DE102018206515A1 - Absorber element and photovoltaic cell - Google Patents

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DE102018206515A1 DE102018206515.2A DE102018206515A DE102018206515A1 DE 102018206515 A1 DE102018206515 A1 DE 102018206515A1 DE 102018206515 A DE102018206515 A DE 102018206515A DE 102018206515 A1 DE102018206515 A1 DE 102018206515A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Absorberelement und eine darauf basierende photovoltaische Zelle. Ein erfindungsgemäßes Absorberelement weist eine photoelektrisch aktive Absorberschicht auf, wobei das Absorberelement mindestens eine Vorderseitenreflexionsschicht und mindestens eine Rückseitenreflexionsschicht aufweist, wobei die Absorberschicht zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht angeordnet ist, wobei die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist. Das erfindungsgemäße Absorberelement ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Reflexionsschichten eine spektralselektive Reflektivität aufweist, wobei von Pflanzen zur Photosynthese im Wesentlichen nutzbares Licht im Wesentlichen transmittierbar und Licht anderer Wellenlängen im Wesentlichen reflektierbar ist.

Figure DE102018206515A1_0000
The invention relates to an absorber element and a photovoltaic cell based thereon. An absorber element according to the invention has a photoelectrically active absorber layer, wherein the absorber element has at least one front-side reflection layer and at least one rear-side reflection layer, wherein the absorber layer is arranged between the front-side reflection layer and the back-reflection layer, wherein the optical path length between the front-side reflection layer and the back-reflection layer is at least 400 for incident light perpendicular to the cell nm is. The absorber element according to the invention is characterized in that at least one of the reflection layers has a spectrally selective reflectivity, wherein substantially usable by plants for photosynthesis light is substantially transmissive and light of other wavelengths is substantially reflectable.
Figure DE102018206515A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Absorberelement und eine darauf basierende photovoltaische Zelle.The invention relates to an absorber element and a photovoltaic cell based thereon.

Mittels einer photovoltaischen Zelle, auch Solarzelle genannt, kann aus dem auf die Zelle einfallenden Licht elektrische Energie gewonnen werden. Dazu besitzen Solarzellen ein Absorberelement, in dem durch die Zuführung von Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung freie Ladungsträger erzeugt werden können. Bekannte photovoltaische Zellen zielen darauf ab, möglichst das gesamte Wellenlängenspektrum des auf sie einfallenden Lichts zu absorbieren.By means of a photovoltaic cell, also called a solar cell, electrical energy can be obtained from the light incident on the cell. For this purpose, solar cells have an absorber element in which free charge carriers can be generated by the supply of energy in the form of electromagnetic radiation. Known photovoltaic cells aim to absorb as much as possible of the entire wavelength spectrum of the light incident on them.

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 217 653 A1 ist eine Solarzelle bekannt, die eine Vorderseitenelektrode und eine Rückseitenelektrode sowie eine zwischen Vorder- und Rückseitenelektrode angeordnete photoelektrisch aktive Absorberschicht aufweist, die zumindest zu 30 Massenprozent Germanium enthält. Die Absorberschicht weist eine Dicke kleiner 40 nm auf, wobei die Solarzelle eine Vorderseitenreflexionsschicht und eine Rückseitenreflexionsschicht aufweist, wobei die Absorberschicht zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht angeordnet ist und die optische Weglänge zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht kleiner der Hälfte der Bandlücke bei einer der Bandlücke der Absorberschicht entsprechenden Wellenlänge ist. Die Solarzelle weist den Vorteil auf, dass die Dicke der Absorberschicht gegenüber vorbekannten Solarzellen verringert ist, wobei die Absorptionskapazität nur geringfügig verringert ist.From the German patent application DE 10 2013 217 653 A1 For example, a solar cell is known which has a front-side electrode and a rear-side electrode and a photoelectrically active absorber layer arranged between front and rear electrodes, which contains at least 30 percent by mass of germanium. The absorber layer has a thickness of less than 40 nm, wherein the solar cell has a front-side reflection layer and a rear-side reflection layer, wherein the absorber layer is arranged between the front and back reflection layer and the optical path length between the front and back reflection layer is less than half of the band gap at one of the band gap of the absorber layer corresponding wavelength. The solar cell has the advantage that the thickness of the absorber layer is reduced compared to previously known solar cells, wherein the absorption capacity is only slightly reduced.

Für die Biomassegewinnung und den Pflanzenanbau werden beispielsweise Gewächshäuser benötigt, die große Glasflächen aufweisen, durch die das für das Pflanzenwachstum notwendige Licht auf die angebauten Pflanzen beziehungsweise die Biomasse fällt. Zum Pflanzenwachstum ist ein Photosyntheseprozess erforderlich, bei dem mit Hilfe von Lichtenergie energiereiche Biomoleküle aus energieärmeren Stoffen erzeugt werden. Pflanzen, auch beispielsweise Algen, benötigen im Normalfall hauptsächlich Licht bestimmter Wellenlängen im blauen und im roten Wellenlängenbereich. Grünes und infrarotes Licht wird von den Pflanzen nur schwach absorbiert und daher meist transmittiert oder reflektiert. Dort, wo photosynthetisch aktive Spezies unter Verwendung von Sonnenlicht oder anderer breitbandiger Lichtquellen angebaut werden, ist es wünschenswert, die für die Photosynthese nicht nutzbare Energie des Lichts in Wärme oder Strom umzuwandeln.For example, greenhouses that have large glass surfaces through which the light necessary for plant growth falls on the cultivated plants or the biomass are required for biomass production and cultivation. For plant growth, a photosynthesis process is required in which energy-rich biomolecules are produced from lower-energy substances with the aid of light energy. Plants, including, for example, algae, normally require light of specific wavelengths in the blue and red wavelengths. Green and infrared light is only weakly absorbed by the plants and therefore mostly transmitted or reflected. Where photosynthetic species are grown using sunlight or other broadband light sources, it is desirable to convert the energy of light that is unusable for photosynthesis into heat or electricity.

Hierzu benötigt man eine Vorrichtung, die Licht derjenigen Wellenlängen, die von den Pflanzen nutzbar sind, transmittiert, während es die übrigen Lichtwellenlängen möglichst breitbandig absorbiert. Hierzu ist ein Konzept bekannt, in welchem ein lumineszentes Absorbermaterial auf einer hochtransparenten Glasscheibe grünes Licht absorbiert und in Form von rotem Licht reemittiert, welches sich dann teilweise in der Glasscheibe ausbreitet und von hocheffizienten streifenförmigen Wafer-Solarzellen, welche verteilt auf der Oberfläche der Scheibe angeordnet sind, absorbiert und genutzt wird. Nachteil ist hier einerseits, dass die Solarzellen selbst lichtundurchlässig sind und bereits 14% der Fensterfläche bedecken. Hinzu kommen hohe Kosten für hochreines Glas, um die Weiterleitung des vom Farbstoff emittierten Lichts zu den Solarzellen zu ermöglichen. Darüber hinaus ist der Prozess, bei dem die Solarzellen in Stücke geschnitten, auf den Scheiben plaziert und verdrahtet werden, aufwendig.This requires a device that transmits light of those wavelengths that are usable by the plants, while absorbing the remaining wavelengths of light as broadband as possible. For this purpose, a concept is known in which a luminescent absorber material on a highly transparent glass pane absorbs green light and reemit in the form of red light, which then partially propagates in the glass and of highly efficient strip-shaped wafer solar cells, which are distributed on the surface of the disc are, absorbed and used. Disadvantage here is on the one hand that the solar cells themselves are opaque and already cover 14% of the window area. In addition, there are high costs for high-purity glass in order to enable the transmission of the light emitted by the dye to the solar cells. Moreover, the process by which the solar cells are cut into pieces, placed on the disks and wired is expensive.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Absorberelement und eine photovoltaische Zelle anzugeben, das / die Licht derjenigen Wellenlängen, die von Pflanzen nutzbar sind, transmittiert, während es / sie die übrigen Lichtwellenlängen möglichst breitbandig absorbiert, wobei der Wirkungsgrad gegenüber vorbekannten Vorrichtungen erhöht und der Herstellaufwand minimiert ist.The object of the invention is to provide an absorber element and a photovoltaic cell, the / the light of those wavelengths that can be used by plants, transmits, while it / the remaining wavelengths of light as broadband absorbed, the efficiency over prior art devices increases and the manufacturing cost is minimized.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Absorberelement mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Absorberelements ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 16. Die Aufgabe wird ferner durch eine photovoltaische Zelle nach Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der photovoltaischen Zelle ergeben sich aus den Unteransprüchen 18 und 19.According to the invention, this object is achieved by an absorber element having the features of independent claim 1. Advantageous developments of the absorber element emerge from the dependent claims 2 to 16 , The object is further achieved by a photovoltaic cell according to claim 17. Advantageous embodiments of the photovoltaic cell will be apparent from the dependent claims 18 and 19 ,

Ein erfindungsgemäßes Absorberelement weist eine Absorberschicht auf, wobei das Absorberelement mindestens eine Vorderseitenreflexionsschicht und mindestens eine Rückseitenreflexionsschicht aufweist, wobei die Absorberschicht zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht angeordnet ist, wobei die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist. Dabei bezieht sich hier und im Folgenden der Ausdruck „Vorderseite“ auf die der Lichtquelle, beispielsweise der Sonne, zugewandten Seite des Absorberelements, während sich der Ausdruck „Rückseite“ hier und im folgenden auf die der Lichtquelle abgewandten Seite des Absorberelements bezieht. Die optische Weglänge wird dabei aus dem Produkt des Brechungsindex mit dem geometrischen Weg, d.h. der geometrischen Dicke des Schichtstapels, berechnet. Das erfindungsgemäße Absorberelement ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Reflexionsschichten eine spektralselektive Reflektivität aufweist, wobei von Pflanzen zur Photosynthese im Wesentlichen nutzbares Licht im Wesentlichen transmittierbar und Licht anderer Wellenlängen im Wesentlichen reflektierbar ist.An absorber element according to the invention has an absorber layer, wherein the absorber element has at least one front-side reflection layer and at least one backside reflection layer, wherein the absorber layer is arranged between the front-side reflection layer and the back-reflection layer, wherein the optical path length between the front-side reflection layer and the back-reflection layer is at least 400 nm for incident light perpendicular to the cell , Here, and hereinafter, the term "front side" refers to the light source, for example the sun, facing side of the absorber element, while the term "back" here and below refers to the light source side facing away from the absorber element. The optical path length is calculated from the product of the refractive index with the geometric path, ie the geometric thickness of the layer stack. The absorber element according to the invention is characterized in that at least one of the reflection layers has a spectrally selective reflectivity, wherein light which is essentially usable by plants for photosynthesis is Substantially transmissive and light of other wavelengths is substantially reflective.

Der sich zwischen den mindestens zwei mindestens teilweise reflektierenden Reflexionsschichten befindende dünne Absorber absorbiert bei einmaligem Durchlaufen deutlich weniger als 50% des einfallenden Lichts. Zwischen den reflektierenden Schichten entstehen unter bestimmten Bedingungen Resonanzen oder stehende Wellen bzw. Vielfach-Reflexionen. Dies hat eine gegenüber dem einfachen Durchlaufen der Schicht vervielfachte Absorption zur Folge. Ein solches Absorberelement kann beispielsweise Germanium beinhalten. Sofern die Absorberschicht eine Dicke aufweist, die so bemessen ist, dass die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist, bildet sich eine breitbandige optische Resonanz zwischen der Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht aus, wodurch die Absorption in der Absorberschicht wesentlich erhöht wird. Weist zumindest eine der Reflexionsschichten eine spektralselektive Reflektivität auf, wobei von Pflanzen zur Photosynthese im Wesentlichen nutzbares Licht im Wesentlichen transmittierbar und Licht anderer Wellenlängen im Wesentlichen reflektierbar ist, kann das einfallende Licht sowohl zur Erzeugung von elektrischer Energie als auch zum Pflanzenwachstum benutzt werden. Bei Wellenlängen mit verminderter Reflektivität verschwinden dann die Resonanzeffekte fast vollständig, so dass dieses Licht die Absorberschicht nur noch einfach durchläuft und im Wesentlichen transmittiert wird. Bei Wellenlängen hoher Reflektivität dagegen wird die Absorberschicht vielfach durchlaufen, was zu einer hohen Absorption führt. Dies führt gleichzeitig zu geeigneten Lichtbedingungen für das Wachstum photosynthetisch aktiver Spezies als auch zu einer großen Gesamtabsorption des übrigen Lichts. Darüber hinaus führt der erfinderische Aufbau des spektral selektiven Absorberelements zu einer effizienten Ladungsträgergeneration und zu einer hohen elektrischen Energieausbeute, wenn das spektral selektive Absorberelement in eine photovoltaische Solarzelle integriert ist, die weiterhin ladungsträgerselektive Elektroden und mindestens eine Vorderseitenelektrode und mindestens eine Rückseitenelektrode sowie die zwischen Vorderseitenelektrode und Rückseitenelektrode angeordnete Absorberschicht aufweist, wobei die Absorberschicht photoelektrisch aktiv ausgestaltet ist.The thin absorber located between the at least two at least partially reflecting reflection layers absorbs significantly less than 50% of the incident light when it is passed through once. Resonances or standing waves or multiple reflections develop under certain conditions between the reflective layers. This results in a multiplication of the absorption compared to simply passing through the layer. Such an absorber element may include, for example, germanium. If the absorber layer has a thickness dimensioned such that the optical path length between front reflection layer and backside reflection layer is at least 400 nm for at least vertical light incident on the cell, a broadband optical resonance forms between the front and back reflection layer, whereby the absorption is significantly increased in the absorber layer. If at least one of the reflection layers has a spectrally selective reflectivity, essentially photosynthetic light being essentially transmissible by plants for photosynthesis and light of other wavelengths being substantially reflectable, the incident light can be used both for generating electrical energy and for plant growth. At wavelengths with reduced reflectivity then disappear the resonance effects almost completely, so that this light passes through the absorber layer only simply and is substantially transmitted. At wavelengths of high reflectivity, however, the absorber layer is traversed many times, resulting in a high absorption. At the same time this leads to suitable light conditions for the growth of photosynthetically active species as well as to a large total absorption of the remaining light. In addition, the inventive design of the spectrally selective absorber element results in an efficient charge carrier generation and high electrical energy yield when the spectrally selective absorber element is integrated into a photovoltaic solar cell, the charge carrier selective electrodes and at least one front side electrode and at least one rear side electrode and between front side electrode and Rear side electrode arranged absorber layer, wherein the absorber layer is configured photoelectrically active.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest eine der Reflektionsschichten eine spektral selektive Reflektivität mit einer Veränderung der Reflektivität um mindestens 50% für einen begrenzten Wellenlängenbereich aufweist. Dabei beträgt die Wellenlänge des zur Photosynthese nutzbaren Lichts ca. 400 nm bis 500 nm im blauen und ca. 630 - 730 nm im roten Bereich. Die Wellenlängen zwischen ca. 500 nm und ca. 630 nm fallen in den grünen und gelben Bereich und werden von Pflanzen im allgemeinen nicht oder nur schwach genutzt. Auch Licht im UV-Bereich sowie oberhalb von 630 nm tragen nur wenig zur Photosynthese bei. Diese Wellenlängen können daher für die Gewinnung von elektrischer Energie genutzt werden.It has proved to be advantageous if at least one of the reflection layers has a spectrally selective reflectivity with a change in reflectivity of at least 50% for a limited wavelength range. The wavelength of the light which can be used for photosynthesis is about 400 nm to 500 nm in the blue region and about 630-730 nm in the red region. The wavelengths between about 500 nm and about 630 nm fall in the green and yellow areas and are generally not or only weakly used by plants. Even light in the UV range and above 630 nm contribute little to photosynthesis. These wavelengths can therefore be used for the production of electrical energy.

Als Materialien bzw. Materialkombinationen für die Absorberschicht haben sich solche als vorteilhaft erwiesen, die bei einer optischen Dicke von 400 nm oder weniger in dem von der Rückseitenreflexionsschicht reflektiertem Spektralbereich eine Absorption von mindestens etwa 5%, bevorzugt von mindestens etwa 10% und andererseits von maximal etwa 30%, bevorzugt von maximal etwa 20% schon bei einmaligem Durchlaufen gewährleisten. Die optische Dicke wird dabei aus dem Produkt des Brechungsindex mit der geometrischen Dicke berechnet.As materials or material combinations for the absorber layer, it has proven advantageous to absorb at least about 5%, preferably at least about 10%, and at most about a maximum absorption at an optical thickness of 400 nm or less in the spectral range reflected by the backside reflective layer ensure about 30%, preferably of at most about 20% even with a single pass. The optical thickness is calculated from the product of the refractive index with the geometric thickness.

Um in den von der Rückseitenreflexionsschicht reflektierten Wellenlängenbereichen eine möglichst breitbandige Absorption zu gewährleisten, muss die durch die Absorberschicht gegebene optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht so gering wie möglich sein. Daher beträgt die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht in einer bevorzugten Ausführungsform weniger als 200 nm.In order to ensure as broadband absorption as possible in the wavelength ranges reflected by the rear-side reflection layer, the optical path length between the front-side reflection layer and the rear-side reflection layer given by the absorber layer must be as low as possible. Therefore, in one preferred embodiment, the optical path length between the front-side reflection layer and the back-side reflection layer, at least for light incident perpendicular to the cell, is less than 200 nm.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht weniger als 100 nm.In a particularly preferred embodiment, the optical path length between the front-side reflection layer and the back-reflection layer is at least less than 100 nm, at least for light incident perpendicular to the cell.

Die spektrale Selektivität des Absorberelements kann unterstützt werden, indem die Absorberschicht selbst zusätzlich einen spektralselektiven Absorptionskoeffizienten aufweist. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist daher die Absorberschicht eine spektralselektive Absorption auf, wobei von Pflanzen zur Photosynthese nutzbares Licht im Wesentlichen transmittierbar und Licht anderer Wellenlängen im Wesentlichen absorbierbar ist.The spectral selectivity of the absorber element can be supported by the absorber layer itself additionally having a spectrally selective absorption coefficient. In an advantageous embodiment, therefore, the absorber layer has a spectrally selective absorption, wherein light usable by plants for photosynthesis is substantially transmissive and light of other wavelengths is substantially absorbable.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Grenzfläche zwischen Absorberschicht und Vorderseitenreflexionsschicht eine Reflektivität von mindestens 10% auf.In an advantageous embodiment, the boundary surface between absorber layer and front side reflection layer has a reflectivity of at least 10%.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Absorberschicht amorphes Germanium und / oder eine darauf aufbauende Legierung aufweist.Furthermore, it has proved to be advantageous if the absorber layer comprises amorphous germanium and / or an alloy based thereon.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Absorberschicht Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDCs) und / oder andere metallbasierte Halbleitermaterialien, wie beispielsweise MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, SnSx und MoOx auf.In an advantageous embodiment, the absorber layer has transition metal Dichalcogenides (TMDCs) and / or other metal-based semiconductor materials, such as MoS 2 , WS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , SnS x and MoO x .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Absorberschicht organische Halbleitermaterialien bzw. einen oder mehrere organische Farbstoffe auf, insbesondere solche mit spektral selektivem Absorptionskoeffizienten.In a further advantageous embodiment, the absorber layer comprises organic semiconductor materials or one or more organic dyes, in particular those having a spectrally selective absorption coefficient.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist zumindest eine der Reflexionsschichten einen Metall/Oxid/Metall-Mehrfach-Schichtstapel auf. Dabei hat sich eine Schichtdicke der innenliegenden Oxidschicht von 250 nm bis 550 nm als vorteilhaft erwiesen.In a further advantageous embodiment, at least one of the reflection layers has a metal / oxide / metal multiple layer stack. In this case, a layer thickness of the inner oxide layer of 250 nm to 550 nm has proven to be advantageous.

Der Begriff „Oxid“ ist hier und im Folgenden als Platzhalter für im sichtbaren Wellenlängenbereich im Wesentlichen transparente Materialien mit einer hohen Bandlücke von 2 eV oder höher zu verstehen, wie es sich in Fachkreisen eingebürgert hat. Neben den Oxiden (z.B. Zinkoxid, Siliziumoxid, Indium-Zinn-Oxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid) können z.B. auch Nitride (z.B. Siliziumnitrid), Oxinitride (z.B. Siliziumoxinitrid) oder Carbide (z.B. Siliziumcarbid) zum Einsatz kommen.The term "oxide" is to be understood here and below as a placeholder for materials which are substantially transparent in the visible wavelength range and have a high band gap of 2 eV or higher, as has become customary in the art. Besides the oxides (e.g., zinc oxide, silica, indium-tin oxide, alumina, titania, magnesia), e.g. Also, nitrides (e.g., silicon nitride), oxynitrides (e.g., silicon oxynitride) or carbides (e.g., silicon carbide) can be used.

In einer alternativen Ausführungsform weist zumindest eine der Reflexionsschichten einen Metall/Oxid/Metall/Oxid-Mehrfach-Schichtstapel auf.In an alternative embodiment, at least one of the reflective layers comprises a metal / oxide / metal / oxide multiple layer stack.

Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest eine der Reflexionsschichten einen Zinkoxid/Silber/Zinkoxid/Silber-Mehrfach-Schichtstapel aufweist, wobei die Silberschichtdicken zwischen 5 und 25nm liegen.In particular, it has proved to be advantageous if at least one of the reflection layers has a zinc oxide / silver / zinc oxide / silver multiple layer stack, the silver layer thicknesses being between 5 and 25 nm.

Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schichtdicke mindestens einer der Oxidschichten zwischen etwa 250 nm und 550 nm beträgt.In particular, it has proved to be advantageous if the layer thickness of at least one of the oxide layers is between about 250 nm and 550 nm.

Die beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen bewirken eine Optimierung der Energieausbeute.The described advantageous embodiments cause an optimization of the energy yield.

Eine erfinderische photovoltaische Zelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaische Zelle ein erfinderisches Absorberelement aufweist, wobei die Solarzelle weiterhin ladungsträgerselektive Elektroden und mindestens eine Vorderseitenelektrode und mindestens eine Rückseitenelektrode aufweist. Zwischen der Vorderseitenelektrode und der Rückseitenelektrode ist die Absorberschicht angeordnet, die photoelektrisch aktiv ausgestaltet ist.An inventive photovoltaic cell is characterized in that the photovoltaic cell has an inventive absorber element, wherein the solar cell further comprises charge carrier selective electrodes and at least one front-side electrode and at least one rear-side electrode. Between the front side electrode and the rear side electrode, the absorber layer is arranged, which is configured photoelectrically active.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die photovoltaische Zelle weitere Elektroden zum Abtransport des erzeugten elektrischen Stroms aufweist. Hierdurch wird die Effizienz der photovoltaischen Zelle erhöht.It has proved to be advantageous if the photovoltaic cell has further electrodes for the removal of the generated electrical current. This increases the efficiency of the photovoltaic cell.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der photovoltaischen Zelle ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Schichten der Absorberschicht, der Vorderseitenreflexionsschicht und / oder der Rückseitenreflexionsschicht dreidimensional strukturiert ist. Beispielsweise kann bei Dünnschichtsolarzellen eine Strukturierung der unterschiedlichen Schichten mittels Laserschnitten erfolgen, um eine elektrische Serienverschaltung einzelner Zellstreifen der photovoltaischen Zelle zu erzielen und somit eine höhere Modulspannung statt eines hohen Stroms zu generieren.A further advantageous embodiment of the photovoltaic cell is characterized in that at least one of the layers of the absorber layer, the front-side reflection layer and / or the rear-side reflection layer is structured in three dimensions. For example, in the case of thin-film solar cells, a structuring of the different layers can be carried out by means of laser cuts in order to achieve an electrical series connection of individual cell strips of the photovoltaic cell and thus to generate a higher module voltage instead of a high current.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.Further advantages, features and expedient developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description of preferred embodiments with reference to the drawings.

Von den Abbildungen zeigt:

  • 1 den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absorberelements.
  • 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Absorberelements mit einer Germanium-Absorberschicht.
  • 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Absorberelements mit spektral selektiver Transparenz mit n-Schicht als Teil der Vorderseitenreflexionsschicht
From the pictures shows:
  • 1 the general structure of an absorber element according to the invention.
  • 2 An embodiment of an absorber element according to the invention with a germanium absorber layer.
  • 3 An embodiment of an absorber element according to the invention with spectrally selective transparency with n-layer as part of the front-side reflection layer

1 zeigt den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absorberelements 1. Licht fällt nahezu senkrecht auf das Absorberelement 1, wie durch die drei breiten Pfeile angedeutet. Das Absorberelement 1 weist eine Vorderseitenreflexionsschicht 5 und eine Rückseitenreflexionsschicht 6 auf. Eine Absorberschicht 4 ist zwischen der Vorderseitenreflexionsschicht 5 und der Rückseitenreflexionsschicht 6 angeordnet. Die Absorberschicht 4 weist eine Dicke auf, die so bemessen ist, dass die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht 5 und Rückseitenreflexionsschicht 6 zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist. Zwischen der reflektierenden Vorderseitenreflexionsschicht 5 und der Rückseitenreflexionsschicht 6 entstehen dann breitbandige Resonanzen oder stehende Wellen bzw. Vielfach-Reflexionen. Dies hat eine gegenüber dem einfachen Durchlaufen der Schicht vervielfachte Absorption zur Folge. Die Absorberschicht 4 bildet somit einen Resonator 8. Die Absorberschicht 4 kann dabei aus einer einzelnen Schicht oder einem Schichtstapel unterschiedlicher Schichten bestehen. Mindestens eine der Reflexionsschichten (Vorderseitenreflexionsschicht 5 und / oder Rückseitenreflexionsschicht 6) weist eine spektral selektive Reflektivität auf, wobei die Reflektivität beispielsweise um mindestens 50% für einen begrenzten Wellenlängenbereich verändert ist. 1 shows the general structure of an absorber element according to the invention 1 , Light falls almost perpendicular to the absorber element 1 as indicated by the three broad arrows. The absorber element 1 has a front side reflection layer 5 and a backside reflective layer 6 on. An absorber layer 4 is between the front side reflection layer 5 and the backside reflection layer 6 arranged. The absorber layer 4 has a thickness dimensioned such that the optical path length between front side reflection layer 5 and backside reflective layer 6 at least for incident perpendicular to the cell light is less than 400 nm. Between the reflective front side reflection layer 5 and the backside reflection layer 6 then arise broadband resonances or standing waves or multiple reflections. This results in a multiplication of the absorption compared to simply passing through the layer. The absorber layer 4 thus forms a resonator 8th , The absorber layer 4 can consist of a single layer or a layer stack of different layers. At least one of the reflection layers (front reflection layer 5 and / or backside reflective layer 6 ) has a spectrally selective reflectivity, wherein the Reflectance, for example, changed by at least 50% for a limited wavelength range.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Absorberelements 1 mit einer Germanium-Absorberschicht 4. Die Vorderseitenreflexionsschicht 5 ist als Metall-Gitter-Struktur, insbesondere aus Silber, ausgeformt, in welcher das Metall die Oberfläche des Absorberelements 1 nur zu einem geringen Anteil, beispielsweise 10%, bedeckt, während vorderseitig dieses Metallgitters eine weitere Schicht aus einem TCO (Transparent Conductive Oxide), insbesondere aus einem der Materialien ZnO:Al (AZO), SnO2:F (FTO), In2O3:F (ITO)ausgeformt ist, derart, dass beide Schichten zusammen eine Bedeckung des Absorptionselements 1 von zumindest 80% ergeben. Diese Vorderseitenreflexionsschicht 5 weist dann einen Brechungsindex von ca. 2 oder weniger auf. Da daher beide Materialien beispielsweise an der Grenzfläche zu amorphem oder mikrokristallinem Silizium eine hohe Reflektivität aufweisen, bilden sie in diesem Fall zusammen eine Vorderseitenelektrode 2 sowie gleichzeitig eine Vorderseitenreflexionsschicht 5 von beispielsweise 80 nm Dicke. 2 shows an embodiment of an absorber element according to the invention 1 with a germanium absorber layer 4 , The front side reflection layer 5 is formed as a metal lattice structure, in particular of silver, in which the metal is the surface of the absorber element 1 only to a small extent, for example 10%, covered, while on the front side of this metal grid another layer of a TCO (Transparent Conductive Oxide), in particular from one of the materials ZnO: Al (AZO), SnO2: F (FTO), In2O3: F (ITO) is formed, such that both layers together a covering of the absorbent element 1 of at least 80%. This front side reflection layer 5 then has a refractive index of about 2 or less. Therefore, since both materials have high reflectivity at the interface with amorphous or microcrystalline silicon, for example, they together constitute a front-side electrode 2 and at the same time a front side reflection layer 5 of for example 80 nm thickness.

Die Vorderseitenreflexionsschicht 5 kann als bekannter Bragg-Reflektor mit dem Ziel, wellenlängenabhängige Transmissions- und Reflexionseigenschaften desselbigen zu erzielen, ausgeformt sein. Ein Bragg-Reflektor besteht aus alternierenden, dünnen Schichten beispielsweise aus einem Dielektrikum unterschiedlicher Brechungsindizes. An jeder Grenzschicht wird ein Teil der elektromagnetischen Welle des Lichtes gemäß den fresnelschen Formeln reflektiert. Wenn die Wellenlänge nahe dem Vierfachen der optischen Weglänge der Schichten liegt, dann interferieren die reflektierten Strahlen konstruktiv und es entsteht ein hochqualitativer Reflektor.The front side reflection layer 5 may be formed as a known Bragg reflector with the aim of achieving wavelength-dependent transmission and reflection properties of the same. A Bragg reflector consists of alternating, thin layers, for example of a dielectric of different refractive indices. At each boundary layer, part of the electromagnetic wave of the light is reflected according to Fresnel's formulas. If the wavelength is close to four times the optical path length of the layers, then the reflected rays interfere constructively and a high quality reflector is formed.

Die Absorberschicht 4 ist als amorphe oder mikrokristalline Germaniumschicht ausgebildet. Die Absorberschicht 4 besteht dabei aus einem Schichtstapel mit einer lichteinfallseitigen ersten Schicht 4a aus einer amorphen, n-dotierten Siliziumlegierung mit einer Dicke von ca. 10 nm. Auf die erste Schicht 4a folgt eine zweite Schicht 4b aus einer amorphen intrinsischen Germaniumlegierung mit einer Schichtdicke von ca. 3 bis 30 nm. Eine letzte, dritte Schicht 4c weist eine mikrokristalline p-dotierte Siliziumlegierung mit einer Schichtdicke von ca. 10 nm auf. Dieser Schichtstapel bildet den Resonator 8 mit einem Brechungsindex von ca. 3,5 bis 4,5.The absorber layer 4 is formed as an amorphous or microcrystalline germanium layer. The absorber layer 4 consists of a layer stack with a light incident side first layer 4a of an amorphous, n-doped silicon alloy with a thickness of about 10 nm. On the first layer 4a follows a second layer 4b of an amorphous intrinsic germanium alloy with a layer thickness of about 3 to 30 nm. A last, third layer 4c has a microcrystalline p-doped silicon alloy with a layer thickness of about 10 nm. This layer stack forms the resonator 8th with a refractive index of about 3.5 to 4.5.

Das Absorberelement 4 wird von einer flächig ausgebildeten spektral selektiven Rückseitenreflexionsschicht 6 abgeschlossen. Auch die Rückseitenreflexionsschicht kann als Bragg-Reflektor mit dem Ziel, wellenlängenselektive Transmissions- und Reflexionseigenschaften der selbigen zu erzielen, ausgeformt werden.The absorber element 4 is a surface-formed spectrally selective backside reflection layer 6 completed. The backside reflection layer may also be formed as a Bragg reflector with the aim of achieving wavelength-selective transmission and reflection properties of the same.

In dieser Ausführungsform ist die n-Schicht als Teil des Inneren des Resonators 8 ausgebildet, indem ihr Brechungsindex demjenigen der angrenzenden zweiten Absorberschicht 4b ähnelt.In this embodiment, the n-layer is part of the interior of the resonator 8th formed by their refractive index of that of the adjacent second absorber layer 4b similar.

3 zeigt ein Absorberelement 1 mit spektral selektiver Transparenz mit n-Schicht als Teil der Vorderseitenreflexionsschicht 5. Der Aufbau entspricht dabei dem des zuvor gezeigten Ausführungsbeispiels mit dem Unterschied, dass die n-Schicht nicht erste Schicht 4a der Absorberschicht 4 und damit des Resonators 8 ist, sondern zweite Schicht 5b der Vorderseitenreflexionsschicht 5 ist, indem ihr Brechungsindex wesentlich von dem der zweiten Schicht 4b der Absorberschicht abweicht. Der Resonator 8 besteht hier nur aus der zweiten Schicht 4b aus einer amorphen intrinsischen Germaniumlegierung mit einer Schichtdicke von ca. 3 bis 30 nm und einer letzten, dritten Schicht 4c, die eine mikrokristalline p-dotierte Siliziumlegierung mit einer Schichtdicke von ca. 10 nm aufweist. Dieser Schichtstapel bildet den Resonator 8 mit einem Brechungsindex von ca. 3,5 bis 4,5. Die Vorderseitenreflexionsschicht 5 besteht in dieser Ausführungsform aus einer ersten Schicht 5a aus einem TCO (Transparent Conductive Oxide), insbesondere aus einem ITO. Weiterhin beinhaltet die Vorderseitenreflexionsschicht 5 eine zweite Schicht 5b aus einer amorphen, n-dotierten Siliziumlegierung mit einer Dicke von ca. 10 nm. Die Brechungsindizes von ca. 2 der Vorderseitenreflexionsschicht 5 und von ca. 3,5 bis 4,5 des Resonators werden von dieser Änderung nicht berührt. 3 shows an absorber element 1 with spectrally selective transparency with n-layer as part of the front-side reflection layer 5 , The structure corresponds to that of the previously shown embodiment with the difference that the n-layer is not the first layer 4a the absorber layer 4 and thus the resonator 8th is, but second layer 5b the front side reflection layer 5 is, by their refractive index substantially different from that of the second layer 4b the absorber layer deviates. The resonator 8th here consists only of the second layer 4b of an amorphous intrinsic germanium alloy with a layer thickness of about 3 to 30 nm and a last, third layer 4c , which has a microcrystalline p-doped silicon alloy with a layer thickness of about 10 nm. This layer stack forms the resonator 8th with a refractive index of about 3.5 to 4.5. The front side reflection layer 5 in this embodiment consists of a first layer 5a from a TCO (Transparent Conductive Oxide), in particular from an ITO. Furthermore, the front side reflection layer includes 5 a second layer 5b of an amorphous, n-doped silicon alloy having a thickness of about 10 nm. The refractive indices of about 2 of the front-side reflection layer 5 and from about 3.5 to 4.5 of the resonator are not affected by this change.

Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.The embodiments shown herein are only examples of the present invention and therefore should not be considered as limiting. Alternative embodiments contemplated by one skilled in the art are equally within the scope of the present invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Absorberelementabsorber element
22
VorderseitenelektrodeFront side electrode
33
RückseitenelektrodeBack electrode
44
Absorberschichtabsorber layer
4a4a
erste Schichtfirst shift
4b4b
zweite Schichtsecond layer
4c4c
dritte Schichtthird layer
55
VorderseitenreflexionsschichtFront reflection layer
5a5a
erste Schichtfirst shift
5b5b
zweite Schichtsecond layer
6 6
RückseitenreflexionsschichtBack reflection layer
77
Photovoltaische ZellePhotovoltaic cell
88th
Resonatorresonator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (19)

Absorberelement (1) mit einer Absorberschicht (4), wobei das Absorberelement (1) mindestens eine Vorderseitenreflexionsschicht (5) und mindestens eine Rückseitenreflexionsschicht (6) aufweist, wobei die Absorberschicht (4) zwischen Vorderseitenreflexionsschicht (5) und Rückseitenreflexionsschicht (6) angeordnet ist, wobei die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht (5) und Rückseitenreflexionsschicht (6) zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Reflexionsschichten (5, 6) eine spektralselektive Reflektivität aufweist, wobei von Pflanzen zur Photosynthese im Wesentlichen nutzbares Licht im Wesentlichen transmittierbar und Licht anderer Wellenlängen im Wesentlichen reflektierbar ist.An absorber element (1) having an absorber layer (4), wherein the absorber element (1) has at least one front side reflection layer (5) and at least one rear side reflection layer (6), wherein the absorber layer (4) is arranged between front side reflection layer (5) and back side reflection layer (6) in that the optical path length between the front-side reflection layer (5) and the back-reflection layer (6) is at least 400 nm for incident light perpendicular to the cell, characterized in that at least one of the reflection layers (5, 6) has a spectrally-selective reflectivity Photosynthesis substantially usable light substantially transmissive and light of other wavelengths is substantially reflective. Absorberelement (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht (5) und Rückseitenreflexionsschicht (6) zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 200 nm ist.Absorber element (1) according to Claim 1 , characterized in that the optical path length between the front-side reflection layer (5) and the back-reflection layer (6) is less than 200 nm at least for incident light perpendicular to the cell. Absorberelement (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht (5) und Rückseitenreflexionsschicht (6) zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 100 nm ist.Absorber element (1) according to Claim 1 , characterized in that the optical path length between the front side reflection layer (5) and the back side reflection layer (6) is smaller than 100 nm at least for light incident perpendicular to the cell. Absorberelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (4) in den von der Rückseitenreflexionsschicht (6) reflektierten Wellenlängenbereichen eine Absorption von mindestens 5% bei einmaligem Durchlaufen aufweist.Absorber element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the absorber layer (4) in the wavelength ranges reflected by the backside reflection layer (6) has an absorption of at least 5% in a single pass. Absorberelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (4) in den von der Rückseitenreflexionsschicht (6) reflektierten Wellenlängenbereichen eine Absorption von mindestens 10% bei einmaligem Durchlaufen aufweist.Absorber element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the absorber layer (4) has an absorption of at least 10% in one pass through the wavelength ranges reflected by the backside reflection layer (6). Absorberelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (4) in den von der Rückseitenreflexionsschicht (6) reflektierten Wellenlängenbereichen eine Absorption von maximal 30%, bevorzugt maximal 20% bei einmaligem Durchlaufen aufweist.Absorber element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the absorber layer (4) has an absorption of not more than 30%, preferably not more than 20%, in a single pass through in the wavelength ranges reflected by the backside reflection layer (6). Absorberelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche zwischen Absorberschicht (4) und Vorderseitenreflexionsschicht (5) eine Reflektivität von mindestens 10% aufweist.Absorber element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the boundary surface between absorber layer (4) and front side reflection layer (5) has a reflectivity of at least 10%. Absorberelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (4) amorphes Germanium und/oder eine darauf aufbauende Legierung aufweist.Absorber element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the absorber layer (4) comprises amorphous germanium and / or an alloy based thereon. Absorberelement (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (4) Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDCs) und / oder andere metallbasierte Halbleitermaterialien aufweist.Absorber element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the absorber layer (4) has transition metal dichalcogenides (TMDCs) and / or other metal-based semiconductor materials. Absorberelement (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht organische Halbleitermaterialien aufweist.Absorber element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the absorber layer comprises organic semiconductor materials. Absorberelement (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht mindestens einen organischen Farbstoff aufweist.Absorber element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the absorber layer comprises at least one organic dye. Absorberelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (4) eine spektralselektive Absorption aufweist, wobei von Pflanzen zur Photosynthese nutzbares Licht im Wesentlichen transmittierbar und Licht anderer Wellenlängen im Wesentlichen absorbierbar ist.Absorber element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the absorber layer (4) has a spectrally selective absorption, wherein light usable by plants for photosynthesis is substantially transmissive and light of other wavelengths is substantially absorbable. Absorberelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Reflexionsschichten (5, 6) einen Metall/Oxid/Metall-Mehrfach-Schichtstapel aufweist.Absorber element (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the reflection layers (5, 6) has a metal / oxide / metal multiple layer stack. Absorberelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Reflexionsschichten (5, 6) einen Metall/Oxid/Metall/Oxid-Mehrfach-Schichtstapel aufweist.Absorber element (1) according to one of Claims 1 to 12 , characterized in that at least one of the reflective layers (5, 6) comprises a metal / oxide / metal / oxide multiple layer stack. Absorberelement (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Reflexionsschichten (5, 6) einen Zinkoxid/Silber/Zinkoxid/Silber-Mehrfach-Schichtstapel aufweist, wobei die Silberschichtdicken zwischen 5 und 25nm liegen.Absorber element (1) according to Claim 14 , characterized in that at least one of the reflective layers (5, 6) comprises a zinc oxide / silver / zinc oxide / silver multiple layer stack, wherein the silver layer thicknesses are between 5 and 25 nm. Absorberelement (1) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der mindestens einen Oxidschicht zwischen etwa 250 nm und etwa 550 nm beträgt.Absorber element (1) according to one of Claims 11 to 15 , characterized in that the layer thickness of the at least one oxide layer is between about 250 nm and about 550 nm. Photovoltaische Zelle (7), dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaische Zelle (7) ein Absorberelement (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche aufweist, wobei die photovoltaische Zelle (7) weiterhin ladungsträgerselektive Elektroden sowie mindestens eine Vorderseitenelektrode (2) und mindestens eine Rückseitenelektrode (3) sowie die zwischen Vorderseitenelektrode (2) und Rückseitenelektrode (3) angeordnete Absorberschicht (4) aufweist, wobei die Absorberschicht (4) photoelektrisch aktiv ausgestaltet ist.Photovoltaic cell (7), characterized in that the photovoltaic cell (7) comprises an absorber element (1) according to one of the preceding claims, wherein the photovoltaic cell (7) further comprises charge carrier selective electrodes and at least one front side electrode (2) and at least one rear side electrode ( 3) and between the front side electrode (2) and Rear side electrode (3) arranged absorber layer (4), wherein the absorber layer (4) is configured photoelectrically active. Photovoltaische Zelle (7) gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaische Zelle (7) weitere Elektroden zum Abtransport des erzeugten elektrischen Stroms aufweist.Photovoltaic cell (7) according to Claim 17 , characterized in that the photovoltaic cell (7) has further electrodes for the removal of the generated electric current. Photovoltaische Zelle (7) gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Schichten (4, 5, 6) dreidimensional strukturiert ist.Photovoltaic cell (7) according to one of Claims 17 or 18 , characterized in that at least one of the layers (4, 5, 6) is structured in three dimensions.
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