the surface elements according to the invention a Einfangeπ of light in angular ranges is possible in which takes place at today known solar lines total reflection. The angle of total reflection depends in particular on the material used. By providing the surface elements according to the invention, the angular range in which light is deflected in the direction of the solar element can thus be increased. As a result, the efficiency of the solar cell can be significantly improved. The individual Oberflächenelernente are preferably formed as a survey and have a substantially cuboid or cubic shape. In particular, at the top of the Oberflächenelernente acting as a diffraction grating surface structure is provided. This is in particular welienförmig and particularly preferably formed as a double sine wave. Depending on the distance of the waves or depending on the frequency of the structure of the structure, there is a diffraction of light of the corresponding wavelength. By choosing the surface structure, in particular the frequency and the amplitude of a wave-shaped surface structure, it can be defined which light of a certain wavelength range is diffracted and diffraction takes place in the soft direction.
Vorzugsweise weisen unterschiedliche Oberflächenelemente Oberflächen mit unterschiedlichen Beugungscharakteristika auf. Hierdurch kann in einem relativ großen Wellenlängen- und Winkelbereich das auf die Solarzelle treffende Licht in Richtung der Solarelemente umgelenkt werden, so dass der Wirkungsgrad der Solarzeile weiter verbessert werden kann. Insbesondere ist es möglich, einzelne Oberflächenelemente derart auszugestalten, dass in einem definierten Winkelbereich ein definierter Weilenlängenbereich des auftretenden Lichts in Richtung der Solarelemente umgelenkt wird. Die Auswahl kann ebenso umgekehrt erfolgen.Preferably, different surface elements have surfaces with different diffraction characteristics. As a result, in a relatively large wavelength and angle range, the light striking the solar cell can be deflected in the direction of the solar elements, so that the efficiency of the solar line can be further improved. In particular, it is possible to design individual surface elements in such a way that, in a defined angular range, a defined range of wavelengths of the light occurring is deflected in the direction of the solar elements. The selection can also be made vice versa.
Die einzelnen Oberflächenelemente weisen vorzugsweise eine Größe von 0,04 μm2 bis 10000 μrn2, insbesondere 0,04 μm2 bis 500 μrn2 auf. Der Abstand der einzelnen Oberflächenelemente untereinander beträgt vorzugsweise 0 bis 100 μm2, insbesondere 0 bis 50 μm2 und besonders bevorzugt 0 bis 15 μm2. Bevorzugt ist es, dass der Abstand der einzelnen Oberfiächeneiemente jedoch größer 0 μm2, insbesondere größer 1 μm2 und besonders bevorzugt größer als 3 μm2 ist. Dies hat den Vorteil, dass die Herstellung der einzelnen Oberflächenelemente vereinfacht ist, wenn die Oberflächenelemente in einem Abstand zueinander angeordnet sind. Werden die Oberfiächeneiemente beispielsweise durch einen aushärtenden Lack in Verbindung mit einem Abformelement bzw. einem Negativ hergestellt, ist durch die Beabstandung der Oberflächenelemente eine Verfälschung an den Grenzen der Oberflächenelemente, beispielsweise durch entstehende Lackstege, vermieden. Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist das Abdeckelement in einem Abstand zur Oberfläche des Soiarelements angeordnet. Auf der Innenseite, das heißt auf der dem SoSareiernent zugewandten Seite des Abdeckeiements sind erfindungsgemäße Oberflächenelemente vorgesehen Hierdurch wird Licht, das an der Oberseite des Solareiements reflektiert wird, zumindest zu einem wesentlichen Tei! derart durch die Oberflächenelemente umgelenkt und/oder durch die Innenseite des Abdeckelements reflektiert, dass das Licht zum Soiarelement zurückgelettet und dort zur Energiegewinnung genutzt werden kann„ Bei dieser Ausführungsform handelt es sich somit um eine Art Lichtfalle. Selbstverständlich kann diese Ausfuhrungsform der Erfindung mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, bei der an der Außenfläche des Abdeckeiements, das heißt der vom Soiarelement wegweisenden Fläche, Oberflächenelemente vorgesehen sind, kombiniert werden.The individual surface elements preferably have a size of 0.04 μm 2 to 10,000 μm 2 , in particular 0.04 μm 2 to 500 μm 2 . The distance between the individual surface elements with one another is preferably 0 to 100 μm 2 , in particular 0 to 50 μm 2 and particularly preferably 0 to 15 μm 2 . However, it is preferred that the spacing of the individual surface elements is greater than 0 μm 2 , in particular greater than 1 μm 2, and particularly preferably greater than 3 μm 2 . This has the advantage that the production of the individual surface elements is simplified if the surface elements are arranged at a distance from one another. If the surface elements are produced, for example, by a hardening lacquer in conjunction with a molding element or a negative, the spacing of the surface elements avoids adulteration at the boundaries of the surface elements, for example as a result of resulting paint webs. In a preferred embodiment of the invention, the cover is arranged at a distance from the surface of the soi element. Surface elements according to the invention are provided on the inside, that is to say on the side of the covering element facing the base of the covering. As a result, light which is reflected at the top of the solar element is at least substantially exposed to light. thus deflected by the surface elements and / or reflected by the inside of the cover, that the light can be looped back to the Soiarelement and used there for energy. "In this embodiment, it is thus a kind of light trap. Of course, this embodiment of the invention with the embodiment described above, in which on the outer surface of the Abdeckeiements, that are provided by the Soiarelement facing surface, surface elements are combined.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform, die insbesondere auch mit den beiden vorstehend beschriebenen bevorzugten wesentlichen Ausfύhrungsformen kombiniert werden kann, sind mit dem Abdeckelement Einkoppelelemente, wie z. B. Rippeπelemente verbunden. Bei den Rippenelementen handelt es sich beispielsweise um quaderförmig ausgebildete Elemente, die derart mit dem Abdeckelement verbunden sind, dass sie von diesem wegweisen. Insbesondere sind die Rippenelemeπte zu dem Abdeckelement senkrecht angeordnet. Bei den Einkoppelelementen kann es sich auch um andere geometrische steg- oder stabförmige Körper handeln, die auf der Oberseite des Abdeckelements angeordnet sind. Beispielsweise sind zylindrisch ausgebildete Einkoppelelemente möglich. Auch kann es sich hierbei um Pyramiden- oder teilpyramidenförmige Elemente oder Ähnliches handeln. Die Einkoppelelemente weisen an zumindest einer Außenseite Oberflächenelemente auf, durch die das auftreffende Licht durch Beugung zumindest teilweise in Richtung des Solareiements gelenkt wird. Das Vorsehen von Rippenelementen mit erfindungsgemäßen Oberflächenelementen stellt eine Oberflächenvergrößerung und somit eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Solarzelle dar.In a further preferred embodiment, which can be combined in particular with the two above-described preferred essential embodiments, are with the cover coupling elements, such. B. Rippeπelemente connected. By way of example, the rib elements are cuboid-shaped elements which are connected to the cover element in such a way that they point away from it. In particular, the Rippenelemeπte are arranged perpendicular to the cover. The coupling elements may also be other geometric web or rod-shaped body, which are arranged on the upper side of the cover. For example, cylindrically shaped coupling elements are possible. These may also be pyramid or partially pyramidal elements or the like. The coupling elements have on at least one outer surface elements by which the incident light is deflected by diffraction at least partially in the direction of the solar element. The provision of rib elements with surface elements according to the invention represents an increase in surface area and thus a considerable improvement in the efficiency of the solar cell.
Die Einkoppelelemente sind vorzugsweise aus dem selben Material wie das Abdeckelement. Insbesondere sind die Rippenelemente aus lichttransparentem Material. Insbesondere handelt es sich bei dem Material um die nachstehend aufgeführten Thermoplasten oder Kombinationen dieser Werkstoffe:The coupling elements are preferably made of the same material as the cover. In particular, the rib elements are made of light-transparent Material. In particular, the material is the thermoplastics listed below or combinations of these materials:
- PP, PE, PC, PMMA,PVC, PET, PU, PVF, PVDF und ETFE.- PP, PE, PC, PMMA, PVC, PET, PU, PVF, PVDF and ETFE.
Ferner sind auch Mineralglas oder FEP Teflon sowie EVA mögliche Materialien. Die Verwendung erfolgt häufig über Klebeverbindungen unter Einsatz von PVBf Silikon oder EPDM. Bevorzugt ist der Einsatz von Materialverbunden, wie PVF- PET-PVF, wobei Paketschichtdicken im Bereich von 0,1 bis 0,4 mm bevorzugt sind.Furthermore, mineral glass or FEP Teflon and EVA are also possible materials. The use is often via adhesive compounds using PVB f silicone or EPDM. Preference is given to the use of material composites, such as PVF-PET-PVF, wherein packet layer thicknesses in the range of 0.1 to 0.4 mm are preferred.
Um ein Austreten von Licht an der vom Solarelement wegweisenden Außenseite der Rippenelemente zu vermeiden, ist an diesen Außenseiten vorzugsweise ein Reflektionseiement, wie ein Sptegelelement vorgesehen. Hierbei kann es sich um eine aufgedampfte Schicht oder dergleichen handeln.In order to avoid leakage of light on the side facing away from the solar element outside of the rib elements, a Reflektionseiement, such as a Sptegelelement is preferably provided on these outer sides. This may be a vapor-deposited layer or the like.
Unter Licht wird hinsichtlich der Erfindung stets das gesamte Spektrum des Sonnenlichts, d. h. auch nicht sichtbare Bereiche der elektromagnetischen Strahlung verstanden.Under light, the entire spectrum of sunlight, ie. H. also understood non-visible areas of electromagnetic radiation.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugten Ausfuhrungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematisch perspektivische Ansicht einer erstenFig. 1 is a schematic perspective view of a first
Ausfuhrungsform einer Solarzelle,Embodiment of a solar cell,
Fig. 2 eine schematische Vergrößerung eines Bereichs II in Fig. 1,FIG. 2 shows a schematic enlargement of a region II in FIG. 1, FIG.
Fig. 3 eine schematische vergrößerte Schnittansicht eines Teils einer zweiten Ausfuhrungsform einer Solarzelle,3 is a schematic enlarged sectional view of part of a second embodiment of a solar cell,
Fig. 4 eine schematische vergrößerte Schnittansicht eines Teils einer dritten Ausfuhrungsform einer Solarzelle, Fig, 5 eine schematische perspektivische Ansicht der dritten bevorzugten Ausfuhrungsform der Solarzelle,4 shows a schematic enlarged sectional view of part of a third embodiment of a solar cell, 5 shows a schematic perspective view of the third preferred embodiment of the solar cell,
Fign. 6 und 7 schematische Diagramme einer Simulationsberechnung auf Basis der in Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsform undFIGS. 6 and 7 are schematic diagrams of a simulation calculation based on the embodiment shown in FIGS. 4 and 5 and FIG
Fign. 8 bis 10 schematische vergrößerte Schnittansichten weiterer Ausfuhrungsformen einer Solarzelle,FIGS. 8 to 10 are schematic enlarged sectional views of further embodiments of a solar cell,
Bei der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzelle (Fig, 1 und 2) ist ein üblicherweise als Halbleiterelement ausgebildetes Solarelement 10 auf einem Trägerelement 12 angeordnet. Innerhalb des Solarelements 10 erfolgt durch die eindringende Strahlung ein Freisetzen von Ladungen und aufgrund eines internen elektrischen Feldes ein Erzeugen von elektrischem Strom. Dieser wird über Leitungen 14 abgeführt.In the first embodiment of the solar cell according to the invention (FIGS. 1 and 2), a solar element 10, which is usually designed as a semiconductor element, is arranged on a carrier element 12. Within the solar element 10 is carried out by the penetrating radiation, a release of charges and due to an internal electric field generating electric current. This is discharged via lines 14.
Eine Oberseite des Solarelements 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Abdeckelement 16 verbunden. Das Abdeckelement 16 liegt beispielsweise unmittelbar auf dem Solarelement 10 auf oder ist mit diesem durch Verkleben oder dergleichen fest verbunden.An upper side of the solar element 10 is connected in the illustrated embodiment with a cover 16. The cover 16 is for example directly on the solar element 10 or is firmly connected thereto by gluing or the like.
Das lichttransparente Abdeckelement 16 weist an seiner Oberseite 18 eine Vielzahl von einzelnen Oberflächeneiementen 20 auf. Die einzelnen Oberflächenelemente sind im Wesentlichen quaderförmig oder wurfeiförmig ausgebildet und weisen an ihrer Oberseite 22 eine wellenförmige Struktur auf, so dass eine diffraktiv wirkende Oberfläche ausgebildet ist. Insbesondere ist die Struktur sinusförmig ausgebildet. Je nach Frequenz und Amplitude einer insbesondere sinusförmig ausgebildeten Oberflächenstruktur erfolgt ein Beugen und somit Umlenken von Lichtstrahlung, wie vereinfacht durch die Pfeile 24 dargestellt, in Richtung des Solarelements 10. Insbesondere bei Sonnenlicht, das gegenüber der Oberseite 18 in einem flachen Winkel einstrahlt, kann durch die Erfindung eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Solarzelle erzielt werden. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (Fig. 3) sind identische oder ähnliche Bauteile mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet.The light-transparent cover element 16 has on its upper side 18 a plurality of individual Oberflächeneiementen 20. The individual surface elements are substantially cuboidal or litter-shaped and have at their top 22 a wave-shaped structure, so that a diffractive surface is formed. In particular, the structure is formed sinusoidal. Depending on the frequency and amplitude of a particular sinusoidal surface structure is a bending and thus deflecting light radiation, as shown simplified by the arrows 24, in the direction of the solar element 10. In particular, in sunlight, which radiates from the top 18 at a shallow angle, can by the invention a significant improvement in the efficiency of the solar cell can be achieved. In a further preferred embodiment of the invention (FIG. 3), identical or similar components are identified by the same reference numerals.
Bei dieser Ausführungsform ist das Abdeckelement 16 in einem Abstand zu einer Oberseite 26 des Solareiements 10 angeordnet. Der Zwischenraum 28 kann hierbei hohl, das heißt mit Luft gefüllt, oder mit einem anderen ggf. festen Medium gefüllt sein. Ein schematisch dargestellter Lichtstrahl 30 wird an einem Punkt 32 an der Oberseite 26 des Solareiements teilweise reflektiert und würde ohne das erfindungsgemäß Vorsehen von Oberflächenelementen im Wesentlichen vollständig in Richtung eines gepunkteten Pfeils 34 abgestrahlt und somit nicht mehr zur Energienutzung genutzt werden können.In this embodiment, the cover 16 is disposed at a distance from a top 26 of the solar element 10. The intermediate space 28 may in this case be hollow, that is filled with air, or be filled with another possibly solid medium. A schematically illustrated light beam 30 is partially reflected at a point 32 on the upper surface 26 of the solar cell and would be radiated without the inventive provision of surface elements substantially completely in the direction of a dotted arrow 34 and thus can not be used for energy.
Um dies zu vermeiden, sind erfindungsgemäß an einer Innenfläche 36 des Abdeckelements 16 eine Vielzahl von Oberflächenelementen 20 angeordnet. Diese sind vorzugsweise wie anhand der Fig. 2 beschrieben, ausgebildet. Das Vorsehen von Oberflächenelementen 20 an der Innenfläche 36 des Abdeckeiements 16 fuhrt dazu, dass der Raum im Wesentlichen als Lichtfalle dient.In order to avoid this, a plurality of surface elements 20 are arranged on an inner surface 36 of the cover 16 according to the invention. These are preferably as described with reference to FIG. 2, formed. The provision of surface elements 20 on the inner surface 36 of the Abdeckeiements 16 causes the space essentially serves as a light trap.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (Figuren 4 und 5) sind identische oder ähnliche Bauteile wiederum mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet. Erfindungsgemäß sind bei dieser Ausführungsform an der Außenseite 18 des Abdeckelements Rippenelemente 38 vorgesehen. Die Rippenelemente 38 sind im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und senkrecht zur Außenfläche 18 des Abdeckelements 16 angeordnet. An zumindest einer Außenfläche 40 der Rippenelemente 38 sind wiederum eine Vielzahl von Oberflächenelementen 20, die wie vorstehend erläutert ausgebildet sind, vorgesehen. Wie durch den Strahlverlauf 42 angedeutet, wird somit zumindest ein Teil des Lichts innerhalb des Rippenelements reflektiert und gelangt somit in Richtung des Solarelements 10. Ein nicht reflektierter Teil 44 des Lichts wird aufgrund der entsprechenden Beugung durch die Oberflächenelemente des benachbarten Rippenelements 38 innerhalb dieses Rippenelements in Richtung des Solarefements 10 umgelenkt. Durch das Vorsehen von Rippenelementen mit zumindest an einer Außenfläche 40 vorgesehenen Oberflächenelementen 20 kann die effektiv wirksame Oberfläche der Solarzelle erheblich vergrößert werden. Um ein Austreten eines Lichtstrahls aus dem Rippenelement an einer vom Solarelement 10 wegweisenden Seite zu vermeiden, sind an dieser Reflexionselemente 46 vorgesehen.In a further preferred embodiment of the invention (Figures 4 and 5) identical or similar components are again identified by the same reference numerals. According to the invention, rib elements 38 are provided on the outside 18 of the cover element in this embodiment. The rib members 38 are formed substantially cuboid and arranged perpendicular to the outer surface 18 of the cover 16. On at least one outer surface 40 of the rib members 38, in turn, a plurality of surface elements 20, which are formed as explained above, are provided. As indicated by the beam path 42, thus at least a portion of the light is reflected within the fin element and thus passes in the direction of the solar element 10. An unreflected portion 44 of the light is due to the corresponding diffraction by the surface elements of the adjacent rib member 38 within this fin element in Direction of the solar element 10 deflected. By providing rib elements with surface elements 20 provided at least on an outer surface 40 The effective surface of the solar cell can be significantly increased. In order to prevent leakage of a light beam from the rib element on a side facing away from the solar element 10 side, are provided on this reflection elements 46.
Die drei vorstehend beschriebenen wesentlichen Ausführungsformen der Erfindung zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Solarzellen können beliebig miteinander kombiniert werden.The three above-described essential embodiments of the invention for improving the efficiency of solar cells can be arbitrarily combined with each other.
Mit Hilfe einer geeigneten Simulationssoftware wurden zur Bestimmung der Effizienzsteigerung auf Basis einer der in den Figuren 4 und 5 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Solarzeile Berechnungen durchgeführt Die entsprechenden graphischen Auswertungen sind in den Figuren 6 und 7 dargestellt.With the aid of a suitable simulation software, calculations were carried out to determine the increase in efficiency on the basis of one of the embodiments of the solar line according to the invention shown in FIGS. 4 and 5. The corresponding graphical evaluations are shown in FIGS. 6 and 7.
Hierbei zeigt Figur 6 eine herkömmliche Solarzelle 10, auf deren Oberseite entsprechend dem in Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, Rippenelemente 38 angeordnet sind. Um die Simulationsergebnisse vergleichen zu können, weisen die Rippenelemente 38 bei dem in Figur 6 dargestellten Beispiel jeweils glatte Oberflächen 40 auf. Auf den Oberflächen 40 sind keine Oberflächenelemente vorgesehen. Bei dem Material handelt es sich um ein transparentes Material mit einem Brechungsindex von nD= l,52. Die Transmittanz des Materials beträgt 95%, der Reflektionsgrad 5 % und der Absorbtionsgrad 0%, Ferner ist in Figur 6 der Verlauf eines einzelnen einfallenden Lichtstrahls 48 dargestellt. Wie ersichtlich ist, trifft nur ein geringer Teil des Lichtstrahls auf die Außenseite 18 des Solarelements 10.Here, FIG. 6 shows a conventional solar cell 10, on the upper side of which, according to the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 4 and 5, rib elements 38 are arranged. In order to be able to compare the simulation results, the rib elements 38 each have smooth surfaces 40 in the example shown in FIG. On the surfaces 40 no surface elements are provided. The material is a transparent material with a refractive index of nD = 1.52. The transmittance of the material is 95%, the degree of reflection 5% and the Absorbtionsgrad 0%, Furthermore, the course of a single incident light beam 48 is shown in Figure 6. As can be seen, only a small part of the light beam strikes the outside 18 of the solar element 10.
In Figur 7 ist nunmehr das identische Bauteil wie in Figur 6 bei der Simulation verwendet worden, wobei auf den Oberflächen 40 der Rippenelemente 38 diffraktive Oberflächenelemente 20 angeordnet sind. Die Oberflächenelemente weisen eine Gitterperiode von 400 bis 2.000 nm auf.In FIG. 7, the identical component has now been used in the simulation as in FIG. 6, wherein diffractive surface elements 20 are arranged on the surfaces 40 of the rib elements 38. The surface elements have a grating period of 400 to 2000 nm.
In Figur 7 sind drei Strahlengänge dargestellt, die mit unterschiedlichem Winkel auf die Rippenelemente 38 auftreffen. Der jeweils obere bzw. rechte Strahl 50 der drei Strahlenverläufe ist der Ξtrahlenverlauf der 0. Ordnung. Dieser wird nur gebrochen und nicht gebeugt. Die jeweils anderen Strahlenverläufe sind diejenigen Strahlenverläufe der -1. Ordnung. Diese Strahlen werden ausschließlich gebeugt. Aus Figur 7 ist ersichtlich, dass insbesondere auch bei sehr flachen Strahtenverläufen und der entstehenden Beugung ein Großteil des einfallenden Lichts auf die Solarzelle 10 umgelenkt wird. Bei sehr steil einfallenden Strahlen ergibt sich, dass das Vorsehen der erfindungsgemäßen Oberfiächenelemeπte auf den Rippenelementen 38 nicht störend ist.In Figure 7, three beam paths are shown, which impinge on the rib members 38 at different angles. The respective upper or right beam 50 of the three beam paths is the 0-order beam path. This one will only broken and not bent. The other ray trajectories are those ray trajectories of the -1. Order. These rays are exclusively diffracted. It can be seen from FIG. 7 that a large part of the incident light is deflected onto the solar cell 10, in particular even in the case of very flat beam paths and the resulting diffraction. In the case of very steeply incident rays, the provision of the surface elements according to the invention on the rib elements 38 does not interfere.
Die Simulation hat ergeben, dass im Vergleich zu herkömmlichen Solarzellen durch das Vorsehen der Rippenelemente 38 mit diffraktiven Oberflächenetementen 20 eine Steigerung um ca. 30 % erzielt werden kann„ Nicht berücksichtigt wurden hierbei die Beugungen höherer Ordnungen. Dies wurde zu einer weiteren Effizienzsteigerung führen.The simulation has shown that an increase of approximately 30% can be achieved by providing the rib elements 38 with diffractive surface elements 20 in comparison to conventional solar cells. "In this case, the diffractions of higher orders were not taken into account. This would lead to a further increase in efficiency.
Aufgrund dieser erheblichen Effizienzsteigerung ist es beispielsweise nicht mehr erforderlich, ein Solarzellenpaneel dem Sonnenverlauf nachzuführen. Das Vorsehen eines entsprechenden Elektromotors mit der zugehörigen Mechanik etc. kann somit entfallen. Ferner hat die Simulation gezeigt, dass Einfallswinkel in einem Bereich von annähernd +/-90° akzeptabel sind.Due to this considerable increase in efficiency, for example, it is no longer necessary to track a solar cell panel to the course of the sun. The provision of a corresponding electric motor with the associated mechanism, etc. can thus be omitted. Furthermore, the simulation has shown that angles of incidence in a range of approximately +/- 90 ° are acceptable.
Eine weitere Effizienzsteigeruπg kann durch Verringern des Abstandes zwischen den Rippenelementen 38 erzielt werden. Ferner ist es möglich, der Oberfläche 18 des Soiarelements 10 gegenüberliegend, beispielsweise an der Oberseite der Rippenelemente 38, einen halbdurchiässigen Spiegel vorzusehen, so dass Strahlung, die nach oben von dem Solarelement 10 weggebeugt wird, zuruckreflektiert wird.A further increase in efficiency can be achieved by reducing the distance between the rib members 38. Furthermore, it is possible to provide a semi-permeable mirror opposite the surface 18 of the soya element 10, for example at the top of the rib elements 38, so that radiation which is deflected upwards away from the solar element 10 is reflected back.
In den Figuren 8 bis 10 sind auf dem Solarelement 10 jeweils unterschiedliche Ausführungsformen von Einkoppelelementen dargestellt, die die Rippeneiemente 38 ersetzen. Selbstverständlich ist es möglich, sämtliche dargestellten Ausfuhrungsformen auch miteinander zu kombinieren.In FIGS. 8 to 10, different embodiments of coupling elements, which replace the ribbed elements 38, are shown on the solar element 10. Of course it is possible to combine all illustrated embodiments with each other.
In Figur 8 sind als Einkoppelelemente 52 im wesentlichen teilpyramidenförmige Elemente dargestellt. Diese weisen zwei gegenüber der Oberfläche 18 des Solarelements 10 geneigte Oberflächen 54 und eine der zu der Oberfläche 18 des Solarelements 10 parallele Oberfläche 56 auf. Bevorzugt ist es hierbei, dass auf den Oberflächen 54, 56 Oberflächenelemente 20 mit einem unterschiedlichen Oberflächengitter angeordnet sind. Hierdurch ist es je nach Sonnenstand möglich, auf den Einstrahlwinkel angepasste Gitter vorzusehen.In Figure 8 are shown as Einkoppelelemente 52 substantially teilpyramidenförmige elements. These have two with respect to the surface 18 of the solar element 10 inclined surfaces 54 and one of the surface 18 of the Solar element 10 parallel surface 56 on. It is preferred here that surface elements 20 with a different surface lattice are arranged on the surfaces 54, 56. This makes it possible, depending on the position of the sun, to provide gratings adapted to the angle of incidence.
Auch die gemäß Figur 9 auf dem Solarelement 10 angeordneten Einkoppelelemente 58, die kreiszylindrisch ausgebildet sind, sind derart ausgebildet, dass eine gute Einkopplung der Sonnenstrahlen möglich ist, obwohl sich der Einfallswinkel im Laufe des Tages ändert. Auf der zylindrischen Außenseite der Einkoppelelemente 58 sind wiederum diffraktive Oberflächenelemente 20 angeordnet. Auf der flachen Oberseite 62 können ebenfalls diffraktive Oberflächenelemente 20 vorgesehen sein, die ebenfalls eine andere Gitterkonstante als die auf der Oberfläche 60 angeordneten diffraktiven Oberflächenelemente 20 aufweisen. Ebenso kann an Oberfläche 32 ein insbesondere halbdurchlässiger Spiegel vorgesehen sein, dessen Funktion dem Spiegel 46 (Figur 4 und 5) entspricht.Also arranged according to Figure 9 on the solar element 10 Einkoppelelemente 58, which are formed kreiszylindrisch are designed such that a good coupling of the sun's rays is possible, although the angle of incidence changes during the day. On the cylindrical outer side of the coupling elements 58 in turn diffractive surface elements 20 are arranged. Diffractive surface elements 20, which likewise have a different lattice constant than the diffractive surface elements 20 arranged on the surface 60, can likewise be provided on the flat top 62. Likewise, on surface 32, a particularly semitransparent mirror may be provided, the function of which corresponds to mirror 46 (FIGS. 4 and 5).
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit, die eine geringere Bauhöhe aufweist, ist schematisch in Figur 10 dargestellt. Die einzelnen Einkoppelelemente 64, 66 sind in einem rechten Winke! zueinander angeordnet und entsprechend einer Gitterstruktur gestapelt. An unterschiedlichen Außenseiten der Einkoppelelemente 64, 66 können Oberflächenelemente 20 vorgesehen sein, die gegebenenfalls unterschiedliche Gitterstrukturen aufweisen. Ferner ist es möglich, insbesondere auf der nach oben von dem Solarelement wegweisenden Seite, halbdurchlässige Spiegel vorzusehen. Another embodiment, which has a lower overall height, is shown schematically in FIG. The individual coupling elements 64, 66 are in a right angle! arranged to each other and stacked according to a grid structure. On different outer sides of the coupling elements 64, 66 surface elements 20 may be provided, which optionally have different grating structures. Furthermore, it is possible to provide semipermeable mirrors, in particular on the side facing away from the solar element.

Claims

Patentansprüche claims
1. Solarzelle, mit1. solar cell, with
einem Solareiement (10) zum Umwandein von Sonnenstrahlung in elektrische Energie,a solar cell (10) for converting solar radiation into electrical energy,
einem strahlungstransparentem Abdeckelement (16), durch das das Sonnenlicht zum Solarelement (10) hindurch tritt unda radiation-transparent cover member (16) through which the sunlight passes through the solar element (10) and
an dem Abdeckelement (16) angeordneten diffraktiven Oberflächenelementen (20) zur Lenkung einfallenden Sonnenlichts in Richtung des Solarelements (10).on the cover (16) arranged diffractive surface elements (20) for steering incident sunlight in the direction of the solar element (10).
2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenelemente (20) derart ausgebildet sind, dass insbesondere Licht, das in einem Winkel von weniger als 45° insbesondere weniger als 30° und besonders bevorzugt weniger als 20° auf das Abdeckelement (16) auftrifft, in Richtung des Soiarelements (10) gelenkt wird,2. Solar cell according to claim 1, characterized in that the surface elements (20) are formed such that in particular light at an angle of less than 45 °, in particular less than 30 ° and more preferably less than 20 ° to the cover (16 ), is directed in the direction of the Soiarelements (10),
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenelemente (20) derart ausgebildet sind, dass hochenergetisches Licht, das insbesondere eine Wellenlänge von 500 nm und besonders bevorzugt von weniger als 450 nm aufweist, in Richtung des Soiarelements (10) gelenkt wird,3. Solar cell according to claim 1 or 2, characterized in that the surface elements (20) are formed such that high-energy light, which in particular has a wavelength of 500 nm and particularly preferably of less than 450 nm, in the direction of the soiareelement (10). being steered
4. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenelemente (20) eine Größe von 0,04 bis 10000 nm2, insbesondere 0,04 bis 500 nm2 aufweisen.4. Solar cell according to one of claims 1 to 3, characterized in that the surface elements (20) have a size of 0.04 to 10,000 nm 2 , in particular 0.04 to 500 nm 2 .
5. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Oberflächenelemente (20) untereinander einen Abstand von 0 bis 100 nm2, insbesondere 0 bis 50 nmz und besonders bevorzugt 0 bis 15 nm2 aufweisen. 5. Solar cell according to one of claims 1 to 4, characterized in that the individual surface elements (20) with each other at a distance of 0 to 100 nm 2 , in particular 0 to 50 nm z and more preferably 0 to 15 nm 2 have.
6. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenelemente (20) an zumindest einer Außenseite (22), insbesondere an einer dem Abdeckelement (16) gegenüberliegender Außenseite ein Beugungsgitter aufweisen,6. Solar cell according to one of claims 1 to 5, characterized in that the surface elements (20) on at least one outer side (22), in particular on a cover member (16) opposite the outside have a diffraction grating,
7. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfiächenelemente (20) an einer vom Solareiement (10) wegweisenden Außenfiäche (18) des Abdeckeiements (16) angeordnet sind.7. Solar cell according to one of claims 1 to 6, characterized in that the Oberfiächenelemente (20) on one of the Solareiement (10) pioneering Außenfiäche (18) of the Abdeckeiements (16) are arranged.
8. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abdeckelement (16) in einem Abstand zum Soiareiement (10) angeordnet ist und an der dem Solareiement (10) zugewandten Innenfläche (36) Oberflächenelemente (20) angeordnet sind,8. Solar cell according to one of claims 1 to 7, characterized in that the cover (16) is arranged at a distance from the solar element (10) and on the solar element (10) facing the inner surface (36) surface elements (20) are arranged,
9. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mit dem Abdeckelement (16) verbundene Einkoppelelemente (38, 52, 58, 64, 66), die an zumindest einer Außenseite (40) Oberflächenelemente (20) aufweisen.9. Solar cell according to one of claims 1 to 8, characterized by coupling elements (38, 52, 58, 64, 66) connected to the cover element (16), which have surface elements (20) on at least one outer side (40).
10. Solarzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelelemente (38, 52, 58, 64, 66) lichttransparentes Material aufweisen,10. Solar cell according to claim 9, characterized in that the coupling elements (38, 52, 58, 64, 66) have light-transparent material,
11. Solarzelle nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeleiemente (38, 52, 58, 64, 66) im Wesentlichen senkrecht zu einer vom Solarelement (10) wegweisenden Außenfläche (18) angeordnet sind.11. Solar cell according to claim 9 or 10, characterized in that the Einkoppeleiemente (38, 52, 58, 64, 66) are arranged substantially perpendicular to one of the solar element (10) pioneering outer surface (18).
12. Solarzeile nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeielemente (38, 52, 58, 64, 66) an einer vom Solarelement (10) wegweisenden Außenseite ein Refiexionselement (46) aufweisen. 12. Solar line according to one of claims 9 to 11, characterized in that the Einkoppeielemente (38, 52, 58, 64, 66) on one of the solar element (10) facing away from a Refiexionselement (46).
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