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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Photovoltaikkonzentratorsystem
mit mindestens einer Solarzelle, mindestens einer konzentierenden
Optik und einem winkelselektiven Filter. Ebenso betrifft die Erfindung
eine Solarzelle oder ein Solarzellenmodul und ein Konzentratorsystem,
welche jeweils winkelselektive Filter aufweisen.
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Ein
prinzipieller Verlustmechanismus in einem herkömmlichen Photovoltaik-System
(PV-System) ist dadurch gegeben, dass von dem PV-System Strahlung
in einen Raumwinkelbereich emittiert wird, der größer ist
als derjenige, aus welchem Strahlung von dem PV-System absorbiert wird. Dieses Ungleichgewicht
führt zu
einer Generation von Entropie, welche zu einer Verringerung des
prinzipiellen Wirkungsgrades des PV-Systems beiträgt. Dieser Verlust kann durch
zwei Strategien eliminiert werden.
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Theoretisch
wird ein Wirkungsgradmaximum erreicht, wenn die Solarzelle aus dem
gleichen Raumwinkelbereich Strahlung erhält, in den sie emittiert. Dies
erfolgt z. B. bei maximaler Konzentration, wenn die Zelle Strahlung
aus dem kompletten Halbraum erhält.
Dies ist aber auch möglich,
wenn der Emissionsbereich der Zelle so weit eingeschränkt wird,
dass die Emission nur noch in den Bereich erfolgt, unter dem die
Sonnenlicht auf die Solarzelle einfällt.
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Eine
Technik zur Vergrößerung des
Raumwinkelbereiches, aus welchem Strahlung absorbiert wird, ist
die Konzentration mit Linsen oder Spiegeln. Das thermodynamische
Limit hierbei liegt theoretisch bei einem Faktor von 46200-facher
Konzentration. Dieses Limit ist erreicht, wenn die Solarzelle aus
dem kompletten Halbraum Strahlung empfängt. Techniken zur Konzentration
von Licht sind hinlänglich
bekannt und Konzentrationen mit einem Faktor bis etwa 1000-facher
Konzentration können
eingesetzt werden. Um sehr hohe Konzentrationen zu erreichen, können zusätzlich Sekundärkonzentratoren
eingesetzt werden.
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Klassische
Konzentratoren (sowohl Primär- als
auch Sekundärkonzentratoren)
zeichnen sich dadurch aus, dass sie den Raumwinkelbereich vergrößern, unter
dem die Solarzelle die Sonne sieht. Eine Konsequenz davon ist eine
Verkleinerung der ausgestrahlten Solarzellenfläche und eine erhöhte Intensität des pro
Zelle einfallenden Lichtes.
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Alternativ
schlägt
die Theorie zur Erhöhung des
Wirkungsgrades eines PV-Systems die Einschränkung des Emissionswinkels
des PV-Systems vor. Dadurch kann die Emission von Licht durch die Zelle
theoretisch maximal um einen Faktor 46.200 reduziert werden, wenn
die Emission der Solarzelle auf denjenigen Raumwinkel eingeschränkt wird,
aus welchem die Sonne Strahlung auf die Solarzelle emittiert. Im
Stand der Technik werden zu diesem Zweck derzeit Lichtfallen eingesetzt.
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Mit
den heute verfügbaren
Materialien ist es technisch sehr schwierig, noch wesentlich höhere Konzentrationen
als die genannte 1000-fache zu erreichen.
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Ausgehend
vom Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
die Nachteile des beschriebenen Standes der Technik zu überwinden
und ein Photovoltaikkonzentratorsystem, eine Solarzelle sowie ein
Konzentrator-System zur Verfügung
zu stellen, welche auf einfache und kostengünstige Art und Weise zur Verbesserung
des Wirkungsgrades des Photovoltaiksystems ermöglichen und eine Möglichkeit
liefern, näher
an das thermodynamische Winkungsgradlimit heranzukommen als mit
bisher bekannten Systemen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Photovoltaikkonzentratorsystem nach Anspruch
1, die Solarzelle oder das Solarzellenmodul nach Anspruch 9 und
das Konzentratorsystem nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche zeigen
jeweils vorteilhafte Weiterbildungen auf.
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Erfindungsgemäß wird ein
Photovoltaikkonzentratorsystem zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie
in elektrische Energie bereitgestellt, welches mindestens eine Solarzelle,
mindestens eine konzentrierende Optik mit mindestens einem konzentrierenden
Teilelement zur Vergrößerung des Raumwinkelbereichs
von einfallendem Sonnenlicht und mindestens einen winkelselektiven
Filter als Sekundärelement
enthält.
Der winkelselektive Filter ist dabei derart ausgebildet, dass er
für Licht
aus einem Raumwinkelbereich, aus welchem konzentriertes Sonnenlicht
einfällt,
transparent ist und Licht außerhalb
dieses Raumwinkelbereichs reflektiert. Einfallendes Licht außerhalb
des Raumwinkelbereichs, welches reflektiert wird, enthält kein
oder nur wenig konzentriertes Licht, sondern hauptsächlich Streulicht.
Erfindungsgemäß ist der
winkelselektive Filter dabei zwischen der mindestens einen Solarzelle
und der mindestens einen konzentrierenden Optik, welche voneinander
beabstandet angeordnet sind, positioniert. Der Abstand zwischen
der konzentrierenden Optik und der Solarzelle hängt vom betrachteten Aufbau
ab und kann zwischen einigen Millimetern und einigen Metern variieren.
Vorzugsweise beträgt
der Abstand jedoch zwischen 1 cm bis 10 m, insbesondere zwischen
5 cm und 20 cm oder zwischen 1 m und 5 m.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dem maximalen Wirkungsgrad
einer Photovoltaikanlage näher
zu kommen, indem zum einen auf einen bestimmten Raumwinkelbereich
konzentriert und zum anderen die Emission auf den selben Raumwinkel
eingeschränkt
wird. Mit der erfindungsgemäßen Kombination
kann ein mit herkömmlichen Konzentratoren
problemlos erreichbarer Winkel in der Mitte gewählt werden und dann Primär- und Sekundärelement,
d. h. konzentrierende Optik und winkelselektiver Filter, beide auf
diesen Winkel eingestellt werden.
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Durch
die konzentrierende Optik wird das einfallende Sonnenlicht konzentriert
und somit der Raumwinkelbereich, aus dem Strahlung auf die mindestens
eine Solarzelle fällt,
erhöht.
Dadurch verringern sich die Ansprüche an das winkelselektive
Element, da der Raumwinkelbereich, über welchen der Filter reflektieren
muss, verkleinert wird und die Intensität des einfallenden Lichtes
durch die konzentrierende Optik bereits erhöht ist, so dass schon der Einsatz
derzeit existierender winkelselektiver Elemente möglich wird.
Andererseits wird durch den Einsatz einer Kombination aus konzentrierende
Optik und winkelselektivem Filter der Anspruch an die konzentrierende
Optik verringert, da der Einfluss der konzentrierenden Optik auf
den Gesamtwirkungsgrad um die Wirkung des winkelselektiven Filters
ergänzt
wird.
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Die
konzentrierende Optik enthält
vorzugsweise keine streuenden Elemente. Die Streuung ist erst entscheidend,
wenn das Licht den winkelselektiven Filter passiert hat. Die Streuung
(klassische Streuung aber auch Emissionsprozesse, insbesondere strahlende
Rekombination) hinter dem Filter sorgt dafür, dass der Filter seine Wirkung
tun kann.
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Der
winkelselektive Filter wirkt ähnlich
wie ein herkömmlicher
Sekundärkonzentrator.
Herkömmliche
Sekundärkonzentratoren
bewirken eine zusätzliche
Konzentration, welche eine Vergrößerung des Raumwinkels,
unter welchem die Solarzelle die Sonne sieht, und damit eine Verkleinerung
der ausgestrahlten Fläche
der Solarzelle, sowie eine Erhöhung der
Intensität
des konzentrierten Lichtes pro Fläche zur Folge hat. Der winkelselektive
Filter der vorliegenden Erfindung bewirkt zwar eine Vergrößerung der
Intensität
innerhalb der Solarzelle, jedoch keine Veränderung der ausgestrahlten
Solarzellenfläche.
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Der
mindestens eine winkelselektive Filter des Photovoltaikkonzentratorsystems
ist vorteilhafterweise so zwischen der mindestens eine konzentrierenden
Optik und der mindestens einen Solarzelle positioniert, dass er
direkt auf der Solarzelle, auf einer auf die Solarzelle aufgebrachten
Zwischenschicht, insbesondere einer Silikonschicht, von der Solarzelle
durch einen Luftspalt beabstandet oder direkt auf dem Primärkonzentratorsystem
angeordnet ist. Im Falle einer Anordnung, welche zwischen dem winkelselektiven
Filter und der Solarzelle einen Luftspalt aufweist, ist der Luftspalt
vorzugsweise deutlich breiter als die Wellenlänge des betrachteten Lichtes.
Der Luftspalt kann mindestens einige μm, vorzugsweise mindestens 1 μm, bevorzugt
mindestens 5 μm,
breit sein.
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Zusätzlich können weitere
winkelselektive Filter direkt auf der Solarzelle und/oder auf einer
auf die Solarzelle aufgebrachten Zwischenschicht und/oder von der
Solarzelle durch einen Luftspalt beabstandet und/oder direkt auf
dem Primärkonzentratorsystem
angeordnet sein. Vorzugsweise ist der mindestens eine winkelselektive
Filter auf der Seite der Solarzelle positioniert, welche dem Primärkonzentratorsystem
und/oder dem einfallenden Sonnenlicht zugewandt ist.
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Ist
der winkelselektive Filter durch einen Luftspalt von der Solarzelle
beabstandet, so können bestehende
Photovoltaiksysteme mit mindestens einer konzentrierenden Optik
und mindestens einer Solarzelle so umgebaut werden, dass unabhängig entwickelte
winkelselektive Systeme bzw. Filter zwischen die Solarzelle und
der konzentrierenden Optik integriert werden. Dabei beträgt die Breite
des Luftspalts bevorzugt einige μm.
Dabei erscheint es vorteilhaft den winkelselektiven Filter in der
Nähe des Brennpunktes
der Linse und vor der Solarzelle zu positionieren, da hierdurch
die Fläche
und damit der Preis des winkelselektiven Elementes möglichst
gering gehalten werden kann. Der Ort des Filters kann jedoch beliebig
zwischen Solarzelle und konzentrierender Optik gewählt werden.
Insbesondere bei einer Berücksichtigung
der chromatischen Aberration sind jedoch bevorzugt etwas größere oder
kleinere Abstände
als die Brennweite der konzentrierenden Optik zu wählen.
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In
einem erfindungsgemäßen Photovoltaikkonzentratorsystem
können
als winkelselektive Filter beispielsweise Interferenzschichtfilter,
welche als Rugate- und/oder
Kantenfilter ausgebildet sein können,
oder 2D oder 3D photonische Kristalle, beispielsweise in Form von
normalen und/oder invertierten Opale, zum Einsatz kommen. Vorzugsweise kommen
jedoch dünne
winkelselektive Filter mit einer Schichtdicke von 0.1 μm bis 200 μm, insbesondere
von 1 μm
bis 20 μm,
zum Einsatz. Bevorzugt ist der mindestens eine winkelselektive Filter
flächig
bzw. planar ausgebildet.
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Durch
den Einsatz einer primären
konzentrierenden Optik ist die Fläche der Solarzelle, auf welche
das einfallende gebündelte
Sonnenlicht auftrifft, verringert. Nachdem der mindestens eine winkelselektive
Filter zwischen der konzentrierenden Optik und der mindestens einen
Solarzelle angeordnet ist, verringert sich entsprechend auch die
Fläche,
durch welche das gebündelte
Sonnenlicht zumindest teilweise durch den winkelselektiven Filter
durchtritt. Damit können
winkelselektive Filter mit geringerer Ausdehnung eingesetzt werden,
so dass sich der Einsatz teurer und komplexer Filter lohnt.
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Da
winkelselektive Filter so ausgebildet sind, dass nicht nur einfallendes
Licht teils reflektiert, teils transmittiert wird, sondern auch
von der Solarzelle reflektiertes Licht je nach Raumwinkelbereich
transmittiert bzw. reflektiert wird, trägt der winkelselektive Filter
auch einen Beitrag zum Light Trapping bei. Dies bedeutet, dass der
winkelselektive Filter in die Solarzelle eingetretenes Licht am
Wideraustritt hindert und außerdem
das durch Rekombination in der Solarzelle erzeugte Licht reflektiert,
damit es von der Solarzelle ausgenutzt werden kann.
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Um
eine optimale Einstrahlung des Sonnenlichts zu erreichen, wird das
Photovoltaik-Konzentrator-System mittels eines Trackingsystems (Tracker, technische
Anlage, die Photovoltaikanlage nach der Sonne ausrichtet) der Sonne
nachgeführt.
Das Trackingsystem ist dabei bevorzugt derart bewegbar, dass Sonnenlicht
unter einem bevorzugten Winkel zur Senkrechten des Photovoltaikkonzentratorsystems
in dieses einfällt.
Das Tracking System sollte deshalb so genau wie möglich sein,
damit der Filter diesen Bereich möglichst weit einschränken kann. Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn direktes Sonnenlicht unter einem Winkel
im Bereich von 0° bis
1°, insbesondere
von 0° bis
0,5°, zur
Senkrechten in das Photovoltaikkonzentratorsystem einfällt, insbesondere
auf den winkelselektiven Filter auftrifft. Betrachtet man Zirkumsolarstrahlung,
d. h. eine Mischung aus direktem Sonnenlicht und diffusem Licht,
so sollte diese bevorzugt unter einem Winkel im Bereich von 0° bis 10°, insbesondere
von 0° bis
5°, bevorzugt
von 0° bis
2,5°, zur
Senkrechten auf das Photovoltaikkonzentratorsystem, insbesondere
auf den Filter, auftrifft.
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In
dem erfindungsgemäßen Photovoltaikkonzentratorsystem
werden als mindestens ein konzentrierendes Teilelement der konzentrierenden
Optik bevorzugt konzentrierende Linsen, welche die Form von Fresnellinsen
aufweisen können,
und/oder konzentrierende Spiegel, welche als Hohlspiegel und/oder
Parabolspiegel ausgebildet sein können, eingesetzt.
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Es
wird eine möglichst
hohe Primärkonzentration
durch die konzentrierende Optik angestrebt. Der winkelselektive
Filter ist eine Ergänzung
zur konzentrierenden Optik, um die ganz hohen Winkelbereiche abzudecken,
die erst bei über
1000× Konzentration
eine Rolle spielen. Diese Winkelbereiche können somit alternativ genutzt
werden.
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Ein
Photovoltaikkonzentratorsystem kann auch eine Vielzahl von konzentrierenden
Optiken und/oder eine Vielzahl von winkelselektiven Filtern aufweisen.
Diese können
dann in alternierender, blockweiser oder blockweise alternierender
Reihenfolge voreinander, hintereinander und/oder nebeneinander vor
die mindestens eine Solarzelle geschaltet sein. Beispielsweise können alternierend
konzentrierende Optiken und winkelselektive Filter hintereinander
geschaltet sein. Dadurch lässt
sich auch mit wenig komplexen konzentrierenden Optiken und winkelselektiven
Filtern eine Optimierung des Wirkungsgrads eines Photovoltaiksystems
erreichen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen System
ist es möglich
auch zu niedrigeren Konzentrationen zu erreichen, ohne dadurch im
Wirkungsgrad zu verlieren. Dies ist z. B. dann ein Vorteil, wenn
man das Wärme-Management
betrachtet. Aufgrund der geringeren notwendigen Bündelung
des einfallenden Sonnenlichts durch das Primärkonzentratorsystem wird eine
größere Solarzellenfläche bestrahlt.
Diese heizt sich aufgrund ihrer Ausdehnung und der geringeren Fokussierung
des einfallenden Lichts weniger stark auf, so dass auch aufgrund
der geringeren Temperatur der Wirkungsgrad positiv beeinflusst wird.
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Das
erfindungsgemäße Photovoltaikkonzentratorsystem
wirkt sich immer dann vorteilhaft aus, wenn in der Solarzelle ein
Mechanismus vorhanden ist, der in einer Aufweitung der Winkelcharakteristik resultiert.
Für die
prinzipiellen Wirkungsgradannahmen ist dies die strahlende Rekombination.
Alle anderen Mechanismen, die einen ähnlichen Effekt bewirken sind
aber auch zulässig.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Solarzelle bzw.
ein Solarzellenmodul zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in
elektrische Energie, deren Wirkungsgrad verbessert ist. Eine solche
Solarzelle bzw. ein solches Solarzellenmodul enthält mindestens
eine Solarzelle und mindestens einen winkelselektiven Filter, welcher
für Licht
aus einem Raumwinkelbereich, aus welchem das konzentrierte Sonnenlicht
einfällt,
transparent ist und Licht außerhalb
dieses Raumwinkelbereichs reflektiert. Der winkelselektive Filter
ist dabei unmittelbar auf der der einfallenden Strahlung zugewandten
Seite der Solarzelle und/oder auf einer der mindestens einen auf
die Solarzelle aufgebrachten Zwischenschicht angeordnet. Als Zwischenschichten
kommen beispielsweise Antireflexschichten, die mit dem Filter kombiniert
sind, in Frage. Dabei handelt es sich um Schichten im Bereich etwa
50 nm bis 150 nm, welche SiN oder SiO enthalten oder daraus bestehen.
Dabei kann die Antireflexwirkung als ergänzende Funktion des Filters
gesehen werden und ist dann auch in der Anzahl der Schichten nicht
von diesem zu trennen. Alternativ ist auch eine Ankopplung mit Silikon
möglich.
Eine Silikonschicht ist bevorzugt etwa einige μm dick.
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Der
mindestens eine winkelselektive Filter ist dabei vorzugsweise auf
die Solarzelle oder auf die mindestens eine Zwischenschicht, beispielsweise durch
CVD (chemical vapor deposition = Chemische Gasphasenabscheidung)
oder PVD (physical vapor deposition = Physikalische Gasphasenabscheidung) abgeschieden
oder mit Hilfe eines geeigneten Materials, insbesondere eines farblosen
Klebstoffes, z. B. Silikon, aufgeklebt.
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Der
winkelselektive Filter ist vorzugsweise ein Interferenzschichtfilter,
welcher als ein Rugate- und/oder
Kantenfilter ausgebildet sein kann, oder ein 2D oder 3D photonische
Kristall, welcher die Form eines normalen und/oder invertierten
Opals aufweisen kann.
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Außerdem beschreibt
die vorliegende Erfindung ein Konzentratorsystem zur Erhöhung des
Wirkungsgrades von Solarzellen mit einer konzentrierenden Optik
zur Vergrößerung des
Raumwinkelbereichs von einfallendem Sonnenlicht und mit mindestens
einem winkelselektiven Filter, welcher für Licht aus einem Raumwinkelbereich,
aus welchem das konzentrierte Sonnenlicht einfällt, transparent ist und Licht
außerhalb
dieses Raumwinkelbereichs reflektiert. Der mindestens eine winkelselektive
Filter ist in dem erfindungsgemäßen Konzentratorsystem
auf der dem einfallenden Sonnenlicht abgewandten Seite der konzentrierenden
Optik, welche aus verschiedenen Teilelementen aufgebaut sein kann,
angeordnet. Als konzentrierende Teilelemente können beispielsweise konzentrierende
Linsen, welche als Fresnellinsen ausgebildet sein können, oder
konzentrierende Spiegel, welche als Hohl- und/oder Parabolspiegel
geformt sein können,
und ähnliches
eingesetzt werden.
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Der
winkelselektive Filter ist vorzugsweise direkt auf der dem einfallenden
Licht abgewandten Seite der konzentrierenden Optik, insbesondere
auf einem Teilelement der konzentrierenden Optik, angeordnet. Sind
im Falle des erfindungsgemäßen Konzentratorsystems
auf der konzentrierenden Optik beispielsweise Zwischenschichten
aufgebracht, so kann der winkelselektive Filter zum Beispiel auf
diesen Schichten angeordnet sein. Bevorzugt ist der winkelselektive
Filter auf der konzentrierenden Optik abgeschieden, beispielsweise
mittels CVD oder PVD abgeschieden oder mit geeigneten Materialien
wie Silikon aufgeklebt.
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Als
winkelselektiver Filter in einem Konzentratorsystem sind vorzugsweise
2D oder 3D photonische Kristalle, insbesondere normale und/oder
invertierete Opale, oder Interferenzschichtfilter, insbesondere
Rugate- und/oder Kantenfilter, einsetzbar.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, ein aus optischer Sicht
konservatives System (d. h. System ohne Entropieproduktion, also
thermodynamisch optimales System) zu erreichen, in dem sowohl der
relevante Winkel, in den abgestrahlt wird und als auch der Winkel,
aus welchem Strahlung empfangen wird, beeinflusst werden. Eine kombinierte
Beeinflussung der beiden Winkel eröffnet dabei die Möglichkeit
zum Einsatz auch weniger stark selektiver Filter, was den Einsatz
auch weit weniger ausgereifter Systeme möglich macht und damit den Einsatz von
winkelselektiven Filtern in der Photovoltaik möglich macht. In der Praxis
wird kein ideal konservatives System möglich sein. Die Erfindung ermöglicht es aber,
durch Kombination unterschiedlicher optischer Effekte dem thermodynamischen
Optimum näher
zu kommen.
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Im
Folgenden wird ein Beispiel für
ein erfindungsgemäßes Photovoltaikkonzentratorsystem
gegeben. Es zeigt
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1 eine
schematische Darstellung eines Photovoltaikkonzentratorsystem.
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1 zeigt
eine schematische Skizze eines Ausführungsbeispiel. Von der Sonne 1 ausgesandtes Sonnenlicht
fällt auf
ein Photovoltaikkonzentratorsystem 2. Das Photovoltaikkonzentratorsystem 2 weist ein
erstes konzentrierendes Element, in unserem Fall eine Linse 3,
einen winkelselektiven Filter 4 und eine gestapelte multijunction – Solarzelle 5 auf.
Das Sonnenlicht, welches innerhalb eines Strahlkegels mit einem
Winkel es von 4,7 mrad ausgestrahlt wird, wird durch die Linse 3 so
fokussiert, dass es als Licht aus einem Raumwinkel θL, wobei θL größer 4,7
mrad ist, auf den winkelselektiven Filter 4 und die Solarzelle 5 auftrifft.
Das von der Solarzelle 5 emittierte Licht nimmt einen wesentlich
breiteren Winkelbereich ein als das einfallende Licht. Ein Teil
diese Lichtes, dargestellt durch die Raumwinkelbereiche 6 und 7,
wird daher beim auftreffen auf den winkelselektiven Filter 4 reflektiert.
