DE102006062448A1 - Photovoltaic module with thin electrode- and silicon layers, for solar energy collection, includes high-refraction glass or glass-ceramic converter plate containing specified dopants - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Photovoltaik-Modul umfassend eine Elektrodenschicht, insbesondere Dünnschichtsilizium und eine Konverterplatte aus dotiertem Glas und/oder dotierter GlaskeramikThe The present invention relates to a photovoltaic module comprising an electrode layer, in particular thin-film silicon and a converter plate of doped glass and / or doped glass-ceramic
Die Verwendung von Solarenergie als alternative Energiequelle nimmt angesichts der Rohstoffknappheit einen immer höheren Stellenwert ein. Allerdings ist die Solarenergie im Vergleich zu fossilen Brennstoffen relativ teuer.The Use of solar energy as an alternative source of energy decreases in view of the scarcity of raw materials an ever higher priority one. However, solar energy is relative to fossil fuels expensive.
Beim Einsatz einer Photovoltaik-Anlage wird Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt. Diese Anlagen werden mittlerweile auf der ganzen Welt zur Stromerzeugung eingesetzt und finden Anwendungen auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, an Schallschutzwänden und auf Freiflächen.At the Use of a photovoltaic system turns solar energy into electric Energy converted. These equipments are meanwhile on the whole World used for power generation and find applications on roofs, at parking ticket machines, at noise barriers and on Open spaces.
Im Stand der Technik sind Photovoltaik-Module mit verschiedenen Sonnenkonvertern bekannt. So wird beispielsweise ein Sonnenkonverter bzw. Sonnenkonzentrator zur Erhöhung der solaren Absorption und zum Energietransfer mittels Lumineszenz in dem roten Spektralbereich eingesetzt, in dem das Silizium bereits eine nahezu perfekte Effizienz zeigt.in the State of the art are photovoltaic modules with different solar converters known. For example, a solar converter or solar concentrator to increase solar absorption and energy transfer used by luminescence in the red spectral region, in the silicon already shows a nearly perfect efficiency.
Der Sonnenkonverter besteht dabei entweder aus einer dünnen Plexiglasscheibe, die mit organischen Farbmitteln oder anorganischen Halbleiterquantendots dotiert ist. Zur möglichst vollständigen Absorption im sichtbaren Bereich werden mehrere Farbmittel mit jeweils unterschiedlichen Absorptionsbereichen untersucht. Ein Problem dabei liegt darin, dass die Emissions- und Anregungsbanden der Farbmittel spektral übereinstimmen müssen, da anderenfalls Energie strahlungslos konvertiert wird.Of the Solar converter consists of either a thin one Plexiglas pane containing organic colorants or inorganic Semiconductor quantum dots is doped. To the fullest possible Visible absorption will be multiple colorants with each investigated different absorption areas. A problem with it lies in the fact that the emission and excitation bands of the colorants spectrally agree otherwise Energy is converted without radiation.
Auch gibt es noch keine Phosphore/Leuchtstoffe für den NIR- und IR-Bereich mit relativer Quantenausbeute > 50%, was zur Vermeidung von Selbstabsorption notwendig ist. Dies liegt an der Hydrolyse-Empfindlichkeit dieser Farbmittel. Des Weiteren sind dem Grunde nach nur Brechwerte in einem Bereich von 1.40 bis 1.45 möglich, so dass hohe Reflexionsverluste in Kauf zu nehmen sind.Also are there still no phosphors / phosphors for the NIR and IR range with relative quantum efficiency> 50%, which helps to avoid self-absorption necessary is. This is due to the hydrolysis sensitivity of these Colorant. Furthermore, basically only refractive indices are in a range of 1.40 to 1.45 possible, so that high reflection losses are to be accepted.
Bei einem weiteren System vom Stand der Technik, welches als Hybridsystem bezeichnet wird, wird ein Mehrschichtsystem aus ITO, TiO2 und porösem TiO2 zum Einbringen der organischen Leuchtstoffe (Leuchtstoffe von Evidentec, d. i. Hersteller von Fluoreszenzmarken) über Diffusion bereitgestellt.Another prior art system, referred to as a hybrid system, provides a multilayer system of ITO, TiO 2 and porous TiO 2 for incorporation of the organic phosphors (phosphors from Evidentec, the manufacturer of fluorescent labels) via diffusion.
Auch ist es bekannt, Absorberantennen auf Basis von mit organischen Farbmitteln dotiertem Zeolith und texturierte Absorberplatten aufzubringen.Also it is known absorber antennas based on organic colorants doped zeolite and textured absorber plates apply.
Ferner werden zur Fokussierung des gesamten Sonnenspektrums bis zum Faktor 300–400 Mikrolinsenarrays (Fa. ISOFOTON, Spanien) verwendet. Dabei ist jedoch zur Zeit nur eine Fokussierung des sichtbaren Spektralbereiches möglich.Further become the focus of the entire solar spectrum up to the factor 300-400 microlens arrays (ISOFOTON, Spain). At the moment, however, there is only one focus of the visible spectral range possible.
Ein Degradierungsschutz soll durch Verwendung von Deckglas mit UV-Kante bei ca. 380 nm erreicht werden.One Degradation protection is intended by using cover glass with UV edge be reached at about 380 nm.
Die Nachteile des Standes der Technik liegen darin, dass nahezu ausschließlich Kunststoffe verwendet werden. Bei Kunststoffen kann es infolge der hohen Sonnenlichtkonzentration durch Erwärmung zu einer Degradation der Kunststoffe und darüber hinaus zu Langzeitschäden kommen. Zudem ist der Energietransfer nicht im gesamten Spektralbereich optimal (rot fluoreszierende Dyes).The Disadvantages of the prior art are that almost exclusively Plastics are used. In plastics, it may be due to the high sunlight concentration due to heating to a degradation of plastics and beyond to long-term damage come. In addition, the energy transfer is not in the entire spectral range optimal (red fluorescent Dyes).
So
wurde im Stand der Technik bereits vorgeschlagen, Kunststoffe durch
ein Glas oder eine Glaskeramik zu substituieren. Die
Die
Eine
Solarkonzentratorplatte mit einem darin eingearbeiteten Farbstoff
ist aus der
In
der
Weitere dem Stand der Technik zu entnehmende fluoreszierende Materialien aus Glas/Glaskeramik sind oxidische Glas- oder Glaskeramiken mit Dotierungen aus Yb, Nd und Cr. Der Dotiergrad liegt dabei im Bereich 0.5–10 Gew.-% für Yb und Nd und im Bereich von 0.005–0.8 Gew.-% für Cr. Dabei werden die Dotiergrade hinsichtlich Konzentrationsquenching, minimaler Überlagerung von Anregungs- und Emissionsbanden optimal angepasst.Further prior art fluorescent materials made of glass / glass ceramic are oxidic glass or glass ceramics with Dopants of Yb, Nd and Cr. The doping level is in the range 0.5-10 wt .-% for Yb and Nd and in the range of 0.005-0.8 wt% for Cr. At the same time, the doping levels become in terms of concentration quenching, minimal overlay optimally adjusted by excitation and emission bands.
Chrom dient dabei als Sentisizer, d. h. als Verstärker infolge Energietransfers auf die Yb- und Nd-Ionen. Die Absorption erfolgt in der Regel bei 400–800 nm und die Emission bei 800–1200 nm. Als Basismaterial wird Silikat, Borat oder Phosphatglas verwendet. Das Fluoreszenzlicht wird dabei an den Seitenflächen des Konverters und der Frontflächen gesammelt. Die Witterungs- und Solarisationsbeständigkeit wird durch UV-blockendes Abdeckglas erhöht.chrome serves as sentizer, d. H. as an amplifier due Energy transfers to the Yb and Nd ions. The absorption takes place usually at 400-800 nm and emission at 800-1200 nm. The base material used is silicate, borate or phosphate glass. The fluorescent light is thereby on the side surfaces of the converter and the front surfaces collected. The weathering and solarization resistance is increased by UV-blocking cover glass.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Photovoltaik-Modul mit einer Konverterplatte bereitzustellen, mit der Reflexionsverluste vermindert werden.Of the The present invention is based on the object, a photovoltaic module to provide with a converter plate, with the reflection losses be reduced.
Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.The Invention has the solution to this problem in the claim 1 specified characteristics. Advantageous embodiments thereof are given in the further claims.
Erfindungsgemäß wird ein Photovoltaik-Modul umfassend eine Elektrodenschicht, insbesondere Dünnschichtsilizium und eine Konverterplatte bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Konverterplatte aus dotiertem Glas oder Glaskeramik einen Brechungsindex n mit n ≥ 1,5 aufweist und mit zumindest einem Buntmetall und/oder zumindest einem Seltenerd-Metall dotiert ist.According to the invention a photovoltaic module comprising an electrode layer, in particular thin-layer silicon and a converter plate, characterized is that the converter plate made of doped glass or glass ceramic has a refractive index n with n ≥ 1.5 and at least one Non-ferrous metal and / or at least a rare earth metal is doped.
Bei
der Untersuchung von glasbasierten Fluoreszenz-Referenzmaterialien
hinsichtlich Abregung, Emission, Quantenausbeute und UV-Stabilität
wurde überraschend festgestellt, dass insbesondere Lanthanphosphatgläser
geeignete Eigenschaften zur Konversion besitzen:
Dabei ist
zunächst der höhere Brechwert von n > 1.5 zu nennen. Kunststoffe
weisen im Vergleich einen Brechwert im Bereich von 1.4 ≤ n ≤ 1.45
auf.In the investigation of glass-based fluorescence reference materials with regard to depletion, emission, quantum yield and UV stability, it was surprisingly found that, in particular, lanthanum phosphate glasses have suitable conversion properties:
First, the higher refractive index of n> 1.5 should be mentioned. Plastics have a refractive index in the range of 1.4 ≤ n ≤ 1.45 in comparison.
Der Brechwert wird unter anderem durch das spezifische Ionengewicht der synthetisierten Elemente angegeben, d. h. Brechwert n ∝ Zn, n = 0.5 bis 2. Optisches Glas vom Typ N-PK52a enthält 18–19% Barium und 17–18% Strontium. Der so eingestellte Brechwert liegt bei nd (589 nm) = 1.495. Ein weiteres Beispiel ist das opt. Glas LF5, das 32–34% PbO enthält und einen Brechwert von mehr als 1.58 bei 589 nm aufweist.The refractive index is given among other things by the specific ion weight of the synthesized elements, ie refractive index n α Zn, n = 0.5 to 2. Optical glass of the type N-PK52a contains 18-19% barium and 17-18% strontium. The refractive index thus set is n d (589 nm) = 1.495. Another example is the opt. Glass LF5, which contains 32-34% PbO and has a refractive index of more than 1.58 at 589 nm.
Alternativ können auch LAS-Glaskeramik Materialien (Brechwert > 1.57) verwendet werden, in denen mehr als 5% Zirkonoxid enthalten ist.alternative can also be used LAS glass-ceramic materials (refractive index> 1.57), containing more than 5% zirconia.
Eine weitere Steigerung der Brechwerte wird durch eine höhere Dichte ρ des Glases erreicht, da n ∝ ρ ist. Dieses wird durch eine Erhöhung des Fluorgehaltes gegenüber dem Sauerstoffgehalt erreicht, wobei durch die eingebauten Fluorionen eine höhere molare Bindung erreicht wird.A further increase in refractive power is due to a higher Density ρ of the glass achieved, since n α ρ. This is offset by an increase in fluorine content reached the oxygen content, with the built-in fluorine ions a higher molar bond is achieved.
Die Oberflächen-Reflexionsverluste werden durch den Einsatz von erfindungsgemäßen Glas bzw. Glaskeramiken deutlich vermindert.The Surface reflection losses are due to the use of glass or glass ceramics according to the invention significantly reduced.
Die erfindungsgemäße Konverterplatte ist mit Buntmetallen und/oder Seltenerd-Metallen dotiert. Die Buntmetalle werden dabei ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus MnO2, CrO3, NiO und/oder einer Kombination davon.The converter plate according to the invention is doped with non-ferrous metals and / or rare earth metals. The non-ferrous metals are selected from the group consisting of MnO 2 , CrO 3 , NiO and / or a combination thereof.
Die Seltenerd-Metalle werden ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus zwei- bzw. dreiwertigen Oxiden und Fluoriden von Samarium, Europium, Thulium, Terbium, Yttrium und Ytterbium und/oder einer Kombination davon.The rare earth metals are selected from the group consisting of divalent or trivalent oxides and fluorides of samarium, europium, thulium, terbium, yttrium and ytterbium and / or a com combination of it.
Bevorzugt
ist es, dass die Glaszusammensetzung ausgewählt ist aus
einen der folgenden Glaszusammensetzungen: a) Typ N-PK52A
Ferner ist es zur Erhöhung der Witterungs- und Solarisationsbeständigkeit bevorzugt, dass das Photovoltaik-Modul ferner ein Abdeckglas mit UV-Blockung umfasst.Further it is to increase the weathering and solarization resistance preferred that the photovoltaic module further comprises a cover glass Includes UV blocking.
Das Abdeckglas enthält dabei TiO2 in einen Anteil von 0,05–0,5 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Abdeckglases.The cover glass contains TiO 2 in a proportion of 0.05-0.5 wt .-%, based on the total amount of the cover glass.
Auch bevorzugt ist es, dass der Wassergehalt weniger als 40 mmol/l, bevorzugt weniger als 10 mmol/l, besonders bevorzugt weniger als 1 mmol/l beträgt. Dadurch werden die optischen Eigenschaften verbessert.Also it is preferred that the water content is less than 40 mmol / l, preferably less than 10 mmol / l, more preferably less than 1 mmol / l is. This improves the optical properties.
Durch die Reduzierung des Wassergehaltes wird die Transmission im für das solare Spektrum relevanten NIR-Bereich (850–3000 nm), insbesondere bei 1400 und 2700 nm, verbessert. Dies führt zu einer Reduzierung der Photonenanregung, die wiederum eine Reduzierung der Quantenausbeute der Fluoreszenz bewirken würde.By reducing the water content, the transmission in the relevant for the solar spectrum NIR range (850-3000 nm), in particular at 1400 and 2700 nm, improved. This leads to a reduction of the photon excitation, which in turn be a reduction in the quantum yield of fluorescence be would work.
Auch ist es bevorzugt, dass Nanokristalle mit einer Größe von kleiner 200 nm enthalten sind. Denn durch die Größe der erzeugten Nanokristalle in der Glaskeramik sind optische Eigenschaften wie Absorption und diffuse Streuung über die Prozessführung gezielt einstellbar. Die Nanokristalle können auch kleiner als 50 nm oder kleiner als 30 nm oder kleiner als 10 nm sein.Also It is preferred that nanocrystals with a size of less than 200 nm are included. Because of the size The generated nanocrystals in the glass-ceramic are optical properties such as absorption and diffuse scattering via the process control specifically adjustable. The nanocrystals can also be smaller than 50 nm or less than 30 nm or less than 10 nm.
Auch ist eine Konzentrierung des konvertierten Sonnenlichtes möglich, da die Fluoreszenzemission isotrop abstrahlt. Des Weiteren ist ein Konzentrationsquenching über die Bestimmung des Emissions-Abklingverhaltens vermeidbar.Also is a concentration of the converted sunlight possible, because the fluorescence emission radiates isotropically. Furthermore, one is Concentration quenching via the determination of the emission decay behavior preventable.
Weitere Vorteile der Verwendung der erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen werden nachfolgend angegeben.Further Advantages of using the invention Glass compositions are given below.
Bei dreiwertigen Seltenen Erd Ionen sind Dotiergrade bis zu 3 Gew.-% z. B. für Sm2O3, möglich, ohne dass sich die Abklingzeiten der Emissionen ändern. Dies liegt daran, dass optisch verbotene Übergänge angeregt werden.For trivalent rare earth ions doping levels up to 3 wt .-% z. As for Sm 2 O 3 , possible without changing the decay times of the emissions. This is because optically forbidden transitions are excited.
Bei den zweiwertigen Seltenen Erd Ionen und Buntmetall-Ionen ist dieser Grenzwert geringer, da hier optisch erlaubte Übergänge angeregt werden. Beispiele: Cr2O3: 0.25 Gew.-%, NiO: 0.05 Gew.-%, MnO2: 1.2 Gew.-%.In the case of bivalent rare earth ions and non-ferrous metal ions, this limit value is lower since optically permissible transitions are excited here. Examples: Cr 2 O 3 : 0.25 wt .-%, NiO: 0.05 wt .-%, MnO 2 : 1.2 wt .-%.
Es wurde neue Sentizizer-Ionen (Nickel, Mangan) gefunden, die eine Erweiterung des Absorptionsbereiches auf 380 nm erlauben, da hier wieder optisch erlaubte Übergänge genutzt werden.It New Sentizizer ions (nickel, manganese) were found, the one Allow extension of the absorption range to 380 nm, since here again optically allowed transitions are used.
Auch
ist eine höhere Variation des Gesamt-Dotiergrades über
die in der
Die
erfindungsgemäßen Gläser/Glaskeramiken
sind solarisationsstabiler als die in der
Die verwendeten optisch reinen Rohstoffe, z. B. der Firma Treibacher, enthalten max. 5 ppm CeO2, 10 ppm Nd2O3 und 5 ppm Fe2O3.The optically pure raw materials used, for. B. Treibacher, contain max. 5 ppm CeO 2 , 10 ppm Nd 2 O 3 and 5 ppm Fe 2 O 3 .
Reinere Rohstoffe (Fa. CERAC) haben einen Level von jeweils 2 ppm. Bei hochreinen Rohstoffen (Fa. Merck) liegen diese Werte sogar unterhalb von 0.5 ppm.cleaner Raw materials (CERAC) have a level of 2 ppm each. For high purity Raw materials (Merck), these values are even below 0.5 ppm.
Der Wassergehalt ist durch wasserfreie Rohstoffe und Zugabe von Läutermitteln (z. B. As2O3) kontrollierbar.The water content can be controlled by anhydrous raw materials and the addition of refining agents (eg As 2 O 3 ).
Die Solarisationseigenschaften durch Verwendung von reinen Rohstoffen mit einem Eisengehalt kleiner 200 gew-ppm, bevorzugt kleiner 50 gew-ppm, besonders bevorzugt kleiner 10 gew-ppm wird verbessert.The Solarization properties by using pure raw materials with an iron content of less than 200 ppm by weight, preferably less than 50 wt ppm, more preferably less than 10 wt ppm is improved.
Bevorzugt ist es, dass der Dotiergrad so gewählt wird, dass kein Konzentrationsquenching auftritt. Ein Konzentrationsquenching tritt auf, wenn das angeregte fluoreszierende Ion eine geringere Abklingzeit (oder Lifetime) dadurch bekommt, dass ein benachbartes Ion der gleichen oder ähnlichen Spezies „gestört" wird. Diese Störung äußert sich in der Absorption des angeregten Niveaus oder in einer Energieniveauaufspaltung durch die zusätzliche Zerfallskanäle entstehen, die zu einem messbar schnelleren Abklingen der Fluoreszenz führen.Prefers it is that the doping degree is chosen so that no Concentration quenching occurs. A concentration quenching occurs when the excited fluorescent ion has a lower cooldown (or Lifetime) gets that by having an adjacent ion of the same or similar species is "disturbed." This Disorder manifests itself in absorption of the excited level or in an energy level decomposition the additional decay channels arise, the lead to a measurably faster decay of fluorescence.
Die Bestimmung, ob ein Konzentrationsquenching auftritt, erfolgt demnach über die Bestimmung der Abklingzeit. Ein solches Equipment wird von den Firmen Horiba/IBH und Pigiquant angeboten. Die in dieser Arbeit angegebenen Werte für die Abklingzeiten wurden mit diesen beiden Diagnostiken bestimmt. In der Zeichnung sind die Abklingzeiten für Dotierungen mit Mangan (Mn2 +) und Chrom (Cr3 +) für verschiedene Einzel-Dotiergrade gezeigt. Darüber hinaus ist am Beispiel einer Probe mit 2 Dotierungen (Mangan und Chrom) gezeigt, dass hier die Zugabe einer weiteren Dotierung nicht zu einem Quenching der Fluoreszenz führt.The determination of whether concentration quenching occurs is therefore based on the determination of the decay time. Such equipment is offered by the companies Horiba / IBH and Pigiquant. The cooldown values given in this work were determined using these two diagnostics. In the drawing, the decay times for doping with manganese (Mn 2+) and chromium (Cr + 3) are shown for various single-Dotiergrade. In addition, the example of a sample with 2 dopants (manganese and chromium) shows that the addition of a further doping does not lead to a quenching of the fluorescence.
Die Vermeidung von Quenching ist sicherzustellen, da die Licht- bzw. Quantenausbeute direkt proportional zur Abklingzeit ist.The Avoiding quenching is to be ensured as the light or Quantum yield is directly proportional to the cooldown.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung sowie der Ausführungsbeispiele.Further Details, advantages and features of the invention do not arise only from the claims, the features to be taken from them - for itself and / or in combination - but also from the following Description of the drawing and the embodiments.
Es zeigen:It demonstrate:
In
den Fig. ist rein prinzipiell der Energietransfer von UV nach NIR
durch Dotierung des Glases des Typs N-PK52A mit Mn2 +- bzw. Cr3+-Ionen
zu entnehmen. Die in der
Nachstehend
sind die verschiedenen Glastypen mit unterschiedlichen Dotierungen
und Dotiergraden und die Abklingzeiten für Dotierungen
mit Chrom und Mangan angegeben.
Man erkennt, dass eine Reduktion der Abklingzeiten bei den untersuchten Gläsern erst ab 5 einer Chrom-Konzentration von 2500 ppm (0.25%) auftritt. Bei Mangan liegt dieser Wert sogar bei 1.25%. Dieser Grenzwert scheint unabhängig überraschend von der Glaszusammensetzung der untersuchten Gläser zu sein. Von silikatischen Glasmatrizes ist bekannt, dass ein Quenching schon ab 1000 ppm auftreten kannyou realizes that a reduction in cooldowns in the examined Glasses only from 5 to a chromium concentration of 2500 ppm (0.25%) occurs. For manganese, this value is even 1.25%. This limit seems to be independently surprising from the glass composition of the examined glasses. From silicate glass matrices it is known that quenching already can occur from 1000 ppm
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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