AT515591B1 - Dünnschichtsolarzelle - Google Patents

Abstract

Bei einer Dünnschichtsolarzelle (1), umfassend auf einem strukturierten Substrat eine transparente Grundelektrode, wenigstens eine aktive Solarzellenschicht (7, 8, 9, 10) sowie eine Deckelektrode (11), wobei das strukturierte Substrat auf einer einem Lichteinfall abgewandten Seite eine Mehrzahl, insbesondere ein Array von im Wesentlichen unmittelbar aneinander anschließenden Fortsätzen aufweist, ist die Grundelektrode, die wenigstens eine aktive Solarzellenschicht (7, 8, 9, 10) sowie die Deckelektrode auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite der Dünnsichtsolarzelle (1) festgelegt, wobei die Deckelektrode (11) als reflektierende Deckelektrode (11) ausgebildet ist.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dünnschichtsolarzelle, umfassend auf einem strukturierten Substrat eine transparente Grundelektrode, wenigstens eine aktive Solarzellenschicht sowie eine Deckelektrode, wobei das strukturierte Substrat auf einer einem Lichteinfall abgewandten Seite eine Mehrzahl, insbesondere ein Array von im Wesentlichen unmittelbar aneinander anschließenden Fortsätzen aufweist, die Grundelektrode die wenigstens eine aktive Solarzellenschicht sowie die Deckelektrode auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite der Dünnsichtsolarzelle festgelegt sind und dass die Deckelektrode als reflektierende Deckelektrode ausgebildet ist.

[0002] Solarenergie bzw. Sonnenenergie ist die bei weitesten wichtigste Energiequelle, die gegenwärtig bekannt ist, welche für die Energieversorgung der Zukunft eine bedeutende Rolle spielt und welche gewerblich nutzbar ist.

[0003] Gegenwärtig beherrschen Solarzellen aus Siliziumwafern den Markt. Nachteilig an derartigen Sonnenzellen ist jedoch, dass sie ein sehr hohes Gewicht haben und daher für einen Großflächeneinsatz komplizierte Stützstrukturen erfordern. Ein weiterer Nachteil derartiger Siliziumsolarzellen liegt in ihren hohen Kosten.

[0004] Neuere Entwicklungen betreffen Dünnschichtsolarzellen, welche jedoch gegenwärtig noch einen schlechten Wirkungsgrad aufweisen und darüber hinaus aufgrund ihrer sehr kurzen Lebensdauer nur beschränkt einsatzfähig sind.

[0005] Dünnschichtzellen gibt es in verschiedenen Ausführungen, je nach Substrat und aufgedampften Materialien. Die Spannbreite der physikalischen Eigenschaften und der Wirkungsgrade ist entsprechend groß.

[0006] Im Wesentlichen können Dünnschichtzellen aus anorganischen oder organischen lichtabsorbierenden und ladungsgenerierenden Schichten bestehen.

[0007] Das bisher gängigste Material für Dünnschichtzellen ist amorphes Silicium. a-Si Zellen werden durch Aufdampfen von mehreren Siliciumschichten auf ein geeignetes Substrat gefertigt. Es können zum Beispiel drei Schichten aus p-dotiertem, intrinsischem und n-dotiertem Material (p-i-n) zum Einsatz kommen. Diese Schichten werden in der Regel durch plasmagestützte Abscheidung aus der Gasphase erzeugt (PECVD). Die Siliciumschichten, in denen das Sonnenlicht in elektrischen Strom umgewandelt wird, sind zwischen einer transparenten Frontkontaktschicht, dem TCO (Transparent Conductive Oxide) und einer Metallschicht eingepackt.

[0008] Mögliche weitere Materialien sind mikrokristallines Silicium (pc-Si:H), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-lndium-(Gallium)-Schwefel-Selen-Verbindungen, die sogenannten CIGS-Solarzellen bzw. CIS-Zellen, wobei hier je nach Zelltyp S für Schwefel oder Selen stehen kann.

[0009] Dünnschichtsolarzellen bestehend aus organischen Materialien, sogenannte organische Solarzellen, werden gegenwärtig in Sandwichstruktur gefertigt, wobei ein oder mehrere organische^) Dünnfilm(e) von zwei elektrisch leitfähigen Elektroden kontaktiert werden. Eine der Elektroden ist hierbei transparent, um den erforderlichen Lichteinfall auf die organischen Halbleiter zu gewährleisten und die andere Elektrode ist hoch reflektierend ausgebildet. Dieser Aufbau ist erforderlich, da sich die Photophysik organischer Halbleitermaterialien von der Photophysik anorganischer Halbleiter insbesondere dadurch unterscheidet, dass in organischen Sonnenzellen bzw. Solarzellen üblicherweise nicht unmittelbar die Bildung freier Ladungsträgerpaare stattfindet, sondern neutrale Anregungszustände, sogenannte Excitonen bewirkt werden, welche gebundene Elektronen-Lochpaare darstellen. Diese Excitonen müssen im organischen Halbleiter zuerst getrennt werden, bevor sie durch die organischen Schichten transportiert und von den Elektroden gesammelt werden können. Gegenwärtig erfolgt die Ladungstrennung bevorzugt zwischen Materialien mit ausreichend verschiedener Elektronenaffinität, wobei ein Material als Elektronenakzeptor agiert und das andere die positive Ladung behält und somit als Elektronendonator agiert. Die Trennung von Excitonen an fotoaktiven Donator

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Akzeptor-Heteroübergängen ist somit ein wesentlicher Mechanismus in organischen Solarzellen. Die in einem der beiden Materialien angeregten Excitonen diffundieren zur Grenzfläche und werden dort in ein Elektron auf dem Akzeptor und ein Loch auf dem Donator aufgespalten. Als kritischer Parameter ist die Excitonendiffusionslänge zu werten, welche bei den meisten organischen Materialien im Bereich von 5 nm bis 30 nm liegt und somit deutlich unter der Lichteindringtiefe. Dieses Faktum wirkt sich somit limitierend auf die Effizienz von organischen Solarzellen aus, da die für eine vollständige Absorption des einfallenden Lichts benötigte Schichtdicke von > 100 nm weit größer als die Diffusionslänge der Excitonen ist.

[0010] M.A. Uddin et al., Rev.Adv.Mater.Sci. 26(2010) 58-66 haben als eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des Wirkungsgrads von organischen Solarzellen eine Optimierung der optischen/strukturellen Eigenschaften der Zellen in einem Überblicksartikel beschrieben. Hierbei wurden Lichtmanagementideen für den effizienten Lichteinfang in Dünnschichtsolarzellen basierend auf strahlenoptischen Ansätzen beschrieben, indem beispielsweise Kollektorspiegel, Vförmige Lichtfallen-Geometrien oder Mikroarrays in Kombination mit kleinen Aperturen zum Lichteinfang beschrieben wurden.

[0011] Aus der US 2013/0125969 A1 sind photovoltaische Richtungen und Verfahren zur Ausbildung derselben bekannt geworden, wobei auf einem Glassubstrat eine Mehrzahl von Substraten angeordnet ist, welche Substrate weiterhin durch eine Dünnschichtsolarzelle abgedeckt sind.

[0012] Aus der EP 2 515 344 A1 ist ein photoelektrisches Umwandlungselement bekannt geworden, welches die Verbesserung der photoelektrischen Umwandlungseffizienz zur Verfügung stellt, bei welchem eine Solarzelle ein transparentes Substrat beinhaltet, das auf einer Oberfläche eine dreidimensionale Struktur mit einer Mehrzahl von konvexen Abschnitten, die regelmäßig angeordnet sind, ebenso wie ein Licht aufnehmendes Element aufweist und wenigstens weiterhin eine transparente Elektrode, eine photoelektrische Umwandlungsschicht und eine reflektierende Elektrode beinhaltet.

[0013] Aus DE 20 2009 007 771 U1 ist ein Photovoltaikmodul zur Strahlungskonzentration bekannt geworden, welches Solarzellen und Licht transportierende Schichten, optische Chips, die schachbrettartig auf einem optisch hoch transparenten Polymer aufgebracht sind, aufweist.

[0014] Auch wurde versucht, optische Lichtwellenleiter als Lichteinfangstruktur für Solarzellen zum Einsatz zu bringen. In derartigen faserbasierten Solarzellen werden die aktiven Schichten konformal um den Kern der optischen Faser abgeschieden. Die Lichtwellenleitung in der Faser dient als Lichteinfangmechanismus. Auch bei dieser Technologie sind noch grundlegende Forschungsarbeiten zu neuartigen Konzepten des Lichteinfangs erforderlich, um die Effizienz dieser Systeme so weit zu steigern, dass ein wirtschaftlich sinnvoller Einsatz möglich gemacht werden kann.

[0015] Schließlich wurden zu einer weiteren Steigerung der Nutzung des solaren Spektrums fluoreszierende Materialien zur Wellenlängenkonversion von Licht zum Einsatz gebracht. R. Koeppe et al., Appl.-Phys.Lett, 89s 181126 (2007) haben den Einsatz eines Lumineszenzkonzentrators im Zusammenhang mit organischen Solarzellen beschrieben. Diese Solarzellen weisen das Maximum ihrer Absorption zwischen 600 nm und 800 nm auf, wobei lumineszierende Moleküle zum Einsatz gelangen, um das blaue und grüne Licht in den roten Spektralbereich zu konvertieren und in einem optischen Wellenleiter zur Solarzelle zu leiten. Eine zweite Solarzelle, die sogenannte „bottom cell“ erntet das rote Licht, welches durch den Konzentrator transmittiert wurde. Jedoch sind auch bei diesem Konzept noch weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um den Wirkungsgrad der Systeme so weit zu optimieren, um sie wirtschaftlich einsetzbar zu machen.

[0016] Die Funktionsweisen einer gegenwärtig zum Einsatz gelangenden organischen Solarzelle können hierbei in drei nacheinander ablaufende Schritte unterteilt werden, nämlich [0017] 1. die Generierung von Excitonen durch die Absorption von Licht,

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AT 515 591 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt [0018] 2. die Generierung von freien Ladungsträgern, d.h. die Trennung der Excitonen in Elektronen und Löcher, und [0019] 3. den Transport der Ladungen durch die aktive Schicht der Solarzelle zu den jeweils geeigneten Elektroden.

[0020] Alle drei Schritte finden hierbei innerhalb eines sehr kleinen Raums, nämlich der aktiven Schicht der Solarzelle statt und werden wesentlichen von den Materialeigenschaften der organischen Halbleiter sowie der Morphologie und den Dicken der jeweiligen Schichten bestimmt. Darüber hinaus beeinflussen sich die drei nacheinander ablaufenden Schritte untereinander. So führt beispielsweise eine größere Schichtstärke der Licht absorbierenden organischen Schichten zu einer verbesserten Lichtabsorption, allerdings verschlechtern sich damit die elektrischen Eigenschaften der Solarzelle. Schließlich findet das Generieren von freien Ladungsträgern aufgrund der geringen Diffusionslänge der Excitonen in organischen Halbleitern nur in einem Bruchteil der Stärke bzw. Dicke der eingesetzten Licht absorbierenden Schichten statt, so dass bei der Herstellung von organischen Solarzellen immer ein Kompromiss zwischen Lichtadsorption und effizienter Ladungsgenerierung gefunden werden muss. Üblicherweise verlässt ein signifikanter Teil des Lichts die Zelle wieder, ohne dass er zur Energiegewinnung genutzt werden kann oder er wird in der Zelle absorbiert und trägt damit nicht zur Stromerzeugung bei, so dass insgesamt die Quanteneffizienz von organischen Sonnenzellen deutlich von der maximal erreichbaren Effizienz abweicht.

[0021] Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine Dünnschichtsolarzelle, bestehend aus anorganischen oder insbesondere organischen Materialien zur Verfügung zu stellen, welche einerseits einen verbesserten Lichteinfang ermöglicht und überdies einen höheren Wirkungsgrad der Solarzelle gegenüber herkömmlichen Solarzellen zur Verfügung stellt, und schließlich gegenüber herkömmlichen Dünnschichtsolarzellen eine verringerte Dicke aufweist.

[0022] Zur Lösung dieser Aufgaben ist die erfindungsgemäße Dünnschichtsolarzelle im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Fortsätze (3) wenigstens eine dem 3-fachen Durchmesser der Grundfläche entsprechende eine eingestrahltes Licht mehrfach reflektierende Höhe aufweist. Indem jeder der Fortsätze wenigstens eine dem 3-fachen Durchmesser der Grundfläche entsprechende eine eingestrahltes Licht mehrfach reflektierende Höhe aufweist, wird eine besonders hohe Effizienz erzielt, wobei dadurch, dass jeder der Fortsätze wenigstens eine dem 3-fachen Durchmesser der Grundfläche entsprechende eine eingestrahltes Licht mehrfach reflektierende Höhe aufweist, wenigstens 2 bis 3 Reflexionen im Inneren des Fortsatzes gewährleistet werden. Indem weiterhin das strukturierte Substrat auf einer dem Lichteinfall abgewandten Seite eine Mehrzahl, insbesondere ein Array von im Wesentlichen unmittelbar aneinander anschließenden Fortsätzen aufweist, wird eine sogenannte Lichtfalle ausgebildet, welche eingestrahltes Licht wie ein optischer Lichtwellenleiter einfängt. Das eingefangene Licht wird hierbei in den Fortsätzen so lange hin und her reflektiert, bis es von den fotoaktiven Schichten der Solarzelle absorbiert wird, wodurch nicht nur der Lichtweg deutlich verlängert wird, sondern insgesamt eine erhöhte Konversion der Photonen in den Ladungsträger bewirkt und die Lichtausbeute verbessert wird. Indem weiterhin die Grundelektrode, die wenigstens eine aktive Solarzellenschicht sowie Deckelektrode auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite der Dünnschichtsolarzelle festgelegt aufweist, und indem weiterhin die Deckelektrode als reflektierende Deckelektrode ausgebildet ist, ist sichergestellt, dass es nicht zu einem unerwünschten Austritt des Lichts aus dem Array von aneinander anschließenden Fortsätzen kommt, sondern dass die Absorption des eingestrahlten Lichts weiter verbessert wird. Indem weiterhin die Deckelektrode als reflektierende Deckelektrode ausgebildet ist, wird gewährleistet, dass nicht absorbiertes Licht in die Lichteinfangmikrostruktur der Fortsätze zurück reflektiert wird und somit eine weitere Erhöhung der Zahl der Reflexionen erreicht wird. Mit einer derartigen Struktur einer Dünnschichtsolarzelle wird eine verbesserte Ladungsextraktion unter gleichzeitiger Erhöhung der Lichtabsorption erzielt, so dass insgesamt eine wirtschaftlich nutzbare Dünnschichtsolarzelle zur Verfügung gestellt werden kann.

[0023] Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht die Fortsätze einen Ab

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AT 515 591 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt stand a von 0 < a < Durchmesser der Grundfläche der Fortsätze aufweisen, wird eine möglichst vollständige Einstrahlung des Sonnenlichts in die Fortsätze gewährleistet und somit die Lichtabsorption insgesamt erhöht.

[0024] Dadurch dass die Fortsätze eine finger- bzw. kegelstumpfförmige Form aufweisen, wird die mehrfache Reflexion des eingestrahlten Lichts begünstigt und sichergestellt, dass einfallendes Licht wenigstens 2 bis 3 Mal reflektiert wird, wodurch eine bedeutende Erhöhung der Lichtabsorption erreicht wird. Mit einer derartigen Geometrie einer Lichtfallenstruktur werden gleichzeitig mehrere Interaktionen mit den fotoaktiven Schichten und somit zur Absorption in der Solarzelle zur Verfügung gestellt. Weiterhin wird durch die spezifische Geometrie eines Fingers bzw. Kegelstumpfs das bestehende Problem zwischen geringer Excitonendiffusionslänge und der für die vollständige Adsorption des einfallenden Lichts benötigten Schichtstärke der Sonnenzellenstruktur gelöst, indem die an sich geringe Absorption von Licht in den fotoaktiven Schichten durch die Mehrfachreflexion des Lichts an den fotoaktiven Schichten kompensiert wird, so dass im Idealfall insgesamt nahezu 100 % des Lichts absorbiert werden können.

[0025] Zur besseren Nutzung des solaren Spektrums und um insbesondere einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, ist die Erfindung so weitergebildet, dass in die fingerförmigen bzw. kegelstumpfförmigen Fortsätze des Substrats lichtstreuende Partikel eingebettet sind, wobei der Wirkungsgrad der Dünnschichtsolarzelle insbesondere noch dadurch weiter erhöht werden kann, wenn, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, als lichtstreuende Partikel, insbesondere auf organischen Farbstoffen basierende, insbesondere Perylen, Rhodamin oder Coumarin, oder auf vorzugsweise aus halbleitenden Materialien bestehenden, insbesondere Cadmiumselenid, Zinkoxid, oder auch Phosphoren, basierend auf mit Ionen der seltenen Erden dotierten Quantenpunkten bzw. QDs, eingebettet sind. Derartige lichtstreuende Partikel sind insbesondere so gewählt, dass sie einen möglichst großen Wellenlängenbereich des Sonnenspektrums absorbieren können und gleichzeitig im Wellenlängenbereich der Absorption der eingesetzten Solarzelle emittieren können, so dass eine effiziente Steigerung des Wirkungsgrads erzielt werden kann.

[0026] Eine besonders große Steigerung der Effizienz gelingt hierbei, wenn Quantenpunkte aus Ce-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (YAGT) in die Dünnschichtsolarzelle eingebettet werden.

[0027] Für eine weitere Vergrößerung des Wellenlängenbereichs aus Sonnenlicht, welcher absorbiert werden kann, wird gemäß einer Erfindung derart vorgegangen, dass eine Mehrzahl von untereinander verschiedenen lumineszierenden Partikeln in das Substrat eingebettet ist und dass die Mehrzahl von untereinander verschiedenen lumineszierenden Partikeln einen Wellenlängenbereich von wenigstens 300 nm bis 1200 nm, gegebenenfalls bis 1800 nm absorbieren und in einem Wellenlängenbereich der Absorption der Solarzelle emittieren. Für das Erreichen einer besonders hohen Effizienz der Dünnschichtsolarzellen gemäß der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Substrat 0,01 bis 5 Vol.-% lumineszierende Teilchen erhält. Mit einer derartigen Beladung an lumineszierenden Teilchen kann ausreichend Licht absorbiert und re- emittiert werden, ohne dass die Grundstruktur in irgendeiner Weise vergrößert werden muss oder aber die Dicke der Solarzelle erhöht werden muss.

[0028] Besonders hohe Wirkungsgrade der Dünnschichtsolarzelle werden dadurch erreicht, dass, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, die aktive Solarzellenschicht eine oder mehrere Absorptionsbanden im Wellenlängenbereich von 300 nm, wenigstens jedoch 650 nm bis 1800 nm aufweist. Hierfür ist es erforderlich, dass entweder ein oder dasselbe absorbierende Material mehrere Absorptionsbanden zeigt oder aber, wie dies einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung entspricht, die Dünnschichtsolarzelle so aufgebaut ist, dass wenigstens zwei untereinander verschiedene Solarzellenschichten vorgesehen sind. Bei einem derartigen Aufbau gelingt es, eine Solarzelle zur Verfügung zu stellen, welche eine Mehrzahl von Absorptionsbanden aufweist, wodurch die Lichtausbeute weiter erhöht werden kann.

[0029] Als besonders effizient für einen derartigen Einsatz haben sich hierbei, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, Schichten aus Phthalocyanin und Fulleren erwiesen.

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AT 515 591 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt [0030] Es können aber auch unterschiedlich dotierte Schichten aus amorphem Silicium oder andere anorganische Halbleiterschichten zum Einsatz kommen.

[0031] Ein einfacher Aufbau und insbesondere eine einfache Herstellbarkeit von derartigen Dünnschichtsolarzellen werden dadurch erreicht, dass die Solarzellenschichten auf der Oberfläche der aneinander anschließenden Fortsätze aufgebracht sind. Mit einer derartigen Geometrie wird einerseits die für die Wechselwirkung mit dem Sonnenlicht zur Verfügung gestellte Oberfläche vergrößert und andererseits Lichtfallen kreiert, bei welchen durch eine Mehrzahl von Totalreflexionen der Weg des Lichts im Inneren der Solarzellen verlängert ist und somit ein vergrößerter Weg bzw. Zeitraum zur Verfügung gestellt wird, in welchem die Reaktion und die Anregung von Molekülen ermöglicht wird.

[0032] Als besonders vorteilhaft hat es sich hierbei erwiesen, dass das Verhältnis der Dicke der Solarzellenschicht zu jener der Fortsätze etwa 1:1000 beträgt, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht. Die Schichtdicken der ladungsgenerierenden Schichten in der Dünnschichtsolarzelle beträgt dabei größenordnungsmäßig 10 bis 300 nm und die Höhe der lichteinfangenden Fortsätze beträgt in etwa 10 bis 300 μm. Mit einer derartigen Geometrie gelingt es mit extrem dünnen Solarzellenschichten das Auslangen zu finden und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad der Dünnschichtsolarzelle zu erzielen, welcher Wirkungsgrad gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bis zu 80 % beträgt.

[0033] Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. In diesen zeigen:

[0034] Fig. 1 eine Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Dünnschichtsolarzelle, [0035] Fig. 2 den Schichtaufbau einer derartigen Dünnsichtsolarzelle gemäß Fig. 1, [0036] Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch einen fingerförmigen Fortsatz einer Dünnschichtsolarzelle gemäß Fig. 1, und [0037] Fig. 4 einen Schnitt durch eine andere Variante eines derartigen fingerförmigen Fortsatzes, in welchem zusätzlich lichtstreuende Partikel eingebettet sind.

[0038] Im Einzelnen ist in Fig. 1 mit 1 eine Dünnschichtsolarzelle bezeichnet, bei welcher sich auf einem Glassubstrat 2 ein Array von mikrostrukturierten „Lichtfallenfingern“ 3 befindet. Jeder einzelne Lichtfallenfinger 3 weist hierbei eine Höhe auf, welche etwa 3 Mal so groß ist wie der Durchmesser der Grundfläche, um nach einem Auftreffen von Licht, welches entsprechend den Pfeilen 4 auf das Glassubstrat 2 einfällt, sicherzustellen, dass im Inneren der Lichtfallenfinger bzw. Finger 3 eine mehrfache Reflexion des eingefallenen Lichts stattfinden kann.

[0039] Auf der Oberfläche jedes einzelnen Fingers 3, welche die mikrooptischen Strukturen ausbilden, sind hierbei eine Mehrzahl von fotoaktiven Schichten 7, 8, 9, 10 konformal aufgebracht. Die Dicke der fotoaktiven Schichten 7, 8, 9, 10 ist hierbei etwa um den Faktor 1000 geringer als die Außenabmessungen der Lichtfallenstruktur, so dass das in den fingerförmigen Fortsätzen 3 eingefangene Licht die Chance besitzt, mehrere Interaktionen in den fotoaktiven Schichten 7, 8, 9, 10 einzugehen, und somit auch mehrere Chancen zur Absorption in der Solarzelle geboten wird. Einen derartigen Vorgang nennt man hierbei Photonenrecycling.

[0040] Im Idealfall wird bei einer derartigen mehrfachen Reflexion im Inneren jedes einzelnen Fingers 3 jedes einzelne Photon in den Solarzellenschichten absorbiert und erzeugt ein zum Solarzellenstrom beitragendes Elektron-Loch-Paar.

[0041] Der Aufbau der fotoaktiven Schichten 7, 8, 9, 10 ist hierbei in Fig. 2 beispielhaft dargestellt und ist in gleicher Weise jeweils auf der einem Lichteinfall entsprechenden Pfeil 4 abgewandten Oberfläche von jedem einzelnen finger- bzw. kegelstumpfförmigen Fortsatz 3 der Dünnschichtsolarzelle 1 ausgebildet. Die fotoaktive Schicht entsteht hierbei aus einer transparenten Grundelektrode 2, welche für Licht durchlässig ist, einer Mehrzahl von fotoaktiven Schichten bzw. aktiven Solarzellenschichten 7, 8, 9 und 10, welche jeweils voneinander verschiedene Wellenlängenbereiche des Anregungslichts absorbieren können. An einer äußeren Oberfläche von jedem fingerförmigen bzw. kegelstumpfförmigen Fortsatz 3 der Dünnschichtso

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AT 515 591 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt larzelle 1 ist eine reflektierende Topelektrode 11 aufgebracht, welche bewirkt, dass das Licht wiederum in das Innere des fingerförmigen Fortsatzes 3 zurück reflektiert werden kann und wodurch die Gesamtausbeute bzw. die Effizienz der Dünnschichtsolarzelle 1 deutlich gesteigert werden kann. Eine Mehrzahl von fotoaktiven Schichten 7, 8, 9, 10 kann sowohl bei organischen als auch anorganischen Dünnschichtsolarzellen 1 vorgesehen sein, wobei im Falle anorganischer Dünnschichtsolarzellen 1 als Schichten Materialien, wie zum Beispiel GaAs, Si, CdTe, CIS oder CISe vorgesehen sein können.

[0042] Fig. 3 ist der Weg des Lichts in einem fingerförmigen Fortsatz 3 gemäß Fig. 1 dargestellt. Ein Lichtstrahl 5 wird hierbei im Inneren des fingerförmigen Fortsatzes mehrfach reflektiert, so dass es im dargestellten Fall zu fünf Interaktionen mit den aktiven Solarzellenschichten 7, 8, 9, 10 kommt, wodurch die Gesamtausbeute, insbesondere Lichtausbeute einer derartigen Dünnschichtsolarzelle 1 deutlich erhöht ist.

[0043] Durch eine derartige Vorgangsweise gelingt es, einen höheren spektralen Anteil des eingestrahlten Lichts umzusetzen durch die Effizienz der Dünnschichtsolarzelle 1 um bis zu 30 % erhöht werden kann.

[0044] In Fig. 4 ist eine vergrößerte Darstellung des fingerförmigen Fortsatzes 3 gezeigt, in welchem lumineszierende Moleküle, die in Fig. 4 schematisch mit 6 bezeichnet sind, eingebettet sind. Diese lumineszierenden Moleküle 6 bzw. Materialien sind hierbei so gewählt, dass die Strahlung im kurzwelligen Bereich des Spektrums effizient absorbieren und rot verschoben im langwelligen Spektralbereich abstrahlen. Das Sonnenlicht wird hierbei, wie dies wiederum schematisch mit 5 angedeutet ist, in den fingerförmigen Fortsatz 3 eingestrahlt und ein Teil des Spektrums der im Absorptionsbereich der Lumineszenzmaterialien bzw. Lumineszenzmoleküle 6 liegt, wird absorbiert. Die aufgenommene Energie wird dann als Lumineszenzlicht isotrop emittiert und die einzelnen Photonen werden absorbiert. Wie dies in Fig. 4 ersehen werden kann, gelingt es durch das Einbetten von Lumineszenzmolekülen 6 in den fingerförmigen Fortsatz 3, dass eine noch größere Anzahl von Reflexionen in Inneren des fingerförmigen Fortsatzes 3 stattfindet, wodurch eine nahezu 100 %ige Absorption bzw. Konversion des gesamten Sonnenlichts an den lumineszierenden Molekülen 6 erzielt wird, wodurch die Effizienz noch weiter gesteigert werden kann.

[0045] Lediglich um ein Beispiel der Abmessungen der einzelnen Schichten zur Verfügung zu stellen, beträgt hierbei die Schichtstärke von jeder der fotoaktiven Schichten 7, 8, 9, 10 etwa 50 nm und die Dicken der Deckelektroden etwa 50 μm, wobei diese Schichtstärken unabhängig davon sind, ob sie an einer organischen oder anorganischen Dünnschichtsolarzelle 1 eingesetzt sind.

[0046] Zusammenfassend ist festzuhalten, dass aufgrund der fingerförmigen bzw. kegelstumpfförmigen Fortsätze 3, welche eine sogenannte Lichtfallenstruktur ausbilden, es ermöglicht wird, dass das eingefangene Licht mehrere Interaktionen mit den fotoaktiven Schichten 7, 8, 9, 10 eingeht und somit mehrere Chancen zur Absorption in der Dünnschichtsolarzelle 1 gegeben sind, wobei im Idealfall jedes einzelne, zur Verfügung stehende, in der Lichtfalle gefangene Photon das in den aktiven Solarzellenschichten 7, 8, 9, 10 absorbiert wird, ein zum Zellstrom beitragendes Elektron-Loch-Paar ausbildet.

[0047] Weiterhin gelingt es durch den Einsatz der Lumineszenzkonversion mit Hilfe von lumineszierenden Molekülen 6, welche ebenfalls in den fingerförmigen Fortsätzen 3 eingebettet sind, effiziente und breitbandige Nutzung des Sonnenlichts zu erreichen. Mit einer derartigen Vorgangsweise kann das Problem der häufig schlecht an das Sonnenspektrum angepassten Absorption organischer Halbleitermaterialien gelöst werden. Schließlich ist festzuhalten, dass ein weiterer Vorteil eines derartigen Aufbaues einer Dünnschichtsolarzelle 1 die Lebensdauer derselben betrifft, da ein wesentlicher schädigender Einfluss der zur Zersetzung der organischen Kunststoffe beiträgt, das Sonnenlicht selbst ist. Der hoch energetische UV-Anteil im Sonnenlicht führt zu einer vorzeitigen Degradation der organischen Halbleitermaterialien, wohingegen bei erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarzellen 1 durch den Einbau von lumineszierenden Materialien 6, die den UV-Anteil des Sonnenlichts absorbieren und die Solarzelle mit der

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AT 515 591 B1 2019-11-15 österreichisches patentamt „rot verschobenen“ Emission bestrahlen, welche für organische Materialien bedeutend besser verträglich sind, die Lebensdauer derartiger Dünnschichtsolarzellen 1 gegenüber herkömmliche Solarzellen deutlich verlängert ist.

Claims (14)

1. Dünnschichtsolarzelle (1), umfassend auf einem strukturierten Substrat eine transparente Grundelektrode, wenigstens eine aktive Solarzellenschicht sowie eine Deckelektrode (11), wobei das strukturierte Substrat auf einer einem Lichteinfall abgewandten Seite eine Mehrzahl, insbesondere ein Array von im Wesentlichen unmittelbar aneinander anschließenden Fortsätzen aufweist, die Grundelektrode die wenigstens eine aktive Solarzellenschicht sowie die Deckelektrode (11) auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite der Dünnsichtsolarzelle (1) festgelegt sind und dass die Deckelektrode (11) als reflektierende Deckelektrode (11) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Fortsätze (3) wenigstens eine dem 3-fachen Durchmesser der Grundfläche entsprechende, eine eingestrahltes Licht mehrfach reflektierende Höhe aufweist.

2. Dünnschichtsolarzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fortsätze einen Abstand a von 0 < a < Durchmesser der Grundfläche der Fortsätze aufweisen.

3. Dünnschichtsolarzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fortsätze eine finger- bzw. kugelstumpfförmige Form (3) aufweisen.

4. Dünnschichtsolarzelle (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die fingerförmigen bzw. kegelstumpfförmigen Fortsätze (3) des Substrats lichtstreuende Partikel (6) eingebettet sind.

5. Dünnschichtsolarzelle (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als lichtstreuende Partikel (6), insbesondere auf organischen Farbstoffen basierende, insbesondere Perylen, Rhodamin oder Coumarin, oder auf vorzugsweise aus halbleitenden Materialien bestehenden, insbesondere Cadmiumselenid, Zinkoxid, oder auch Phosphoren, basierend auf mit Ionen der seltenen Erden dotierten Quantenpunkten bzw. QDs, eingebettet sind.

6. Dünnschichtsolarzelle (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenpunkte aus Ce-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) gebildet sind.

7. Dünnschichtsolarzelle (1) nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von untereinander verschiedenen lumineszierenden Partikeln (6) in das Substrat eingebettet ist und dass die Mehrzahl von untereinander verschiedenen lumineszierenden Partikeln (6) in einem Wellenlängenbereich von wenigstens 300 bis 1200 nm, gegebenenfalls bis 1800 nm absorbieren und einen Wellenlängenbereich der Absorption der Solarzelle (1) emittieren.

8. Dünnschichtsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat 0,001 bis 5 Vol% lumineszierende Teilchen (6) enthält.

9. Dünnschichtsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Solarzellenschicht (7, 8, 9, 10) eine oder mehrere Absorptionsbanden im Wellenlängenbereich von 300 nm, wenigstens jedoch 650 nm bis 1800 nm aufweist.

10. Dünnschichtsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei untereinander verschiedene Solarzellenschichten (7, 8, 9, 10) vorgesehen sind.

11. Dünnschichtsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Solarzellenschichten (7, 8, 9, 10) organische Solarzellenschichten, insbesondere Schichten aus Phthalocyaninen und Fullerene, eingesetzt sind.

12. Dünnschichtsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellenschichten (7, 8, 9, 10) auf der Oberfläche der aneinander anschließenden Fortsätze (3) aufgebracht sind.

13. Dünnschichtsolarzelle (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicke der Solarzellenschichten (7, 8, 9, 10) zu jener der Fortsätze (3) etwa 1:1000 beträgt.

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14. Dünnschichtsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Wirkungsgrad bis zu 80 % aufweist.