DE102007054323A1 - Photovoltaic device for use in solar system, has optical structure reflecting radiation deflected from hologram structure, and another optical structure reflecting solar radiation reflected from former optical structure - Google Patents
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Abstract
Description
Die
Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung nach dem Oberbegriff
des beigefügten Anspruchs 1, wie sie aus dem Dokument
Im Bereich der Nutzung der Solarenergie ist ca. seit 50 Jahren bekannt, dass Sonnenenergie durch Silizium in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Bei den heute üblichen Solarzellen wird meist mono- oder multikristallines Silizium verwendet. Diese Solarzellen wandeln allerdings nur ein Teilspektrum der auftreffenden Strahlung in elektrischen Strom um.in the Area of use of solar energy has been known for about 50 years, that solar energy is converted by silicon into electricity can. In today's standard solar cells, mostly mono- or multicrystalline silicon. These solar cells are transforming However, only a partial spectrum of the incident radiation in electrical Electricity around.
Häufig werden auch Dünnschichtsolarzellen zur Umwandlung der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrischen Strom verwendet.Often are also thin-film solar cells to convert the incident Solar radiation used in electricity.
Eine sehr hohe Effizienz mit über 39% Umwandlung der Sonnenstrahlung ist in den letzten Jahren mit Hochleistungs-PV-Zellen aus höherwertigen Halbleiterverbindungen (vorzugsweise aus III-IV-Halbleitermaterial) wie z. B. GalliumArsenid (GaAs) erzielt worden.A very high efficiency with over 39% conversion of solar radiation has been using high performance PV cells from higher value semiconductor interconnects in recent years (Preferably from III-IV semiconductor material) such. B. Gallium Arsenide (GaAs) achieved.
Solche Zellen auf Halbleitermaterialbasis können stufenartig als Tandem- oder Tripelzellen aufgebaut werden und nutzen dadurch ein breiteres Licht-Frequenzspektrum.Such Semiconductor-based cells can be used in steps Tandem or triple cells are built and thus use a wider light frequency spectrum.
Die
großflächige Produktion solcher Zellen ist jedoch
sehr kostenintensiv. Wie aus dem Dokument
Da nur die Verbindung mehrerer Photovoltaik-Vorrichtungen einen wirtschaftlichen Einsatz dieser ermöglicht, werden solche Photovoltaik-Vorrichtungen vorzugsweise zu einer Solaranlage zusammengefasst.There only the connection of several photovoltaic devices an economic Use of this allows such photovoltaic devices preferably combined to form a solar system.
Bei einer solchen Photovoltaik-Vorrichtung, bei der das einfallende Sonnenstrahlung jeweils mittels eines optischen Elements auf die sehr kleine Fläche mindestens einer zugeordneten Solarzellen konzentriert wird, kommt noch hinzu, dass eine Ableitung der entstehenden Wärme an der Solarzelle notwendig ist.at Such a photovoltaic device in which the incident Sun radiation in each case by means of an optical element on the very small area of at least one associated solar cell is concentrated, is added that a derivative of the resulting Heat is required at the solar cell.
Üblicherweise kann von den eingesetzten Solarzellen nur ein Teil der einfallenden Strahlung in Strom umgewandelt werden. Die umwandelbare Sonnenstrahlung weist Wellenfrequenzen ν auf, deren Photonenenergie hν über der Energielücke der in den Solarzellen eingesetzten Halbleitermaterialien liegt. Dieser von den Solarzellen nutzbare Teil der Strahlung ist eher kurzwellig.Usually Of the solar cells used, only part of the incident can be used Radiation can be converted into electricity. The convertible solar radiation has wave frequencies ν whose photon energy hν over the energy gap of the semiconductor materials used in the solar cells lies. This part of the radiation that can be used by the solar cells is more likely short wave.
Der Teil der einfallenden Sonnenstrahlung, der von der Solarzellen nicht in Strom umgewandelt wird, ist eher langwellig und macht sich als Wärme bemerkbar.Of the Part of the incident solar radiation, not from the solar cells is converted into electricity, is rather longwave and turns out to be Heat noticeable.
Zum
Schutz der Solarzellen vor äußeren Einflüssen
werden diese wie z. B. im Dokument
Es ist bekannt, Wärme, die beim Betrieb der Solarzellen entsteht oder durch die einfallende Wärmestrahlung verursacht wird, an die Umgebung direkt mittels Luftkühlung oder über Kühlkörper abzuleiten.It is known, heat that arises during operation of the solar cells or caused by the incident heat radiation, to the environment directly by means of air cooling or over Dissipate heat sink.
Die bisher üblicherweise eingesetzten Linsensysteme haben ein hohes Gewicht, was zu einer erschwerten Nachführung und zu erhöhten Herstellungskosten wegen der großen eingesetzten Materialmengen führt.The Previously commonly used lens systems have a heavy weight, resulting in a difficult tracking and to increased production costs because of the large used amounts of material leads.
Weiterhin
ist es wie z. B. aus dem Dokument
Aus
dem Dokument
Nachteilig ist bei bekannten Solarmodulen oder Photovoltaik-Vorrichtungen, dass die darin verwendeten Solarzellen jeweils sehr genau auf der optischen Achse und/oder in dem Fokus des zugeordneten konzentrierenden optischen Elements positioniert werden müssen, welches die einfallende Sonnenstrahlung auf die kleinere Fläche dieser konzentriert. Die dabei üblicherweise eingesetzten Linsensysteme haben ein hohes Gewicht, was zu einer erschwerten Nachführung an die Sonne und zu erhöhten Herstellungskosten wegen der großen eingesetzten Materialmengen führt.adversely is in known solar modules or photovoltaic devices, that the solar cells used in each case very precisely on the optical axis and / or in the focus of the associated concentrating optical element must be positioned, which the incident solar radiation on the smaller area this one is concentrated. The usually used Lens systems have a high weight, resulting in a difficult Follow-up to the sun and increased production costs because of the large amounts of material used.
Ein
optisches Element mit mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle
ist aus dem Dokument
Durch die Anbringung von der mindestens einer Solarzelle auf einer Seitenfläche eines zugeordneten ersten optischen Elements ist der Aufbau einer solchen Photovoltaik-Vorrichtung gegenüber dem Aufbau einer Photovoltaik-Vorrichtung mit optischen Elementen, die die einfallenden Sonnenstrahlung jeweils auf an ihrer der Sonne abgewandten Seite angebrachte Solarzellen bündeln, erleichtert. Bei einer solchen PV-Vorrichtung entfällt der konstruktionelle Aufwand, der bei den üblichen Systemen durch die dabei erforderliche, sehr genaue Positionierung der Solarzellen auf der optischen Achse und/oder im Fokus des zugeordneten optischen Elements auftritt.By the attachment of the at least one solar cell on a side surface an associated first optical element is the structure of such Photovoltaic device over the structure of a photovoltaic device with optical elements that reflect the incident solar radiation respectively on on its side facing away from the sun solar cells bundle, relieved. In such a PV device eliminates the design effort, with the usual Systems by the required, very accurate positioning the solar cells on the optical axis and / or in the focus of the associated optical element occurs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Photovoltaik-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1, so aufzubauen, dass eine die Effizienzerhöhung einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erreicht wird und eine Überhitzung der darin eingesetzten Solarzellen vermieden wird. Auch betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren dafür und eine Solaranlage mit erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtungen.Of the Invention is based on the object, a photovoltaic device according to the preamble of the attached Claim 1, to be built so that an increase in efficiency such a photovoltaic device according to the invention is achieved and overheating of the used therein Solar cells is avoided. The invention also relates to a production process for and a solar system with inventive Photovoltaic devices.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Photovoltaik-Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.to Solution of the problem proposes the invention a Photovoltaic device having the features mentioned in claim 1 in front. Advantageous embodiments can be found in the dependent Claims.
Die erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie weist mindestens ein erstes optischen Element und mindestens eine dem ersten optischen Element zugeordnete und an diesem seitlich angebrachte Solarzelle auf, wobei das erste optische Element mindestens eine erste Hologrammstruktur umfasst, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in mindestens einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich in Richtung der mindestens einen Solarzelle umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.The photovoltaic device according to the invention for the direct conversion of solar energy into electrical energy has at least one first optical element and at least one solar cell assigned to the first optical element and laterally attached thereto, wherein the first optical element comprises at least one first hologram structure which under one determined angle particular vertical incident solar radiation in at least one of the solar cell in the current convertible spectral range in the direction of at least one solar cell deflects and sonsti ge solar radiation passes.
An der der Sonne abgewandten Seite der ersten Hologrammstruktur ist mindestens eine Lichtumwandlerschicht zum Verschieben der auf sie auftreffende Sonnenstrahlung in einem eher langwelligen von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbaren Spektralbereich zu kürzeren Wellenlängen vorhanden.At the side of the first hologram structure facing away from the sun at least one light converter layer for shifting the on it incident solar radiation in a rather long-wave of the Solar cell does not turn into electricity convertible spectral range to shorter Wavelengths available.
So kann die von der ersten Hologrammstruktur durchgelassene Sonnenstrahlung die Lichtumwandlerschicht erreichen und von dieser zu einem Teilspektrum verschoben werden, das von der Solarzelle in Strom umwandelbar ist.So may be the solar radiation transmitted by the first hologram structure reach the light converter layer and from this to a partial spectrum be moved, which is convertible from the solar cell into electricity.
Auf der der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht sind eine erste optische Struktur zum Reflektieren der von der ersten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung und eine zweite optische Struktur zum Reflektieren der an der ersten optischen Struktur reflektierten Sonnenstrahlung vorhanden.On the sun-facing side of the light converter layer are one first optical structure for reflecting the first hologram structure redirected solar radiation and a second optical structure for Reflect the reflected at the first optical structure Solar radiation available.
Durch die ersten und der zweiten optischen Strukturen wird die von der ersten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung wiederholt nacheinander reflektiert und so der Solarzelle zugeleitet.By the first and the second optical structures will be those of the first hologram structure deflected solar radiation repeatedly in succession reflected and so the solar cell fed.
Auf der der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht sind eine zweite Hologrammstruktur, die die mittels der Lichtumwandlerschicht zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlung in Richtung der Solarzelle umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt, eine dritte optische Struktur zum Reflektieren der von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Strahlung und eine vierte optische Struktur zum Reflektieren der von der dritten optischen Struktur reflektierte Sonnenstrahlung vorhanden.On the side of the light converter layer facing away from the sun are one second hologram structure using the light converter layer Solar radiation shifted to shorter wavelengths deflected in the direction of the solar cell and other solar radiation transmits, a third optical structure for reflecting the deflected by the second hologram structure and a radiation fourth optical structure for reflecting the third optical Structure reflected solar radiation available.
Durch die zweite Hologrammstruktur wird so die von der Lichtumwandlerschicht verschobene Sonnenstrahlung zu einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich in Richtung der Solarzelle umgelenkt. Die von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung wird dann durch wiederholte Reflektion an der dritten und an der vierten optischen Strukturen der Solarzelle zugeleitet.By the second hologram structure thus becomes that of the light converter layer shifted solar radiation to one of the solar cell in electricity convertible spectral range in the direction of the solar cell. The solar radiation deflected by the second hologram structure is then repeated by reflection on the third and on the fourth optical structures of the solar cell fed.
Bekanntlich wandeln Solarzellen den Teilspektrum der auf sie einfallenden Sonnenstrahlung, den sie nicht in elektrische Energie umwandeln können, in Wärme um. Durch das Vorhandensein der Lichtumwandlerschicht wird nur Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Spektrum auf diese umlenkt und so eine unerwünschte Erhöhung der Temperatur der Solarzellen vermieden. Da der Wirkungsgrad einer Solarzelle mit einer Erhöhung der Temperatur dieser sinkt, wird so eine hohe Effizienz der Solarzelle über eine längere Zeit erhalten. Auch wird so einen größeren Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung auf die Solarzelle umgelenkt und dadurch die Effizienz dieser erhöht.generally known Solar cells convert the partial spectrum of the solar radiation incident on them, the they can not convert them into electrical energy, into heat around. Due to the presence of the light converter layer only solar radiation in the spectrum that can be converted by the solar cell into electrical energy on this deflects and so an unwanted increase the temperature of the solar cells avoided. As the efficiency of a Solar cell with an increase in the temperature of these drops, Thus, a high efficiency of the solar cell over a longer Receive time. It will also be a bigger part the incident solar radiation is deflected to the solar cell and thereby increasing the efficiency of this.
Vorzugsweise können Lichtumwandlerschichten eingesetzt werden, die Infrarotlicht in sichtbares oder ultraviolettes Licht umwandeln. Dabei kann z. B. ein Zweiquanten-Absorptionsprozess in einem geeigneten fluoreszierenden Farbstoff verwendet werden.Preferably For example, light converter layers that use infrared light can be used convert to visible or ultraviolet light. It can be z. B. a two-quantum absorption process in a suitable fluorescent Dye can be used.
An der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements können auch mehrere Solarzellen vorhanden sein. So können auch kleinflächige Solarzellen bei der erfindungsgemäßen PV-Vorrichtung eingesetzt werden.At the lateral surface of the first optical element can also several solar cells may be present. So can too small area solar cells in the inventive PV device can be used.
Um eine effizientere Ausnutzung der einfallenden Sonnenstrahlung zu erreichen sind vorzugsweise mehrere der ersten optischen Elemente mit jeweils mindestens einer seitlich angebrachten Solarzelle in der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung vorhanden.Around a more efficient utilization of the incident solar radiation too are preferably more of the first optical elements each with at least one laterally mounted solar cell in the photovoltaic device according to the invention available.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung eine Vielzahl der ersten optischen Elementen auf, von denen mehrere erste optische Elemente die unter einem ersten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektrum auf die mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen, mehrere erste optische Elemente die unter einem zweiten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektrum auf die mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle umlenken, u. s. w.. Dadurch kann die erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung auch ohne Nachführung arbeiten, da bei verschiedenen Sonnenständen die einfallende Sonnenstrahlung von einem Teil der in der Photovoltaik-Vorrichtung vorhandenen ersten optischen Elementen jeweils auf die mindestens eine zugeordnete Solarzelle umgelenkt wird.Preferably has the photovoltaic device according to the invention a plurality of the first optical elements, of which a plurality first optical elements incident at a first angle Solar radiation in the specific spectrum on the at least one redirect laterally mounted solar cell and other solar radiation let through several first optical elements under a second Angle incident solar radiation in the specific spectrum deflect the at least one laterally mounted solar cell, u. s. This allows the photovoltaic device according to the invention work without tracking, because at different positions in the sun the incident solar radiation from a part of the photovoltaic device existing first optical elements each on the at least an associated solar cell is deflected.
Auch kann die erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung vorzugsweise effizient arbeiten wenn sie eine Vielzahl der ersten optischen Elementen aufweist, von denen mehrere erste optische Elemente die unter einem ersten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in einem ersten Spektralbereich auf die mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle umlenken, mehrere erste optische Elemente die unter dem ersten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in einem zweiten Spektralbereich auf die seitlich angebrachten Solarzellen umlenken, u. s. w.. Die an den ersten optischen Elementen jeweils zugeordneten Solarzellen wandeln jeweils die von dem zugeordneten ersten Element auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in dem entsprechenden Teilspektrum der einfallenden Sonnenstrahlung gänzlich in elektrische Energie um. So kann mit einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung ein breiteres aus mehreren Teilspektren zusammengesetztes Spektrum der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt werden.Also, the photovoltaic device according to the invention can preferably work efficiently if it has a plurality of the first optical elements, of which a plurality of first optical elements deflect the incident at a first angle solar radiation in a first spectral range on the at least one laterally mounted solar cell, a plurality of first optical elements redirect the solar radiation incident at the first angle in a second spectral range to the laterally mounted solar cells, etc. The respective solar cells associated with the first optical elements each convert the son deflected thereon by the associated first element radiation in the corresponding sub-spectrum of the incident solar radiation entirely into electrical energy. Thus, with such a photovoltaic device according to the invention, a wider spectrum of the incident solar radiation composed of several partial spectra can be converted into electrical energy.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, weist die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung mindestens ein erstes optisches Element mit der mindestens einen ihm zugeordneten Solarzelle auf, wobei das erste optische Element die auf ihn senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem gegebenen Spektralbereich auf die Solarzelle umlenkt. Dabei ist das erste optische Element auf die Eigenschaften der ihm zugeordneten Solarzelle abgestimmt und lenkt auf die Solarzelle nur Sonnenstrahlung in einem Spektralbereich auf die Solarzelle um, der von der Solarzelle gänzlich in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Solch eine erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung wird stets an die Sonne nachgeführt und erbringt eine hohe Leistung über den ganzen Tag, da die darin vorhandenen Solarzellen über den ganzen Tag, solange die Sonne scheint, bestrahlt werden.at a preferred embodiment of the invention, has the photovoltaic device according to the invention at least one first optical element with the at least one associated solar cell, wherein the first optical element the solar radiation incident on him vertically in a given Spectral range deflected to the solar cell. This is the first one optical element on the properties of its associated solar cell tuned and directs the solar cell only solar radiation in one Spectral range to the solar cell around, from the solar cell throughout can be converted into electricity. Such a invention Photovoltaic device is always tracked to the sun and delivers high performance throughout the day the solar cells in it throughout the day, as long as the sun shines, be irradiated.
Vorzugsweise weist das mindestens eine erste optische Element mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle mit einer kleineren Fläche als die Lichteintrittsfläche des zugeordneten ersten optischen Element auf. Dabei wird die unter einem bestimmten Winkel einfallende Strahlung in einem bestimmten Spektralbereich auf die Fläche der mindestens einer Solarzelle mittels des zugeordneten ersten optischen Elements konzentriert und so die effektiv ausgenutzte Fläche der Solarzelle wesentlich reduziert, was zu einer Herabsetzung der Kosten der verwendeten Solarzellen führt.Preferably the at least one first optical element has at least one laterally mounted solar cell with a smaller area as the light entrance surface of the associated first optical Element on. This is the incident at a certain angle Radiation in a certain spectral range on the surface the at least one solar cell by means of the associated first optical Elements concentrated and so the effectively utilized area the solar cell significantly reduced, resulting in a reduction of the Cost of the solar cells used leads.
Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung sind vorzugsweise mehrere der ersten optischen ersten Elemente insbesondere alle erste optische Elemente an einem gemeinsamen Lichteintrittskörper und/oder Lichtaustrittskörper ausgebildet. Dadurch können solche erfindungsgemäße, erste optische Elemente leichter gehandhabt und konstruiert werden. Das führt zu einer Reduzierung der Herstellungskosten einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung.at the photovoltaic device according to the invention are preferably more of the first optical first elements in particular all first optical elements on a common light entrance body and / or light exit body formed. Thereby can Such inventive first optical elements easier to handle and design. That leads to a reduction in the manufacturing cost of such a photovoltaic device according to the invention.
Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung ist das mindestens eine erste optische Element vorzugsweise eben ausgebildet. So kann das mindestens eine erste optische Element sehr genau konstruiert werden. Auch bedarf die Konstruktion eines ebenen ersten optischen Elements weniger Aufwand als die Konstruktion eines ersten Elements, die gebogene und/oder linsenartige Flächen aufweist.at the photovoltaic device according to the invention the at least one first optical element is preferably flat educated. Thus, the at least one first optical element be constructed very accurately. Also, the construction requires a level first optical element less effort than the construction a first element, the curved and / or lens-like surfaces having.
Vorzugsweise ist an der der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht eine erste Hologrammstruktur vorhanden, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektrum unter einem oder mehreren spitzen oder stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht senkrechten Gerade umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.Preferably is on the sun-facing side of the light converter layer a first hologram structure exists, which under a certain Angle in particular vertically incident solar radiation in the from the solar cell to electricity convertible spectrum under one or more acute or obtuse angle with respect to the Sun-facing side of the light converter layer vertical straight line deflects and other solar radiation passes.
Die erste Hologrammstruktur weist vorzugsweise mehrere übereinander überlagerte, insbesondere ebene Hologrammschichten auf, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in mindestens einem Teilbereich des Spektralbereichs der einfallenden Sonnenstrahlung, der von der mindestens einen Solarzelle in elektrische Energie umwandelbar ist, jeweils unter einem spitzen oder stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht senkrechten Gerade umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine Realisierung der ersten Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig und ermöglicht eine sehr genaue Umlenkung des von der mindestens einen zugeordneten Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teilspektrum der einfallende Strahlung, da für jeden solchen Teilspektrum eine genau auf diesen abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.The first hologram structure preferably has a plurality of superposed, in particular flat hologram layers that under a certain Angle in particular vertically incident solar radiation in at least a subregion of the spectral region of the incident solar radiation, from the at least one solar cell into electrical energy convertible is opposite, each at an acute or obtuse angle on the side of the light converter layer facing the sun divert vertical straight line and let other solar radiation through. Such a realization of the first hologram structure is particularly simple and cost-effective and allows a very accurate Deflection of the at least one associated solar cell in electrical energy convertible partial spectrum of incident radiation, because for each such sub-spectrum one exactly on this coordinated hologram layer is provided.
Vorzugsweise umfasst die erste optische eine dritte Hologrammstruktur. Insbesondere wenn die erste optische Struktur auf der der Sonne zugewandten Seite der ersten Hologrammstruktur vorhanden ist, weist sie einen halbdurchlässigen Spiegel auf. Die erste optische Struktur reflektiert die von der ersten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung und lässt sonstige Sonnenstrahlung durch. Mit Hilfe der ersten optischen Struktur kann die von der ersten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung mittels Reflektion der Solarzelle zugeleitet werden.Preferably For example, the first optical comprises a third hologram structure. Especially when the first optical structure is on the sun-facing side the first hologram structure is present, it has a semipermeable Mirror up. The first optical structure reflects that of the first Hologram structure on it diverted solar radiation and leaves other solar radiation through. With the help of the first optical structure For example, the solar radiation deflected by the first hologram structure may be thereon be fed by reflection of the solar cell.
Die dritte Hologrammstruktur kann mehrere vorzugsweise ebene, übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweisen, die die von der ersten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Strahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine dritten Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar und ermöglicht eine sehr genaue Reflektion der von der ersten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in einem Teilspektrum des in elektrische Energie umwandelbaren Spektrums der einfallende Strahlung, da für jeden solchen Teilspektrum eine genau auf diesen abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.The third hologram structure may have a plurality of preferably flat, superposed one above the other Have hologram layers, that of the first hologram structure Redirected radiation in a portion of the solar cell each reflecting into current convertible spectral range and let other solar radiation through. Such a third hologram structure is particularly easy and inexpensive to implement and allows a very accurate reflection of the first Hologram structure on them diverted solar radiation in a partial spectrum of the spectrum convertible to electrical energy, the incident Radiation, because for each such sub-spectrum one exactly is provided on this matched hologram layer.
Insbesondere umfasst die an der der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht vorhandene zweite optische Struktur eine vierte Hologrammstruktur. Vorzugsweise ist die zweite optische Struktur an der der Sonne abgewandten Seite der dritten optischen Struktur vorhanden und weist einen halbdurchlässigen Spiegel auf.Especially includes the on the sun-facing side of the light converter layer existing second optical structure, a fourth hologram structure. Preferably, the second optical structure is remote from the sun Side of the third optical structure exists and has a semipermeable Mirror up.
Die vierte Hologrammstruktur kann mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweisen, die jeweils die von der ersten optischen Struktur auf sie umgelenkte Strahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine vierte Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar und ermöglicht eine sehr genaue Reflektion der von der ersten optischen Struktur auf sie reflektierte Sonnenstrahlung in jedem Teilspektrum des in elektrische Energie umwandelbaren Spektrums der einfallende Strahlung, da für jedes solche Teilspektrum eine genau auf dieses abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.The fourth hologram structure can be superimposed several more evenly above each other Hologram layers, each of the first optical Structure deflected radiation on them in a portion of the reflect the solar cell into electricity convertible spectral range and let other solar radiation through. Such a fourth hologram structure is particularly easy and inexpensive to implement and allows a very accurate reflection of the first optical structure on them reflected solar radiation in each sub-spectrum of the spectrum convertible to electrical energy, the incident Radiation, because for each such sub-spectrum one exactly is provided on this coordinated hologram layer.
Mit Hilfe der zweiten optischen Struktur werden die von der ersten optischen Struktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung mittels Reflektion der Solarzelle zugeleitet und sonstige Strahlung durchgelassen.With Help of the second optical structure are those of the first optical Structure redirected solar radiation by means of reflection of the Solar cell supplied and other radiation transmitted.
Vorzugsweise lenkt die zweite Hologrammstruktur die die durch die Lichtumwandlerschicht zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich unter einem oder mehreren spitzen oder stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht senkrechten Gerade um und lässt sonstige Sonnenstrahlung durch. So kann auch einfallende Sonnenstrahlung in einem anderen Spektralbereich als der von der Solarzelle direkt in elektrischen Strom umwandelbaren Spektralbereich der Solarzelle zugeleitet werden und von dieser in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Lichtausbeute einer so arbeiteten Solarzelle wird dadurch erhöht.Preferably The second hologram structure directs those through the light converter layer Solar radiation shifted to shorter wavelengths in a spectral range that can be converted into electricity by the solar cell at one or more acute or obtuse angles opposite on the side of the light converter layer facing away from the sun vertical straight and leaves other solar radiation by. Sun can also be incident solar radiation in another Spectral range than that of the solar cell directly into electrical Current convertible spectral range of the solar cell can be fed and be converted by this into electrical energy. The light output a solar cell thus worked is thereby increased.
Die zweite Hologrammstruktur kann mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweisen, die die durch die Lichtumwandlerschicht zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Teilspektrum jeweils unter einem spitzen oder stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht senkrechten Gerade umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine zweite Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar und ermöglicht eine sehr genaue Umlenkung der durch die Lichtumwandlerschicht verschobene Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teilspektrum, da für jedes solche Teilspektrum eine genau auf dieses abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.The second hologram structure may be superimposed on several more particularly planar one above the other Hologrammschichten that through the Lichtumwandlerschicht Solar radiation shifted to shorter wavelengths in a partial spectrum which can be converted into electricity by the solar cell each at an acute or obtuse angle opposite on the side of the light converter layer facing away from the sun divert vertical straight line and let other solar radiation through. Such a second hologram structure is particularly simple and inexpensive feasible and allows a very accurate deflection the solar radiation displaced by the light conversion layer in one of the solar cell into electrical energy convertible Part spectrum, because for each such sub-spectrum one exactly is provided on this coordinated hologram layer.
Insbesondere ist die dritte optische Struktur auf der der Sonne abgewandten Seite der zweiten Hologrammstruktur vorhanden und weist einen Spiegel auf, der die von der zweiten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert. So wird einfach und kostengünstig die von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung mittels Reflektion der Solarzelle zugeleitet.Especially is the third optical structure on the side facing away from the sun the second hologram structure is present and has a mirror which redirected them from the second hologram structure Solar radiation reflects. It will be easy and inexpensive by the second hologram structure deflected solar radiation by means of Reflection of the solar cell fed.
Die dritte optische Struktur weist insbesondere eine fünfte Hologrammstruktur auf, die die von der zweiten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt. So wird einfach und kostengünstig die von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung mittels Reflektion der Solarzelle zugeleitet werden.The third optical structure has in particular a fifth Hologram structure on that of the second hologram structure Reflected on them reflected solar radiation and other solar radiation pass through. It will be easy and inexpensive the solar radiation deflected by the second hologram structure be fed by reflection of the solar cell.
Die fünfte Hologrammstruktur kann mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweisen, die jeweils die von der zweiten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Teilspektrum jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine fünfte Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar und kann eine sehr genaue Reflektion der von der zweiten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in jedem von der Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teilspektrum ermöglichen, da für jeden solchen Teilspektrum eine genau auf diesen abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.The Fifth hologram structure may be superimposed several more evenly above each other Hologram layers, each of the second hologram structure Solar radiation redirected to them in one of the solar cell in Reflect electricity convertible part spectrum respectively and others Let solar radiation through. Such a fifth hologram structure is particularly easy and inexpensive to implement and can be a very accurate reflection of the second hologram structure Solar radiation directed at them in each of the solar cell in allow electrical energy convertible part spectrum because for each such sub-spectrum one exactly on this coordinated hologram layer is provided.
Die vierte optische Struktur kann auf der der Sonne zugewandten Seite der dritten optischen Struktur vorhanden sein und dann einen halbdurchlässigen Spiegel aufweisen, der die von der dritten optischen Struktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert. So kann einfach und kostengünstig die von der dritten optischen Struktur reflektierte Sonnenstrahlung mittels Reflektion der Solarzelle zugeleitet werden.The fourth optical structure may be on the sun-facing side the third optical structure and then a semipermeable Mirror having the mirror of the third optical structure she reflected deflected solar radiation. It can be simple and easy inexpensive reflected from the third optical structure Solar radiation are supplied by reflection of the solar cell.
Insbesondere umfasst die vierte optische Struktur eine sechste Hologrammstruktur, die die von der dritten optischen Struktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in elektrischen Strom umwandelbaren Spektralbereich reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.Especially the fourth optical structure comprises a sixth hologram structure, the solar radiation deflected by the third optical structure on them in the spectral range that can be converted by the solar cell into electrical current reflects and transmits other solar radiation.
Die sechste Hologrammstruktur kann mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweisen, die die von der dritten optischen Struktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Teilspektrum jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine sechste Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar und kann eine sehr genaue Reflektion der von der dritten optischen Struktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in jedem von der Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teilspektrum ermöglichen, da für jedes solchen Teilspektrum eine genau auf diesen abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.The sixth hologram structure may comprise a plurality of, in particular, planar hologram layers superimposed on one another, which blocks the suns deflected onto them by the third optical structure Reflect radiation in a partial spectrum that can be converted into electricity by the solar cell and let other solar radiation through. Such a sixth hologram structure is particularly simple and inexpensive to implement and can allow a very accurate reflection of the redirected from the third optical structure solar radiation in each of the solar cell into electrical energy partial spectrum, as provided for each such sub-spectrum exactly on this matched hologram is.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Solarzelle in unmittelbarem Kontakt mit einer seitlichen Fläche des ersten optischen Elements angebracht und weist insbesondere eine Fläche auf, die die der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements gleicht.Preferably is the at least one solar cell in direct contact with attached to a side surface of the first optical element and In particular, has an area that the side Surface of the first optical element is equal.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der mindestens einer Solarzelle und der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements ein zweites optisches Element vorhanden, das die auf diese seitliche Fläche auftreffende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Spektralbereich in der Weise umlenkt, dass diese gleichmäßig auf die Fläche der Solarzelle auftrifft. So kann eine lokale Überlastung der Solarzelle vermieden werden.at a particular embodiment of the invention is between the at least one solar cell and the lateral surface of the first optical element, a second optical element is present the solar radiation impinging on this lateral surface in the spectral range that can be converted by the solar cell into electrical energy deflected in such a way that these evenly on the surface of the solar cell impinges. So can a local overload the solar cell can be avoided.
Insbesondere weist das zweite optische Element mindestens eine siebte Hologrammstruktur auf, die die auf die der Solarzelle zugewandten Seitenfläche des ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung in der Weise umlenkt, dass diese in der Form eines parallelen, gleichmäßigen Strahlbündel senkrecht auf die Fläche der Solarzelle auftrifft. Eine gleichmäßige Verteilung der auf die Solarzelle auftreffenden Strahlung auf ihrer Fläche ist besonders vorteilhaft, da so die Werte des von der mindestens einen Solarzelle erzeugten elektrischen Stroms genau vorhersagbar und so gut handhabbar sind.Especially the second optical element has at least one seventh hologram structure on, the on the solar cell facing side surface the first optical element incident solar radiation in the Way deflects that these in the form of a parallel, even Beam bundles perpendicular to the surface of the solar cell incident. An even distribution of the solar cell impinging radiation on its surface is particularly advantageous, since so the values of the at least one Solar cell accurately generated electricity and predictable are so easy to handle.
Die siebte Hologrammstruktur kann mehrere insbesondere ebene Hologrammschichten aufweisen, die jeweils mehrere Hologrammbereiche mit unterschiedlichen Hologrammbeschaffenheiten umfassen, die die von dem ersten optischen Element auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung jeweils auf die Fläche der Solarzelle verteilen. So kann die von dem ersten optischen Element umgelenkte Sonnenstrahlung einfach, genau und kostengünstig auf die Fläche der Solarzelle umgelenkt und beliebig verteilt werden.The Seventh hologram structure may have a plurality of particularly planar hologram layers each having a plurality of hologram areas with different Hologram textures include those of the first optical Element on them deflected solar radiation respectively on the surface distribute the solar cell. So can from the first optical element redirected solar radiation simple, accurate and cost-effective deflected to the surface of the solar cell and distributed arbitrarily become.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine Solarzelle eine Fläche auf, die größer als die ihr zugewandte Seitenfläche des ersten optischen Elements ist. Dabei hat das vorhandene zweite optische Element einen Streulinsencharakter. Durch eine Verminderung der Konzentration der auf die mindestens eine Solarzelle umgelenkte Sonnenstrahlung kann eine Überlastung der mindestens einer Solarzelle vermieden werden und ihre Leistung genau kontrolliert werden. Durch eine Vermeidung der Überlastung der mindestens einer Solarzelle wird die Lebensdauer dieser erhöht.at a particular embodiment of the invention, the At least one solar cell has an area larger as the side surface facing the first optical Elements is. In this case, the existing second optical element has a Streulininsencharakter. By reducing the concentration of the at least a solar cell diverted solar radiation can overload the at least one solar cell can be avoided and their performance accurately to be controlled. By avoiding the overload the at least one solar cell is the life of this increased.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine Solarzelle eine Fläche auf, die kleiner als die seitliche Fläche des ersten optischen Elements ist. Das vorhandene zweite optische Element hat dabei einen Sammellinsencharakter. Durch eine Konzentration der auf die mindestens eine Solarzelle auftreffende Sonnenstrahlung kann eine weitere Konzentration der auf die Solarzelle ungelenkte Sonnenstrahlung erreicht werden und so können Solarzellen mit einer kleinerer Fläche eingesetzt werden. Dabei werden die Kosten der verwendeten Solarzellen verringert.at a particular embodiment of the invention, the At least one solar cell has an area smaller as the lateral surface of the first optical element is. The existing second optical element has a collective lens character. By concentrating on the at least one solar cell Incident solar radiation can be another concentration of on the solar cell unguided solar radiation can be achieved and so solar cells can be used with a smaller area become. The costs of the solar cells used are reduced.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eine der Hologrammstrukturen des ersten und/oder des zweiten optischen Elements ein Beugungsgitter mit einer gegebenen Periode und Tiefe. Die Beugungsgitter solch mindestens einer Hologrammstruktur sind dabei sehr genau und kostengünstig realisierbar. So kann eine sehr genaue Umlenkung des auf diese auftreffende Sonnenstrahlung erzielt werden.at a particular embodiment of the invention at least one of the hologram structures of the first and / or the second optical element, a diffraction grating with a given Period and depth. The diffraction gratings of such at least one hologram structure are very accurate and cost feasible. So can be a very accurate deflection of the incident on this solar radiation be achieved.
Bei einer besondere Ausführungsform der Erfindung umfasst die Lichtumwandlerschicht ein Gitter aus leitfähigem Material zum Ableiten von Wärme insbesondere der in ihrer Umgebung durch auf sie auftreffende Sonnenstrahlung entstehende Wärme in die Außenumgebung, das so dimensioniert ist, dass keine Beugung der auf sie auftreffende Sonnenstrahlung eintritt. So kann eine Überhitzung der Lichtumwandlerschicht vermieden werden.at a particular embodiment of the invention comprises Light converter layer a grid of conductive material for dissipating heat especially those in their environment Heat generated by solar radiation impinging on them in the outdoor environment, which is dimensioned so that no Diffraction of the incident solar radiation occurs. So can Overheating of the light converter layer can be avoided.
Vorzugsweise endet das Gitter in einer an der der Solarzelle abgewandten Seitenfläche des ersten optischen Elements angrenzende Platte aus leitfähigem Material zum weiteren Ableiten der in der Lichtumwandlerschicht entstehende Wärme in die Außenumgebung. Insbesondere kann die PLatte bis zu der oder weiter an der Ebene mit der Lichtumwandlerschicht insbesondere bis zu der der Sonne abgewandten Fläche des ersten optischen Elements verlaufen. So wird eine Überhitzung des ersten optischen Elements und folglich der Solarzelle vermieden.Preferably ends the grid in a side facing away from the solar cell side surface of the first optical element adjacent plate of conductive Material for further deriving the in the light converter layer heat generated in the outside environment. Especially The plate can be up to or further at the plane with the light converter layer in particular up to the sun-facing surface of the extend first optical element. So is overheating the first optical element and consequently the solar cell avoided.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:One Embodiment of the invention will be described below the accompanying drawings explained. It shows:
In
Jede
Photovoltaik-Vorrichtung
Die
von der ersten Hologrammstruktur
Zwischen
dem zweiten optischen Element und der Solarelle
Der
Teil der einfallende Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle
Die
von der zweiten Hologrammstruktur
Die
von dem Spiegel
Die
Lichtumwandlerschicht
- 1010
- Photovoltaik-VorrichtungPhotovoltaic device
- 2020
- erstes optisches Elementfirst optical element
- 3030
- LichteintrittskörperLight-entry
- 3131
- Trägercarrier
- 4040
- erste Hologrammstrukturfirst hologram structure
- 5050
- einfallende Sonnenstrahlungincident solar radiation
- 6060
- Solarzellesolar cell
- 7070
- Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektrumsolar radiation in the spectrum that can be converted into electricity by the solar cell
- 8080
- erste optische Struktur (dritte Hologrammstruktur)first optical structure (third hologram structure)
- 9090
- zweite optische Struktur (halbdurchlässiger Spiegel)second optical structure (semi-transparent mirror)
- 100100
- zweites optisches Element (siebte Hologrammstruktur)second optical element (seventh hologram structure)
- 101, 102101 102
- Hologrammbereiche der siebten Hologrammstruktur mit unterschiedlicher Hologrammbeschaffenheithologram areas the seventh hologram structure with different hologram texture
- 105105
- transparente Schichttransparent layer
- 106106
- schützende Umhüllungprotective wrapping
- 110110
- Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbaren Spektrumsolar radiation in the spectrum that can not be converted into electricity by the solar cell
- 120120
- LichtumwandlerschichtLichtumwandlerschicht
- 125125
- von der Lichtumwandlerschicht zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlungfrom the light converter layer to shorter wavelengths shifted solar radiation
- 130130
- zweite Hologrammstruktursecond hologram structure
- 140140
- dritte optische Struktur (Spiegel)third optical structure (mirror)
- 150150
- vierte optische Struktur (halbdurchlässiger Spiegel)fourth optical structure (semi-transparent mirror)
- 160160
- Gittergrid
- 170170
- Platteplate
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20110404 |