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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelleneinheit mit einer
Solarzelle und einer Linsenbaugruppe.
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Die
Nutzung der Sonnenenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom mit
Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) ist eine der Zukunftstechnologien
schlechthin. Diese Erkenntnis wird sich im Laufe der nächsten Jahre
immer weiter verbreiten und schließlich durchsetzen. Obschon
in Deutschland, stark gefördert durch das Energieeinspeisungsgesetz,
in den letzten Jahren massiv in PV-Anlagen auf Hausdächern
investiert wurde, gibt es noch viele Vorbehalte gegenüber
dieser Technologie. Das liegt unter anderem daran, dass pro Kilowatt installierter
Leistung (kWp) ca. 4500 Euro zu bezahlen sind (Stand Juli 2007).
Des Weiteren besteht grundsätzlich das Problem, einen geeigneten
Standort zu finden, der eine ausreichend große Fläche
bietet und natürlich eine günstige Himmelsausrichtung
hat. Im Grunde wird es also immer darum gehen, aus einer bestimmten sonnenbestrahlten
Fläche (Dachflächen, Gebäudeflächen,
Freiflächen, Grünflächen, Bebauungsflächen
an Schallschutzwänden etc.) noch mehr Strom zu gewinnen.
Hierzu möchte die vorliegende Erfindung beitragen. Der
Anmelder der vorliegenden Erfindung ist selbst Betreiber einer PV-Anlage;
auf der zur Verfügung stehenden Dachfläche konnte
eine Anlage mit ca. 40 m2 sonnenbestrahlter
Fläche bei einer Leistung von 4,824 kWp aufgebaut werden,
die seit Sept. 2007 in Betrieb ist.
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Natürlich
werden die Solarzellen materialspezifisch gesehen seit Jahren ständig
in ihrem Wirkungsgrad verbessert, so dass man bei polykristallinen
Zellen mit einem Wirkungsgrad von 15% und bei amorphen Zellen mit
einem Wirkungsgrad von 10–12% rechnen kann. So genannte,
dem Fachmann bekannte CIS-Zellen erreichen einen Laborwirkungsgrad
von knapp 20% (Stand 2008). Die Fa. Stiebel Eltron GmbH & Co. KG ist mit
der Entwicklung einer neuartigen Zelle, der sog. RISE-Zelle befasst,
die einen Wirkungsgrad von über 20 Prozent haben soll (Solarstrom-Magazin
PHOTON, Ausgabe 7/2008). Pro Quadratmeter Dachfläche
wären damit bei einer Sonneneinstrahlung von 1 kW/m2 ca. 200 W an elektrischer Leistung zu gewinnen.
Dabei ist zu beachten, dass der Laborwirkungsgrad von dem Wirkungsgrad,
wie er unter realen Bedingungen erzielt wird, erheblich abweichen
kann.
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Zur
Erhöhung der Leistungsausbeute gibt es auch Bestrebungen,
PV-Module beweglich zu lagern und der Sonne nachzuführen,
um auf diese Weise mehr elektrische Energie herauszuholen. Dem steht
aber ein erhöhter Geräteaufwand, Steuerungsaufwand
und Wartungsaufwand gegenüber. Außerdem ist eine
solche Lösung mit Nachführung nur stationär
auf dem Erdboden (und nicht auf Dächern) verankert machbar,
da Hausdächer in der Regel nicht für solche Ständerverankerungen
geeignet sind.
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Aus
dem Stand der Technik sind bereits Solarzellen in Verbindung mit
Linsen zur Lichtbündelung bekannt. Derartige Anordnungen
sind unter dem Oberbegriff Konzentratorsysteme zusammengefasst und
bestehen im Allgemeinen aus einer Vielzahl von Photovoltaikzellen
mit entsprechenden, das Sonnenlicht konzentrierenden transmissiven
Optiken wie etwa Fresnellinsen. Es gibt auch Konzentratorsysteme
mit reflektierenden Optiken wie beispielsweise Hohlspiegeln. Für
diese beiden Systeme werden folgende Beispiele gebracht:
Ein
Photovoltaikmodul, das mit Fresnellinsen versehen ist, ist z. B.
aus der
DE 102 95
635 T5 bekannt. In
1 dieser
Druckschrift ist ein kastenförmiges Gehäuse mit
einem Abdeckungsteil aus Glas gezeigt, in dem eine Mehrzahl von
Fresnellinsen gebildet sind. Am Boden des Gehäuses sind
im Brennpunktbereich der Linsen viele einzelne Photovoltaikzellen
vorgesehen, die das von den Linsen gebündelte Sonnenlicht
in Strom umwandeln. Ferner ist eine unter jeder photovoltaischen
Zelle liegende ”Wärmesenke” erwähnt.
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Ein
weiteres Beispiel für eine Solarzelle mit Linsenanordnung
ist in der
DE
10 2007 005 088 A1 gezeigt. Die hier gezeigte organische
Solarzelle auf Polymerbasis hat über der photovoltaischen
Halbleiterschicht eine Linsenanordnung, die gemäß
1i aus einer Trägerschicht
10 mit
Sammellinsen
101 besteht. Die Trägerschicht
10 liegt
auf der planaren, mit Elektroden
11 versehenen Solarzellenschicht
12 auf.
Diese Sammellinsen sind vorzugsweise Mikrolinsen mit einem Durchmesser
von 5 μm bis 500 μm.
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Eine
photovoltaische Vorrichtung, die mit Spiegelsystemen arbeitet, ist
beispielsweise in der
EP
1 852 919 A2 offenbart. Hier wird das einfallende Sonnenlicht
von einem als Hohlspiegel ausgebildeten Primärspiegel zu
einem weiteren, mittig angeordneten Sekundärspiegel gelenkt,
der das Licht dann auf eine lotrecht unter dem Sekundärspiegel
sitzende Photovoltaikzelle führt. Auch hier entsteht durch
das gebündelte Sonnenlicht ein starker Wärmeeintrag
in das gesamte Photovoltaikmodul. Zur Ableitung der Wärme
ist ein Wärmeverteiler (
3, Pos.
250) aus Kupferblech vorgesehen, der durch Abstrahlung der Wärme
eine Überhitzung der Photovoltaikzellen verhindern soll.
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Solche
Konzentratorsysteme unterliegen per definitionem einer sehr starken
Wärmebelastung, wobei von einer bis zu 1000-fachen Konzentration
des Sonnenlichts berichtet wird. Außerdem können
solche Systeme nur mit einem präzise arbeitenden Nachführungssystem
arbeiten, da die hoch konzentrierenden Module nur senkrecht einfallendes Sonnenlicht
in Strom umwandeln können. Ferner können hier
keine herkömmlichen Silizium-Solarzellen mehr zum Einsatz
kommen. In diesem Zusammenhang werden neu entwickelte monolithische
Solarzellen auf der Basis von GaInP/GaInAs genannt, um nur eine
Materialpaarung zu nennen. Hier stellt sich die Frage, ob – wenn
sich diese Systeme auf breiter Front durchsetzen – die
Platzierung von Hunderttausenden von Zellen mit derartig problematischen
Stoffen als ökologisch unbedenklich einzustufen ist.
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Im
Stand der Technik ist auch ein PV-System mit kleineren Konzentrationsfaktoren
von 2 bis 10 bekannt. Ein derartiges System wurde z. B. von Archimedes
Solar GmbH entwickelt und zeichnet sich durch den Einsatz preisgünstiger
Spiegel und die Verwendung herkömmlicher Silizium-Solarzellen
aus.
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Ein
weiteres Konzentratorsystem mit einem Konzentrationsfaktor von ca.
30 wird von CPower s. r. l., ansässig in Ferrara, Italien,
unter der Bezeichnung ”RONDINE” hergestellt. Im Solarstrommagazin
PHOTON wird in der Ausgabe 10/2008 auf S. 12 darüber
mit Bild berichtet. Diese Module haben ein kastenförmiges Blechgehäuse
mit einer 4 mm dicken Glasabdeckung, in welchem domförmige
Lichtkonzentratoren ausgebildet sind. In dem Artikel ist zu lesen,
dass diese Module ab 2009 lieferbar sind, mit einem Anfangspreis
von 7 Euro pro Watt.
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Allgemein
haben Konzentratorsysteme den Nachteil, dass sie nur dann mit dem
optimalen Wirkungsgrad arbeiten, wenn sie der Sonne sehr genau nachgeführt
werden.
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Unter www.energyprofi.com findet
sich unter ”Optimierungs- und Verstärkungstechniken
Solar” eine ausführliche Übersicht über
derartige Vorrichtungen, mittels derer die Sonnenenergie durch Linsen-
und/oder Spiegelsysteme konzentriert wird.
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Als
weitere Möglichkeit zur Erhöhung des Wirkungsgrads
von Solarmodulen sind im Stand der Technik bereits Solarzellen beschrieben,
die nicht planar, sondern dreidimensional gestaltet sind. Es folgen
einige Beispiele hierfür:
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DE 103 52 423 B3 beschreibt
ein Verfahren zur Verminderung der Reflexion an einer Halbleiteroberfläche,
insbesondere einer Solarzelle. Hier wird eine derartige Oberfläche
mit gebündelter Laserstrahlung so bearbeitet, dass sich
eine vorgegebene Strukturierung dieser Fläche mit Vertiefungen
ergibt. Es sind keilförmige Linienstrukturen erwähnt,
die in
3 und
6 zu sehen
sind. Außerdem beschreibt
1 in
Zusammenhang mit dem Stand der Technik eine pyramidenförmige
Strukturierung der Oberfläche.
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Einen
anderen Lösungsansatz verfolgt die in Kalifornien ansässige
Firma Solaria, in der man eine herkömmliche Silizium-Solarzelle
in zwei Millimeter breite Streifen zersägt und diese Streifen
mit ebenso großen Zwischenräumen wieder anordnet.
In die Zwi schenräume werden V-förmige Plastiklichtleiter
eingesetzt, die einfallendes Licht auf die Siliziumstreifen bündeln.
Solche streifenförmigen Zellen erzielen angeblich dieselben Wirkungsgrade
wie herkömmliche Zellen, nur eben mit der Hälfte
an Siliziummaterial.
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Ferner
sind gekapselte Solar-Minipaneele im Handel erhältlich,
deren Oberfläche mit einer linsenförmigen Kunststoffabdeckung
versehen ist, um den Flächennutzungsgrad zu erhöhen.
Diese Paneele werden z. B. von Conrad Electronics (Hauptkatalog
2008/2009, S. 1004) angeboten, wobei von Conrad Electronics
keine genauere Angaben zu erhalten sind.
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Die
DE 27 23 620 A1 zeigt
eine Linsenanordnung
30 zeigt, die über einer
Solarzelle (
12,
16,
24,
26,
28)
angeordnet ist. Die einzelnen Solarzellenblöcke
12 sind
durch T-förmige Streifen aus Aluminium voneinander getrennt,
und die Sammellinsen der Linsenanordnung
30 haben die Aufgabe,
das Sonnenlicht auf bestimmte Bereiche zwischen den Streifen
16 zu
fokussieren. Die Elemente
16 in
1,
40 in
2 und
54 in
3 sind
jeweils aus Aluminium gefertigt.
4 zeigt
lichtdurchlässige Materialbereiche
60 aus Glas
oder Epoxydharz, die jedoch zu Isolierungszwecken vorgesehen und
jeweils von einer Metallschicht
61 abgedeckt sind.
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In
DE 195 22 539 C2 ist
eine Solarzelle mit einem Emitter offenbart, der eine Oberflächentextur
aufweist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst
geringem Aufwand eine Solarzelleneinheit, insbesondere eine nicht
nachgeführte Solarzelleneinheit zu schaffen, die über
den Tagesverlauf gesehen einen möglichst konstanten und
hohen Stromertrag bringt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Solarzelleneinheit mit den
Merkmalen gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
offenbart.
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Mit
Bezug auf die oben erwähnten Konzentratorsysteme geht die
Erfindung hierbei einen entgegengesetzten Weg. Die Linsenbaugruppe
fungiert erfindungsgemäß nicht dahingehend, die
Sonneneinstrahlung pro Einheitsfläche eines photovoltaisch
aktiven Materials zu erhöhen; vielmehr wird durch die erfindungsgemäße
Solarzelleneinheit der Energieertrag über den Sonnenlauf
gesehen in eine konstantere Form gebracht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1a bis 1f zeigen
schematische, perspektivische Darstellungen verschiedener rinnenartig strukturierter
Solarzellen einer erfindungsgemäßen Solarzelleneinheit;
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2a bis 2f zeigen
schematische Schnittansichten der erfindungsgemäßen
Solarzelleneinheit in unterschiedlichen Ausführungsformen;
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3 zeigt
einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße
Solarzelleneinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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4 zeigt
eine perspektivische Schnittansicht einer herkömmlichen
Siliziumsolarzelle gemäß dem Stand der Technik.
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Ausführliche Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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4 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer herkömmlichen Siliziumsolarzelle.
Eine solche Solarzelle besteht im Wesentlichen aus zwei verschieden
dotierten Halbleiterschichten HS1, HS2 mit einer Grenzschicht HG
dazwischen, in der ein pn-Übergang stattfindet. Die Halbleiterschichten
bestehen bei einer herkömmlichen Solarzelle aus amorphem
oder kristallinem Silizium und sind gezielt dotiert (in der Figur
ist oben eine Schicht n+ und unten eine Schicht p– zu sehen).
Auf den Außenseiten der Halbleiterschichten HS1, HS2 befinden
sich Metallkontaktierungen, ein oberseitiges Kontaktgitter M1 und
ein unterseitiger Rückseitenkontakt M2. Die Solarzelle
ist in der Regel auf einem Substrat S aufgebracht. An der Grenzschicht
HG, die eine Dicke im Mikrometerbereich hat, herrscht ein elektrisches
Feld mit Plus- und Minusseite. Wird diese Grenzschicht mit Lichtenergie
(Photonen) bestrahlt, entstehen durch Lichtabsorption freie Ladungsträger
(negative Elektronen und positive Defektelektronen). Diese werden
durch das elektrische Feld zu ihren zugeordneten Metallkontaktierungen
bewegt und erzeugen eine elektrische Spannung, die zwischen Kontaktgitter
und Rückseitenkontakt abgenommen werden kann. Da der konkrete
und detaillierte Aufbau der Solarzelle für die vorliegende
Erfindung von eher untergeordneter Bedeutung ist, wird eine Anordnung
aus den Halbleiterschichten HS1, HS2 und der Grenzschicht HG im
Folgenden vereinfachend und beispielhaft als photovoltaisch aktive
Schichtanordnung 8a bezeichnet. Die Lichteinstrahlung von
der Sonne ist durch Pfeile symbolisch dargestellt.
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1a bis 1f zeigen
verschiedene Ausführungsformen einer rinnenartig strukturierten
Solarzelle 8 jeweils in einer perspektivischen Ansicht.
Diese Solarzellen 8 sind nur schematisch dargestellt und
bilden eine komplette, voll funktionsfähige Solarzelle
wie z. B. nach 4 aus. Die dargestellten Solarzellen 8 setzen sich
zusammen aus mindestens einer photovoltaisch aktiven Schichtanordnung 8a (zwei
Halbleiterschichten und eine dazwischen liegende Grenzschicht, nicht
einzeln dargestellt) und Metallkontaktierungen (nicht dargestellt),
also vorderseitiges Kontaktgitter plus Rückseitenkontakt.
Es ist festzu halten, dass die erfindungsgemäße
Solarzelleneinheit nicht auf die in 4 dargestellte
Siliziumsolarzelle beschränkt ist, sondern auch alle anderen
bekannten Solarzellentypen zum Einsatz kommen können.
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Die
in den 1a bis 1f gezeigten
Solarzellen 8 können einstückig gefertigt
oder beliebig segmentiert sein. Mit ”beliebig segmentiert” ist
gemeint, dass z. B. die Solarzelle von 1a aus
8 länglichen, nach oben gewölbten Einzelsolarzellen
besteht, die ihrerseits wieder unterteilt sein können.
Diese Einzelsolarzellen sind geeignet miteinander verschaltet. Als
weiteres Beispiel könnte sich die Solarzelle gemäß der
Ausführung von 1e aus
20 Einzelsolarzellen zusammensetzen, während sich die Ausführung
nach 1f für eine einstückige
Lösung anbietet. In den Figuren ist ”oben” die
Seite, die von der Sonne bestrahlt wird; die gesamte, über
den Tagesverlauf von der Sonne bestrahlte Fläche wird als
Belichtungsfläche 6 bezeichnet. Dargestellt sind
auch die verschiedenen, durch die Solarzellen gebildeten Vertiefungen 15.
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In 1a und 1b sind
die einzelnen, sich ergebenden ”Bögen” nach
oben bzw. unten gewölbt. Die Querabmessungen der Bögen
liegen im Millimeter- bis Zentimeterbereich und betragen beispielsweise zwischen
1 mm und 10 cm, insbesondere 1 mm bis 1 cm. Hier sind beispielhaft
kreisbogenförmige Krümmungsradien gezeigt, wobei
die Krümmungen auch U-förmig, sinusförmig
oder polygonartig verlaufen können. Die Breiten- und Höhenverhältnisse
aller dargestellten Vertiefungen und Erhebungen stellen nur beispielhafte Angaben
dar und sollen nicht als maßstabsgetreu aufgefasst werden.
Die in den 1a bis 1f gezeigten rinnenförmigen
Vertiefungen 15 erstrecken sich innerhalb einer Solarzelleneinheit
sowie eines aus mehreren Solarzelleneinheiten zusammengesetzten
Solarmoduls parallel zueinander, vorzugsweise in einer Richtung, die
senkrecht zu einer durch die Sonnenbahn aufgespannten Ebene steht.
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1c und 1d zeigen
Ausführungsformen, die den beiden vorhergehenden ähnlich
sind, mit dem Unterschied, dass sich in bzw. zwischen den Vertiefungen 15 Kontaktstreifen 30 befinden,
die ein vorderseitiges Kontaktgitter bilden. Die Kontaktstreifen 30 müssen
nicht in bzw. zwischen jeder Vertiefung 15 vorhanden sein.
Schließlich zeigt 1e eine
Ausführungsform mit im Querschnitt dreieckigen rinnenförmigen
Vertiefungen 15 und 1f eine
Ausführungsform mit einem im Querschnitt gewellten Profil.
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2a bis 2e zeigen
perspektivische Schnittansichten von Solarzelleneinheiten 1,
die jeweils aus einer Solarzelle 8 gemäß 1a bis 1e und
einer Linsenbaugruppe 20 zusammengesetzt sind. Die Linsenbaugruppe 20 kann
unterschiedlich ausgeführt und in beliebiger Kombination
mit einer Solarzelle 8 verwendet werden. Die vorzugsweise
einstü ckig ausgeführte Linsenbaugruppe deckt die
Solarzelle vorzugsweise vollständig ab und liegt im Wesentlichen
vollflächig an der Belichtungsfläche 6 der
photovoltaisch aktiven Schichtanordnung 8 an.
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In 2a bis 2e sind
die Solarzellen 8 teilweise auf einem stabilen Trägermaterial 10 aufgebracht; denkbar
ist auch, dass eine in einer Ebene biegbare Solarzellenfolie auf
ein derartiges Trägermaterial aufgeklebt oder anderweitig
aufgebracht wird.
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2a zeigt
eine Einheit aus einer Linsenbaugruppe 20, die auf die
Solarzelle 8 gemäß 1a aufgebracht
ist, sowie das stützende Trägermaterial 10 und
die Vertiefungen 15. Die Linsenbaugruppe 20 hat
eine Lichteintrittsseite 20a und eine Lichtaustrittsseite 20b.
Die Linsenbaugruppe 20 hat die Aufgabe, solche Lichtstrahlen ”einzufangen”,
die ohne sie durch Reflexion an der Solarzelleneinheit wieder abgestrahlt
würden, d. h. mit ihrer Hilfe hat die Solarzelle jeweils
am frühen Vormittag und am späteren Nachmittag
eine höhere Energieausbeute als eine herkömmliche
Solarzelle. Anders ausgedrückt lenkt die Linsenbaugruppe 20 die
von ihr aufgenommenen und transportierten Lichtstrahlen möglichst
senkrecht auf die photovoltaisch aktive Schichtanordnung 8a.
Letztere ist ein Bestandteil der Solarzelle 8 und nicht
näher dargestellt. Die 2a bis 2f stellen
die räumliche Ausdehnung der Linsenanordnungen 20 nur
schematisch dar; die genauen, für die jeweilige Solarzelle
optimalen Abmessungen (Krümmungen konvex/konkav, Dicken
der einzelnen Bereiche) sind in Simulationsberechnungen fallspezifisch
zu bestimmen. In dem wie in 2a gezeigten
Fall haben die einzelnen länglichen Linsenelemente, die
zusammenhängend ausgebildet sind und die lang gestreckten Erhebungen
der Solarzelle bedecken, einen konvex-konkaven Querschnitt. Die
Solarzelle 8 liegt sandwichartig zwischen der Linsenbaugruppe 20 und
einem Trägermaterial 10.
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Auch 2b zeigt
eine Solarzelle (vgl. 1b) mit der Linsenbaugruppe 20 und
dem Trägermaterial 10, wobei bei dieser Anordnung
ein weiteres Merkmal der Linsenbaugruppe deutlich wird: die in der
Art von Zylinderlinsen ausgebildeten Linsen 22 sind hier
im Bereich 25 (in unterbrochener Linie dargestellt) jeweils
asphärisch gestaltet. Unter einer asphärischen
Optik versteht man ein optisches System aus Linsen oder Spiegeln,
das mindestens eine Fläche (brechende Linsenoberfläche
oder Spiegelfläche) enthält, die von der Kugelform
abweicht. Zum Vergleich ist in dieser 2b eine
zylindrische bzw. sphärische Linsenform durch den Radius
R angedeutet. Die Linsenbaugruppe 20 ist einstückig
gebildet und erstreckt sich in die von der Solarzelle 8 gebildeten
Vertiefungen 15. Die Linsenbaugruppe kann durch Spritzgießen,
insbesondere durch Spritzprägen hergestellt werden.
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2c offenbart
eine Solarzelle 8 mit Vertiefungen 15 und darin
angeordneten Kontaktstreifen 30. An der Lichteintrittsseite 20a der
Linsenbaugruppe 20 sind Facettenflächen 40a gezeigt,
die zumindest teilweise an der Oberfläche der Linsenbaugruppe 20 vorgesehen
sein können. Derartige Facettenflächen 40 stellen
eine Vielzahl von ebenen, zueinander geneigten Teilflächen
der Linsenbaugruppe dar und können durch Reflexionen und
Brechungseffekte dazu beitragen, schon bei relativ flachem Sonnenstand
Lichtstrahlen aufzufangen und möglichst senkrecht zur photovoltaisch
aktiven Schicht 8a weiterzuleiten; außerdem können
sie bei nahezu senkrechtem Sonnenstand dazu beitragen, eine intensive
Strahlung auf größere Einstrahlflächen
an der photovoltaisch aktiven Schichtanordnung 8a zu verteilen.
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In 2d ist
eine Ausführungsform gezeigt, bei der die in 1d gezeigte
Solarzelle 8 verwendet wird. Die einzelnen Linsen 22 der
Linsenbaugruppe 20 haben hier eine konkav-konvexe Formgebung
im Querschnitt. Auch bei dieser Ausführungsform sind die
Kontaktstreifen 30 zu sehen.
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2e offenbart
eine Solarzelle 8 mit im Querschnitt dreieckig geformten,
rinnenförmigen Vertiefungen 15. Die Linsenbaugruppe 20 erstreckt
sich in die Vertiefungen 15 hinein und füllt diese
vollständig aus. An der Lichteintrittsseite 20a der
Linsenbaugruppe 20 sind asphärisch konvexe Bereiche
ausgebildet; zum Vergleich ist mit einer unterbrochenen Linie ein
im Querschnitt halbkreisförmiges Profil gezeigt. Hier sind
die Solarzellen 8 als räumlich getrennte, separate
Solarzellen zu sehen, die elektrisch miteinander verschaltet sind.
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2f offenbart
eine Solarzelle 8, die in der Art eines Wellblechs geformt
und ohne Trägermaterial dargestellt ist. Die Tiefe der
einzelnen Rinnen und Erhebungen, die Radien usw. sind nur beispielhaft
dargestellt; ein im Querschnitt sinusartiger Verlauf der Solarzelle 8 ist
auch denkbar. Die Linsenbaugruppe 20 kann einstückig
ausgebildet und somit zusammenhängend auf der Solarzelle 8 angeordnet
sein (links dargestellt). Alternativ weist die Linsenbaugruppe 20 mehrere
separate Linsenelemente 60 (rechts dargestellt) auf, die nicht
zusammenhängen. Die Linsenelemente 60 sind auf
der Belichtungsfläche der photovoltaisch aktiven Schichtanordnung
angeordnet und sind vorzugsweise an der photovoltaisch aktiven Schichtanordnung
durch Anspritzen oder Spritzpressen befestigt. Bei dieser Ausführungsform
ist eine Glasabdeckung 70 gezeigt.
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Die
bisher gezeigten Ausführungsformen beziehen sich auf Gestaltungen
mit länglichen Vertiefungen 15 an der Oberfläche
der Solarzelle 8. Anstelle der linienartigen Vertiefungen 15 können
auch jeweils separate, kleinteilige Vertiefungen 15 vorgesehen
wer den, die in Form eines regelmäßigen zweidimensionalen
Rasters angeordnet sind. Hierunter fallen zum Beispiel pyramidenförmige
Vertiefungen (ähnlich einem Oberflächenprofil
einer Schallschutzmatte) mit entsprechenden Zwischenräumen;
kugelige abgerundete Erhebungen und Zwischenräume; oder
Gestaltungen, die an ein Noppenblech erinnern und in der Draufsicht
z. B. runde, quadratische, wabenartige Vertiefungen haben. Hier
gilt in Bezug auf die Merkmale der Linsenbaugruppe 20 dasselbe wie
für die Ausführungsformen der 1a–f
und 2a–f. Die gesamte Oberfläche
der Solarzelle 8 ist mit der Linsenbaugruppe 20 bedeckt,
die vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist.
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3 zeigt
eine Solarzelleneinheit 1 mit einer Linsenbaugruppe 20 gemäß einer
Ausführungsvariante, bei der die Linsenbaugruppe 20 mit
einer Kunststoffdeckschicht 50 überzogen ist.
Es ist erforderlich, einer dreidimensional gestalteten Oberfläche
einer Linsenbaugruppe 20 ein glattes Äußeres
zu verleihen, um möglichst wenige Möglichkeiten
zur Ansammlung von Schmutz und Staub auf der Außenoberfläche
der Solarzelleneinheit 1 zu bieten. Eine weitere Option
ist das Vorsehen der Glasabdeckung 70 (alleine oder zusätzlich
zur Kunststoffdeckschicht 50), die Aufbringung von Nano-Schutzschichten
oder anderen abweisenden Oberflächen, die aufgesprüht
oder in Form einer Folie aufgepresst werden.
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Es
ist auch denkbar, die hier offenbarten rinnenförmigen oder
punktuellen Vertiefungen 15 der Solarzelle 8 und/oder
die Linsenbaugruppe 20 bereichsweise mit unterschiedlichen
Höhen auszubilden. Ferner ist auch angedacht, die Linsenbaugruppe 20 mit
einem räumlichen Abstand zur Belichtungsfläche 6 der
Solarzelle 8 anzubringen.
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Es
sei explizit darauf hingewiesen, dass man bei der erfindungsgemäßen
Kombination grundsätzlich nicht auf einen bestimmten Solarzellentyp
festgelegt ist. Aller Voraussicht nach werden sich jedoch Zellen
mit amorphen Siliziumschichten am besten eigenen, weil diese bei
geringeren Lichtstärken und diffusem Licht arbeiten können.
Die Art der Solarzelle, die Einfassung in ein wie auch immer geartetes
Gehäuse, die elektrische Verschaltung einzelner Solarzellen
und deren segmentierter Bereiche untereinander sowie die Abdichtung
des Gehäuses sind für die Erfindung nicht relevant
und daher auch nicht im Einzelnen beschrieben.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
der Solarzelleneinheit angedacht, bei dem man zuerst die Linsenbaugruppe 20 fertigt,
die in Bezug auf das ”Lichteinfangverhalten” sowie die
Lichtabstrahlung auf die photovoltaisch aktive Schichtanordnung 8a optimiert
ist. Danach kann die Solarzelle 8 an die Form der Linsenbaugruppe 20 angepasst
werden, speziell an die Lichtaustrittsseite 20b derselben.
Die Er findung umfasst auch eine Solarzelleneinheit 1 mit
einer Linsenbaugruppe 20, die aus mehreren Kunststoffmaterialien
hergestellt ist. Zwischen der Lichtaustrittsseite 20b der
Linsenbaugruppe 20 und der Solarzelle 8 können
sich außerdem Hohlräume befinden. Des Weiteren
kann die Linsenbaugruppe 20 mit ihrer Lichtaustrittsseite 20b von
der Solarzelle 8 räumlich entfernt sein, d. h.
sie muss sich nicht unbedingt in die gezeigten Vertiefungen 15 der
Solarzelle 8 hinein erstrecken.
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Als
Material für die Linsenbaugruppe 20 bieten sich
technische Thermoplaste wie etwa PMMA, PC, ASA, PPE, EVA oder Fluorkunststoffe
an. Für Kunststoffe sprechen der hohe Freiheitsgrad bei
deren Formgebung und die hohe Bruchsicherheit. Linsenbaugruppen 20 aus
Glas, Quarzglas etc. haben zwar eine höhere Beständigkeit,
sind aber heikler in der Verarbeitung und Montage, und haben im
Vergleich zu Kunststoffen einen sehr kleinen Kerbspannungsradius,
ein größeres Gewicht und einen höheren
Preis.
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Die
erfindungsgemäßen Solarzelleneinheiten 1 eignen
sich auch für eine senkrechte Einbaulage, gerade wenn Glasabdeckungen
vorgesehen sind. Denkbare Einsatzmöglichkeiten sind Gebäudewände,
Schallschutzwände (z. B. an Autobahnen), speziell für
diesen Zweck errichtete Bauten oder sonstige Tragekonstruktionen.
Eine solche Tragekonstruktion kann eine Unterstützungsfläche
für eine Solarzelleneinheit bieten, die in einer Richtung
(zylindrisch) oder in zwei Richtungen (sphärisch oder asphärisch)
gekrümmt ist. Eine derartige Tragekonstruktion kann als
separates, allein stehendes Gebilde vorgesehen werden, oder an eine
Gebäudewand oder ein Gebäudedach (Flachdach) angebaut
werden. Der Vorteil einer senkrechten oder stark geneigten Anordnung
liegt bekanntermaßen in der Schneefreiheit im Winter und
in der weniger großen Gefahr der Überhitzung durch
allgemein flachere Sonneneinstrahlwinkel zur Mittagszeit. Besonders
bevorzugt sind die Solarzelleneinheiten 1 stationär,
d. h. nicht nachführbar an der Tragkonstruktion angebracht.
Dadurch sind die statischen Anforderungen an die Tragkonstruktion
deutlich geringer, was die Einsatzmöglichkeiten solcher
Solarzelleneinheiten 1 erweitert. Ferner ergeben sich erhebliche
Kostenvorteile gegenüber aktiv nachgeführten Solarzelleneinheiten 1.
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Wie
vorstehend zum Ausdruck gebracht, kann jede Linsenbaugruppe 20 mit
einer Kunststoffdeckschicht 50 überdeckt werden.
Kunststoffe als dauerhaftes, äußeres Abdeckelement
sind in der Photovoltaik noch nicht weit verbreitet. Der Grund dafür
liegt darin, dass auf diesem Einsatzgebiet über das Langzeitverhalten
von Kunststoffen noch keine belastbaren Daten vorliegen, Solarzellenmodule
aber mit bis zu 20 Jahren Garantiezeit verkauft werden. Die Linsenbaugruppe 20 kann
daher auch über ein separates Abdeckelement aus Glas verfügen,
das die Außenoberfläche bildet und die Solarzellen einheit 1 vor
Verschmutzung schützt. Insbesondere für den Fall,
dass die Linsenbaugruppe 20 eine kleinteilige Oberfläche
mit vielen Kanten, Vertiefungen, Radien, Facetten usw. aufweist,
muss unbedingt dafür gesorgt werden, dass Schmutz und Staub
von ihr ferngehalten werden.
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Der
Linsenbaugruppe 20 selbst kann an ihrer Lichteintrittsseite 20a und/oder
Lichtaustrittsseite 20b so bearbeitet (facettiert, gefräst,
geschliffen, aufgeraut, poliert, mit Laser perforiert) oder gestaltet
(gespritzt, gepresst, gegossen) sein, dass sie an der Lichteintrittsseite 20a ein
günstiges ”Lichteinfangverhalten” und
an der Lichtaustrittsseite 20b ein gutes ”Lichtabgabeverhalten” aufweist.
Mit günstigem ”Lichteinfangverhalten” ist
die Absorption von Sonnenstrahlen bei einem relativ flachen Sonnenstand
gemeint. Ein gutes ”Lichtabgabeverhalten” bedeutet,
die Lichtstrahlen möglichst unter einem zur photovoltaisch
aktiven Flächeanordnung 8a senkrechten Winkel
abzugeben. Es ist auch denkbar, die Linsenbaugruppe 20 so
zu gestalten, dass bei einem zur Oberfläche der Solarzelleneinheit 1 ungefähr
senkrechtem Sonnenstand die Sonnenstrahlung möglichst gleichmäßig
auf die Belichtungsflächen aufgeteilt wird.
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Ferner
kann das Material der Linsenbaugruppe
20, das einen hohen
Transmissionsgrad aufweisen muss, gezielt mit mikroskopisch kleinen
oder makroskopischen Partikeln durchsetzt sein. Das Material kann
z. B. gezielt dotiert sein, um die Lichtabgabe in Richtung auf die
photovoltaisch aktiven Flächenanordnung
8a zu erhöhen
oder um die Lichtabgabe diffus/diffuser zu machen. Hierzu bieten
sich Solarzellen
8 an, die gerade bei diffuser Strahlung
einen guten Wirkungsgrad haben. Es können sich im Material
der Linsenbaugruppe
20 Partikel und/oder Flitter beliebiger
räumlicher Ausdehnung befinden, die ein bestimmtes Lichtbeugungs-
oder -brechungsverhalten erzeugen. Die zugesetzten Partikel können
eine bestimmte Textur erkennen lassen, oder sie sind regellos im
Material der Linsenbaugruppe verteilt. Erwähnt sei auch
eine Dotierung mit dem Fachmann bekannten Stoffen, die evtl. ein
Nachleuchtverhalten der Linsenbaugruppe erzeugen oder erhöhen. Bezugszeichenliste:
| HG | Grenzschicht |
| HS1,
HS2 | Halbleiterschichten |
| M1 | Kontaktgitter |
| M2 | Rückseitenkontakt |
| S | Substrat |
| 1 | Solarzelleneinheit |
| 6 | Belichtungsfläche |
| 8 | Solarzelle |
| 8a | photovoltaisch
aktive Schichtanordnung |
| 10 | Trägermaterial |
| 15 | Vertiefungen |
| 20 | Linsenbaugruppe |
| 20a | Lichteintrittsseite |
| 20b | Lichtaustrittsseite |
| 22 | Linsen |
| 25 | asphärischer
Bereich |
| 30 | Kontaktstreifen |
| 40a | Facettenflächen |
| 50 | Kunststoffdeckschicht |
| 60 | Linsenelemente |
| 70 | Glasabdeckung |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10295635
T5 [0005]
- - DE 102007005088 A1 [0006]
- - EP 1852919 A2 [0007]
- - DE 10352423 B3 [0014]
- - DE 2723620 A1 [0017]
- - DE 19522539 C2 [0018]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Solarstrom-Magazin
PHOTON, Ausgabe 7/2008 [0003]
- - Solarstrommagazin PHOTON wird in der Ausgabe 10/2008 auf S.
12 [0010]
- - www.energyprofi.com [0012]
- - Hauptkatalog 2008/2009, S. 1004 [0016]