DE102008010013A1 - Photovoltaik-Vorrichtung mit ultradünnen optischen Elementen und Herstellverfahren hierfür - Google Patents

Photovoltaik-Vorrichtung mit ultradünnen optischen Elementen und Herstellverfahren hierfür Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung 10 zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit mindestens einer Solarzelle 20 und mindestens einem der mindestens einen Solarzelle 20 zugeordneten optischen Element 30 zum g 35 auf die zugeordnete und gegenüber diesem im Abstand angeordnete Solarzelle 20, wobei die Projektion der Fläche des optischen Elements 30 auf die Ebene mit der Solarzelle 20 an der Fläche dieser angrenzt. Dabei weist das optische Element 30 eine Dicke von unter ein paar Hundert Mikrometern insbesondere von unter 100 Mikrometern auf. Auch betrifft die Erfindung ein Herstellverfahren dafür.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1, wie sie aus dem Dokument DE 4016665 A1 bekannt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Herstellverfahren für eine solche photovoltaische Vorrichtung (Solarmodul) mit mindestens einer Solarzelle zum direkten Umwandeln von Licht in elektrische Energie.
  • Im Bereich der Nutzung der Solarenergie ist seit ca. 50 Jahren bekannt, dass Sonnenenergie durch Silizium auch direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Bei den heute üblichen Solarzellen wird meist mono- oder multikristallines Silizium verwendet. Diese Solarzellen aus Silizium wandeln nur einen Teil des Spektrums der auftreffenden Strahlung in elektrischen Strom um.
  • Häufig werden auch Dünnschichtsolarzellen zur Umwandlung der Sonnenstrahlung in elektrischen Strom verwendet.
  • Eine höhere Effizienz mit über 39% Umwandlung der Solarstrahlung kann durch den Einsatz von Hochleistungs-PV-Zellen aus höherwertigen Halbleiterverbindungen (III-V-Halbleitermaterial) wie z. B. GalliumArsenid (GaAs) erzielt werden.
  • Solche Zellen auf Halbleitermaterialbasis können stufenartig als Single-, Tandem-, Tripelzellen oder Mehrfach-Stapelzellen aufgebaut werden und nutzen dadurch Sonnenstrahlung mit einem breiteren Frequenzspektrum. Die großflächige Produktion solcher Zellen ist jedoch sehr kostenintensiv. Es wurde daher der Ansatz gewählt, die einfallende Sonnenstrahlung auf eine sehr kleine Fläche von z. B. unter einige hundert Quadratmillimeter oder sogar von unter einem Quadratmillimeter zu konzentrieren. Nur für diese kleine Fläche ist dann eine Solarzelle notwendig. Der Materialeinsatz kann dann bei unter 1% gegenüber dem großflächigen Einsatz solcher Zellen liegen. Durch die Konzentration lässt sich die hohe Lichtausbeute von Hochleistungs-PV-Zellen von zur Zeit über 39% nutzen.
  • Aus dem Dokument DE 103 20 663 A1 ist eine PV-Vorrichtung zum Konzentrieren von Sonnenstrahlung (hundert bis tausendfache Konzentration) auf Mikrosolarzellen aus Halbleitermaterial bekannt. Die PV-Vorrichtung weist ein geschlossenes Gehäuse auf, in dessen Inneren mindestens eine optische Einrichtung und mindestens eine zugeordnete Mikrosolarzelle angeordnet sind. Die mindestens eine optische Einrichtung konzentriert das einfallende Licht über das 100-fache jeweils auf eine zugeordnete Mikrosolarzelle mit einer kleinere Fläche als einigen hundert Quadratmillimetern. Zur Nachführung an dem Sonnenstand kann die mindestens eine optische Einrichtung unabhängig von der zugeordnete Mikrosolarzelle und von dem ortsfesten Gehäuse bewegt und so an die Sonne nachgeführt werden. Auch kann die Einheit aus einer Mikrosolarzelle und optischer Einrichtung unabhängig von dem umgebenden Gehäuse bewegt und so der Sonne nachgeführt werden. Da der Wirkungsgrad der Mikrosolarzelle mit zunehmender Temperatur sinkt, ist die darin verwendete Mikrosolarzelle jeweils mit einem Kühlkörper umgeben, der die anfallende Wärme von der zugeordneten Mikrosolarzelle abführen soll. Die Anbringungsart der Mikrosolarzellen in Inneren eines Gehäuses führt trotz vorhandenen Kühlkörpern um die Mikrosolarzellen zu Problemen bei der notwendigen Wärmeabführung, die dabei im Gehäuse gefangen bleibt, sowie zu Verunreinigungen der Innenseite der PV-Vorrichtung und der empfindlichen Mikrosolarzellen.
  • Solche Mikrosolarzellen sind sehr empfindlich gegen Umwelteinflüsse, bereits Staubkörner und kleine Schmutzpartikel oder Feuchtigkeit können ihre Funktion beeinträchtigen.
  • Da grundsätzlich nur die Verbindung mehrerer Photovoltaik-Vorrichtungen einen wirtschaftlichen Einsatz einer solchen Photovoltaik-Vorrichtung ermöglicht, werden diese vorzugsweise zu einer Solaranlage zusammengefasst.
  • Nachteilig ist bei bekannten Solarmodulen insbesondere bei Photovoltaik-Konzentratormodulen, 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.
  • Bekannt sind auch relativ leichtgewichtige Linsensysteme, die eine Dicke von etwa 2 mm aufweisen.
  • Üblicherweise kann von den verwendeten 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.
  • Der Teil der einfallenden Sonnenstrahlung, der von der Solarzellen nicht in Strom umgewandelt wird, ist eher langwellig und macht sich als Wärme bemerkbar. Da der Wirkungsgrad von Solarzellen mit einer Erhöhung der Temperatur absinkt, ist bei solchen Solarmodulen die Arbeitstemperatur der Solarzellen wegen der großen Wärmemengen, die während ihres Betriebs entstehen, oder wegen der einfallenden Wärmestrahlung (IR-Strahlung) schwer in einem Bereich zu halten, in dem die Solarzellen effektiv arbeiten können.
  • Üblicherweise wird Wärme, die beim Betrieb der Solarzellen oder durch die einfallende Wärmestrahlung verursacht wird, an die Umgebung mittels Luftkühlung oder über Kühlkörper abgeleitet. Bekannt ist es auch, wie z. B. aus dem Dokument DE 40166665 A1 hohe Konzentrationen der einfallenden Sonnenstrahlung zu vermeiden, um eine Überhitzung der darin verwendeten Solarzellen zu umgehen.
  • Im Dokument DE 4016665 A1 ist eine Fotozellenanordnung offenbart, bei der zwei transparente Trägerplatten parallel und beabstandet zueinander angeordnet und mittels Trageelemente miteinander verbunden sind. Die der Sonne zugewandte Platte ist auf ihrer der Sonne abgewandten Seite mit sechs trapezförmigen Hologrammen versehen, die zu einem sechseckigen Ring zusammengesetzt sind. Der aus den trapezförmigen Hologrammen zusammengesetzte Ring fasst eine sechseckige Fläche ein. Die der Sonne abgewandte Platte dient als Träger für die Fotozellen. Diese bedecken auf der Rückseite dieser Platte eine sechseckige Fläche, die der senkrechten Projektion der von den Hologrammen eingefassten Fläche auf die der Sonne abgewandte Platte entspricht. Die Hologrammen haben eine derartige Charakteristik, dass sie das senkrecht einfallende Licht auf die Fläche der Fotozellen umlenken. Das auf die von den Hologrammen eingefasste Fläche der der Sonne zugewandten Platte einfallende Licht fällt direkt auf die vorhandenen Fotozellen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Photovoltaik-Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1 derart auszubilden, dass eine Erhöhung der Effizienz der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erzielt wird.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung bildet den Gegenstand des Nebenanspruchs.
  • Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie weist mindestens eine Solarzelle und mindestens ein der mindestens einen Solarzelle zugeordnetes optisches Element zum Umlenken der senkrecht einfallenden Sonnenstrahlung auf die zugeordnete und gegenüber diesem im Abstand angeordnete Solarzelle auf. Dabei grenzt die Projektion der Fläche des optischen Elements in der Ebene der Solarzelle an die Fläche der mindestens einen Solarzelle an. Das optische Element ist zumindest aus einem Teil, insbesondere einem Randteil einer vorzugsweise ultradünnen Sammellinse, insbesondere einer Fresnellinse, ausgebildet, die eine Dicke aufweisen kann, die unter ein paar Hundert Mikrometern insbesondere unter 100 Mikrometern liegt.
  • Die ultradünnen Sammellinsen können in einer Folie eingearbeitet sein, deren Dicke die Dicke der eingearbeiteten Sammellinsen nicht überschreitet und unter ein paar Hundert Mikrometern insbesondere unter 100 Mikrometern liegt.
  • Solche Folien mit eingearbeiteten optischen Elementen sind serienmäßig einfach und kostengünstig realisierbar. In einem erheblich vereinfachten und dadurch auch kostengünstigen Verfahren wird das mindestens eine optische Element aus einer solchen vorgefertigten Folie abtrennt und dann beabstandet von mindestens einer zugeordneten Solarzelle der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung auf derer der Sonne zugewandten Seite angebracht. Die Abtrennung und insbesondere die Anbringung des mindestens einen optischen Elements können besonders einfach und sehr genau in einem automatisierten Prozess erfolgen.
  • Durch die Anbringungsart des mindestens einen optischen Elements kann die auf die senkrechte Projektionsfläche der mindestens einen Solarzelle in der Ebene des optischen Elements eintreffende Sonnenstrahlung die mindestens eine Solarzelle direkt erreichen und dadurch können Transmissionsverluste reduziert werden, die beim Durchqueren von transparenten Schichten oder optischen Elementen auftreten können, da in diesem Fall solche Transmissionsverluste, die beim Durchqueren des mindestens einen optischen Elements auftreten, eingeschränkt werden können. So kann ein größerer Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung die mindestens eine Solarzelle erreichen. Folglich arbeitet die mindestens eine Solarzelle effizienter.
  • Durch den Einsatz von solchen ultradünnen optischen Elementen mit einer Dicke, die unter ein paar Hundert Mikrometern insbesondere unter 100 Mikrometern liegt, wird eine Reduzierung des Gewichtes der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erreicht, die zu einer erheblichen Verringerung der verbrauchten Strommenge bei der Nachführung an die Sonne führt. Dadurch wird eine höhere Effizienz der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erreicht, da die an den Verbraucher lieferbare Strommenge größer ist. Auch sind Folien mit solchen optischen Elementen serienmäßig einfach und kostengünstig realisierbar.
  • Durch die Anbringungsart des optischen Elements, kann neben der auf die Solarzelle senkrecht einfallenden Sonnenstrahlung auch mindestens ein Teil der auf das optische Element senkrecht einfallenden Sonnenstrahlung auf die Solarzelle umgelenkt werden. Dadurch erhöht sich die Konzentration der Sonnenstrahlen, die auf die Solarzelle auftrifft, und die Solarzelle erzeugt mehr Strom. Auch kann durch die Wahl des Abstandes zwischen dem optischen Element und der Solarzelle die Konzentration der auf die Solarzelle auftreffenden Sonnenstrahlung kontrolliert werden und so auch die Wärmemenge, die im Betrieb der Solarzelle entsteht. So kann die Konzentration der auf die Solarzelle einfallenden Sonnenstrahlung in einem Bereich gehalten werden, in dem die Wärmeentwicklung relativ gering ist und die Temperatur der Solarzelle den Wirkungsgrad der Solarzelle nicht beeinträchtigt. Je näher die Solarzelle dem Fokus des optischen Elements angebracht ist, desto größer ist die Konzentration der auf die Solarzelle auftreffenden Sonnenstrahlung.
  • Insbesondere können mehrere solche optischen Elemente vorhanden sein. Dadurch können auch höhere Konzentrationen der auf die Solarzelle einfallenden Sonnenstrahlung erreicht werden.
  • Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Solarzelle eine großflächige Solarzelle vorzugsweise aus Silizium, insbesondere eine großflächige Dünnschichtsolarzelle. Da die optischen Elemente besonders leichtgewichtig sind, können sie auch bei großflächigen Solarzellen eingesetzt werden, ohne dass sie das Gewicht der Photovoltaik-Vorrichtung besonders erhöhen. Da solche optische Elemente kostengünstig sind, bleiben auch bei ihrem großflächigen Einsatz die Herstellungs- bzw. Einkaufskosten in Grenzen. Dabei entfällt der Aufbauaufwand, der beim Einsatz von sehr kleinflächigen Solarzellen auftritt, da die Positionierung von großflächigen Solarzellen erheblich leichter durchführbar ist. So kann kostengünstig eine besonders effiziente erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung realisiert werden, die insbesondere einachsig nachgeführt werden kann.
  • Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung mindestens eine Solarzelle auf, deren Fläche ein Rechteck mit einer viel größeren Länge als seine Breite ist. Die Länge kann dabei mehr als das 10fache insbesondere mehr als das 100fache der Breite betragen. Eine solche Photovoltaik-Vorrichtung bedarf einer einfachen, einachsigen Nachführung und der Materialaufwand bei den eingesetzten Solarzellen ist hier kleiner als bei großflächigen Solarzellen, die in allen Richtungen großzügig dimensioniert sind.
  • Bei einer einachsigen Nachführung wird das Nachführsystem seinen Elevationswinkel maximal um 270° ändern und der Sonne horizontal nachgeführt. Bei einer zweiachsigen Nachführung wird das Nachführsystem zusätzlich auch seinen mit der vertikalen Achse gebildeten Winkel um maximal 90° ändern.
  • Bei einer einachsigen Nachführung ist der Stromverbrauch gegenüber einer zweiachsigen Nachführung geringer. Dadurch erhöht sich die Effizienz einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung.
  • Auch können mehrere oder auch insbesondere alle optische Elemente an einer gemeinsamen transparenten Lichteintrittsplatte angebracht sein. Solch eine Anbringungsart der optischen Elemente erleichtert deren Positionierung relativ zu den Solarzellen. Außerdem kann sich die auf die optischen Elemente einfallende Wärme in dem Lichteintrittskörper gleichmäßig verteilen. Dadurch kann eine Überhitzung und folglich eine Beschädigung der ultra dünnen optischen Elemente vermieden werden.
  • Insbesondere sind mehrere, vorzugsweise alle Solarzellen an derer der Sonne abgewandten Seite mit einer Wärmeleiterplatte verbunden. So kann die einfallende und die im Betrieb der Solarzellen entstehende Wärme schnell in die Außenumgebung transportiert und eine Überhitzung der Solarzellen vermieden werden.
  • Vorzugsweise ist dem mindestens einen optischen Element auf dessen der Sonne zugewandten Seite eine erste insbesondere ebene Hologrammstruktur zugeordnet, die die einfallende Sonnenstrahlung, die von der mindestens einer Solarzelle nicht in elektrischen Strom umwandelbar ist, zurück in die Außenumgebung umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt. So wird die eher langwellige einfallende Sonnenstrahlung samt Wärmestrahlung die ultradünnen optischen Elemente nicht erreichen und diese dadurch auch nicht überhitzen. Wenn sich die erste Hologrammstruktur auch über die Fläche der mindestens einen Solarzelle ausdehnt, erreicht die langwelligere Sonnenstrahlung auch die Solarzelle nicht. So wird auch eine Überhitzung der mindestens einen Solarzelle vermieden.
  • Die Kombination der Hologrammstruktur zum selektiven Filtern von durch die Solarzelle verwertbarer Strahlung mit einem Teil einer ultradünnen Sammellinse mit einer Dicke unter ein paar Hundert Mikrometern insbesondere unter 100 Mikrometern bringt besondere Vorteile und ist besonders bevorzugt.
  • Vorzugsweise ist in der Ebene der mindestens einen Solarzelle und auf dort der Projektionsfläche des mindestens einen zugeordneten optischen Elements eine erste insbesondere ebene optische Struktur vorhanden zum Reflektieren und insbesondere zum Umlenken der von dem mindestens einen optischen Element auf die erste optische Struktur umgelenkten Sonnenstrahlung unter einem stumpfen Winkel gegenüber der Normalen auf der Ebene der Solarzelle. Dabei ist weiter vorzugsweise im Bereich der Ebene des mindestens einen optischen Elements auch eine zweite insbesondere ebene optische Struktur vorhanden, die die von der ersten optischen Struktur reflektierte oder umgelenkte Sonnenstrahlung auf die mindestens eine Solarzelle umlenkt. Die Fläche der zweiten optischen Struktur bedeckt vorzugsweise die Fläche des mindestens einen optischen Elements und/oder die Projektionsfläche der mindestens einen zugeordneten Solarzelle in der Ebene des mindestens einen optischen Elements.
  • Die erste optische Struktur lenkt die von dem mindestens einen ersten optischen Element umgelenkte Strahlung, die nicht auf die mindestens eine Solarzelle auftrifft, in Richtung erstes optisches Element um. Die von der ersten optischen Struktur umgelenkte Sonnenstrahlung trifft dabei auf die an der der Sonne abgewandten Seite des mindestens einen optischen Elements angebrachte zweite optische Struktur auf und wird von dieser auf die Solarzelle umgelenkt.
  • Mittels der ersten und der zweiten optischen Strukturen wird die Konzentration der auf die Solarzelle auftreffenden Sonnenstrahlung erhöht. Folglich steigt die Effizienz der Solarzelle.
  • Insbesondere ist die erste optische Struktur einfach und kostengünstig mittels einer zweiten Hologrammstruktur realisierbar, die die von dem mindestens einen optischen Element auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert oder unter einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die Ebene mit der Solarzelle senkrechten Gerade umlenkt. Insbesondere lässt die zweite Hologrammstruktur Sonnenstrahlung durch, die von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbar ist. So wird eine Überhitzung der mindestens einen Solarzelle vermieden, da Wärmestrahlung und Sonnenstrahlung, die die mindestens eine Solarzelle in Wärme umwandeln würde, auf die Fläche dieser nach Umlenkung durch die zweite optische Struktur nicht auftreffen kann.
  • Vorzugsweise wird die zweite optische Struktur einfach und kostengünstig mittels einer dritten Hologrammstruktur realisiert, die nur Sonnenstrahlung umlenkt, die Wellenlängen aufweist, die in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich liegen und unter einem vorbestimmten Einfallswinkel auf die dritte Hologrammstruktur auftreffen. Dabei lässt die dritte Hologrammstruktur sonstige Strahlung unabgelenkt durch und lenkt nur die von der ersten optischen Struktur Hologrammstruktur auf die dritte Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich auf die Solarzelle um.
  • Insbesondere lässt die dritte Hologrammstruktur Sonnenstrahlung unabgelenkt durch, die von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbar ist. So können lokale Überhitzung der mindestens einer Solarzelle, die zu einer Verringerung der Effizienz und der Lebensdauer der Solarzelle vermieden werden, da Wärmestrahlung und Sonnenstrahlung, die die mindestens eine Solarzelle in Wärme umwandeln würde, auf die Fläche dieser gleichmäßig auftreffen.
  • Auch kann die zweite optische Struktur einen halbdurchlässigen Spiegel aufweisen, der die auf dessen der Sonne zugewandten Seite auftreffende Sonnenstrahlung durchlässt und die auf dessen der Sonne abgewandten Seite von der ersten optischen Struktur umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert und diese so der Solarzelle zuleitet.
  • Vorzugsweise werden mehrere der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtungen in eine der Sonne stets insbesondere einachsig nachgeführten Anlage eingesetzt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
  • 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung;
  • 2 eine schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung.
  • Die in 1 zum Teil dargestellte Photovoltaik-Vorrichtung weist eine Vielzahl von Solarzellen 20 – nur eine beispielhaft dargestellt – auf, denen jeweils zwei ultradünne optische Elemente 30 zugeordnet sind. Die zwei optischen Elemente 30 bilden zusammen eine ultradünne Fresnellinse und stellen jeweils eine Hälfte dieser Fresnellinse dar.
  • Die zwei optischen Elemente 30 sind zueinander beabstandet und auf einer geraden Fläche an der der Sonne abgewandten Seite eines gemeinsamen Lichteintrittskörper 40 angebracht. Gegenüber der der Sonne abgewandten Seite des Lichteintrittskörpers 40 ist die Solarzelle 20 auf der der Sonne zugewandten Seite eines Trägerkörpers 60 so angebracht, dass ihre Projektionsfläche in der Ebene mit den optischen Elementen 30 an die optischen Elemente 30 angrenzt. Auf der der Sonne zugewandten Seite des Lichteintrittskörpers 40 über der Solarzelle 20 ist eine erste Hologrammstruktur 70 angebracht, die Sonnenstrahlung 37, die von der Solarzelle 20 nicht in Strom umwandelbar ist, zurück an die Außenumgebung umlenkt und sonstige Strahlung 36 durchlässt.
  • Angrenzend an die Solarzelle 20 und auf der der Sonne zugewandten Seite des Trägerkörpers 60 ist eine erste optische Struktur 80 hier in Form einer zweite Hologrammstruktur 80 angebracht, die die Sonnenstrahlung 36, die von der Solarzelle 20 in Strom umwandelbar ist, zurück in Richtung der optischen Elemente 30 umlenkt und sonstige Strahlung 37 durchlässt.
  • Auf der der Sonne abgewandten Seite der optischen Elemente 30 ist die zweite optische Struktur 90 hier in Form eines halbdurchlässigen Spiegels 90 angebracht, die die auf der Sonne zugewandten Seite des halbdurchlässigen Spiegels 90 auftreffende Sonnenstrahlung 35, 36 unabgelenkt durchlässt und die auf der der Sonne abgewandten Seite des halbdurchlässigen Spiegels 90 von der ersten optischen Struktur 80 umgelenkte Sonnenstrahlung 36 reflektiert und so der Solarzelle 20 zuleitet. Die Fläche des halbdurchlässigen Spiegels 90 bedeckt dabei die Fläche der optischen Elemente 30 und die Projektionsfläche der Solarzelle 20 in der Ebene mit den optischen Elementen 30.
  • Die in 2 zum Teil dargestellte erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung weist mehrere rechteckige Solarzellen 20 auf, die jeweils eine Länge aufweisen, die jeweils deutlich größer als deren Breite ist. Bei der in 2 dargestellten Draufsicht der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung wird unter anderen die Anbringungsart der ultradünnen optischen Elementen 30 gegenüber der zugeordneten Solarzellen 20 verdeutlicht. Die optischen Elemente 30 sind gemeinsam an einem Lichteintrittskörper 40 angebracht.
    • 10
    Photovoltaik-Vorrichtung
    20
    Solarzelle
    30
    optisches Element
    35
    einfallende Sonnenstrahlung
    36
    von der Solarzelle in Strom umwandelbare Sonnenstrahlung
    37
    von der Solarzelle nicht umwandelbare Sonnenstrahlung
    40
    Lichteintrittskörper
    60
    Trägerkörper
    70
    erste Hologrammstruktur
    80
    erste optische Struktur als zweite Hologrammstruktur
    90
    zweite optische Struktur als halbdurchlässiger Spiegel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4016665 A1 [0001, 0014]
    • - DE 10320663 A1 [0006]
    • - DE 40166665 A1 [0013]

Claims (18)

  1. Photovoltaik-Vorrichtung (10) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit mindestens einer Solarzelle (20) und mindestens einem der mindestens einen Solarzelle zugeordneten optischen Element (30) zum Umlenken der senkrecht einfallenden Sonnenstrahlung auf die zugeordnete und gegenüber diesem im Abstand angeordnete Solarzelle (20), wobei die Projektion der Fläche des optischen Elements (30) auf die Ebene mit der Solarzelle (20) an der Fläche dieser Solarzelle (20) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (30) zumindest ein Teil einer Sammellinse, insbesondere einer Fresnellinse, ist.
  2. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (30) ein Randteil einer Fresnellinse mit einer Dicke von unter ein paar Hundert Mikrometern, insbesondere von unter 100 Mikrometern, ist.
  3. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen Solarzelle (20) mehrere optische Elemente (30) zugeordnet sind.
  4. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle (20) eine großflächige Solarzelle aus Silizium, insbesondere eine Dünnschichtsolarzelle, ist.
  5. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der mindestens einen Solarzelle (20) ein Rechteck, insbesondere mit einer viel größeren Länge als Breite ist.
  6. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere alle, optische Elemente (30) an einer gemeinsamen transparenten Lichteintrittsplatte (40) angebracht sind.
  7. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere alle, Solarzellen (20) an ihrer der Sonne abgewandten Seite mit einer Wärmeleiterplatte verbunden sind.
  8. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen optischen Element (30) auf dessen der Sonne zugewandten Seite eine erste Hologrammstruktur (70) zugeordnet ist, die einen Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung (37), der von der mindestens einen Solarzelle (20) nicht in elektrischen Strom umwandelbar ist, zurück in die Außenumgebung umlenkt und einen von der Solarzelle (20) in Strom umwandelbaren Anteil der Sonnenstrahlung (36) durchlässt.
  9. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hologrammstruktur (70) die Fläche des mindestens einen optischen Elements (30) und/oder die Projektion der Fläche der mindestens einen Solarzelle (20) in der Ebene mit dem mindestens einen ersten optischen Element (30) bedeckt.
  10. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ebene mit der mindestens einen Solarzelle (20) auf der Projektionsfläche des mindestens einen zugeordneten optischen Elements (30) eine erste insbesondere ebene optische Struktur (80) zum Umlenken oder Reflektieren der von dem mindestens einen optischen Element (30) auf die erste optische Struktur umgelenkten Sonnenstrahlung (35) vorhanden ist und dass im Nahbereich des mindestens einen optischen Elements (30) auf seiner der Sonne abgewandten Seite eine zweite insbesondere ebene optische Struktur (90) vorhanden ist, die die einen von der Solarzelle (20) in Strom umwandelbaren (36) und von der ersten optischen Struktur (80) reflektierten oder umgelenkten Anteil der Sonnenstrahlung auf die mindestens eine Solarzelle (20) umlenkt und einen durch die Solarzelle nicht in Strom umwandelbaren Anteil der Sonnenstrahlung (37) durchlässt, wobei die Fläche der zweiten optischen Struktur (90) die Fläche des mindestens einen optischen Elements (30) und/oder die Projektionsfläche der mindestens einen zugeordneten Solarzelle (20) in der Ebene mit dem mindestens einem optischen Element (30) bedeckt.
  11. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Struktur (80) eine zweite Hologrammstruktur (80) aufweist, die die den von der Solarzelle (20) in Strom umwandelbaren und von dem mindestens einen optischen Element (30) auf die Solarzelle (20) umgelenkte Sonnenstrahlung (36) reflektiert oder auf die Solarzelle (20) hin umlenkt und von der Solarzelle (20) nicht verwertbare Sonnenstrahlung (37) durchlässt.
  12. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Struktur (90) eine dritte Hologrammstruktur aufweist, die den von der Solarzelle (20) in Strom umwandelbaren und von der ersten optischen Struktur (80) auf die zweite optische Struktur (90) umgelenkten Anteil der Sonnenstrahlung (36) auf die Solarzelle (20) umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung (35, 36) durchlässt.
  13. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Struktur (90) einen halbdurchlässigen Spiegel (90) aufweist, die den von der Solarzelle (20) in Strom umwandelbaren und von der ersten optischen Struktur (80) auf die der Sonne abgewandten Seite des halbdurchlässigen Spiegel (90) umgelenkten Anteil der Sonnenstrahlung (36) reflektiert und der Solarzelle (20) zuleitet und die auf die der Sonne zugewandten Seite des halbdurchlässigen Spiegel (90) auftreffende Sonnenstrahlung (35, 36) durchlässt.
  14. Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaik-Vorrichtung (10) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit mindestens einer Solarzelle (20) und mindestens einem der mindestens einen Solarzelle (30) zugeordneten optischen Elements zum Umlenken senkrecht einfallender Sonnenstrahlung (35) auf die zugeordnete und gegenüber diesem im Abstand angeordnete Solarzelle (20), wobei die Projektion der Fläche des optischen Elements (30) auf die Ebene mit der Solarzelle (20) an der Fläche dieser angrenzt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Abtrennen mindestens eines Teils einer Sammellinse aus einer vorgefertigten Folie mit mehreren eingearbeiteten Sammellinsen mit einer Dicke, die die Dicke der eingearbeiteten Sammellinsen nicht überschreitet und unter ein Paar Hundert Mikrometern liegt, b) Vorsehen der Photovoltaik-Vorrichtung (10) in dem für das mindestens eine optische Element (30) vorgesehenen bereich mit dem mindestens einen abgetrennten Teil der in der Folie eingearbeiteten Sammellinse (30).
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Teil der Sammellinse als einen Randteil der Sammellinse ausgewählt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie als Folie mit mehreren eingearbeiteten Fresnellinsen ausgewählt wird und das mindestens eine optische Element (30) aus einer Fresnellinse dieser Folie abgetrennt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie mit einer Dicke kleiner als oder gleich Hundert Mikrometern ausgewählt wird.
  18. Solaranlage, insbesondere einachsig nachgeführte Solaranlage, mit mehreren, insbesondere mit mehreren vereinzelten, Photovoltaik-Vorrichtungen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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