DE102010014631A1

DE102010014631A1 - Photovoltaisches Modul mit Up- bzw. Down-Conversion-Materialien

Info

Publication number: DE102010014631A1
Application number: DE201010014631
Authority: DE
Inventors: Marius Peters; Gerhard Peharz; Jan Christoph Goldschmidt; Philipp Löper
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2010-04-12
Publication date: 2011-10-13

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein photovoltaisches Modul, das Materialien beinhaltet, die eine Frequenzänderung von Teilen des einfallenden Lichts bewirken. Solche Materialien werden in der Regel als Up- bzw. Downconversion-Materialien bezeichnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein photovoltaisches Modul, das Materialien beinhaltet, die eine Frequenzänderung von Teilen des einfallenden Lichts bewirken. Solche Materialien werden in der Regel als Up- bzw. Downconversion-Materialien bezeichnet.
In Konzentratorsystemen kommen häufig hocheffiziente Mehrfachsolarzellen zum Einsatz. Die Teilzellen in diesen Mehrfachsolarzellen nutzen unterschiedliche Bereiche des solaren Spektrums, wodurch Transmission- und Thermalisierungsverluste in den Zellen verringert werden. In 1 ist zweimal ein solares AM 1.5 global Spektrum dargestellt. Links ist der Anteil dargestellt, der von einer Siliziumzelle genutzt werden kann. Photonen mit einer Wellenlänge > der Bandkanten Wellenlänge werden transmittiert, Photonen mit kurzer Wellenlänge geben einen großen Teil ihrer Energie an den Halbleiterkristall ab (Thermalisierungsverluste). Rechts ist dasselbe Spektrum für eine Dreifachsolarzelle bestehend aus einer GaInP Oberzelle, einer GaAs Mittelzelle und einer Germanium Unterzelle dargestellt. Licht das von der jeweils oberen Zelle nicht absorbiert wird kann von der darunterliegenden Zelle genutzt werden. Dadurch kann das solare Spektrum besser ausgenutzt werden.
Durch die bessere Nutzung des solaren Spektrums erreichen diese Zellen einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als Einfachsolarzellen. Zurzeit werden mit III-V Dreifachsolarzellen Wirkungsgrade von über 40% erreicht. Diese Zellen werden vorrangig in photovoltaischen Konzentratorsystemen eingesetzt, bei denen Sonnenlicht mit einer Optik auf eine vergleichsweise kleine Solarzelle gebündelt wird. Dabei wird kurzwelliges Sonnenlicht (λ ≈ 400 nm) aus folgenden Gründen schlecht ausgenutzt:

1. Die Konzentrator-Optik ist nicht für diesen Spektralbereich ausgelegt und es treten Verluste auf Grund von chromatischer Abberation aus.
2. Die Quanteneffizienz der Konzentratorzellen ist in diesem Spektralbereich nicht optimal.

Licht mit einem geringeren Energiegehalt wie die Bandlücke der jeweiligen Solarzelle ist nicht mehr geeignet, in der Solarzelle freie Ladungsträger auszulösen, so dass längerwelliges Licht von der Solarzelle nicht genutzt werden kann und verloren geht.
Zusätzlich muss erwähnt werden, dass die genannten Dreifachsolarzellen empfindlich auf Schwankungen im solaren Spektrum reagieren. Da die Teilzellen intern in Serie geschalten sind, limitiert die Teilzelle mit dem geringsten Strom den Gesamtstrom der Dreifachsolarzelle. Der Strom einer Zelle hängt in erster Linie von der eingestrahlten Lichtintensität ab. Da die verschiedenen Teilzellen Licht aus unterschiedlichen Spektralbereichen nutzen, hängt die Gesamtleistung maßgeblich von der spektralen Verteilung der Lichtintensität ab.
Das solare Spektrum ist keine konstante Größe. Je nach Stand der Sonne ist das Spektrum eher rot- oder eher blaulastig, d. h. die besonders kurz- oder besonders langwelligen Anteile des Sonnenlichtes fallen stark ins Gewicht. Beispielsweise enthält es bei niedrigem Sonnenstand wesentlich mehr langweilige Anteile als kurzweilige – man spricht von rotlastigen Spektren in den Morgen- und Abendstunden. Umgekehrtes gilt für hohe Sonnenstände – vor allem im Sommer werden in den Mittagsstunden sehr blaulastige Spektren beobachtet. Dreifachsolarzellen werden in der Regel auf ein mittleres Spektrum optimiert, bei dem man im Jahresmittel die meiste Einstrahlung erwartet. Durch diese tages- aber auch ortsabhängigen Variationen des Spektrums kann es sein, dass, je nach Ort ganz unterschiedliche Solarzellensysteme am sinnvollsten sind, je nachdem welches das häufigste Spektrum am besten ausnutzt. Wegen der tageszeitlichen und/oder jahreszeitlichen Schwankungen kommt es aber auf jeden Fall zu einer nicht optimalen Ausnutzung des Sonnenlichtes. Somit kommt es zu einer Verringerung der Effizienz dieser Zellen bei blau- und bei rotlastigen Spektren von etwa 10–20 (relativ). Das ist vor allem bei den besonders energiereichen blaulastigen Spektren bedauernswert – bei den höchsten Einstrahlungen muss eine Verringerung des Wirkungsgrades hingenommen werden.
Die zur Zeit am Markt befindlichen Solarzellen können daher das sich mit der Tageszeit ändernde Sonnenspektrum nur unvollständig nützen, so dass es sich aufgrund der tageszeitlichen bzw. auch jahreszeitlichen Schwankungen des Sonnenspektrums nicht zu einer optimalen Ausnutzung des Sonnenlichts kommt. Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein photovoltaisches Modul anzugeben, das eine Abmilderung der Jahres- bzw. jahreszeitlichen Schwankungen des Sonnenspektrums erlaubt und somit einen höheren Gesamtwirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird bezüglich des photovoltaischen Moduls sowie den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Mit Patentanspruch 10 werden Verwendungszwecke für Materialien, mit denen die Lichtkonversion möglich ist, angegeben. Die abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen des Moduls dar.
Erfindungsgemäß wird somit ein photovoltaisches Modul bereitgestellt, das mindestens eine Solarzelle sowie ein in Einstrahlrichtung vor mindestens einer Solarzelle angeordnetes optisches Element, das mindestens ein Material enthält, umfasst, wobei das Merkmal die Frequenz von Anteilen des einfallenden Sonnenlichtes verändert.
Mit dem photovoltaischen Modul gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit erreicht werden, dass die Solarzellen unabhängig von der Tageszeit ein relativ ausgeglichenes Spektrum sehen.
Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, Materialien zur Up- und Downconversion zu nutzen um die Schwankungen der Spektren abzumildern. Hochkonversionsmaterilaien schieben einen Teil des roten Lichtes ins Blaue, wohingegen Downconversionsmaterialien blaues Licht zu rot hin verschieben. Dadurch werden Schwankungen im Spektrum gepuffert und die Solarzelle wird (günstigstenfalls) immer mit demselben Spektrum beleuchtet. Dies erhöht den Gesamtertrag des Solarzellensystems deutlich.
Die verwendeten Materialien, die geeignet sind, das Frequenzspektrum des Sonnenlichts zu beeinflussen, werden auch als Up- bzw. Downconversion-Materialien bezeichnet und weisen die folgenden Eigenschaften auf:
Entweder werden Photonen aus dem kurzwelligen Spektralbereich in mehrere Photonen mit größerer Wellenlänge konvertiert (etwa aus einem Photon der Wellenlänge λ ≈ 400 nm werden zwei Photonen der Wellenlänge λ ≈ 800 nm), oder ein Photon mit kurzer Wellenlänge wird, etwa durch einen lumineszenten Prozess in ein Photon höherer Wellenlänge umgewandelt (vgl. etwa Fluoreszenzkonzentrator).
Mehrere Photonen aus dem langwelligen Spektralbereich werden in ein Photon mit kleinerer Wellenlänge konvertiert (etwa aus zwei Photon der Wellenlänge λ ≈ 1400 nm wird ein Photon der Wellenlänge λ ≈ 700 nm).
Durch diese Prozesse werden Photonen, welche in einem photovoltaischen Konzentrator tendenziell schlecht genutzt werden (geringe Effizienz, Strombegrenzung durch blau-rotlastige Spektren), in einen spektralen Bereich konvertiert, in dem sie besser ausgenutzt werden können. Zusätzlich hat man noch den Vorteil, dass unter Umständen die Anzahl der verwertbaren Photonen vergrößert wird (QE > 100%).
Da bei upconversion eine Nichtlinearität der Prozesseffizienz zur Einstrahlungsintensität zu erwarten ist, sind insbesondere hohe Lichtintensitäten von Vorteil, weshalb sich eine Anwendung für Konzentratorsysteme anbietet.
Zur Anwendung in diesen Systemen sind folgende Punkte zu beachten:

– Das Konversionsmaterial muss sich vor der Solarzelle befinden, damit die emittierte Strahlung von der Solarzelle gut ausgenutzt werden kann
– Die Emission der konvertierten Strahlung erfolgt häufig diffus. Ist dies der Fall, ist die Konversion nach der Erstkonzentration vorteilhaft, da die emittierte Strahlung nicht mehr konzentriert werden kann. Ferner sollte eine Konzentration worteilig für die Konversionseffizienz sein
– Wird auf das Konversionsmaterial konzentriert, sind relativ kleine Mengen nötig, weswegen auch der Einsatz teurer Materialien möglich ist.
– Erfolgt die Emission gerichtet, ist auch eine Anordnung vor der Konzentrationsoptik möglich.
– Das konvertierende Material sollte für alle Wellenlängen, die nicht konvertiert werden hinlänglich transparent sein, um keine Verluste durch Absorption oder Streuung zu verursachen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Moduls sieht vor, dass das frequenzverändernde Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus

a) Materialien, die die Frequenz erhöhen, bevorzugt Lanthanoidsalze, besonders bevorzugt NaYF:Er und/oder NaYF:Yb und/oder
b) Materialien, die die Frequenz erniedrigen, bevorzugt Fluoreszenzfarbstoffe, Phosphoreszenzfarbstoffe, Metallpartikel, Nanopartikel und/oder Kombinationen hieraus.

Insbesondere macht sich das erfindungsgemäße Konzept, das einfallende Spektrum des Sonnenlichts zu verändern, dann bemerkbar, wenn mehrere Solarzellen, auf die das Sonnenlicht abgebildet wird, übereinander angeordnet sind, wie beispielsweise bei Dreifachsolarzellen. Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Dreifachsolarzelle als Abfolge einer GaInP-, GaAs- und einer Ge-Solarzelle ausgebildet ist.
Vorzugsweise liegt dabei das frequenzverändernde Material homogen verteilt in einer optisch transparenten Matrix eingebettet vor, wobei sich als Matrixmaterialien insbesondere Gläser, ZBLAN-Glaskeramiken, Silikone und/oder Kunststoffe eignen.
Weiter vorteilhaft ist das Modul als Konzentratorsolarzelle ausgebildet und verfügt über eine Primärsowie Sekundärkonzentratoroptik. Dadurch kann die Wirkung der frequenzverändernden Materialien, nämlich das Frequenzspektrum des Sonnenlichts zu beeinflussen, verstärkt werden, insbesondere wenn es sich um Up-Conversionmaterialien handelt. Bei diesen Materialien kommen beispielsweise Effekte wie die Seconds-Harmonic-Generation zum Tragen, die starke Abhängigkeit von der Intensität des einfallenden Lichts zeigen. Durch die Konzentration des Sonnenlichts auf die frequenzverändernden Materialien ist dieser Effekt somit gezielt beeinflussbar und wird durch die Konzentrationsoptik erhöht und besonders effizient.
Besonders bevorzugt ist das Material in einer optisch transparenten Matrix eingebettet und im Sekundärkonzentrator angeordnet.
Als weitere bevorzugte Ausführungsform, die auch als Alternative zu der vorhergehenden bevorzugten Ausführungsform dienen kann, ist das Gehäuse des Moduls zumindest teilweise transparent ausgebildet und enthält das Material, das geeignet ist, die Frequenz des eifallenden Lichts zu beeinflussen.
Um die Lichtausbeute möglichst zu erhöhen, ist es weiter von Vorteil, wenn das optische Element in direktem Verbund mit mindestens einer Solarzelle steht. Diese Ausführungsform sieht somit vor, dass das optische Element, in dem das frequenzverändernde Material enthalten ist, direkt auf der Oberfläche der Solarzelle, d. h. auf der Seite, auf der die Solarzelle mit Sonnenlicht bestrahlt wird, angebracht ist.
Alternativ oder auch zusätzlich hierzu ist es jedoch ebenso möglich, das optische Modul in einer Mehrfachsolarzelle so anzuordnen, dass das Modul hierbei zwischen die einzelnen Solarzellen eingebracht ist.
Erfindungsgemäß wird ebenso die Verwendung von Materialien, die die Frequenz von Anteilen des einfallenden Sonnenlichtes verändern für die Lichtkonversion bei photovoltaischen Modulen, bevorzugt bei Solarzellen, insbesondere bei Konzentratorsolarzellen beansprucht.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Figur sowie den nachfolgenden Ausführungen näher erläutert, ohne die Erfindung auf die spezielle Ausgestaltung zu beschränken.
Eine mögliche Anordnung für ein solches System, das erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, ist in 2 dargestellt.
Licht wird mit einer Linse oder einem Spiegel (Primärkonzentrator 1) auf einen Sekundärkonzentrator 2 (z. B. eine Verkapselung) fokussiert. Im gesamten Sekundärkonzentrator 2 oder in einem Teil von diesem sind downconversions-Zentren 3 eingebracht. Diese können etwa in ZBLAN-Glaskeramiken eingebettet sein oder ein Fluoreszenzkonzentrator sein (in diesem Falle ist der Sekundärkonzentrator 2 ein Fluoreszenzkonzentrator). Dabei kommen Materialien, die das fragliche Licht in seiner Frequenz verschieben, zum Einsatz. Die Einbindung in den Sekundärkonzentrator 2 hat einige Vorteile: Zum einen können durch einen ähnlichen Brechungsindex des Konzentrators und der downconversions-Zentren 3 mögliche Streuverluste bei den Wellenlängen minimiert werden, die die Solarzelle ohnehin gut ausnutzt. Zum anderen sorgen interne Totalreflexion + optische Ankopplung sowie mögliche Seitenreflektoren dafür, dass das emittierte Licht effizient zu einer auf einem Kupferblock 5 angeordneten Solarzelle 4 geleitet wird. Der Sekundärkonzentrator 2 wird dabei ein wenig größer gemacht als der Fokus des Erstkonzentrators, dies ändert nichts an der Konzentration und gleicht z. B. die chromatische Aberration aus. Alternativ zur Einbindung in einen Sekundärkonzentrator kann Down- oder Upconversionsmaterial 3 in das Kapselmaterial der Solarzelle 4 eingebracht werden. Konkret wird hierzu vorgeschlagen, die Conversionsmaterialien in eine Matrix aus transparentem Silikon einzubringen, welches gleichzeitig die Konzentratorsolarzelle gegen Umgebungseinflüsse schützt. Es besteht auch die Möglichkeit, den Up/Downconverter in die Konzentratorsolarzelle zu integrieren, etwa oberhalb der Bottomzelle.

In 3 ist die Lichtleitung in einem Sekundärkonzentrator dargestellt, bei dem Up- bzw. Downconversion-Materialien in einer optischen Matrix eingebettet vorliegen. Durch eine gezielte Wahl der Geometrie des Sekundärkonzentrators kann dabei erreicht werden, dass an den Phasenübergangsgrenzen der optischen Matrix in die Umgebung eine Totalreflexion der einfallenden Strahlung stattfindet, so dass jede Strahlung, die von der Oberseite in den Sekundärreflektor einfällt, auch auf die Solarzelle abgebildet wird. Bevorzugt weist der Sekundärreflektor dabei eine Ummantelung 6 auf, die weiter bevorzugt reflektierend für optische Strahlung ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise eine Metallummantelung sein. Die Geometrie des Sekundärkonzentrators ist dabei bevorzugt konisch, insbesondere ist der Sekundärkonzentrator beispielsweise als Kegelstumpf bzw. Pyramidenstumpf ausgebildet. Um die interne Totalreflexion weiter zu erhöhen, ist es insbesondere vorteilhaft, wenn weiter ein Luftspalt 7 zwischen den Matrixmaterialien, in die die Up- bzw. Downconversion-Materialien 3 eingebettet sind und der Reflektorummantelung 6 vorliegt. Bezugszeichenliste

Figur 1
1	AM 1.5 g Spektrum
2	Si (1.12 eV)
3	Thermalisierungsverluste
4	Nutzbare Energie der Silizium Solarzelle
5	Transmissionsverluste
6	Ge (0.67 eV)
7	GaAs (1.44 eV)
8	GaInP (1.87 eV)
λ	Wellenlänge
dΦ/dλ	Spektrale Bestrahlungsstärke

Figur 2
1	Primärkonzentrator (Linse/Spiegel)
2	Verkapselung
3	up-/downconverter
4	Solarzelle
5	Kupferblock.

Figur 3
3	up-/downconverter
6	Ummantelung
7	Luftspalt

Claims

Photovoltaisches Modul, umfassend mindestens eine Solarzelle, sowie ein in Einstrahlrichtung vor mindestens einer Solarzelle angeordnetes optisches Element, das mindestens ein Material enthält, das die Frequenz von Anteilen des einfallenden Sonnenlichtes verändert.
Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das frequenzverändernde Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus a) Materialien, die die Frequenz erhöhen, bevorzugt Lanthanoidsalze, besonders bevorzugt NaYF:Er und/oder NaYF:Yb und/oder b) Materialien, die die Frequenz erniedrigen, bevorzugt Fluoreszenzfarbstoffe, Phosphoreszenzfarbstoffe, Metallpartikel, Nanopartikel und/oder Kombinationen hieraus.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle eine Mehrfachsolarzelle, bevorzugt eine Dreifachsolarzelle, insbesondere eine Abfolge einer GaInP-, GaAs- und einer Ge-Solarzelle ist.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Material, das die Frequenz von Anteilen des einfallenden Sonnenlichtes verändert, in einer optisch transparenten Matrix eingebettet ist, wobei die Matrix bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Gläsern, ZBLAN-Glaskeramiken, Silikonen und/oder Kunststoffen.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle als Konzentratorsolarzelle ausgebildet ist und über eine Primär- und Sekundärkonzentrationsoptik verfügt.
Modul nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Material in einer optisch transparenten Matrix eingebettet im Sekundärkonzentrator angeordnet ist.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Moduls zumindest teilweise transparent ausgebildet ist und das Material enthält.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element in direktem Verbund mit mindestens einer Solarzelle steht.
Modul nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul eine Mehrfachsolarzelle umfasst und das optische Element zwischen einzelne Solarzellen eingebracht ist.
Verwendung von Materialien, die die Frequenz von Anteilen des einfallenden Sonnenlichtes verändern für die Lichtkonversion bei photovoltaischen Modulen, bevorzugt bei Solarzellen, insbesondere bei Konzentratorsolarzellen.