DE102008035986A1

DE102008035986A1 - Photovoltaische Elemente mit verbesserter optischer Ausbeute

Info

Publication number: DE102008035986A1
Application number: DE102008035986A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Schweizer; Paul Dr. Miclea; Ralf Prof. Dr. Wehrspohn
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-08-02
Also published as: DE102008035986B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Element, gekennzeichnet durch eine Schicht aus einem lumineszierenden Material mit einer Matrix, die für die die Lumineszenz hervorrufende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig ist und Ionen, Moleküle, chemische Gruppen oder diskrete Teilchen enthält, die unter Einwirkung dieser Strahlung lumineszieren, wobei in der Matrix metallische Partikel mit einem Durchmesser zwischen 1 und 1000 nm eingebettet sind, wobei die genannte Schicht so angeordnet ist, dass auf dem photovoltaischen Element auftreffende Photonen zuerst in diese Schicht eindringen, worauf sie bzw. daraus hervorgegangene Photonen in einen Bereich gelangen, in dem sie der photovoltaischen Konversion unterworfen werden, und/oder wobei die genannte Schicht so angeordnet ist, dass durch den Bereich, in dem die photovoltaische Konversion stattfindet, hindurch getretene Photonen in diese Schicht eindringen können, worauf sie bzw. daraus hervorgegangene Photonen auf eine Reflexionsschicht auftreffen, wodurch sie nochmals in den genannten Bereich reflektiert werden, in dem die photovoltaische Konversion stattfindet. Als lumineszierendes Material wird vorzugsweise ein Glas oder eine Glaskeramik gewählt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung der optischen Ausbeute photovoltaischer Elemente durch Anordnen von transparenten, die Photonenenergie in ein besser ausnutzbares Spektrum überführenden Schichten auf den photovoltaisch wirksamen Bereichen.
Photovoltaische Elemente wie Solarzellen wandeln die Energie des einfallenden Lichtes, in der Regel des Sonnenlichtes, direkt in elektrische Energie um. Sonnenlicht besitzt einen sehr breiten Spektralbereich, der annähernd 5 eV umfasst. Diejenigen Photonen, deren Energie unter der Schwellenenergie für ihre Absorption durch das photovoltaische Element liegt, werden nicht absorbiert, sondern entweder reflektiert oder treten durch das photovoltaische Element hindurch, wenn dieses Transmissionseigenschaften für Licht aufweist. Diejenigen Photonen, deren Energie oberhalb der Schwellenenergie für ihre Absorption liegt (z. B. Bandlückenenergie, wenn es sich um ein Halbleitermaterial handelt), werden absorbiert, wobei jedoch unabhängig von der Energie dieser Photonen immer nur ein Elektronen-Loch-Paar pro absorbiertem Photon gebildet wird. Überschüssige Energie wird in Wärme umgewandelt und geht damit in Hinblick auf die energetische Ausnutzung verloren. Aus diesen Gründen liegt der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad beispielsweise von Silizium-Solarzellen bei maximal 30%. Der praktische Wirkungsgrad, in den darüber hinaus noch die Absorptionswahrscheinlichkeit eingeht, liegt noch weit darunter.
Es gibt eine Reihe von Ansätzen zur Verbesserung des Wirkungsgrades wie den Vorschlag, Tandemzellen mit zwei Halbleiterschichtbereichen mit unterschiedlichen energetischen Bandlücken vorzusehen oder durch gezieltes Einbringen von Störstellen im Halbleitermaterial energetische Zwischenniveaus in der Bandlücke zu erzeugen, so dass auch Photonen mit einer geringeren Energie als die Bandlücke Elektronen über die Zwischenniveaus in das Leitungsband anregen können, siehe z. B. M. Wolf in Proc. IRE; 48 1246 (1960) Der letztere Vorschlag hat jedoch den Nachteil, dass der zusätzliche Kanal zur Ausbildung von Elektronen-Loch-Paaren gleichzeitig einen zusätzlichen Rekombinationskanal darstellt.
Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, wird in WO 03/079457 vorgeschlagen, vor, in und/oder hinter dem eigentlichen photovoltaischen Element Konversionsschichten oder -materialien anzuordnen, mit denen die Energie der eintreffenden Photonen so verändert wird, dass eine größere Anzahl von Photonen absorbiert werden kann, indem die Energie von Photonen unterhalb des Schwellenwertes durch sogenannte Up-Konversion erhöht wird und/oder Photonen, die mindestens das Doppelte der Energie aufweisen, die für ihre Absorption im photovoltaischen Element benötigt wird, absorbiert und an ihrer Stelle mindestens zwei Photonen mit einer niedrigeren Energie emittiert werden, die aber immer noch oberhalb des Schwellenwertes liegt (sogenannte Down-Konversion, auch als Quantum Cutting bezeichnet). Eine Schicht mit Down-Konversions-Eigenschaften wird vorteilhaft auf der Seite des photovoltaischen Elements aufgebracht, auf der die Photonen auftreffen, während eine Up-Konversionsschicht vorteilhaft rückseitig aufgebracht wird. Hinter der letzteren wird dabei zusätzlich ein Reflektor angebracht, um die konvertierten bzw. noch nicht konvertierten Photonen zurück durch die Schicht und in den photovoltaisch aktiven Bereich zu führen. Up-Konversionsmaterial kann auch direkt in das Material des photovoltaisch aktiven Bereichs eingebracht werden, wobei Bedingung ist, dass die Elektronen im Up-Konversionsmaterial nicht stark in die elektronischen Zustände des Wirtsmaterials einkoppeln. Als Beispiel für ein solches Material werden Selten-Erd- und Übergangsmetall-Systeme genannt. Selten-Erd-Verbindungen sollen sich dazu eignen, ultraviolettes Licht in sichtbares Licht umzuwandeln. Alternativ werden Lumineszenz-Konverter in Form von Schichten vor und hinter dem photovoltaischen Element genannt, von denen eine als Up-Konversions-Schicht und die andere als Down-Konversions-Schicht ausgestaltet ist. Theoretische Berechnungen kommen zu dem Ergebnis, das der mit diesen Maßnahmen erreichbare Wirkungsgrad bis auf über 60% steigen könnte. Konkrete Beispiele, die einen Hinweis auf eine praktische Umsetzung dieser Ideen geben könnten, fehlen allerdings völlig.
Nach den Gesetzen von Grotthus und Draper vermag nur derjenige Bruchteil des Lichtes chemische oder physikalische Wirkungen auszulösen, der von einem damit belichteten Stoff tatsächlich absorbiert wird, nicht aber der reflektierte oder hindurchgelassene Strahlungsanteil. Strahlung (und insbesondere sichtbares Licht, aber auch andere elektromagnetische Wellen im Bereich zwischen der kurzwelligen Ultraviolettstrahlung bis zur Infrarotstrahlung, d. h. im Wesentlichen im Bereich zwischen 100 nm und 5 μm) kann von Materie stets nur in ganzen Quanten (Photonen) absorbiert werden. Ein Photon kann immer nur ein einziges Ion oder Molekül oder Molekülteil anregen; es erhöht dessen energetischen Zustand. Dieser Zustand kann zu einer chemischen Reaktion desjenigen Molekül(teil)s oder Ions führen, das das Photon aufgenommen hat. Alternativ kann die Energie des Photons in Wärme umgewandelt oder als Lumineszenzstrahlung anderer (niedrigerer) Wellenlänge wieder abgestrahlt werden, und zwar innerhalb eines sehr geringen Zeitraums nach Anregung als Fluoreszenz oder später als Phosphoreszenz. Wenn nachstehend von ”Licht” gesprochen wird, soll darunter Anregungsstrahlung im gesamten oben angegebenen Bereich zu verstehen sein.
Fluoreszierende und phosphoreszierende Materialien sind bereits sehr lange bekannt, darunter solche, die im Wellenlängenbereich der anregenden Strahlung transparent sind, z. B. fluoreszierende Gläser und Glaskeramiken.
Die Fluoreszenz von Gläsern und Glaskeramiken beruht häufig auf einer Dotierung mit Seltenen Erden und/oder bestimmten Übergangsmetallen. Ihre Fluoreszenzausbeute ist im Wesentlichen durch die Höhe der Dotierung und durch die Phononenfrequenz des Wirtsmaterials gegeben. Phonone sind Quasiteilchen, mit deren Hilfe sich Gitterschwingungen in einem Kristall durch ein quantenmechanisches Modell vereinfacht beschreiben lassen. Eine Erhöhung der Lichtausbeute (bei gegebenem Wirtsmaterial) ist durch eine Erhöhung der Seltenen-Erden-Dotierung/ Übergangsmetalldotierung nur bedingt möglich; bei zu hoher Dotierung kommt es zur Wechselwirkung unter den Seltenen-Erden-Ionen/Übergangsmetall-Ionen, und es kommt zur Unterdrückung eines Teils oder sogar der gesamten Fluoreszenz, so dass diese sich verringert oder ganz gelöscht wird (sog. Quenching). Das Hauptproblem bei fluoreszierenden Gläsern und Glaskeramiken besteht daher unter anderem im optischen Einfangquerschnitt: Selbst bei guter Transparenz des Glases wird nicht genügend Anregungslicht absorbiert, um die gewünschte Fluoreszenz-Intensität zu erhalten.
Zwar gibt es den Vorschlag, die Oberflächenplasmonen (”surface plasmons”) auf dünnen, meist auf Glas aufgebrachten, metallischen Schichten zur Fluoreszenzerhöhung (”enhanced fluorescence”) zu erzeugen. Dabei wird aber eine erhöhte Fluoreszenz nur auf der Oberfläche erreicht.
Seit einer Reihe von Jahren weiß man, dass kleine Silberpartikel in fluoreszierenden Gläsern, die beispielsweise mit Eu³⁺ (O. L. Malta et al., Journal of Luminescence 33 (1985) 261–272; T. Hayakawa et al., Appl. Physics Letters 74 (1999), 1513–1515), Er³⁺ (C. Strohhöfer et al., Appl. Physics Letters 81 (2002), 1414–1416), Pb²⁺ (C. B. de Araujo et al., J. Appl. Physics 99 123522 (2006)) oder Pr³⁺ (L. P. Naranjo, Appl. Physics. Letters 87, 241914 (2005)) dotiert sind, deren Lumineszenzwirkung verstärken und verschieben können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, photovoltaische Elemente bereitzustellen, deren Wirkungsgrad durch eine erhöhte Photonenabsorption verbessert ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Bereitstellung eines photovoltaischen Elements mit mindestens einer zusätzlichen, lumineszierenden Schicht aus einem für die Anregungsstrahlung zumindest teilweise transparenten Material, wobei diese Schicht in der Lage ist, eine große Menge an Anregungsstrahlung zu absorbieren und die dabei gewonnene Anregungsenergie über Energietransfer auf die lumineszierenden Einheiten zu übertragen. Die zusätzliche Anregungsstrahlung wird dabei mit Hilfe von in die Matrix des lumineszierenden Materials eingebetteten, metallischen Nanopartikeln eingefangen. Auf solche Nanopartikel auftreffende elektromagnetische Strahlung führt zu einer kollektiven Anregung von freien Elektronen zu Plasmaschwingungen gegen die Ionenrümpfe. Es entstehen Oberflächenwellen (evaneszente Wellen), bei denen die longitudinalen elektronischen Schwingungen parallel zur Oberfläche des Metalls angeregt werden (Oberflächenplasmonen). Die resultierende Feldstärke ist im Raum über der metallischen Oberfläche verstärkt. Dadurch entstehen Absorptionsbanden. Emittiert werden sodann verstärkt Photonen mit Wellenlängen bzw. Energieinhalten, die geeignet sind, beim Auftreffen auf den photovoltaisch aktiven Bereich in elektrische Energie umgewandelt zu werden.
Die zusätzliche Schicht kann deckseitig, also auf der der jeweiligen Photonenquelle (dem Sonnenlicht) zugewandten Seite des photovoltaischen Elements, oder stattdessen oder zusätzlich rückseitig angebracht sein, wobei die letztgenannte Schicht dazu vorgesehen ist, durch das photovoltaische Element unverändert hindurch getretene Photonen umzuwandeln. Hinter dieser letzteren Schicht sollte natürlich ein Reflektor angebracht sein, um umgewandelte oder noch nicht umgewandelte Photonen nochmals durch die Schicht und sodann in den photovoltaisch aktiven Bereich führen zu können. Die Deckschicht hat, wie voranstehend erläutert, vorzugsweise Down-Konversions-Eigenschaften. Solche Schichten können eine niedrigere Zahl höherenergetischer Photonen absorbieren und in eine größere Zahl von Photonen mit niedrigerer Energie umwandeln. Für in der Photovoltaik verwendetes Silizium spielen hier insbesondere Photonen im Bereich von ca. 500 nm eine Rolle, deren Aufnahme zu einer Freigabe von zwei Photonen mit niedrigerer Energie (ca. 1000 nm) führt. Andere Materialien absorbieren natürlich ihren Materialeigenschaften entsprechend Photonen anderer Wellenlängen. Schichten mit Up-Konversions-Eigenschaften absorbieren in günstiger Weise z. B. im Bereich von ca. 1100–1500 nm und strahlen rekombinierte Photonen mit höherer Energie wieder ab. Hierfür eignen sich insbesondere eine Reihe von Seltenerd- und Übergangsmetallsystemen, wie aus dem Stand der Technik bekannt. Natürlich sollten Up-Konversions-Schichten, die sich hinter dem photovoltaischen Element und vor einer reflektierenden Schicht befinden, Licht im sichtbaren Bereich möglichst ungehindert passieren lassen.
Die metallischen Nanopartikel der erfindungsgemäß vorgeschlagenen lumineszierenden Schicht absorbieren einen großen Teil der Anregungsenergie und geben sie über Energietransfer an die fluoreszierenden Seltenen-Erden/Übergangsmetalle weiter (Feldüberhöhung am Ort der Seltenen Erde/des Übergangsmetalls). Durch die metallischen Nanopartikel kann ein erhöhtes optisches Absorptionsvermögen erreicht werden. Dabei wird umso mehr Energie in Form von Anregungslicht eingefangen, je mehr metallische Oberfläche dem auftreffenden Licht zur Verfügung steht. Deshalb ist es günstig, eine große Metallpartikeloberfläche, bezogen auf das Volumen des Materials, bereitzustellen.
Prinzipiell gilt, dass das Absorptionsvermögen bzw. die Transparenz von mit den erfindungsgemäßen Metallpartikeln dotierten Materialien von der Anzahl und der Größe der Partikel abhängt.
Ab einer gewissen Größe der Teilchen, die von Metall zu Metall verschieden sein kann, verhält sich das Absorptionsvermögen in etwa umgekehrt proportional zum Partikelradius. Für Gold- und Silberpartikel in einem Glas mit einem Brechungsindex von 1,5 liegt dieser Wert bei etwa 90 nm. Für Partikeldurchmesser unterhalb dieses Wertes spielen sogenannte Quantensize-Effekte eine Rolle, so dass das Absorptionsvermögen ein Verhalten wie in 1 gezeigt besitzt.
Die spektrale Lage der Absorptionsbande wird durch die Größe der Partikel bestimmt, unabhängig von der Anzahl der Teilchen. Je größer der Teilchendurchmesser ist, desto stärker wird die Plasmonenabsorption zu längeren Wellenlängen verschoben, siehe 2.
Bei gleicher Größe der Partikel wird die Transparenz der Gläser durch deren Anzahl bestimmt. Abnehmende Transparenz bedeutet natürlich eine abnehmende Energieausbeute in tieferen Schichten der Matrix. Daher sollte für die lumineszierenden Materialien der für die vorliegende Erfindung einsetzbaren Schichten, beispielsweise transparente Fluoreszenz-Gläser bzw. -Glaskeramiken, der Anteil der Metallpartikel 5 Vol-% in der Regel nicht überschreiten.
Damit die Plasmonenabsorption nicht zu breit wird, sollte die Partikelgrößenverteilung vorzugsweise nicht sehr breit sein. Die Halbwertsbreite der Verteilung sollte besonders bevorzugt etwa 50% des durchschnittlichen Partikeldurchmessers nicht überschreiten; also sollte die Halbwertsbreite bei einem durchschnittlichen Metallpartikeldurchmesser von 90 nm in diesen bevorzugten Fällen etwa 45 nm nicht wesentlich überschreiten.
Die Form der Metallpartikel ist unkritisch, sofern die lumineszierenden Ionen oder Moleküle/Molekülteile gleichmäßig in der Matrix verteilt angeordnet sind. Allerdings kann mit elliptischen Partikeln eine erhöhte Plasmonenabsorption erzielt werden, wenn diese mit ihrer Längsachse parallel zur Richtung des einfallenden Lichts angeordnet sind. In diesem Falle werden die lumineszierenden Ionen u. dgl. in dieser Ebene besser angeregt.
Die chemische Zusammensetzung der Metallpartikel ist prinzipiell nicht beschränkt, mit Ausnahme der magnetischen Metalle Kobalt, Nickel und Eisen. Geeignet sind insbesondere die Metalle der 1. und der 8. Nebengruppe, also Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, Ag, Au. Ag, Au, Pt und Pd sind besonders bevorzugt. Die Partikel können aus den reinen Metallen oder aus Mischungen (Legierungen) davon gebildet sein. Die Partikel können aus einer oder aus mehreren Arten unterschiedlicher Materialien bestehen bzw. gemischt sein.
Als lumineszierende Materialien kommen prinzipiell alle solchen Materialien in Frage, die für die Anregungsstrahlung zumindest teilweise transparent sind. Diese können anorganischer, anorganisch-organischer oder organischer Natur und kristallin oder amorph sein, wobei anorganische Materialien bevorzugt sind. Als anorganische Matrix eignen sich z. B. alle üblichen Gläser und Glaskeramiken wie Silkat-, Borat-, Chalkogenid-, Oxid- oder Fluoridgläser. Als anorganische-organische Materialien kommen z. B. transparente, organisch modifizierte Polysiloxane in Betracht, deren Si-O-Si-Gerüst weitere Metallionen aufweisen kann (Beispiel: ORMOCERe^®). Derartige Materialien sind in großem Umfang bekannt. Die Erfindung ist aber auch für organische, transparente Materialien wie Kunststoffe, z. B. Polyacrylate, geeignet.
Die Lumineszenz des jeweiligen Materials beruht auf dem Vorhandensein von lumineszierenden Substanzen, hauptsächlich fluoreszierenden Ionen/Molekülen/Molekülteilen, wie sie in großer Zahl bekannt sind. Es kann sich aber ggf. auch um Phosphoreszenz erzeugende Substanzen handeln. Die Fluoreszenz von Gläsern und Glaskeramiken wird in der Regel durch eine Dotierung von Seltenen-Erd- und/oder Übergangsmetallionen herbeigeführt. Auch anorganisch-organische Materialien lassen sich auf diese Weise dotieren. Statt dessen oder zusätzlich kann die Fluoreszenz auch durch organische fluoreszierende Moleküle wie Fluoresceine, Rhodamine, Cumarine, Chinin und dergleichen oder entsprechende Molekülteile hervorgerufen werden, wobei sich solche organischen Moleküle natürlich vorwiegend dafür eignen, Fluoreszenz in organische Materialien zu bewirken. Die Lumineszenz und insbesondere Fluoreszenz kann aber nicht nur dadurch bewirkt werden, dass im jeweiligen Material Ionen oder gebundene oder freie Moleküle eingebettet sind, sonder sie kann auch (zusätzlich oder alternativ) durch diskrete Teilchen hervorgerufen werden, beispielsweise durch Halbleiterkristalle aus CdS oder CdSe.
Die Bereitstellung der metallischen Nanopartikel in der anorganischen, anorganisch-organischen oder organischen Matrix kann durch die Einarbeitung von derartigen Partikeln in die Schmelze eines Glases/einer Glaskeramik oder eines sonstigen anorganischen Materials, in das hydrolytisch zu kondensierende und/oder (organisch) zu polymerisierende anorganisch-organische Material oder in das zu polymerisierende organische Material erfolgen. Im Falle anorganischer Gläser/Glaskeramiken kann stattdessen ein Halogenid oder ein sonstiges geeignetes Salz oder ein Oxid des Metalls oder der Metalle zugesetzt werden, dessen/deren Nanopartikel in dem erfindungsgemäß eingesetzten Material vorhanden sein sollen. Das Salz oder Oxid wird dabei mit Hilfe geeigneter Maßnahmen, die dem Fachmann bekannt sind, beim Schmelzen zu nullwertigem Metall reduziert, wobei sich Metallteilchen mit Durchmessern zwischen 1 und 1000 nm bilden. Unter den Halogeniden sind insbesondere die Fluoride und die Chloride bevorzugt. Andere Metallsalze oder Oxide können statt dessen verwendet werden, unter der Bedingung, dass deren Anionen in der jeweiligen Matrix nicht unerwünscht sind.
Nachstehend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Beispielgruppe 1: Herstellung von Boratgläsern
Die Herstellung der Borat-Gläser erfolgt durch Erschmelzen von Boroxid und Alkalioxiden im Verhältnis 2:1. Zusätzliche Dotierungen werden vor dem Erschmelzen der Mischung hinzugefügt. Bei den Ausgangsmaterialien handelt es sich zumeist um Oxide in Pulverform, so dass Misch- und Schmelzvorgang keinen besonderen Anforderungen genügen müssen. Die Lithiumborat-Gläser werden in günstiger Weise bei einer Temperatur von etwa 1100°C über 45 min erschmolzen und danach in eine auf etwa 350°C vorgeheizte Messingform ausgegossen. Um Spannungsrisse zu vermeiden, wird die jeweilige Probe danach über etwa zwei Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt.
3 zeigt die Extinktionsspektren verschiedener Lithiumborat-Gläser, die zusätzlich mit 20 mol% Bariumchlorid und Silberoxid dotiert worden sind. Die nach der Glasherstellung bei 500°C für 60 min getemperten Proben zeigen deutlich eine Plasmonenabsorption bei etwa 400–450 nm. Die Legende gibt die Höhe der Silberoxid-Dotierung sowie die Temperbedingungen an.
In 4 ist das normierte Anregungsspektrum der Sm³⁺-Emission eines mit 5 mol% Samarium dotierten Lithiumborat-Glases gezeigt. Das Spektrum zeigt eine deutliche Bande bei etwa 390–430 nm, die gut mit der in 3 gezeigten Plasmonenabsorption übereinstimmt. Es sei darauf verwiesen, dass die Dotierung mit Sm³⁺ nicht wesentlich höher als in diesem Beispiel angegeben sein sollte, um Quenching-Phänomene zu vermeiden.
Beispielgruppe 2: Herstellung von Zirkonfluorid-Gläsern.
Die Ausgangsmaterialien für die Zirkonfluorid-Gläser/Glaskeramiken werden in einer Handschuhbox (Stickatmosphäre) für etwa 1 Std. bei etwa 750°C erschmolzen und anschließend in eine auf etwa 200°C erwärmte Messingform gegossen. Das erstarrte Glas wird danach über mehrere Std. auf Raumtemperatur abgekühlt. Ein beispielhaftes Neodym-dotiertes Zirkonfluorid-Glas wurde aus den Komponenten (53 – x)ZrF₄ – 20BaF₂ – 20NaF – 3.5LaF₃ – 3AlF₃ – 0.5InF₃ – xNdF₃ mit x von 0,5 bis 5 erschmolzen (Angaben in mol%). Zum Einbringen von Metallnanopartikeln wurde der obigen Schmelze AgCl in der Höhe von 0,01 bis 1 mol% hinzugemischt; die Dotierung mit AgCl erfolgte auf Kosten des ZrF₄ Anteils.
5 zeigt ein Nd(0,5 mol%)-dotiertes Zirkonfluorid-Glas, das zusätzlich mit 0,05 mol% AgCl dotiert worden ist. Die breite Absorptionsbande von 350 bis 550 nm ist auf Oberflächenplasmonen der Silbernanopartikel zurückzuführen.
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

- WO 03/079457 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- M. Wolf in Proc. IRE; 48 1246 (1960) [0003]
- (O. L. Malta et al., Journal of Luminescence 33 (1985) 261–272 [0009]
- T. Hayakawa et al., Appl. Physics Letters 74 (1999), 1513–1515 [0009]
- C. Strohhöfer et al., Appl. Physics Letters 81 (2002), 1414–1416 [0009]
- C. B. de Araujo et al., J. Appl. Physics 99 123522 (2006) [0009]
- L. P. Naranjo, Appl. Physics. Letters 87, 241914 (2005) [0009]

Claims

Photovoltaisches Element, gekennzeichnet durch eine Schicht aus einem lumineszierenden Material mit einer Matrix, die für die die Lumineszenz hervorrufende elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig ist und Ionen, Moleküle, chemische Gruppen oder diskrete Teilchen enthält, die unter Einwirkung dieser Strahlung lumineszieren, wobei in der Matrix metallische Partikel mit einem Durchmesser zwischen 1 und 1000 nm eingebettet sind, wobei – die genannte Schicht so angeordnet ist, dass auf dem photovoltaischen Element auftreffende Photonen zuerst in diese Schicht eindringen, worauf sie bzw. daraus hervorgegangene Photonen in einen Bereich gelangen, in dem sie der photovoltaischen Konversion unterworfen werden, und/oder wobei – die genannte Schicht so angeordnet ist, dass durch den Bereich, in dem die photovoltaische Konversion stattfindet, hindurch getretene Photonen in diese Schicht eindringen können, worauf sie bzw. daraus hervorgegangene Photonen auf eine Reflexionsschicht auftreffen, wodurch sie nochmals in den genannten Bereich reflektiert werden, in dem die photovoltaische Konversion stattfindet.
Photovoltaisches Element nach Anspruch 1, worin die genannte Schicht auf der der vorgesehenen Photonenquelle (dem Sonnenlicht) zugewandten Seite desjenigen Bereichs angeordnet ist, in welchem die photovoltaische Konversion stattfindet, und/oder worin die genannte Schicht auf der der Photonenquelle abgewandten Seite dieses Bereichs angeordnet ist.
Photovoltaisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Glas oder eine Glaskeramik ist.
Photovoltaisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikel einen Durchmesser von 20 bis 800 nm, vorzugsweise von 50 bis 500 nm, stärker bevorzugt von 60 bis 250 nm und ganz besonders bevorzugt zwischen 80 und 110 nm aufweisen.
Photovoltaisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwertsbreite der Größenverteilung der Partikel etwa 50% des durchschnittlichen Partikeldurchmessers nicht überschreitet.
Photovoltaisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikel ausgewählt sind unter solchen aus Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pd, Cu, Ag, Au sowie Mischungen davon.
Photovoltaisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Metallpartikel in der amorphen Matrix 5 Vol.% nicht überschreitet.
Photovoltaisches Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenz Fluoreszenz ist.
Photovoltaisches Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenz Phosphoreszenz ist.
Verwendung von metallischen Partikeln mit einem Durchmesser zwischen 1 und 1000 nm zur Verstärkung der Lumineszenz eines lumineszierenden Materials, das zur Verbesserung des Wirkungsgrads eines photovoltaischen Elements an diesem angebracht ist.
Verwendung nach Anspruch 10, worin das lumineszierende Material als Deckschicht und/oder als Rückseitenschicht eines photovoltaischen Elements ausgebildet ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Glas oder eine Glaskeramik ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikel einen Durchmesser im von 20 bis 800 nm, vorzugsweise von 50 bis 500 nm, stärker bevorzugt von 60 bis 250 nm und ganz besonders bevorzugt zwischen 80 und 110 nm aufweisen.
Verwendung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwertsbreite der Größenverteilung der Partikel etwa 50% des durchschnittlichen Partikeldurchmessers nicht überschreitet.
Verwendung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikel ausgewählt sind unter solchen aus Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pd, Cu, Ag, Au sowie Mischungen davon.
Verwendung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Metallpartikel in der amorphen Matrix 5 Vol.% nicht überschreitet.
Verwendung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenz Fluoreszenz ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lumineszenz Phosphoreszenz ist.