DE102010008853B4 - Photovoltaische Vorrichtung mit Konzentratoroptik - Google Patents

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Abstract

Photovoltaische Vorrichtung (1) mit – zumindest einer Solarzelle (7) und – einer Konzentratoroptik wobei die Konzentratoroptik – zumindest ein erstes, lichteintrittsseitiges, fokussierendes optisches Element (3) und – zumindest ein dem ersten, lichteintrittsseitigen optischen Element nachgeschaltetes und der Solarzelle (7) vorgeschaltetes zweites optisches Element (5) umfasst, auf welches in Betriebsstellung der photovoltaischen Vorrichtung (1) die Sonnenstrahlung durch das erste optische Element (3) gebündelt fällt, wobei das zweite optische Element (5) ein solarisationsstabilisiertes, Silikatglas umfasst, wobei das Silikatglas ein Borosilikatglas ist, mit folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent auf Oxidbasis:SiO2 65–85 Gewichtsprozent, B2O3 7–15 Gewichtsprozent, Al2O3 0–10 Gewichtsprozent, Na2O 2–13 Gewichtsprozent, K2O 0–11 Gewichtsprozent, Cs2O 0–11 Gewichtsprozent, MgO 0–0,5 Gewichtsprozent, CaO 0–3 Gewichtsprozent, SrO 0–0,5 Gewichtsprozent, BaO 0–6 Gewichtsprozent, TiO2 0,005–1,5 Gewichtsprozent, ZrO2 0–0,5 Gewichtsprozent, CeO2 0–3 Gewichtsprozent, F 0–0,6 Gewichtsprozent.

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet photovoltaischer Energieerzeugungseinrichtungen. Insbesondere betrifft die Erfindung photovoltaische Anlagen mit Konzentratoroptiken.
  • Um die immer noch hohen Investitionskosten für Photovoltaik-Anlagen zu senken werden verschiedene Wege beschritten. Ein Weg liegt in der Entwicklung kostengünstigerer Solarzellen. Beispielsweise wird nach Materialien gesucht, mit welchem sich Dünnschicht-Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad kostengünstiger herstellen lassen. Generell lässt sich aber sagen, dass die günstiger herstellbaren Dünnschicht-Zellen in ihrem Wirkungsgrad nicht an teurere, insbesondere monokristalline Zellen heranreichen.
  • Ein anderer Weg liegt darin, hocheffiziente Solarzellen einzusetzen, die Herstellungskosten aber dann durch Konzentratoroptiken zu senken, da mit einer Konzentratoroptik nur noch ein kleiner Bruchteil der beleuchteten Fläche mit Solarzellen belegt werden muss.
  • So werden beispielsweise im Patent US 5 344 497 A preisgünstig herstellbare Photovoltaikmodule für die Anwendung im Weltall beschrieben. Das Modul beinhaltet dabei eine Reihe von Fresnellinsen auf einem Glassubstrat sowie als eine zweite optische Einheit eine Vorrichtung zur Konzentration des Sonnenlichts auf die Solarzellen.
  • Die Konzentrator-Photovoltaik verfolgt folgende Ansätze: Halbleitermaterialersparnis durch den Einsatz eines optischen Konzentrators und Wirkungsgraderhöhung durch den Einsatz hocheffizienter Solarzellen, wie etwa höchsteffizienter Tripel-Solarzellen. Der Einsatz des optischen Konzentrators macht damit die Bereitstellung spezieller optischer Bauteile notwendig.
  • Nachteilig bei Konzentratoroptiken ist, dass hier zusätzliche optische Elemente eingesetzt werden, welche langzeitstabil sein sollten, um ein unnötiges Abfallen des Wirkungsgrades zu vermeiden.
  • Durch das Eindringen von Feuchtigkeit kann beispielsweise die Langzeitstabilität der Solarzellen herabgesetzt werden. In der Patentanmeldung US 2008/0087323 A1 wird eine Konzentratoroptik mit einer verbesserten Resistenz gegen das Eindringen von Feuchtigkeit, beispielsweise in Form von Tau, beschrieben. Hierzu weist die Solarzelle eine transparente Beschichtung aus einem Fluorsilikon auf, die als Barriereschicht fungiert und so das Eindringen von Feuchtigkeit in die Solarzelle verhindert. Die Langezeitstabilität der Barriereschicht kann dabei durch das Aufbringen einer farbigen, opaken Schicht erhöht werden.
  • Jedoch können auch durch die Sonnenbestrahlung selber die optischen Eigenschaften der Elemente verändert werden. Dieses Problem tritt insbesondere auch dann auf, wenn eine Optik mit mehreren hintereinandergeschalteten Elementen verwendet wird, wobei das oder die im Strahlengang nachgeordneten, beziehungsweise am nächsten zur Solarzelle angeordneten Elemente mit konzentriertem Sonnenlicht bestrahlt werden.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, photovoltaische Vorrichtungen allgemein hinsichtlich ihrer Langzeit-Stabilität zu verbessern.
  • Die Erfindung kann für alle lichttransmittierenden Elemente einer photovoltaischen Vorrichtung eingesetzt werden. Besonders ist die Erfindung dort geeignet, wo aufgrund hoher UV-Intensitäten mit herkömmlichen Gläsern hohe Transmissionseinbussen in den Gläsern durch die UV-Bestrahlung zu erwarten sind.
  • Insbesondere soll gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung eine Sekundäroptik bereitgestellt werden, welche nur eine geringe und stationäre Solarisationsneigung aufweisen und sich daher optimal für den Einsatz als Sekundäroptiken in Konzentrator-Photovoltaik Anlagen eignen.
  • Für die erfindungsgemäße Vorrichtung wird folgendes allgemeine Bauprinzip bevorzugt: eine Primäroptik fokussiert das Sonnenlicht auf die Zelle. Um den optischen Fehlern dieser Primäroptik abzuhelfen und möglichst große Toleranzen für die Fertigung und die mechanische Ausrichtung des Systems nach dem aktuellen Stand der Sonne bereitzustellen, ist noch eine unmittelbar vor der Zelle befindliche Sekundäroptik vorgesehen.
  • Die Primäroptik ist vorzugsweise refraktiv (Fresnel-Linse) oder reflektiv (Parabolspiegel). Als die Sekundäroptik ist ein nichtabbildender Lichtleiter (”lightpipe”) besonders bevorzugt. Letzteres Element soll im Überlappungsbereich des terrestrischen Sonnenspektrums und der Empfindlichkeitskurven der gebräuchlichen III–V-Halbleiter, wie etwa einer Tripelzelle hochtransparent sein. Der angesprochene Überlappungsbereich erstreckt sich von 300 nm bis 1900 nm, umfasst neben dem visuellen Bereich also auch das nahe Infrarot und das nahe Ultraviolett.
  • Die herzustellenden Bauteile sowie die zur Ankopplung eingesetzten Materialien sollen der Belastung durch eine hohe, beispielsweise bis zu 2500fache Aufkonzentration des Sonnenlichtes, einschließlich des Anteils im nahen UV, standhalten können.
  • Intensive UV Strahlung kann in optischen Gläsern jedoch zu Defektzentren-Bildung führen, welche die Transmission unter anderem an der UV Kante reduziert, Dieser Effekt wird als Solarisation bezeichnet. Je größer dieser Transmissionsverlust ist, desto größer ist dementsprechend auch der Leistungsverlust an der Solarzelle.
  • Solarisation von Gläsern durch UV-Strahlung war bisher vor allem in der Mikrolithographie relevant.
  • Bei der i-Linien-Lithographie bei Bestrahlung mit Licht einer Wellenlänge von 365 nm kommen Multikomponentengläser zum Einsatz, die speziell für die i-Linie solarisationsstabilisiert worden sind.
  • Im Verhältnis zu der dort auftretenden Belastung ist der Einsatz in einer Konzentrator-Photovoltaikvorrichtung allerdings noch einmal wesentlich herausfordernder. Der für Materialien für die i-Linie übliche Solarisationstest besteht typischerweise in einer 15 h dauernden Belastung mit einer UV-Lampe, die eine Strahlungsleistung von ca. 2000 W/m2 auf die Probe wirft.
  • Ohne Aufkonzentration beträgt die Flächenleistung des auf die Erde fallenden Sonnenlichtes in Deutschland bis zu ca. 1000 W/m2 bei einer Aufkonzentration um den Faktor 2500 entsprechend 2500000 W/m2. Davon entfallen ca. 50000 W/m2 auf den UV-Bereich von 300–400 nm. Diese Abschätzung beruht auf der Annahme eines schwarzen Strahlers mit 5760 K Farbtemperatur für das Sonnenlicht. In südlicheren Ländern ergeben sich noch höhere Werte. So werden in Nordafrika etwa 2200 W/m2 Flächenleistung bereits ohne Aufkonzentration erreicht.
  • Der sich ergebende Wert für den Bereich 300–400 nm wurde noch einmal gefünftelt, um der im UV besonders hohen atmosphärischen Absorption Rechnung zu tragen. Dies entspricht etwa dem Normspektrum ”AM1.5d low aod”, das ca. 2,2% UV-A enthält. In der obigen Abschätzung wurde nur der UV-Anteil ab 300 nm berücksichtigt, da eine Kapselung der Primäroptik durch eine unterhalb von 300 nm absorbierende Glasscheibe angenommen wurde. Die Belastung dauert nun aber nicht 15 Stunden, wie im Test für Lithographie-Optiken, sondern es werden Standzeiten von typischerweise mindestens 20 Jahren gefordert.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine photovoltaische Vorrichtung mit
    • – zumindest einer Solarzelle und
    • – einer Konzentratoroptik vor, wobei die Konzentratoroptik
    • – zumindest ein erstes, lichteintrittsseitiges, fokussierendes optisches Element und
    • – zumindest ein dem ersten, lichteintrittsseitigen optischen Element nachgeschaltetes und der Solarzelle vorgeschaltetes zweites optisches Element umfasst, auf welches in Betriebsstellung der photovoltaischen Vorrichtung die Sonnenstrahlung durch das erste optische Element gebündelt fällt, wobei das zweite optische Element zumindest ein solarisationsstabilisiertes, beziehungsweise solarisationsarmes Silikatglas umfasst. Als solarisationsstabilisiertes Glas wird dabei im Sinne der Erfindung insbesondere ein Glas bezeichnet, welches unabhängig von der eingestrahlten UV-Leistung eine Sättigung des Solarisationseffektes zeigt, wobei die Transmission bei gesättigter Solarisation gegenüber einem unbestrahlten Glas um höchstens 0,03 gemittelt über den Wellenlängenbereich zwischen 300 und 400 Nanometern abnimmt.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das Glas auch für das erste, lichteintrittsseitige, fokussierende optisches Element eingesetzt werden.
  • Es hat sich gezeigt, dass bestimmte Silikatgläser die Anforderungen an eine geringe Solarisationsneigung erfüllen, wobei insbesondere auch festgestellt wurde, dass der Solarisationseffekt schnell auf einem Niveau in Sättigung geht, bei welchem nur eine sehr geringe Zunahme der Absorption gegenüber einem unbestrahlten Glas erfolgt.
  • Es hat sich gezeigt, dass eine Beimischung von Titanoxid in das Silikatglas in einer Menge von zumindest 0,005 Gewichtsprozent auf Oxidbasis zu besonders solarisationsarmen Gläsern führt.
  • Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung ist daher eine photovoltaische Vorrichtung mit
    • – zumindest einer Solarzelle und
    • – einer Konzentratoroptik vorgesehen, wobei die Konzentratoroptik
    • – zumindest ein optisches Element aus Silikatglas umfasst, wobei das Silikatglas Titanoxid in einer Menge von zumindest 0,005 Gewichtsprozent auf Oxidbasis enthält. Obwohl die Anwendung für ein zweites Element der Optik, welches einem ersten, fokussierenden Element nachgeschaltet ist, bevorzugt wird, kann das Glas ganz allgemein für ein beliebiges Konzentratorelement einer photovoltaischen Vorrichtung verwendet werden.
  • Eine Klasse von Gläsern, die sich durch eine geringe, schnell in Sättigung gehende Solarisation auszeichnen, sind Borosilikatgläser mit folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent auf Oxidbasis:
    SiO2 65–85, vorzugsweise 66–84, besonders bevorzugt 67 bis 83, mehr bevorzugt 67–82 Gewichtsprozent,
    B2O3 7–15, vorzugsweise 8–14 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt 9–14
    Al2O3 0–10, vorzugsweise 0–9, besonders bevorzugt 0 bis 8 Gewichtsprozent,
    Na2O 2–13 Gewichtsprozent, vorzugsweise 2 bis 12 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt 2 bis 11 Gewichtsprozent,
    K2O 0–11 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0 bis 10 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt 0 bis 9 Gewichtsprozent,
    Cs2O 0–11 Gewichtsprozent, vorzugsweise bis 10 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt bis 9 Gewichtsprozent,
    MgO 0–0,5, vorzugsweise 0–0,3 Gewichtsprozent,
    CaO 0–3, vorzugsweise 0–2 Gewichtsprozent,
    SrO 0–0,5, vorzugsweise 0–0,3 Gewichtsprozent,
    BaO 0–6, vorzugsweise 0–5, besonders bevorzugt 0–4 Gewichtsprozent,
    TiO2 0,005–1,5, vorzugsweise 0,005–1, besonders bevorzugt 0,005 bis 0,5, mehr bevorzugt 0,005–0,03 Gewichtsprozent,
    ZrO2 0–0,5, vorzugsweise 0–0,3 Gewichtsprozent,
    CeO2 0–3, vorzugsweise 0–2 Gewichtsprozent,
    F 0–0,6, vorzugsweise 0–0,5, besonders bevorzugt 0–0,4 Gewichtsprozent.
  • Gegenüber den in der DE 100 05 088 C1 beschriebenen Gläsern zeichnen sich die Borsilikatgläser mit der vorstehenden Zusammensetzung durch niedrigere Gehalte von Al2O3 und CaO aus.
  • Dieses Glas kann eines oder mehrere der folgenden Läutermittel in Gewichtsprozent auf Oxidbasis enthalten, ohne die Solarisationsneigung merklich zu verschlechtern:
    NaCl 0–2, vorzugsweise 0–1, besonders bevorzugt 0–0,5 Gewichtsprozent,
    As2O3 0–0,03, vorzugsweise 0–0,02 Gewichtsprozent,
    Sb2O3 0–1, vorzugsweise 0–0,5 Gewichtsprozent.
  • Arsenoxid führt zwar im Allgemeinen zu einer größeren Solarisation, doch hat sich eine Beimengung bis zu der oben angegebenen Grenze von 0,02 Gewichtsprozent als nicht nachteilig erwiesen.
  • Eine Solarisation kann unter anderem durch eine photoinduzierte Oxidation oder Reduktion polyvalenter Komponenten verursacht werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist daher das Glas der zweiten optischen Komponente frei oder zumindest weitgehend frei von polyvalenten Komponenten. Als schädliche polyvalente Komponenten sind z. B. Eisen-Cobalt-Chrom-Kupfer- und Manganoxid zu nennen. Daher sind in Weiterbildung der Erfindung Eisenoxid, Cobaltoxid, Chromoxid, Kupferoxid und Manganoxid jeweils zu weniger als 4 ppm, bevorzugt weniger als 3 ppm, besonders bevorzugt weniger als 2 ppm im Glas enthalten.
  • Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung kann das solarisationsstabilisierte Silikatglas zusätzlich folgende Bestandteile in Gewichtsprozent auf Oxidbasis enthalten:
    Li2O 0–2 Gewichtsprozent,
    PbO 0–2 Gewichtsprozent,
    SnO2 0–1 Gewichtsprozent,
    WO3 0–0,5 Gewichtsprozent,
    Bi2O3 0–0,5 Gewichtsprozent.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Lichtleiter als zweites optisches Element vorgesehen, welcher das vom ersten optischen Element auf eine Lichteintrittsseite des Lichtleiters gebündelte Licht zur Lichtaustrittsseite leitet. Die Solarzelle ist dabei entlang des optischen Pfades vorzugsweise direkt auf der Lichtaustrittsseite angeordnet. Gegebenenfalls kann aber auch ein Abstand zwischen der Solarzelle und der Lichtaustrittsseite vorhanden sein, wobei auch die Zwischenschaltung eines oder mehrerer weiterer optischer Elemente denkbar ist. Günstig ist aber, eine direkte Ankopplung der Solarzelle an die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters vorzusehen, um Reflexionsverluste an der Lichtaustrittsfläche zu verringern.
  • Der Lichtleiter dient dazu, die laterale Intensitätsverteilung des vom fokussierenden ersten Elements gebündelten Lichts gleichmässiger zu machen, so dass die Solarzelle über ihre Fläche hinweg möglichst gleichmässig beleuchtet wird. Als Beispiel sei eine bei nicht exakt auf die Sonne ausgerichteter Vorrichtung entstehende Kaustik oder ein Fokus, der kleiner als die Fläche der Solarzelle ist, genannt. In beiden Fällen kann die Lichtintensität über die Solarzelle hinweg dann schnell um eine oder mehrere Grössenordnungen variieren. Die lokal erhöhte Lichtintensität verkürzt die Lebensdauer der Solarzelle. Außerdem sinkt der Wirkungsgrad bei ungleichmässiger Beleuchtung, wenn einige Bereiche der Solarzelle in Sättigung arbeiten und andere Bereiche nicht oder kaum beleuchtet werden.
  • Dementsprechend wird als Lichtleiter, wie bereits oben gesagt, ein nichtabbildender Lichtleiter bevorzugt.
  • Um eine Homogenisierung der Lichtverteilung zu erreichen, ist besonders ein Lichtleiter in Form eines Stabes mit eckigem Querschnitt, vorzugsweise mit in Richtung quer zur Längsrichtung geraden Seitenflächen geeignet. Der Stab kann gegebenenfalls auch zur weiteren Konzentration des Lichts und zum Abschwächen der Anforderungen an die Ausrichtung auf die Sonne konisch geformt sein, wobei die Stirnfläche mit der kleineren Querschnittfläche die Lichtaustrittsfläche bildet. Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Lichtleiter als Platte ausgebildet, wobei zwei gegenüberliegende Kantenflächen die Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen bilden. Dies ist sinnvoll, wenn längliche fokussierende erste optische Elemente, wie etwa Zylinderlinsen, beziehungsweise als Zylinderlinsen wirkende Fresnel-Linsen oder zylindrisch fokussierende Reflektoren eingesetzt werden. Auch die Platte kann eine variierende Dicke aufweisen, so dass sie sich von der Lichteintritts- zur Lichtaustrittsfläche hin verjüngt. Es sind auch andere Elemente und Konzentratorgeometrien, wie etwa ein Compound Parabolic Reflector als Konzentrator oder zweites optisches Element möglich.
  • Die Ecken in Verbindung mit geraden Seitenflächen führen dazu, dass die Lichtstrahlen nicht fokussierend an den Seitenwänden reflektiert werden. Damit werden direkte oder verzerrte Abbildungen der eingangsseitigen räumlichen Strahlungsverteilung auf der Lichtaustrittsseite auch schon bei kurzen Längen des Lichtleiters vermieden. Für die Homogenisierung des Lichts spielt die mittlere Anzahl der Reflexionen und damit auch die Länge des Lichtleiters eine Rolle. Es wird dabei bevorzugt, den Lichtleiter mindestens 1,5 mal, vorzugsweise mindestens 2,5 mal so lang wie die für die Anzahl der Reflexionen maßgebliche kleinste laterale Abmessung des Querschnitts der Lichtaustrittsfläche zu machen.
  • Um die Herstellungskosten für die Konzentratoroptik möglichst niedrig zu halten, ist es weiterhin günstig, das Glaselement mit dem solarisationsstabilisierten Glas durch Pressen zu formen. Demgemäß ist in dieser Weiterbildung der Erfindung das optische Element mit dem Glas, insbesondere das zweite, dem ersten, fokussierenden Element nachgeordnete optische Element als Glas-Pressteil ausgebildet.
  • Ein an den erfindungsgemäßen Gläsern beobachteter besonders vorteilhafter Effekt ist auch das zumindest teilweise Ausheilen der ohnehin nur geringen Solarisation durch ein Tempern des Glases. Dabei waren bereits Temperaturen von 200°C ausreichend, um eine durch Solarisation bedingte Transmissionsverschlechterung wieder rückgängig zu machen. Es wird davon ausgegangen, dass auch Temperaturen ab 100°C ausreichend sind, um eine Relaxation der Solarisation herbeizuführen. Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung kann daher eine Heizeinrichtung zum Aufheizen des Glases auf zumindest 100°C vorgesehen sein. Diese Beheizung kann in besonders einfacher Weise auch durch die einfallende Sonnenstrahlung selbst erreicht werden, wobei in diesem Fall dann die Vorrichtung so eingerichtet werden kann, dass die Wärmezufuhr am Glaselement auch hinreichend gross gegenüber der Wärmeabfuhr ist, um eine Temperatur von zumindest 100°C, vorzugsweise zumindest 150°C zu erreichen.
  • Generell ist die Erfindung für besonders effektive, hochwertige Solarzellen geeignet, um die Vorteile der Konzentratoroptik voll ausschöpfen zu können. Demgemäß sind Tripel-Solarzellen, beziehungsweise Triple-Junction-Solarzellen besonders geeignet. Auch andere Solarzellen, wie etwa generell monokristalline Elemente können jedoch verwendet werden.
  • Das Glas kann weiterhin auch beschichtet sein, um etwa eine Entspiegelung und/oder einen Kratzschutz bereitzustellen um so die Transmission langfristig zu erhöhen.
  • Erfindungsgemäße Gläser zeichnen sich durch eine sehr niedrige Dichte von durch UV-Bestrahlung aktivierbaren Defektzentren aus. Es wurde gefunden, dass eine starke Solarisation unter den Bedingungen, wie sie in der Anwendung für Solarzellen für den Wirkungsgrad relevant ist, vermieden werden kann, wenn die durch UV-Licht induzierbare Defektdichte im Silikatglas kleiner 3 × 1018 cm–3 beträgt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Figuren näher erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder entsprechende Elemente. Es zeigen:
  • 1 eine photovoltaische Vorrichtung,
  • 2 eine Ansicht des Lichtleiters der in 1 dargestellten Anordnung,
  • 3 eine Variante der in 1 gezeigten Vorrichtung mit zylindrisch fokussierendem Reflektor,
  • 4 Verläufe des spektralen Transmissionsgrades zweier Gläser vor und nach UV-Bestrahlung, und
  • 5 ermittelte Relaxationszeiten der Solarisation eines für die Erfindung geeigneten Glases.
  • 1 zeigt eine als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete photovoltaische Vorrichtung. Die photovoltaische Vorrichtung 1 umfasst zumindest eine Solarzelle 7, beispielsweise in Form einer hocheffektiven Triple-Junction Solarzelle und eine Konzentratoroptik. Die Konzentratoroptik ihrerseits umfasst zwei Elemente. Im Speziellen ist zumindest ein erstes, lichteintrittsseitiges, fokussierendes optisches Element 3 und ein dem ersten, lichteintrittsseitigen optischen Element 3 nachgeschaltetes und der Solarzelle 7 vorgeschaltetes zweites optisches Element 5 vorgesehen. In Betriebsstellung der photovoltaischen Vorrichtung, also ausgerichtet auf die Lichteinfallsrichtung der Sonne fällt die Sonnenstrahlung durch das erste optische Element 3 gebündelt auf das zweite optische Element. Zur Verdeutlichung des Strahlengangs sind zwei Lichtstrahlen 10 des einfallenden Sonnenlichts dargestellt.
  • Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist das erste optische Element eine Fresnel-Linse. Das zweite optische Element ist als kurzer Lichtleiter mit einer Lichteintrittsfläche 51 und einer Lichtaustrittsfläche 52 ausgebildet. Dabei ist der Lichtleiter mindestens 1,5 mal, vorzugsweise mindestens 2,5 mal so lang wie die kleinste laterale Abmessung des Querschnitts der Lichtaustrittsfläche 52.
  • Der Lichtleiter ist aus Silikatglas als Pressteil gefertigt. Das Glas ist solarisationsstabilisiert, wobei das Silikatglas unabhängig von der eingestrahlten UV-Leistung eine Sättigung des Solarisationseffektes zeigt. Dabei nimmt die Transmission bei gesättigter Solarisation gegenüber einem unbestrahlten Glas um höchstens 0,03 gemittelt über den Wellenlängenbereich zwischen 300 und 400 Nanometern ab.
  • Der Lichtleiter ist leicht konisch ausgebildet und verjüngt sich von der Lichteintrittsfläche 51 zur Lichtaustrittsfläche. Eine Ansicht des Lichtleiters ist in 2 dargestellt. Wie anhand von 2 zu erkennen ist, ist der Lichtleiter nicht nur leicht konisch geformt, sondern weist auch einen eckigen Querschnitt auf. Beispielsweise können die Lichteintrittsfläche 51 und die Lichtaustrittsfläche 52 jeweils einen quadratischen Querschnitt aufweisen.
  • Anders als in 2 dargestellt, kann der Lichtleiter sich auch in anderer Form als konisch zur Lichtaustrittsfläche 52 hin verjüngen. Jedenfalls sind die Seitenflächen in Richtung senkrecht zur Längsrichtung gerade. Damit werden Fokussierungseffekte bei der Reflexion an den Seitenwänden vermieden, die zu Inhomogenitäten der lateralen Lichtverteilung auf der Lichtaustrittsseite beitragen können.
  • Ein Beispiel einer photovoltaischen Vorrichtung mit zylindrisch fokussierendem ersten optischen Element 3 ist in 3 dargestellt. Beispielhaft ist bei dieser Anordnung das erste optische Element als zylindrisch fokussierender Reflektor ausgebildet. Mit zylindrisch fokussierend ist allgemein, ohne Beschränkung auf das Ausführungsbeispiel der 3 nicht gemeint, dass die Reflektorfläche zylindrisch ist, sondern vielmehr, dass die Fokussierung nach Art einer Zylinderlinse in nur einer Richtung erfolgt. So ist auch in dem in 3 gezeigten Beispiel die Reflektorfläche 31 parabolisch gebogen.
  • Auch in diesem Beispiel ist das zweite optische Element 5 als Lichtleiter ausgebildet, der in diesem Fall nun plattenförmig ist, wobei die Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen gegenüberliegende Kanten der Platte bilden und die Platte sich zur Lichtaustrittsfläche 52, auf welcher eine streifenförmige Solarzelle 7 angeordnet ist, verjüngt, indem die Dicke der Platte abnimmt.
  • 4 zeigt zur Verdeutlichung Diagramme der spektralen Transmission als Funktion der Wellenlänge für zwei Gläser, jeweils vor einer intensiven UV-Bestrahlung und danach, also in solarisiertem Zustand.
  • Ein Glas für das zweite optische Element enthält folgende Bestandteile in Gewichtsprozent auf Oxidbasis:
    SiO2 65–85 Gewichtsprozent,
    B2O3 7–15 Gewichtsprozent,
    Al2O3 0–10 Gewichtsprozent,
    Na2O 2–13 Gewichtsprozent,
    K2O 0–11 Gewichtsprozent,
    Cs2O 0–11 Gewichtsprozent,
    MgO 0–0,5 Gewichtsprozent,
    CaO 0–3 Gewichtsprozent,
    SrO 0–0,5 Gewichtsprozent,
    BaO 0–6 Gewichtsprozent,
    TiO2 0,005–1,5 Gewichtsprozent,
    ZrO2 0–0,5 Gewichtsprozent,
    CeO2 0–3 Gewichtsprozent,
    F 0–0,6 Gewichtsprozent.
  • Es hat sich hierbei überraschend gezeigt, dass bei diesem zu den Borosilikat-Krongläsern zu rechnenden Glas gerade der Titan-Anteil dieses Borosilikatglases dazu beiträgt, dass die Solarisation schnell in Sättigung geht, so dass eine sehr hohe Transmission auch an der UV-Kante des Material erhalten bleibt. Der Titandioxid-Gehalt beträgt zumindest 0,005 Gewichtsprozent auf Oxidbasis. Die Kurven 40 und 41 in 2 zeigen die spektralen Transmissionsverläufe eines solchen Glases. Dabei ist die Kurve 40 der spektrale Transmissionsverlauf vor der Bestrahlung mit einer UV-Lampe und die Kurve 41 der spektrale Transmissionsverlauf nach der Bestrahlung, also der Verlauf des solarisierten Glases.
  • Zum Vergleich gezeigt sind die spektralen Transmissionen eines Glases vergleichbarer Zusammensetzung vor der Bestrahlung (Kurve 42) und danach (Kurve 43). Das Glas, an welchem diese Kurven gemessen wurden, weist keine messbaren Anteile von Titanoxid auf. Der Vergleich der Kurven 40 und 42 zeigt, dass das titanfreie Glas an sich sogar eine höhere Transmission im UV-Bereich aufweist. Allerdings zeigt sich, dass die Transmission im UV-Bereich bei dem titanfreien Glas nach der Bestrahlung (Kurve 43) erheblich zurückgeht, wobei Transmissionseinbußen bis weit in den sichtbaren Bereich hinein ragen.
  • Demgegenüber wird die Transmission bei dem bestrahlten erfindungsgemäßen Glas durch die UV-Bestrahlung kaum beeinflusst. Im Wellenlängenbereich zwischen 300 und 400 Nanometern liegt der Rückgang der Transmission durchweg bei deutlich kleiner als 0,05. Gemessen wurde an der UV-Kante im Speziellen ein Wert der Transmissionsminderung von ca. 1,4%. Gemittelt über diesen Wellenlängenbereich ist der Rückgang deutlich kleiner als 0,03. Demgegenüber beträgt die Transmissionsminderung des Vergleichsglases bis zu etwa 0,2 (bei 320 Nanometern).
  • Die Transmission des erfindungsgemäßen Glases verbleibt auch auf dem erreichten Niveau, unabhängig von der Leistung oder Dauer der eingestrahlten UV-Strahlung. Diese Stabilisierung der Solarisation gewährleistet eine besondere Eignung des Glases für den Einsatz als Sekundäroptik in einem Konzentrator, da gewährleistet ist, das der Solarisationseffekt (die verbleibende Solarisation) nicht mit der angebotenen Lichtleistung skaliert, sondern die Transmission auf einem hohen Transmissionsniveau in Sättigung bleibt, unabhängig von der angebotenen UV-Leistung.
  • Dass es wie beobachtet an erfindungsgemäßen Gläsern zu einer schnellen Sättigung der Solarisation kommt, kann einerseits die Ursache darin haben, dass überhaupt nur eine geringe Dichte von Defektzentren möglich ist und andererseits die thermische Relaxation der Defektzentren besonders stark ausgeprägt ist. Bei den erfindungsgemäßen Gläsern wird davon ausgegangen, dass eine geringe maximal mögliche Defektzentrenkonzentration maßgeblich ist.
  • Dieser Effekt der schnellen Sättigung der Solarisation, wie er bei optischen Elementen für die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehenen Gläsern beobachtet wurde, wird nachfolgend anhand eines Modells näher erläutert.
  • Die erreichte Solarisation kann generell als eine Ratengleichung der Erzeugung und Vernichtung von UV-induzierten Defekten mit der Zeit aufgestellt werden. Die Erzeugungsrate E kann dabei proportional der Differenz zwischen der maximal möglichen Dichte von UV-induzierten Defekten nmax und der aktuellen Dichte dieser Defekte n angesetzt werden: E = γErzeugung × (nmax – n)
  • Dabei ist γErzeugung eine Konstante, die umgekehrt proportional zur Zeitkonstante des Aufbaus des Solarisationseffektes ist. Sie hängt von der UV-Intensität ab.
  • Die Vernichtungsrate V wird proportional zur aktuellen Dichte der UV-induzierten Defekte angesetzt: V = γVernichtung × n
  • Die Konstante γVernichtung ist umgekehrt proportional zur Zeitkonstante des Abbaus des Solarisationseffektes. Es hat sich gezeigt, dass diese Konstante im Allgemeinen von der Temperatur abhängt.
  • Im Gleichgewicht sind beide Raten gleich und es gilt: n = nmax × γErzeugung/(γErzeugung + ☐γVernichtung)
  • Das heißt aber, daß n unabhängig von der UV-Intensität den Wert nmax annimmt, wenn γErzeugung >> ☐γVernichtung ist.
  • Die Inverse der Rate ist die charakteristische Zeit für den jeweiligen Prozess. Es wurde nachgewiesen, dass die charakteristische Zeit für die Vernichtung (Ausheilung) von durch Solarisation verursachten Defekten bei Raumtemperatur bei über 6 Stunden liegt. Solarisationsmessungen mit der HOK-4 Lampe haben gezeigt, das bereits nach unter einer Stunde und nicht erst nach 15 Stunden ein konstanter Wert erreicht wird, sprich dass die Zeitkonstante des Aufbaus des Solarisationseffektes schon beim HOK-4-Lampentest unter einer Stunde liegt. Dies muss dann erst recht bei den UV-Intensitäten, wie sie in einer Konzentrator-Photovoltaikanlage auftreten, gelten. Somit ist die Erzeugungsrate stets wesentlich höher als die Vernichtungsrate und der Sättigungswert der Defektzentrenkonzentration entspricht im wesentlichen dem maximal möglichen Wert nmax.
  • Das erfindungsgemäße Glas zeigt nach Bestrahlung mit einer HOK-4 Lampe einen sehr geringen Abfall der Transmission. Diese verschlechtert sich nach dem Gesagten nicht mehr durch weitere oder intensivere Bestrahlung. Es tritt eine Sättigung des Solarisationseffektes auf niedrigem Niveau ein.
  • Es wird daher davon ausgegangen, dass bei den erfindungsgemäßen Gläsern sich nur eine geringe maximale Dichte von Defektzentren nmax ausbilden kann, und diese Konzentration vergleichsweise schnell erreicht wird. Dies sind keine selbstverständlichen Eigenschaften von Gläsern, da ein Solarisationseffekt typischerweise langsam aufgebaut wird und Sättigungswerte auf deutlich höherem Niveau erreicht werden.
  • Die an erfindungsgemäßen Gläsern gemessenen Relaxationszeiten liegen extrapoliert auf Zimmertemperatur bei über 6 Stunden. Bei 200°C liegen die Relaxationszeiten bei unter drei Stunden. 5 zeigt dazu ermittelte Relaxationszeiten des oben genannten Glases in Abhängigkeit von der Temperatur.
  • Die Ermittlung der Relaxationszeiten wurde wie folgt durchgeführt:
    Von dem erfindungsgemäßen Glas wurden runde Proben mit einem Durchmesser 18 mm und einer Dicke von ca. 1 mm präpariert.
  • Die Untersuchungen wurden mit den Transmissionsspektrometern des Typs Lambda 900 und Lambda 950 durchgeführt. Dabei wurde zur Bestimmung der Solarisation ein komplettes Spektrum von 250–850 nm Wellenlänge aufgenommen.
  • Für die Bestimmung der Abklingzeit wurden die bestrahlten Proben in einer Heizküvette platziert und der zeitliche Verlauf der Transmission für die Wellenlänge 345 nm bestimmt.
  • Das Ausheilen wurde dann bei einer Wellenlänge von 345 nm untersucht, da hier auch entsprechend 4 die maximale Änderung beobachtet wurde. Die zeitliche Änderung der induzierten Solarisation (= Zunahme der Transmission) wurde aufgezeichnet. Zur Anpassung an die Messwerte wurde eine exponentielle Funktion gewählt. A = A0·exp[–t/τrelax] (1)
  • Die Ausheilung der UV-induzierten Absorption wird durch den Exponentialfaktor in Gleichung (1) mit der für das Material typischen Relaxationszeit τrelax beschrieben. Diese Relaxationszeit ist ihrerseits wie gesagt temperaturabhängig und kann durch die Beziehung τrelax = τ0·exp[+Hτ/RT] (2) beschrieben werden. τ0 und Hτ sind dabei materialtypische Konstanten, R bezeichnet die Gaskonstante und T die absolute Temperatur in K. In 5 sind die ermittelten Relaxationszeiten angegeben. Die durchgezogene Kurve ist die durch die drei Relaxationsdauern festgelegte Exponentialfunktion gemäß Gleichung (2).
  • Aus der Anpassung wurden folgende Parameterwerte der Gleichung (1) ermittelt:
    τ0 Hτ/R
    [h] [K]
    0,33 ± 0,05 1012,6 ± 10,2
  • Als charakteristisch für erfindungsgemäß geeignete Gläser können dabei die anhand von Gleichung (2) ermittelten Relaxationszeiten bei den verschiedenen Temperaturen, wie sie in 5 dargestellt sind, angesehen werden. Bei Raumtemperatur liegen die Relaxationszeiten über 6 Stunden und damit deutlich über den Zeiten, die zur Generation von Solarisations bis zur Sättigungsgrenze benötigt werden. Bei Temperaturen zwischen 200°C und 400°C liegt hier die Relaxationszeit bei weniger als 3 Stunden. Demgemäß ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, ohne Beschränkung auf die Ausführungsbeispiele eine photovoltaische Vorrichtung mit zumindest einer Solarzelle und einer Konzentratoroptik vorgesehen, wobei die Konzentratoroptik ein Glaselement umfasst, dessen Glas eine Relaxationszeit (τrelax) der Solarisation von kleiner als 3 Stunden bei einer Temperatur in einem Bereich von 200°C bis 400°C aufweist. Die Relaxationszeit τrelax kann dabei durch Messung des zeitlichen Verlaufs der Transmission bei 345 Nanometern unter Lagerung bei einer Temperatur im genannten Bereich nach UV-Exposition bis zur Sättigung der Solarisation und Anpassung einer Kurve gemäß den Gleichungen (1) bis (3) ermittelt werden. Vorzugsweise wird ein solches Glas wiederum in einer zweiteiligen Konzentratoroptik als zweites optisches Element eingesetzt, auf welches die Sonnenstrahlung durch das erste optische Element gebündelt gerichtet wird.
  • Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Gläser allgemein eine niedrige durch UV-Bestrahlung induzierbare Defektdichte aufweisen. Diese Defektdichte beträgt selbst in gesättigtem Zustand der Solarisation im Allgemeinen weniger als 3 × 1018 cm–3.
  • Anhand des Glases mit den Transmissionsverläufen 40 und 41 in 2 kann die Defektkonzentration wie folgt abgeschätzt werden:
  • Die Ti4+-Ionen im Glas sorgen für eine effektive UV-Blockung. Der Cut-Off der Transmission, bei dem der Transmissionswert an der UV-Kante auf 50% fällt, liegt zwischen 315 und 320 nm Wellenlänge. Aus dem Vergleich der Kurven 40 und 41 in 4 ergibt sich eine Reduzierung der Transmission bei 345 nm um 1,4%.
  • Für den spektralen Absorptionskoeffizienten A gilt: A = – 1 / d·log( T / P)
  • In dieser Beziehung bezeichnet d die Dicke des Glases, T die gemessene Transmission und P der maximal mögliche Transmissionswert. Für den Wert von P wird keine Absorption im Glas angenommen. Vielmehr entstehen Transmissionsverluste nur durch Fresnelverluste, also Reflexion an den Grenzflächen.
  • Bei 345 nm Wellenlänge beträgt der Absorptionskoeffizient ca. 6,0 × 10–3 mm–1. Nach UV-Bestrahlung im Zustand gesättigter Solarisation erhöht sich dieser Wert auf ca. 8,6 × 10–3 mm–1. Diese Zunahme der Absorption um 2,6 × 10–3 mm–1 wird durch die vom UV-Licht induzierten Defekte verursacht. Somit ergibt sich über die Relation n = A / σ mit einem typischen Absorptionswirkungsquerschnitt σ für die Defektzentren im Bereich von 10–18 mm2 eine UV-induzierte Defektdichte von n ≈ 3 × 1015 mm–3 = 3 × 1018 cm–3 = 30 ppm
  • Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise im Rahmen der nachstehenden Ansprüche und deren Kombination variiert werden kann. So können beispielsweise auch mehrere der hierin beschriebenen Gläser kombiniert werden. Wird etwa ein Lichtleiter als sekundäres optisches Element eingesetzt, wie er beispielhaft in den 1 und 3 dargestellt ist, können beispielsweise zwei verschiedene Gläser mit unterschiedlichem Brechungsindex kombiniert werden, indem der Lichtleiter als Kern-Mantel-Lichtleiter ausgebildet wird.

Claims (14)

  1. Photovoltaische Vorrichtung (1) mit – zumindest einer Solarzelle (7) und – einer Konzentratoroptik wobei die Konzentratoroptik – zumindest ein erstes, lichteintrittsseitiges, fokussierendes optisches Element (3) und – zumindest ein dem ersten, lichteintrittsseitigen optischen Element nachgeschaltetes und der Solarzelle (7) vorgeschaltetes zweites optisches Element (5) umfasst, auf welches in Betriebsstellung der photovoltaischen Vorrichtung (1) die Sonnenstrahlung durch das erste optische Element (3) gebündelt fällt, wobei das zweite optische Element (5) ein solarisationsstabilisiertes, Silikatglas umfasst, wobei das Silikatglas ein Borosilikatglas ist, mit folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent auf Oxidbasis: SiO2 65–85 Gewichtsprozent, B2O3 7–15 Gewichtsprozent, Al2O3 0–10 Gewichtsprozent, Na2O 2–13 Gewichtsprozent, K2O 0–11 Gewichtsprozent, Cs2O 0–11 Gewichtsprozent, MgO 0–0,5 Gewichtsprozent, CaO 0–3 Gewichtsprozent, SrO 0–0,5 Gewichtsprozent, BaO 0–6 Gewichtsprozent, TiO2 0,005–1,5 Gewichtsprozent, ZrO2 0–0,5 Gewichtsprozent, CeO2 0–3 Gewichtsprozent, F 0–0,6 Gewichtsprozent.
  2. Photovoltaische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikatglas Titanoxid in einer Menge von zumindest 0,005 Gewichtsprozent auf Oxidbasis enthält.
  3. Photovoltaische Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas folgende Läutermittel in Gewichtsprozent auf Oxidbasis enthält: NaCl 0–2 Gewichtsprozent, As2O3 0–0,02 Gewichtsprozent, Sb2O3 0–1 Gewichtsprozent.
  4. Photovoltaische Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas der zweiten optischen Komponente frei oder zumindest weitgehend frei von polyvalenten Komponenten ist, wobei Eisenoxid, Cobaltoxid, Chromoxid, Kupferoxid und Manganoxid jeweils zu weniger als 4 ppm im Glas enthalten sind.
  5. Photovoltaische Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Glas zusätzlich folgende Bestandteile in Gewichtsprozent auf Oxidbasis enthält: Li2O 0–2 Gewichtsprozent, PbO 0–2 Gewichtsprozent, SnO2 0–1 Gewichtsprozent, WO3 0–0,5 Gewichtsprozent, Bi2O3 0–0,5 Gewichtsprozent.
  6. Photovoltaische Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Element ein Lichtleiter ist, welcher das vom ersten optischen Element auf eine Lichteintrittsseite (51) des Lichtleiters gebündelte Licht zur Lichtaustrittsseite (52) leitet.
  7. Photovoltaische Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Element einen Lichtleiter in Form eines Stabes mit eckigem Querschnitt oder einer Platte umfasst.
  8. Photovoltaische Vorrichtung gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter mindestens 1,5 mal so lang ist wie die kleinste laterale Abmessung des Querschnitts der Lichtaustrittsfläche (52).
  9. Photovoltaische Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Element als Glas-Pressteil ausgebildet ist.
  10. Photovoltaische Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, das Silikatglas auf eine Temperatur von zumindest 100°C aufzuheizen.
  11. Photovoltaische Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Tripel-Solarzelle.
  12. Photovoltaische Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Silikatglas eine Relaxationszeit der Solarisation von kleiner als 3 Stunden bei einer Temperatur in einem Bereich von 200°C bis 400°C aufweist.
  13. Photovoltaische Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch UV-Licht induzierbare Defektdichte im Silikatglas kleiner 3 × 1018 cm–3 ist.
  14. Verwendung eines Glases mit einer Zusammensetzung mit folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent auf Oxidbasis: SiO2 65–85 Gewichtsprozent, B2O3 7–15 Gewichtsprozent, Al2O3 0–10 Gewichtsprozent, Na2O 2–13 Gewichtsprozent, K2O 0–11 Gewichtsprozent, Cs2O 0–11 Gewichtsprozent, MgO 0–0,5 Gewichtsprozent, CaO 0–3 Gewichtsprozent, SrO 0–0,5 Gewichtsprozent, BaO 0–6 Gewichtsprozent, TiO2 0,005–1,5 Gewichtsprozent, ZrO2 0–0,5 Gewichtsprozent, CeO2 0–3 Gewichtsprozent, F 0–0,6 Gewichtsprozent.
    für Konzentrator-Elemente von photovoltaischen Vorrichtungen.
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