DE102008035575A1 - Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, enthaltend eine Abdeckplatte, eine Primäroptik, eine Sekundäroptik, mindestens eine Solarzelle sowie eine Wärmesenke. Die beiden eingesetzten Optiken ermöglichen eine zweistufige Konzentrierung des Sonnenlichts. In der Photovoltaik-Vorrichtung sind dabei Strahlungsabsorber so angeordnet, dass eine Transmission von Sonnenlicht mit Wellenlängen ≤ 350 nm um mindestens 50% reduziert wird.
- In der Konzentrator-Photovoltaik („concentrator photovoltaics – CPV”) wird die direkt einfallende Solarstrahlung durch eine Konzentratoroptik auf eine Solarzelle gebündelt, so dass auf der Zelle die Bestrahlungsstärke um den sog. Konzentrationsfaktor höher ist [A. Luque und V. Andreev (Eds.), Concentrator Photovoltaics, Springer Series in Optical Sciences 130, Springer-Verlag. Berlin Heidelberg (2007)]. Zur Ausgestaltung der Konzentratoroptik gibt es eine Vielzahl von optischen Ansätzen, die in der Regel auf Brechung, Reflexion oder interner Totalreflexion an speziell geformten optischen Komponenten beruhen [P. Benitez und J. C. Minano, "Concentrator optics for the next-generation photovoltaics", in A. Marti and A. Luque (Ed.), "Next Generation Photovoltaics", Institute of Physics Publishing, Series in Optics and Optoelectronics, Bristol and Philadelphia, ISBN 0750309059, 2004]. Bei hochkonzentrierenden Systemen, wie sie im Folgenden ausschließlich betrachtet werden, ist es auch üblich, die optische Konzentration in zwei Stufen zu erwirken, durch einen Primär- und einen Sekundärkonzentrator. Der Sekundärkonzentrator hat wiederum verschiedene Ausführungsformen unter Nutzung der o. g. optischen Effekte. Er kann dazu dienen, die Konzentration zu erhöhen, den Winkelbereich, unter dem die Solarzelle Strahlung empfängt, zu vergrößern und sie homogener über die Zellfläche zu verteilen. Bei massiven Sekundärkonzentratoren aus einem transparenten Material ist es in der Regel notwendig, den Sekundärkonzentrator optisch an die Solarzelle anzukoppeln. Insgesamt weist ein solches optisches System geometrische Konzentrationen (Eintrittsfläche/Solarzellenfläche) von mehreren Hundert bis wenige Tausend auf. Berücksichtigt man zusätzlich die Inhomogenität der Bestrahlungsstärke kann die lokal nach der Konzentration auftreffende Solarstrahlung Bestrahlungsstärken haben, die im Maximum um deutlich mehr als Tausend über derjenigen der unkonzentriert auf die Erde auftreffenden Solarstrahlung liegt. Dies stellt insbesondere eine Herausforderung bezüglich der UV-Stabilität der eingesetzten Materialien in der Nähe der Solarzelle dar, da dort ohne Filterung der UV-Strahlung im UV-Bereich der Solarstrahlung UV-Bestrahlungsstärken von > 5 W/cm2 auftreten können, die über die lange Gebrauchsdauer von Konzentrator-Photovoltaikmodulen zur Solarisation und in Verbindung mit dem vorhandenen Luftsauerstoff zur Photooxidation der bestrahlten Materialien führen können. Zudem kann Feuchte im Modul die Degradation verstärken. Besondere Belastungen treten bei der üblicherweise eingesetzten Versiegelung von III-V-Multijunction Solarzellen, die gegenüber Feuchte empfindlich sind, oder bei der Schicht zur optischen Ankopplung eines massiven Sekundärkonzentrators auf. Die Versiegelungsmaterialien sind typischerweise Silikonharze oder organisch-anorganische Hybridpolymere oder stark vernetzte Polymere, die durch Einbringen von Energie in Form von Elektronenstrahlung, UV-Strahlung oder durch Plasmaentladung stark vernetzt sind. Für die Schicht zur optischen Ankopplung wird bisher vor allem Silikonharz verwendet.
- Stand der Technik ist, das transparente Harz, das zur optischen Ankopplung des Sekundärkonzentrators bzw. zum Schutz der Solarzelle vor Feuchte dient, durch ein Abschirmelement, z. B. ein nicht-transparentes Harz, vor dem Sonnenlicht zu schützen [Araki et al., ”Concentrator solar photovoltaic power generating apparatus”, patent
US 2008/0087323 A1 - Der Hauptnachteil der bekannten Lösung ist, dass ein Schutz vor der Solarstrahlung in ihrer Allgemeinheit generell nicht im optischen Strahlengang eingebracht werden kann, weil es ja gerade die Aufgabe des Photovoltaik-Systems ist, diese Strahlung mit möglichst hohem Wirkungsgrad zu konvertieren. Das in Araki et al. beschriebene Abschirmelement würde daher die Solarstrahlung, die auf die aktive Empfängerfläche der Solarzelle fällt, stark abschwächen, wenn es im Strahlengang angebracht wäre, und damit den Wirkungsgrad des Solargenerators deutlich herab setzen. Deshalb ist hier auch nur der Bereich außerhalb des Strahlengangs durch das Abschirmelement geschützt.
- Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, UV-strahlungsempfindliche Komponenten eines Konzentrator-Photovoltaik-Moduls vor der mit zunehmender Konzentration des Sonnenlichts zunehmenden UV-Strahlungsdichte im Strahlengang zu schützen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dass die von der Solarzelle konvertierbare Strahlung nicht so abgeschwächt werden darf, dass der Wirkungsgrad merklich abnimmt.
- Diese Aufgabe wird durch die Photovoltaik-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
- Erfindungsgemäß wird eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bereitgestellt, die eine ein- oder zweistufige Konzentratoroptik, die aus mehreren Elementen besteht, sowie mindestens eine Solarzelle und eine Wärmesenke aufweist. Die Materialien der Elemente der Konzentratoroptik sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass die Konzentratoroptik Transmission von Sonnenlicht mit Wellenlängen ≤ 250 nm um mindestens 50% reduziert.
- Vorzugsweise weist die Konzentratoroptik eine Abdeckplatte, eine Primäroptik und eine Sekundäroptik auf, wobei durch die Optiken eine zweistufige Konzentrierung des Sonnenlichts erfolgt.
- Es ist bevorzugt, dass die Konzentratoroptik mindestens einen Strahlungsabsorber aufweist.
- Bevorzugt findet die Anordnung des Strahlungsabsorbers in den Bereichen der Konzentratoroptik statt, in denen noch keine oder nur eine geringe Konzentration der Sonnenstrahlung stattgefunden hat, da Degradationsprozesse oft Schwellen der Bestrahlungsstärke unterliegen oder die Absorption bei hohen Konzentrationen der W-Strahlung zu zu hoher Wärmeentwicklung führen würde.
- Auf der anderen Seite werden die Komponenten durch W-Strahlung besonders belastet, die einer besonders hohen Konzentration ausgesetzt sind. Dies sind beispielsweise die Bereiche zwischen Solarzelle und Sekundäroptik, wobei hier in der Regel zwischen beiden Elementen eine Schicht zur optischen Ankopplung angeordnet ist.
- Es ist bevorzugt, dass auf der dem Sonnenlicht zugewandten Oberfläche der Abdeckplatte eine Schutzbeschichtung abgeschieden ist.
- Vorzugsweise ist die Abdeckplatte, z. B. aus Glas, direkt auf der Primäroptik, z. B. aus Siliconharz, angeordnet. Ebenso ist es aber auch möglich, dass zwischen der Abdeckplatte und der Primäroptik zumindest bereichsweise eine Verbindungsschicht angeordnet ist. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine Laminier- oder Klebschicht. Die Verbindungsschicht ist dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ethylenvinylacetat, Polyvinylbutyral, Klebeschicht auf Acrylat-Basis, oder Schmelzklebern wie Polyamiden, Polyethylen, amorphen Polyalphaolefinen, Polyester-Elastomeren, Polyurethan-Elastomeren, Copolyamid-Elastomeren, Vinylpyrrolidon/Vinylacetat-Copolymeren oder Polyester-, Polyurethan-, Epoxid-, Silikon- und Vinylester-Harzen.
- Die Primäroptik besteht vorzugsweise aus einer mikroreplizierten Fresnel-Linse oder einem auf dem Fresnel-Prinzip beruhenden optischen Element. Als Materialien kommen hier sowohl Thermoplasten, Duroplasten, thermoplastische Elastomere oder Elastomere in Frage. Besonders bevorzugt sind hier Silikonharze, Polymethylmethacrylate, Acrylatlacke, Polyurethanlacke und Dual Cure Lacke, d. h. Lacke, die auf der Kombination einer radikalischen Vernetzung und einer Isocyanat-Vernetzung basieren.
- Hinsichtlich der Sekundäroptik gibt es im Wesentlichen zwei bevorzugte Varianten. Im ersten Fall besteht die Sekundäroptik aus einem massiven Körper aus einem transparenten Material. Als Materialien kommen hier bevorzugt anorganische Gläser, organische Gläser oder transparente Polymere in Frage. Eine derartige massive Sekundäroptik weist vorzugsweise auf der dem Sonnenlicht zugewandten Oberfläche eine zusätzliche Beschichtung auf.
- Eine zweite bevorzugte Variante der Sekundäroptik sieht vor, dass diese eine als Hohlkörper ausgeformte reflektive Sekundäroptik darstellt. In diesem Fall weist die reflektive Sekundäroptik bevorzugt zumindest bereichsweise eine innenliegende Beschichtung, d. h. eine zum Hohlraum gewandte Beschichtung, auf.
- Weiterhin ist es bevorzugt, dass zwischen der massiven Sekundäroptik und der Solarzelle eine Beschichtung zur optischen Ankopplung angeordnet ist.
- Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass in der Abdeckplatte, der Primäroptik, der Sekundäroptik, der beschriebenen Schutzbeschichtung, der Verbindungsschicht, der Beschichtung der Sekundäroptik auf der dem Sonnenlicht zugewandten Oberfläche, der Beschichtung zur optischen Ankopplung zwischen Sekundäroptik und Solarzelle oder der innen liegenden Beschichtung Strahlungsabsorber angeordnet sind. Ebenso ist es auch möglich, dass in mehreren oder allen dieser Komponenten Strahlungsabsorber angeordnet sind. Vorgabe ist hier, dass in Summe die Transmission von Sonnenlicht mit Wellenlängen ≤ 350 nm um mindestens 50% reduziert wird.
- Als Strahlungsabsorber sind organische Materialien bevorzugt, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxaniliden, Benzotriazolen, Benzophenonen Hydroxyphenyltriazinen, sterisch gehinderten Aminen (HALS) oder Mischungen hiervon. Ebenso sind anorganische Materialien bevorzugt, zu denen insbesondere Titandioxid-Nanopartikel zählen.
- Die Beschichtung zur optischen Ankopplung zwischen Sekundäroptik und Solarzelle besteht vorzugsweise aus Silikon oder transparenten Polymeren, insbesondere organischen-anorganischen Hybridpolymeren.
- Die innen liegende Beschichtung der als Hohlkörper ausgeformten Sekundäroptik besteht vorzugsweise aus TiOx-, SnOx- oder ZnO-Deckschichten auf einer Trägerschicht oder einem Trägersubstrat aus Silber oder Aluminium.
- Vorzugsweise besteht die Abdeckplatte aus Glas, insbesondere mit Cer dotierte Gläser, Borosilikatgläser oder Kalknatrongläser.
- Anhand des nachfolgenden Beispiels und der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
- Die Figur zeigt anhand einer schematischen Zeichnung den Aufbau einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung.
- Beispiel
- Eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Photovoltaik-Vorrichtung ist in
1 dargestellt und weist die folgenden Komponenten auf: - • Eine
Beschichtung
11 , die W-absorbierende anorganische, z. B. TiO2-Nanopartikel beinhaltet. Bevorzugt werden diese als poröses Netzwerk aus flüssigen Vorstufen, z. B. in Sol-Gel-Technik, gegebenenfalls in Kombination mit SiO2-Nanopartikeln, so aufgebracht, dass die Schicht optisch ein effektives Medium mit einer effektiven Brechzahl zwischen 1,3 und 1,5 darstellt, - • eine mit Cer dotierte Glasscheibe
10 , - • ein mikroreplizierter Primärkonzentrator
20 , bestehend aus Thermoplasten, Duroplasten, Elastomeren (wie insbesondere Silikonen) und thermoplastischen Elastomeren, die in Präge- oder Gießverfahren mit oder ohne Strahlungshärtung auf Trägerfolien oder trägerlos mit einem Werkzeug, das die Negativform des Fresnellinsen-ähnlichen optischen Elements aufweist, geformt wurden und erfindungsgemäß mit W-absorbierenden Eigenschaften ausgestattet sind. Bevorzugte Materialien sind Silikonharze, Polymethylmethacrylat oder vernetzende Systeme, wie Acrylatlacke. In einer besonderen Ausführungsform wird das Fresnellinsen-ähnliche optische System in Durchlauf durch Replikation mittels eines walzenförmigen Werkzeugs oder eines auf eine Walze aufgespannten Werkzeugs unter Strahlungshärtung in eine Acrylatschicht auf einer Trägerfolie repliziert. In diesem Fall kann sowohl die Acrylatschicht als auch die Trägerfolie W-absorbierend ausgestattet sein, - • eine Klebe- oder Laminatbildende Schicht
12 , bestehend aus z. B. Ethylenvinylacetat, Polyvinylbutyral (PVB), Klebeschichten auf Acrylatbasis, Schmelzkleber (Hotmelts), wie Polyamiden, Polyethylen, amorphen Polyalphaolefinen, Polyester-Elastomeren Polyurethan-Elastomeren, Copoylamid-Elastomeren, Vinylpyrrolidon/Vinylacetat-Copolymeren, Polyester-, Polyurethan-, Epoxid-, Silikon- und Vinylesterharzen, die alle erfindungsgemäß mit W-absorbierenden Eigenschaften ausgestattet sind. - • im Falle eines massiven Sekundärkonzentrators aus
anorganischen Gläsern, eine Beschichtung
31 , die W-absorbierende anorganische, z. B. TiO2-Nanopartikel beinhaltet. Bevorzugt werden diese als poröses Netzwerk aus flüssigen Vorstufen, z. B. in Sol-Gel-Technik, gegebenenfalls in Kombination mit SiO2-Nanopartikeln, so aufgebracht, dass die Schicht optisch ein effektives Medium mit einer effektiven Brechzahl zwischen 1,3 und 1,5 darstellt, - • im Falle eines massiven Sekundärkonzentrators aus
organischen Gläsern, eine Beschichtung
31 , die UV-absorbierende organische Bestandteile oder als anorganisch-organisches Hybridpolymer auch anorganische Absorber, wie z. B. TiO2-Nanopartikel beinhaltet. Bevorzugt sind Schichten mit Brechzahlen zwischen 1,3 und 1,5 darstellt, - • ein massiver Sekundärkonzentrator
30 , bestehend aus einem transparenten anorganischen Glas oder einem transparenten Polymer, das jeweils geeignet UV-absorbierend ausgestattet ist. Der Sekundärkonzentrator aus Glas wird bevorzugt durch Blankpressen, hierbei wieder bevorzugt in einem parallelisierten Verfahren hergestellt. Im Falle des transparenten Polymers wird Spritzgießen bevorzugt, wobei hier wieder Silikone, die UV-absorbierend ausgestattet sind, sich besonders als Materialien eignen, - • ein als Hohlkörper ausgeformter reflektiver
Sekundärkonzentrator
30 , dessen innen liegende Beschichtung UV-absorbierend ausgestattet ist. Hierzu eignen sich z. B. TiOx- , SnOx- oder ZnOx-Deckschichten auf einer Ag- oder Al-Schicht oder auf einem Al-Substrat. Über die Stöchiometrie der Deckschichten kann die UV-Absorption zusätzlich eingestellt werden. - 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.
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Claims (19)
- Photovoltaik-Vorrichtung (
1 ) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie enthaltend eine ein- oder zweistufige aus mehreren Elementen bestehende Konzentratoroptik, mindestens eine Solarzelle (40 ) sowie eine Wärmesenke (50 ), dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien der Elemente der Konzentratoroptik so aufeinander abgestimmt sind, dass die Konzentratoroptik die Transmission von Sonnenlicht mit Wellenlängen ≤ 350 nm um mindestens 50% reduziert. - Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentratoroptik eine Abdeckplatte (
10 ), eine Primäroptik (20 ) und eine Sekundäroptik (30 ) aufweist, wobei durch die Optiken (20 ,30 ) eine zweistufige Konzentrierung des Sonnenlichts erfolgt. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentratoroptik mindestens einen Strahlungsabsorber aufweist.
- Photovoltaik-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strahlungsabsorber in den Bereichen der Photovoltaik-Vorrichtung (
1 ), in denen eine geringe Konzentration des Sonnenlichts besteht, angeordnet ist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Sonnenlicht zugewandten Oberfläche der Abdeckplatte (
10 ) eine Beschichtung (11 ) abgeschieden ist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abdeckplatte (
10 ) und der Primäroptik (20 ) zumindest bereichsweise eine Verbindungsschicht (12 ), insbesondere eine Laminier- oder Klebschicht, angeordnet ist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sekundäroptik (
30 ) aus einem transparenten Material, insbesondere einem anorganischen Glas, einem organischen Glas oder einem transparenten Polymer, besteht oder dieses enthält. - Photovoltaik-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundäroptik (
30 ) auf der dem Sonnenlicht zugewandten Oberfläche eine Beschichtung (31 ) aufweist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sekundäroptik (
30 ) eine als Hohlkörper ausgeformte reflektive Sekundäroptik ist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektive Sekundäroptik zumindest bereichsweise eine innenliegende Beschichtung (
33 ) aufweist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Sekundäroptik (
30 ) und der Solarzelle (40 ) eine Beschichtung (32 ) zur optischen Ankopplung angeordnet ist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Komponenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Abdeckplatte (
10 ), Primäroptik (20 ), Sekundäroptik und Beschichtungen (11 ,12 ,31 ,32 ,33 ) oder mehrere dieser Komponenten den mindestens einen Strahlungsabsorber enthält oder aus diesem besteht. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (
11 ) und/oder die Beschichtung (31 ) eine Brech zahl von 1,3 bis 1,5 aufweist. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strahlungsabsorber ein organisches Material, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxanilide, Benzotriazole, Benzophenone Hydroxyphenyltriazine, sterisch gehinderte Amine (HALS) oder Mischungen hiervon, und/oder einem anorganischen Material, insbesondere Titandioxid-Nanopartikel, enthält oder aus diesen besteht.
- Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primäroptik (
20 ) aus einer mikroreplizierten Fresnellinse oder ein auf dem Fresnel-Prinzip beruhendes optisches Element aus einem Thermoplasten, Duroplasten, thermoplastischen Elastomeren oder Elastomeren, insbesondere Silikonharzen, Polymethylmethacrylaten, Acrylatlacken, Polyurethanlacken und Dual Cure Lacken besteht. - Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (
12 ) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ethylenvinylacetat, Polyvinylbutyral, Klebeschicht auf Acrylat-Basis, oder Schmelzklebern wie Polyamiden, Polyethylen, amorphe Polyalphaolefine, Polyester-Elastomere, Polyurethan-Elastomere, Copolyamid-Elastomere, Vinylpyrrolidon/Vinylacetat-Copolymere oder Po lyester-, Polyurethan-, Epoxid-, Silikon- und Vinylester-Harze. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (
32 ) aus Silikon oder einem transparenten Polymer, insbesondere aus organisch-anorganisch Hybridpolymeren besteht. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (
33 ) aus TiOx-, SnOx- oder ZnOx-Deckschichten auf einer Trägerschicht oder einem Trägersubstrat aus Silber oder Aluminium besteht. - Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckplatte (
10 ) aus Glas, insbesondere mit Cer dotierte Gläser, Borosilikatgläser oder Kalknatrongläser, besteht.
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