DE102007058971A1

DE102007058971A1 - Photovoltaik-Vorrichtung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102007058971A1
Application number: DE200710058971
Authority: DE
Inventors: Adolf Prof. Dr. Goetzberger; Jan Christoph Goldschmidt; Philipp LÖPER; Marius Peters
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-06-10
Also published as: WO2009071300A2; WO2009071300A3; EP2227832A2; EP2227832B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, die eine Lichtfalle zur Konzentrierung von Sonnenlicht aufweist, die mit den Solarzellen gekoppelt ist. In der erfindungsgemäßen Lichtfalle wird dabei durch Reflexion oder Streuung diffuse Strahlung erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, die eine Lichtfalle zur Konzentrierung von Sonnenlicht aufweist, die mit den Solarzellen gekoppelt ist. In der erfindungsgemäßen Lichtfalle wird dabei durch Reflexion oder Streuung diffuse Strahlung erzeugt.
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle, die nur aus einem Halbleitermaterial besteht, ist theoretisch auf maximal etwa 30% begrenzt. Maximal erreicht man heute im Labor mit Silizium knapp 25%. Um höhere Wirkungsgrade zu erreichen, ist es notwendig, das Sonnenspektrum in Fraktionen aufzuteilen und mit unterschiedlichen Solarzellen umzuwandeln. Das geschieht nach heutigem Stand der Technik durch Multigag-Stapelzellen. Sie bestehen aus aufeinander gestapelten Solarzellen mit verschiedenen Bandabständen. Die oberste Solarzelle hat den höchsten Bandabstand und absorbiert den kurzwelligen Teil des Sonnenspektrums, ist aber transparent für den Rest der Strahlung, die von darunter liegenden Solarzellen umgewandelt wird. Die besten dieser Stapelzellen werden aus III-V-Verbindungen durch Gasphasenepitaxie hergestellt. Material und Herstellung sind sehr aufwändig, so dass diese Zellen nur in Konzentratorsystemen Verwendung finden. Wirkungsgrade bis zu 40% wurden damit erreicht.
Das Prinzip der Stapelzelle wird auch bei Dünnschichtzellen eingesetzt, z. B. bei amorphem Silizium, das durch Zusatz von Ge oder C in seiner Bandlücke variiert werden kann.
Auch Tandemzellen aus amorphem Silizium und mikrokristallinem Silizium werden heute schon gefertigt. Die Wirkungsgrade der Dünnschichtzellen liegen aber bei Stapelzellen deutlich unter denen der marktbeherrschenden Zellen aus mono- oder multikristallinem Silizium. Allen Stapelzellen gemeinsam sind folgende Probleme:

• Alle Solarzellen des Stapels müssen genau den gleichen Strom erzeugen, da der Stapel eine Serienschaltung darstellt, was in der Praxis heute noch nicht möglich ist.
• Zwischen den einzelnen Solarzellen muss eine Tunneldiode eingefügt werden, da sonst die Polarität der Zellen nicht stimmen würde.
• Eine Änderung der spektralen Verteilung des Sonnenlichts kann zur Veränderung der Stromflüsse in den Zellen und damit zu einer Verringerung des Wirkungsgrads führen.

Ein Ansatz zur Beseitigung dieser Nachteile beruht auf der spektralen Aufteilung des Sonnenlichts. Dabei wird das Sonnenlicht zunächst in seine spektralen Bestandteile zerlegt und fällt dann erst auf einzelne Solarzellen, die auf den jeweiligen Wellenlängenbereich optimiert sind. Die spektrale Aufteilung von Sonnenlicht wurde bereits untersucht und verschiedene Verfahren hierzu vorgestellt (A. G. Imenes, D.R. Mills, Solar Energy Materials & Solar Cells 19, (2004), S. 84 ff.).
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bereitzustellen, die die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik beseitigt und eine effiziente Konzentrierung von Sonnenlicht ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Photovoltaik-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Anspruch 27 nennt eine erfindungsgemäße Verwendung.
Erfindungsgemäß wird eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bereitgestellt, die eine Lichtfalle sowie mindestens eine mit der Lichtfalle gekoppelte Solarzelle enthält. Die Lichtfalle weist dabei an der dem Sonnenlicht zugewandten Seite mindestens eine Lichteintrittsfläche zur Einkopplung von Sonnenlicht auf. Ebenso enthält die Lichtfalle mindestens eine Vorrichtung zur diffusen Reflexion oder Streuung des in die Lichtfalle eingekoppelten Sonnenlichts und mindestens eine das reflektierte und/oder gestreute Sonnenlicht reflektierende Struktur, die einen Aus tritt des reflektierten und/oder gestreuten Sonnenlichts im Wesentlichen verhindert.
Unter Vorrichtung zur diffusen Reflexion oder Streuung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine Vorrichtung zur streuenden Einkopplung zu verstehen.
Die Erfindung basiert somit auf der Einkopplung von Sonnenlicht in eine Lichtfalle, in der das einfallende Sonnenlicht dann in diffuse Strahlung umgewandelt wird. Die thermodynamische Theorie von Yablonovitch (E. Yablonovitch, J. Opt. Soc. Am. 899, Vol. 72, 1982) beruht darauf, dass diffuses Licht in einem brechenden Medium mit einem Brechungsindex n um den Faktor 2n² im Vergleich zur Lichtintensität im Außenraum verstärkt wird. Die Strahlung muss hierzu in der Lichtfalle reflektiert bzw. gestreut werden.
Erfindungswesentlich ist es weiterhin, dass durch die eingeschränkte Austrittsmöglichkeit des Lichts aus der erfindungsgemäßen Lichtfalle die Lichtintensität im Inneren der Lichtfalle weiter erhöht werden kann.
Hinsichtlich der Erzeugung von diffuser Strahlung werden erfindungsgemäß verschiedene Varianten vorgeschlagen.
Eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass als Vorrichtung zur diffusen Reflexion oder Streuung ein diffuser Reflektor, ein sog. Lambertscher Reflektor, eingesetzt wird. Dieser ist zumindest an der dem Sonnenlicht abgewandten Seite der Lichtfalle angeordnet, kann aber auch an den seitlichen Flächen der Lichtfalle angeordnet sein. In die Lichtfalle einfallendes Sonnenlicht trifft auf den diffusen Reflektor, wodurch diffuse Strahlung in der Lichtfalle erzeugt wird.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass als Vorrichtung zur diffusen Reflexion oder Streuung lichtstreuende Elemente, z. B. lichtstreuende Partikel, im Inneren der Lichtfalle angeordnet werden. Hierbei ist dann die Erzeugung diffuser Strahlung auf diese sog. Streuzentren zurückzuführen, so dass im vorliegenden Fall auf diffuse Reflektoren verzichtet werden kann und der Einsatz spiegelnder Reflektoren an den Oberflächen der Lichtfalle ausreichend ist. Zur Verstärkung der Diffusion des Sonnenlichts in der Lichtfalle können aber auch Streuzentren und diffuse Reflektoren gemeinsam in der Lichtfalle eingesetzt werden. Im Hinblick auf die lichtstreuenden Elemente ist es bevorzugt, dass diese eine möglichst geringe Absorption von Sonnenlicht zeigen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass an der Lichteintrittsfläche der Lichtfalle mindestens eine photonische Struktur angeordnet ist, die winkelselektive Reflexions- und Transmissionseigenschaften besitzt. Ihre Eigenschaften sind so gewählt, dass das direkte Sonnenlicht für den im Wesentlichen gesamten Sonnenlauf eingekoppelt wird, insbesondere in Kombination mit einer zumindest teilweisen Nachführung der Photovoltaikvorrichtung nach dem Sonnenlauf. Bei einer vollständigen Nachführung kann der Akzeptanzbereich auf einen Raumwinkel eingeschränkt werden, der dem Raumwinkel entspricht, unter dem die Sonne auf der Sonne sichtbar ist. Dieser entspricht einem Kegel mit einem Öffnungswinkel von 0.27°.
Eine vierte erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass als Vorrichtung zur diffusen Reflexion oder Streuung die Lichteintrittsfläche eine Texturierung aufweist und somit als Vorrichtung zur streuenden Einkopplung dient.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die der Sonne zugewandte Fläche der Lichtfalle eine reflektierende Struktur aufweist, durch die der Austritt des in der Lichtfalle reflektierten und/oder gestreuten Sonnenlichts im Wesentlichen verhindert wird. Die reflektierende Struktur weist dabei mindestens eine Öffnung als Lichteintrittsfläche, eine sog. Apertur, auf. Kombiniert wird die Vorrichtung mit einer Fokussierungsvorrichtung, die eine Fokussierung des Sonnenlichts auf diese Öffnung bewirkt. Als Fokussierungsvorrichtung kommen hier insbesondere optische Linsen, z. B. Kugel-, Zylinder- oder Fresnel-Linsen, in Frage. Ebenso ist es möglich, Spiegel, z. B. Parabolspiegel, einzusetzen.
Es ist dabei bevorzugt, dass die Lichtfalle wesentlich kleiner als die Fokussierungsvorrichtung ist, da auf diese Weise der Kostenaufwand für die von den optischen Komponenten kostenaufwändige Lichtfalle reduziert werden können, ohne wesentliche Einbußen hinsichtlich der Effizienz der Lichtfalle zu erleiden. Ebenso wird so ermöglicht, dass Lichtfallen mit geringem Gewicht eingesetzt werden können. Wegen des geringen Volumens der Lichtfalle ist es auch möglich, die Lichtfalle aus einem Material mit hohem Brechungsindex herzustellen, welches normalerweise sehr kostenaufwändig ist.
In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, wenn die gesamte Oberfläche der Solarzellen, d. h. die der Sonne zugewandte und abgewandte Fläche ebenso wie die seitlichen Flächen mit Solarzellen belegt werden, wo bei nur die Lichteintrittsfläche frei bleibt. Es können so Reflexionsverluste vermieden werden.
Es ist weiter bevorzugt, dass an der dem Sonnenlicht abgewandten Fläche, an der dem Sonnenlicht zugewandten Fläche und/oder an den seitlichen Flächen der Lichtfalle zumindest bereichsweise Solarzellen angeordnet sind. In den Bereichen der Flächen der Lichtfalle, in denen keine Solarzellen angeordnet sind, sind dann vorzugsweise Reflektoren oder lichtstreuende Elemente zumindest bereichsweise angeordnet. Bevorzugt sind die Reflektoren und lichtstreuenden Elemente dabei in Form von Beschichtungen angeordnet.
Es können Solarzellen aus unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden, z. B. auch Dünnschicht-Solarzellen.
Vorzugsweise weisen die Solarzellen eine Rückseitenkontaktierung auf. Dies kann dadurch ermöglicht werden, dass die sog. Wrap-through-Technik eingesetzt wird. Dann sind alle Kontakte auf der Rückseite und die Frontseite wird nicht durch Kontaktbahnen abgedeckt. Dieses Prinzip ist allerdings nur auf Einfach-Solarzellen anwendbar.
Vorzugsweise ist die der Lichtfalle zugewandte Oberfläche der mindestens einen Solarzelle gleich oder kleiner als die seitlichen Flächen der Lichtfalle.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft den Einsatz von mindestens zwei Solarzellen aus Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandabständen. Die Solarzellen bestehen somit aus verschiedenen Halbleitermaterialien, die jeweils einen Teil des Sonnenspektrums optimal umwandeln.
Die selektive Umwandlung der Strahlung des Sonnenspektrums kann durch die erfindungsgemäße Verwendung von spektral selektiven Filtern realisiert werden, die nur den für die Solarzellen optimalen Spektralbereich passieren lassen und den Rest der Sonnenstrahlung reflektieren.
Eine weitere Variante sieht vor, dass die Solarzelle, die für den kurzwelligsten Bereich des Sonnenspektrums selektiv ist, an der Rückseite einen Spiegel zur Reflexion von Strahlung der weiteren Spektralbereiche aufweist. Auf diese Weise kann die Zahl der optischen Filter reduziert werden, indem man die Eigenschaft der Halbleiter ausnutzt, für Lichtwellenlängen unterhalb der Bandkante transparent zu sein. Es genügt somit für die Solarzelle mit dem höchsten Bandabstand, auf der Rückseite dieser Solarzelle einen Reflektor anzubringen. Dies hat die praktische Auswirkung, dass bei drei Solarzellen aus verschiedenen Halbleitern nur für zwei Solarzellen ein Filter erforderlich ist, wofür z. B. ein Kantenfilter eingesetzt werden kann.
Der Einsatz von Solarzellen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien in Kombination mit spektral selektiven Filtern bringt folgende Vorteile mit sich:

• Jede Solarzelle kann separat optimiert werden und aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen, die Notwendigkeit der Kristallgitteranpassung entfällt.
• Die einzelnen Solarzellen müssen nicht den exakt gleichen Strom erzeugen, wie es bei der Serienschaltung von Stapelzellen erforderlich ist.
• Es kann auf die technisch aufwändige Tunneldiode, wie sie von Stapelzellen bekannt ist, verzichtet werden.
• Das System ist unabhängig von Änderungen der spektralen Verteilung der Strahlung, sofern die Solarzellen für die verschiedenen Spektralbereiche separat kontaktiert werden.
• Neben diesen technologischen Vorteilen können durch die bessere Optimierbarkeit der Photovoltaik-Vorrichtung auch höhere Wirkungsgrade in Bezug auf die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie erreicht werden.

Ebenso ist es bevorzugt, dass an der Lichtfalle vereinfachte Stapelzellen angebracht werden. So kann durch die Anordnung von drei Tandemzellen eine Aufteilung des Spektrums in sechs Bereiche erfolgen.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Lichtfläche zugewandte Oberfläche der Solarzelle größer als die Lichteintrittsfläche ist. Auf diese Weise kann ein hoher Wirkungsgrad der Photovoltaik-Vorrichtung erzielt werden. In diesem Fall erfolgt also eine Konzentration des Sonnenlichts gefolgt von einer Dekonzentration. Insgesamt ist aber immer noch ein hoher Konzentrationsfaktor gegeben.
Im Hinblick auf die Bandpassfilter ist es in bestimmten Situationen angestrebt, die Zahl derartiger Filter zu minimieren, insbesondere wenn sie scharfe Kanten haben sollen, da diese aus einer Vielzahl dielektrischer Schichten bestehen und daher kostenaufwändig herzustellen sind. Eine Möglichkeit, die Zahl der Filter zu reduzieren, besteht darin, dass die Frontseite, d. h. die dem Licht zugewandte Seite der Lichtfalle, mit einer hochenergetischen, d. h. kurzwelligen, Solarzelle abgedeckt wird. Dabei wird kurzwelliges Licht durch diese Solarzelle umgewandelt, so dass bereits gefiltertes Licht in die Lichtfalle eintritt und man auf einen Filter verzichten kann. Die Funktion der Lichtfalle wird dadurch nicht beeinträchtigt. Allerdings wird die Lichtkonzentration in der Solarzelle erhöht, da sie einen hohen Brechungsindex hat. Sie muss daher eine Transparenz für längerwelliges Licht aufweisen.
Eine andere Möglichkeit zur Reduzierung der Anzahl von Filtern besteht darin, dass in einer Lichtfalle auf der dem Sonnenlicht abgewandten Fläche der Lichtfalle eine Solarzelle angeordnet ist. Durch die Brechung an der Oberfläche der Lichtfalle fällt ein großer Winkelbereich des einfallenden Lichts auf diese Solarzelle. Die Solarzelle hat auf der Rückseite einen diffusen Reflektor bzw. eine raue Oberfläche. Bei Zweiteilung des Spektrums bracht man hier dann keinen weiteren Filter.
Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung lässt sich für stationäre, schwach konzentrierende Kollektoren anwenden, wenn eine geringe Lichtkonzentration akzeptabel ist. Hierbei kann dann ein Teil der diffusen Strahlung eingekoppelt werden.
Ebenso ist es möglich, die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung auf nicht winkelselektive, rein stationäre Systeme anzuwenden, die auch für Zonen mit diffusem Licht geeignet sind. Im Unterschied zu herkömmlichen Solarzellen verwendet man hier die verschiedenen Solarzellentypen, die mit entsprechenden Filtern abgedeckt sind, nebeneinander. Bei Aufteilung in zwei Fraktionen, die hier optimal ist, ergibt sich ohne Dekonzentration ein Wirkungsgrad von 0,69, was relativ niedrig ist. Für höhere Wirkungsgrade kann man eine echte Dekonzentration heranziehen. Hierfür gibt es verschiedene bevorzugte Anordnungen, z. B. Schindeln, Sägezahn, Quader oder Balken. In all diesen Anordnungen ist die bestrahlte Fläche kleiner als die Solarzellenfläche. Diese Konfigurationen eignen sich daher insbesondere für Dünnschicht-Solarzellen.
Besonders bevorzugt sind Anordnungen als Sägezahn oder Balken. Bei einem 45°-Sägezahn ist das Verhältnis der Solarzellenfläche A_s zur Lichteintrittsfläche A_i 1,41. Für ein zweigeteiltes Sonnenspektrum ist dann η_F 0,86. Dünnschicht-Solarzellen können dabei von beiden Seiten auf dem gekippten Sägezahn aufgedampft werden.
Bei der balkenartigen Anordnung ist A_S/A_i gleich 1,5 und η_F gleich 0,87. Die Anordnung kann dabei folgendermaßen realisiert werden. Viele Einzelbalken werden parallel nebeneinander gepackt und gleichzeitig beschichtet. Dann werden sie um 90° bzw. 180° rotiert und erneut beschichtet. Anschließend werden sie mit den freien Seiten nach oben in ein Modul eingesetzt.
Sowohl bei der Anordnung in Sägezahnform bzw. Balkenform können die Zellen üblicherweise in Reihenschaltung verbunden und die Anschlüsse nach außen herausgeführt werden.
Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung lässt sich drastisch erhöhen, wenn man in einem System die beiden beschriebenen Konzepte der geometrischen, verkleinerten Lichtfalle mit den Photonischen Strukturen kombiniert. In der Praxis ist die in die Lichtfalle eingekoppelte konzentrierte Strahlung nicht isotrop, wie theoretisch angenommen, sondern durch die Geometrie der Abbildung durch Fresnel-Linsenwinkel begrenzt. Der Öffnungswinkel einer aus dem Stand der Technik bekannten Flatcon-Struktur beträgt 16,45°. Auf der Oberfläche der Lichtfalle kann nun eine photonische Struktur mit diesem Akzeptanzwinkel aufgebracht werden. Somit geht keine Strahlung verloren, da sie auf diesen Winkel begrenzt ist. Andererseits wird dadurch die Lichtintensität im Inneren der Lichtfalle stark erhöht und damit der Wirkungsgrad der Lichtfalle ebenso. Die Lichtintensität im Inneren der Lichtfalle lässt sich dabei nach folgender Formel berechnen:
Mit θ = 16,45 erhält man I_int/I_int = 55,79.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne sich auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung.
2 zeigt ein Diagramm zur Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Solarzellenfläche und der Lichteintrittsfläche.
3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung.
4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung mit photonischen Strukturen.
5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung mit Streuzentren.
6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung mit Streuschicht und Reflektor.
7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung mit Reflektoren, die über einen Luftspalt beabstandet sind.
8 zeigt Beispiele für Anordnungen der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung.
In 1 ist ein konzentrierendes, der Sonne nachgeführtes System dargestellt. Das Sonnenlicht 1 wird hier durch eine Linse bzw. Spiegel 2 konzentriert. Die konzentrierte Solarstrahlung gelangt durch eine Apertur 3 in die Lichtfalle 4, deren Oberfläche teilweise mit Reflektoren 5 und optisch angekoppelten Solarzellen 6 bedeckt ist. Die Bedeckung der Oberfläche sorgt dafür, dass das Licht in der Lichtfalle verbleibt und Verluste nur durch einen Austritt durch die Apertur auftreten können. Dabei ist es notwendig, dass das Licht eine Diffusion erfährt. In 1 wird dies über einen diffusen Reflektor 7 an der Rückseite erreicht, es sind jedoch auch andere Mechanismen möglich. An der Apertur 3 tritt ein Sprung der Lichtintensität um den Faktor 2n² auf. Die Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien, die jeweils einen Teil des Sonnenspektrums optimal umwandeln. Gleichzeitig sind an der Grenzfläche zwischen Solarzellen und Lichtfalle wellenlängenabhängige Bandpassfilter 8 angebracht, die nur den für die Solarzellen optimalen Spektralbereich passieren lassen, den Rest aber reflektieren.
In 2 wird der Zusammenhang zwischen dem Wirkungsgrad der Photovoltaik-Vorrichtung und dem Verhältnis von Solarzellenfläche zu Lichteintrittsfläche für Brechungsindizes 1,5 und 2,0 dargestellt. Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung lässt sich wie folgt bestimmen. Der durch die Apertur, d. h. Lichteintrittsfläche, bedingte Intensitätsverlust beträgt I_intA_i/2n², wobei I_int die Lichtintensität im Inneren der Lichtfalle und A_i die Lichteintrittsfläche bedeuten. Vorausgesetzt wird hier, dass die Lichtintensität innerhalb der Lichtfalle homogen ist. Das durch die Solarzellen, die optisch direkt an die Lichtfalle angekoppelt sind, absorbierte Licht ist der Fläche A_s der Solarzellen direkt proportional: A_sI_int. Der Wirkungsgrad der Lichtfalle unter Vorraussetzung idealer, auch selektiver Reflektoren beträgt dann ηF = AsIint/(AsIint + IintAi/2n2).
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die erfindungsgemäße Lichtfalle sehr klein sein darf und trotzdem einen guten Wirkungsgrad besitzen kann. Die Gesamtfläche der Solarzellen hängt von der Unterteilung des Sonnenspektrums ab. Der in 2 dargestellte Wirkungsgrad gilt somit für jeden Spektralbereich separat, d. h. für z. B. drei Spektralbereiche ist insgesamt die dreifache Solarzellenfläche erforderlich. Im Falle einer würfelförmigen Lichtfalle, deren Oberfläche Eintrittsfläche ist und deren Seiten- und Grundflächen mit Solarzellen bedeckt sind, bedeutet dies, dass die Gesamtsolarzellenfläche dann 5a² beträgt, wenn a die Kantenlänge ist. Der Wirkungsgrad ist dann mit A_s/A_i = 5/3 = 1,67, somit 0,882. In diesem Fall ist es sehr leicht, eine gleichförmige Strahlungsverteilung in der Lichtfalle zu erzielen. Auch schwache Lichtabsorption in der Lichtfalle kann toleriert werden.
3 zeigt anhand einer schematischen Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einer Linse bzw. einem Spiegel 2, gekoppelt mit einer Lichtfalle 4. Hierbei ist die Dimension der Linse bzw. des Spiegels deutlich größer als die der Lichtfalle. An der Lichtfalle ist hier eine Vielzahl von Solarzellen 6 in Kombination mit Bandpassfiltern 8 angeordnet.
In 4 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung dargestellt, die auf einer winkelselektiven photonischen Struktur basiert. Die photonische Struktur 3 ist dabei für einen definierten Winkelbereich im Wesentlichen transparent, während andere Winkelbereiche reflektiert werden. 4 zeigt die einfallende Sonnenstrahlung 1, die in die Lichtfalle 2, die aus einem Medium hoher Transparenz, z. B. Glas oder Plastik, besteht, einfällt. Die photonische Struktur 3 stellt hier einen winkelselektiven Filter mit einem Öffnungswinkel α dar. Nur Strahlung innerhalb dieses Winkels kann in die Lichtfalle gelangen. Für die Funktion der erfindungsgemäßen Lichtfalle ist es wichtig, dass auch aus dem Inneren der Lichtfalle nur Strahlen in diesen engen Öffnungswinkel (modifiziert durch den Brechungsindex) entkommen können. Alle anderen Winkel werden zurückreflektiert. Des Weiteren befinden sich auf der Rückseite und an den seitlichen Flächen der Lichtfalle diffuse Reflektoren 4, die die ankommende Strahlung gleichmäßig in alle Richtungen reflektieren. Der diffuse Reflektor sollte ein möglichst hohes Reflexionsvermögen haben, da das Licht sehr oft an den Grenzflächen reflektiert wird, um hohe Lichtkonzentrationen zu erreichen.
In 5 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die im Inneren der Lichtfalle gleichmäßig verteilte Streuzentren 5 aufweist. Die Streuzentren können sowohl zur Verstärkung der Diffusion des Lichts durch die Reflektoren 4 an den Seiten der Lichtfalle verwendet werden, als auch als alleinige Erzeuger der diffusen Strahlung dienen. Dabei ist es wichtig, dass die Streuzentren möglichst wenig Absorption verursachen. Das Innere der Lichtfalle ist von diffuser Strahlung erfüllt. Auf der Rückseite der Lichtfalle 2 befinden sich gleichmäßig verteilt Solarzellen 6 mit den entsprechenden spektralselektiven Filtern 7. Die Fläche der Lichtfalle 2 in Beziehung gesetzt zur Gesamtfläche der Solarzellen ergibt das Maß für die geometrische Konzentration.
6 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei ein hoher Reflexionskoeffizient dadurch erreicht wird, dass zusätzlich zu einer streuenden Schicht 4 ein ebener Spiegel 9 auf der Rückseite sowie optional auch an den seitlichen Flächen angebracht ist. Der Spiegel kann hier auch eine photonische Struktur darstellen.
7 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Variante mit hoher Reflektivität. In einem geringen Abstand, z. B. einem Luftspalt, von der Oberfläche der Lichtfalle 2, der die Totalreflexion nicht behindert, sind weiße Reflektoren 7 oder Spiegel mit hohem Reflexionsgrad 5 angeordnet. Der größte Teil des Lichts, etwa 78% für eine Oberfläche, wird dann durch Totalreflexion in der Falle zurückgehalten. In diesem Fall ist die Totalreflexion verlustfrei, da nicht total reflektiertes Streulicht außen von den Reflektoren zurückreflektiert werden kann. So lassen sich äußerst hohe Gesamtreflexionsfaktoren erreichen. Der Reflexionsfaktor ist dann für eine Seite der Lichtfalle L/2(1-R), wobei L der Verlust durch den Totalreflexi onskegel und R der diffuse Reflexionsfaktor der Abdeckung bedeutet. Für R = 0,98 und L = 0,22 ergibt sich R_Ges = 0,9965.
In 8 sind verschiedene Anordnungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung aufgezeigt. Hierbei handelt es sich um Schindeln, Sägezähne, Quader bzw. Balken. In allen dargestellten Beispielen ist die bestrahlte Fläche kleiner als die Solarzellenfläche. Diese Strukturen eignen sich besonders für geringe Konzentrationen o der selektiven Kollektoren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- A. G. Imenes, D.R. Mills, Solar Energy Materials & Solar Cells 19, (2004), S. 84 ff. [0005]
- E. Yablonovitch, J. Opt. Soc. Am. 899, Vol. 72, 1982 [0010]

Claims

Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie enthaltend eine Lichtfalle (2) sowie mindestens eine mit der Lichtfalle (2) gekoppelte Solarzelle (5), wobei die Lichtfalle (2) an der dem Sonnenlicht zugewandten Seite mindestens eine Lichteintrittsfläche zur Einkopplung von Sonnenlicht (1) in die Lichtfalle (2) aufweist, sowie mindestens eine Vorrichtung zur diffusen Reflexion oder Streuung des in die Lichtfalle eingekoppelten Sonnenlichts und mindestens eine das reflektierte und/oder gestreute Sonnenlicht reflektierende Struktur, die einen Austritt des reflektierten und/oder gestreuten Sonnenlichts im wesentlichen verhindern, enthält.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung zur diffusen Reflexion oder Streuung ein diffuser Reflektor ist, der zumindest an der dem Sonnenlicht abgewandten Seite der Lichtfalle angeordnet ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung zur diffusen Reflexion aus lichtstreuenden Elementen besteht, die in der Licht falle angeordnet sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Lichteintrittsfläche der Lichtfalle mindestens eine Photonische Struktur (3) angeordnet ist, die winkelselektive Reflexions- und Transmissionseigenschaften besitzt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photonische Struktur (3) eine Einkopplung von Licht innerhalb eines definierten Raumwinkels erlaubt und das restliche Licht reflektiert.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumwinkel so gewählt wird, dass das direkte Sonnenlicht für den im Wesentlichen gesamten Sonnenlauf eingekoppelt wird, insbesondere in Kombination mit einer zumindest teilweisen Nachführung der Photovoltaikvorrichtung nach dem Sonnenlauf.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumwinkel dem Raumwinkel entspricht, unter dem die Sonne auf der Sonne sichtbar ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung zur diffusen Reflexion oder Streuung aus einer Texturierung der Lichteintrittsfläche besteht.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Sonne zugewandte Fläche der Lichtfalle (2) aus einer reflektierenden Struktur (16), durch die der Austritt des reflektierten und/oder gestreuten Sonnenlichts im wesentlichen verhindert wird, wobei die Struktur mindestens eine Öffnung als Lichteintrittsfläche aufweist, wobei durch mindestens eine Fokussierungsvorrichtung eine Fokussierung des Sonnenlichts auf diese Öffnung erfolgt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungsvorrichtung mindestens eine optische Linse und/oder mindestens ein Spiegel ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Linse eine Kugel-, Zylinderlinse oder Fresnellinse ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Spiegel ein Parabolspiegel, insbesondere ein CPC, ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungsvorrichtung wesentlich größer als die Lichtfalle (2) ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Sonnenlicht abgewandten Fläche, an der dem Sonnenlicht zugewandten Fläche und/oder an den seitlichen Flächen der Lichtfalle (2) zumindest bereichsweise Solarzellen angeordnet sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bereichen der Flächen der Lichtfalle (2), in denen keine Solarzellen angeordnet sind, die Reflektoren, insbesondere Lambertsche Reflektoren, oder lichtstreuenden Elemente zumindest bereichsweise angeordnet sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren und lichtstreuenden Elemente in Form von Beschichtungen realisiert sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle eine Dünnschicht-Solarzelle ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle eine Rückseitenkontaktierung aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der mindestens einen Solarzelle gleich oder kleiner als die seitlichen Flächen der Lichtfalle (2) sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfalle mindestens zwei Solarzellen aus Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandabständen aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mit unterschiedlichen Bandabständen angeordneten Solarzellen in Bezug auf ihre Bandlücke so dimensioniert sind, dass alle Solarzellen den gleichen Strom liefern.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle mit einer spektral selektiven Struktur versehen ist, die zumindest einen Teil des für diese Solarzelle verwertbaren Spektralbereiches des einfallenden Lichtes passieren lässt und einen Teil der anderen Spektralbereiche reflektiert.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfalle (2) an der dem Sonnenlicht abgewandten Fläche eine zumindest bereichsweise Solarzellen aufweisende und sägezahn- oder balkenartige Strukturierung besitzt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfalle (2) dem Sonnenlicht um eine oder zwei Achsen nachführbar ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfalle (2) stationär ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfalle (2) aus Glas und/oder einem transparenten Kunststoff besteht.
Verwendung der Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie.