DE102020126116A1 - Mehrfachsolarzelle und Verwendung einer Mehrfachsolarzelle - Google Patents

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Benedikt Bläsi
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Mehrfachsolarzelle (1) mit zumindest zwei Teilzellen (2, 3), wobei zumindest eine Teilzelle (2, 3) aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, mit einer Licht zugewandten oberen Teilzelle (2) und einer Licht abgewandten unteren Teilzelle (3), wobei eine obere Bandlücke der oberen Teilzelle (2) größer als eine untere Bandlücke der unteren Teilzelle (3) ist, und wobei auf der Licht abgewandten Seite der unteren Teilzelle (3) eine Zwischenschicht (4) angeordnet ist. Die Erfindung zeichnet aus, dass auf einer Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht (4) ein optisches Element (5) umfassend ein unteres Spiegelelement (6) angeordnet ist, wobei das optische Element (5) ein Teilelement (7) mit mehreren Strukturelementen (8) umfasst, welche unmittelbar oder mittelbar an der Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht (4) in einer lateralen Richtung (15) angeordnet sind, und dass das Teilelement (7) und das untere Spiegelelement (6) aus einem gleichen Material ausgebildet sind und die Strukturelemente (8) einen mittleren Abstand (X) kleiner oder gleich dem 1,3-fachen eines Abstandswerts (A) aufweisen, wobei sich der Abstandswert (A) aus einem Verhältnis aus einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge zu einem Brechungsindex der unteren Teilzelle (3) ergibt oder dass das untere Spiegelelement (6) als ein planer Spiegel mit einer Rauigkeit mit einem Effektivwert kleiner 50nm, bevorzugt kleiner 20 nm ausgebildet ist, wobei zwischen dem Teilelement (7) und dem unteren Spiegelelement (6) zumindest eine Trennschicht (9) ausgebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrfachsolarzelle mit zumindest zwei Teilzellen, wobei zumindest eine Teilzelle aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, mit einer Licht zugewandten oberen Teilzelle und einer Licht abgewandten unteren Teilzelle, wobei eine obere Bandlücke der oberen Teilzelle größer als eine untere Bandlücke der unteren Teilzelle ist, und wobei auf der Licht abgewandten Seite der unteren Teilzelle eine Zwischenschicht angeordnet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Mehrfachsolarzelle beispielsweise in extraterrestrischen Systemen, in terrestrischen Konzentratorsystemen, in Flugobjekten und/oder in Fahrzeugen und/oder der Thermophotovoltaik.
  • Heutige Mehrfachsolarzellen sind vor allem auf eine hohe Effizienz ausgerichtet und umfassen eine Vielzahl von Teilzellen. Ein besonderes Augenmerk liegt insbesondere darauf, einen möglichst großen Spektralbereich eines relevanten Spektrums, beispielsweise der Sonnenstrahlung, in die Mehrfachsolarzelle einzuleiten und entsprechend in den Teilzellen zu absorbieren. Um eine entsprechende Absorption im gewünschten Spektralbereich zu erzielen, ist es daher notwendig die jeweiligen Teilzellen der Mehrfachsolarzelle mit einer entsprechenden Dicke auszubilden, sodass eine nahezu vollständige Absorption sichergestellt werden kann.
  • Mit den vorgenannten Maßnahmen gehen insbesondere in Bezug auf die Leistung und die Herstellung der Mehrfachsolarzellen Nachteile einher. So ist es für eine vollständige Absorption in einem bestimmten Spektralbereich notwendig, die jeweiligen Teilzellen mit großen Schichtdicken und einer geringen Anzahl an Defekten in der Schicht auszubilden. Daher werden die einzelnen Schichten der Mehrfachsolarzelle meist in einem epitaktischen Verfahren, beispielsweise mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE), hergestellt, da diese Verfahren die Ausbildung von qualitativ hochwertigen Schichten mit entsprechen geringer Defektdichte ermöglichen. Allerdings ist die Herstellung von Mehrfachsolarzellen hierdurch mit hohen Kosten verbunden.
  • Für den Wirkungsgrad einer Solarzelle im Allgemeinen ist auch deren Betriebstemperatur von besonderer Bedeutung. So führt beispielsweise eine gegenüber Laborbedingungen (typischerweise 25°C) erhöhte Betriebstemperatur der Solarzelle zu einer Verringerung der Offenklemmspannung Voc, wodurch die mögliche Leistungsentnahme absinkt. Gerade in extraterrestrischen Systemen ist eine Kühlung technisch anspruchsvoll, da die Systeme im Weltraum im Vakuum operieren und eine Kühlung nicht über Konvektion, sondern primär nur über Wärmestrahlung erfolgen kann.
  • Zudem sind Solarzellen in extraterrestrischen Systemen oft hochenergetischer Protonen- und Elektronen-Strahlung ausgesetzt, welche die Ausbildung von Defekten in den Teilzellen fördern und somit zu einem Leistungsverlust der Weltraumsolarzelle führen können. Es ist beispielsweise bekannt, dass ein Einfluss von Defekten in den einzelnen Teilzellen einer Mehrfachsolarzelle durch den Einsatz dünner Teilzellen reduziert werden kann, da auf Grund der geringeren Dicke der Einfluss auf die Stromgeneration durch die Reduktion der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger durch die vorhandenen oder durch Strahlung erzeugten Defekte sehr viel geringer ausgeprägt ist. Nachteilig ist jedoch, dass dünne Teilzellen nur ein Teil der relevanten Strahlung absorbieren können und somit ein Teil der absorbierbaren Strahlung ungenutzt bleibt, wodurch der Wirkungsgrad insgesamt sinkt.
  • Um den Einfluss von durch Strahlung erzeugten Defekten zu reduzieren und somit die Strahlungshärte der Solarzelle zu erhöhen, ist es beispielsweise aus der DE 10 2016 208 113 A1 bekannt, eine Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen auszubilden, wobei die Mehrfachsolarzelle zumindest drei Teilzellen umfasst und zumindest eine Teilzelle eine zwischen einer Emitterschicht und einer Basisschicht angeordnete Schicht aufweist, die eine Bandlücke aufweist, welche größer gegenüber der Bandlücke der Emitterschicht und der Basisschicht ist. Durch diese Verfahren kann zwar die Strahlungshärte der Solarzelle erhöht werden. Allerdings kann hierdurch keine Erwärmung der Mehrfachsolarzelle verhindert werden. Insbesondere in die Mehrfachsolarzelle eintretende Strahlung, welche durch die Teilzellen nicht absorbiert werden kann, kann durch parasitäre Absorption innerhalb der Mehrfachsolarzelle zu einer signifikanten Erwärmung dieser führen, welche insbesondere bei Weltraumanwendungen auf Grund der fehlenden Konvektion zu deutlichen Leistungsverlusten führen kann.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Mehrfachsolarzelle anzugeben, welche eine hohe Absorption im relevanten spektralen Bereich erlaubt und gleichzeitig eine Erwärmung der Mehrfachsolarzelle reduziert bei gleichzeitiger kostengünstiger Herstellung.
  • Gelöst wird diese Aufgabe und weitere Aufgaben durch eine Mehrfachsolarzelle gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Mehrfachsolarzelle gemäß Anspruch 2. Zudem wird die Aufgabe gelöst durch eine Verwendung der Mehrfachsolarzelle gemäß Anspruch 23. Vorteilhafte Ausgestaltungen für die Mehrfachsolarzelle finden sich in den abhängigen Ansprüchen 3 bis 22.
  • Die erfindungsgemäße Mehrfachsolarzelle umfasst zumindest zwei Teilzellen, wobei zumindest eine Teilzelle aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, mit einer Licht zugewandten oberen Teilzelle, einer Licht abgewandten unteren Teilzelle und einer auf der Licht abgewandten Seite der unteren Teilzelle angeordneten Zwischenschicht. Eine obere Bandlücke der oberen Teilzelle ist hierbei größer als eine untere Bandlücke der unteren Teilzelle. Die obere Teilzelle ist somit bei typischer Benutzungskonfiguration dem einfallenden Licht zugewandt und die untere Teilzelle entsprechend mittelbar oder unmittelbar auf der dem einfallenden Licht abgewandten Seite der oberen Teilzelle angeordnet.
  • Wesentlich ist, dass auf einer Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht ein optisches Element umfassend ein unteres Spiegelelement angeordnet ist, wobei das optische Element ein Teilelement mit mehreren Strukturelementen umfasst, welche unmittelbar oder mittelbar an der Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht in einer lateralen Richtung angeordnet sind. Weiter sind das Teilelement und das untere Spiegelelement aus einem gleichen Material ausgebildet, wobei die Strukturelemente einen mittleren Abstand kleiner oder gleich dem 1,3-fachen eines Abstandswerts aufweisen, welcher Abstandswert sich aus einem Verhältnis aus einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge zu einem Brechungsindex, insbesondere dessen Realteil, der unteren Teilzelle ergibt.
  • Durch das optische Element und die integrale Ausbildung des Teilelements mit dem unteren Spiegelelement wird die Möglichkeit geschaffen, dass Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge an dem strukturierten Teilelement nicht mehr gebeugt und/oder gestreut wird, sondern im Wesentlichen zurück reflektiert wird. Durch die Wahl des mittleren Abstands kleiner oder gleich dem 1,3-fachen des Abstandswerts kann selektiv eingeschränkt werden, ab welcher Wellenlänge der Strahlung oder in welchen bestimmten Bereich eine nahezu vollständige Reflexion erfolgt. Insbesondere wird hierdurch ermöglicht, dass niederenergetische Strahlung unmittelbar an dem unteren Spiegelelement reflektiert und gerade nicht mehr in dem lateralen Bereich der Teilzellen gebeugt und/oder gestreut wird. Der niederenergetische Bereich des Spektrums kann somit wieder auf der dem Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle austreten.
  • Als Abstandswert wird insbesondere der über die Anzahl der Strukturelemente gemittelte Wert des Abstands von Mittelpunkt oder der Mittellinie eines Strukturelementes zum Mittelpunkt oder der Mittellinie eines benachbart nächstliegenden Strukturelementes gesehen. Insbesondere ist der Abstandswert bei regelmäßigen Strukturen mit regelmäßig angeordneten Strukturelementen, insbesondere Gittern, durch die Gitterperiode beispielsweise bei Punktgittern oder bei Liniengittern beziehungsweise durch den Netzebenenabstand bei hexagonalen Gittern gegeben.
  • Die weitere erfindungsgemäße Mehrfachsolarzelle umfasst zumindest zwei Teilzellen, wobei zumindest eine Teilzelle aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, mit einer Licht zugewandten oberen Teilzelle, mit einer Licht abgewandten unteren Teilzelle und einer auf der Licht abgewandten Seite der unteren Teilzelle angeordneten Zwischenschicht. Eine obere Bandlücke der oberen Teilzelle ist hierbei größer als eine untere Bandlücke der unteren Teilzelle.
  • Wesentlich für diese weitere Lösung ist, dass auf einer Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht ein optisches Element umfassend ein unteres Spiegelelement angeordnet ist, wobei das optische Element ein Teilelement mit mehreren Strukturelementen umfasst, welche unmittelbar oder mittelbar an der Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht in einer lateralen Richtung angeordnet sind. Weiter ist das untere Spiegelelement als ein planer Spiegel mit einer Rauigkeit mit einem Effektivwert kleiner 50 nm, bevorzugt kleiner 20 nm ausgebildet, wobei zwischen dem Teilelement und dem unteren Spiegelelement zumindest eine Trennschicht ausgebildet ist.
  • Auch durch die Ausbildung des unteren Spiegelelements als planer Spiegel mit einem sehr geringen Effektivwert der Rauigkeit wird es ermöglicht, dass die Strahlung bei geringer parasitärer Absorption am unteren Spiegelelement im Wesentlichen unmittelbar zurück reflektiert wird. Weiter kann durch die Verwendung einer Trennschicht niederenergetische Strahlung eine deutlich geringere Beeinflussung an dem Teilelement erfahren, sodass auch bei der weiterenn Variante der Mehrfachsolarzelle ein Großteil der niederenergetischen Strahlung, insbesondere Strahlung mit einer Energie in einem Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zu einem spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums, die Mehrfachsolarzelle an der Licht zugewandten Seite unmittelbar oder mittelbar verlassen kann.
  • Das spektrale Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums entspricht einer Energie bzw. einer der Energie zugeordneten Wellenlänge, bei welcher 90%, bevorzugt 95%, besonders bevorzugt 98% der eingestrahlten Strahlung des gesamten relevanten Spektrums erreicht ist. Für ein solares Spektrum als relevantes eingestrahltes Spektrum ergibt sich somit beispielsweise das spektrale Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums im Bereich des Endes des nahen Infrarot, insbesondere bei einer Wellenlänge von etwa 2,5 µm.
  • Die laterale Richtung ergibt sich als eine Ebene senkrecht zur Dicke der Mehrfachsolarzelle. Die Dicke einer Teilzelle ist im Wesentlichen geringer als deren laterale Abmessungen (Breite, Länge und/oder Durchmesser).
  • Die Trennschicht ist bevorzugt aus einem niederbrechenden Material ausgebildet, wobei ein Realteil des Brechungsindex des niederbrechenden Materials kleiner oder gleich 1,5 beträgt.
  • Die obere und untere Teilzelle weisen zumindest jeweils einen pn-Übergang auf, wobei vorzugsweise zwischen der oberen Teilzelle und der unteren Teilzelle zumindest eine Tunneldiode ausgebildet ist, deren Dicke bevorzugt in Dickenrichtung gegenüber der Dicke einer Teilzelle wesentlich geringer ist.
  • Die Bandlücke eines Halbleitermaterials als eine Energiedifferenz zwischen Valenzband und Leitungsband eines Halbleiters ist eine grundlegende Eigenschaft des Materials an sich, welche u.a. von der Temperatur beeinflusst ist. Die Bestimmung der Bandlücke eines bestimmten Halbleitermaterials kann insbesondere auf Basis der spektralen Quantenausbeute erfolgen wie dies in Helmers et al., Bandgap determination based on electrical quantum efficiency, Applied Physics Letters 103, 032108 (2013) dargelegt ist.
  • Das Teilelement des optischen Elements bildet durch die Strukturelemente eine optische Struktur aus, an welcher auf das Teilelement treffend Strahlung entsprechend gebeugt, gestreut und/oder reflektiert wird.
  • Die Verwendung von „transparent“ für die Charakterisierung eines Materials setzt nicht voraus, dass dieses Material über das gesamte Spektrum transparente Eigenschaften aufweist. Insbesondere können transparente Eigenschaften eines Materials nur in einem Teil-Spektrum, beispielsweise im Bereich des solaren Spektrums von 100 nm bis 2500 nm vorliegen, oder auch nur in einem Unterbereich eines Teil-Spektrums.
  • Vorzugsweise ist zumindest eine, bevorzugt alle Teilzellen, aus einem Material aus der Gruppe der III-V-Halbleiter ausgebildet. Insbesondere sind die Teilzellen im Wesentlichen auf Basis von binären, ternären, quaternären und/oder quinternären Verbindungen aus der Gruppe der III-V-Halbleiter gebildet. Diese Halbleitermaterialien ermöglichen es in einem sehr breiten Energiebereich, welcher insbesondere auf den relevanten Spektralbereich, beispielsweise den solaren Spektralbereich, angepasst werden kann, eine möglichst hohe Absorption zu ermöglichen. Zudem handelt es sich bei den Materialien aus der Gruppe der III-V-Halbleiter um direkte Halbleiter, welche auch schon bei geringen Schichtdicken eine hohe Absorption im entsprechend relevanten spektralen Bereich aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die untere Teilzelle eine Dicke kleiner 1200 nm, bevorzugt kleiner 750 nm, besonders bevorzugt kleiner 500 nm auf. Durch die entsprechende Ausgestaltung des optischen Elements kann die Dicke der unteren Teilzelle entsprechend reduziert werden, wodurch insbesondere auch die Herstellkosten der Mehrfachsolarzelle verringert und der Produktionsvorgang beschleunigt werden. Zudem wird durch eine geringe Dicke der Einfluss von Defekten in den Teilzellen, welche auch durch hochenergetische Protonen- und Elektronenstrahlung erzeugt werden können, reduziert.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet aus, dass zwischen der oberen und unteren Teilzelle zumindest eine weitere Teilzelle angeordnet ist, deren Bandlücke zwischen der oberen und unteren Bandlücke liegt. Durch die zumindest eine weitere Teilzelle kann die Absorption der Mehrfachsolarzelle entsprechend an das für den Anwendungsbereich der Mehrfachsolarzelle relevante eingestrahlte Spektrum, insbesondere das solare Spektrum angepasst werden, sodass eine verbesserte Ausbeute und somit eine höhere Leistung der Mehrfachsolarzelle ermöglicht wird. Insbesondere kann die Mehrfachsolarzelle insgesamt drei oder vier oder fünf oder auch sechs Teilzellen umfassen.
  • Vorzugsweise ist das untere Spiegelelement aus einem Metall, insbesondere aus Silber oder Gold, gebildet. Edelmetalle, wie beispielsweise Silber oder Gold, lassen sich einfach auf die hergestellten Halbleiterstrukturen aufbringen, insbesondere aufdampfen, wobei die Schichten eine hohe Güte aufweisen und mit einer geringen Rauigkeit aufgebracht werden können. Insbesondere lässt sich hierdurch ein Effektivwert der Rauigkeit kleiner 50 nm, bevorzugt kleiner 20 nm erzielen. Zudem kann ein metallisches Spiegelelement auch für eine Kontaktierung der Mehrfachsolarzelle genutzt werden.
  • Alternativ kann das untere Spiegelelement auch als ein Bragg-Spiegel ausgebildet sein, welcher vorzugsweise unmittelbar nach Herstellung der Teilzellen in einem weiteren Prozessschritt aufgebracht wird. Ein Bragg-Spiegel als unteres Spiegelelement ermöglicht es, dass das untere Spiegelelement ebenfalls mit einer sehr hohen Reflektivität ausgebildet werden kann.
  • Alternativ oder vorzugsweise in Kombination ist die Zwischenschicht aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus einem Material aus der Gruppe der III-V-Halbleiter gebildet. Insbesondere kann diese Zwischenschicht unmittelbar im Anschluss an die Herstellung der unteren Teilzelle auf diese aufgebracht werden. Die Bandlücke der Zwischenschicht ist vorzugsweise größer als die untere Bandlücke der unteren Teilzelle.
  • Vorzugsweise weist das untere Spiegelelement eine Dicke von 50 nm bis 4 µm, bevorzugt von 100 nm bis 2 µm auf. Durch die entsprechende Dicke des unteren Spiegelelementes wird sichergestellt, dass auf der Rückseite der Mehrfachsolarzelle kein Licht mehr transmittiert wird.
  • Alternativ kann das untere Spiegelelement auch als Träger der Mehrfachsolarzelle dienen, wobei die Dicke des unteren Spiegelelementes in diesem Falle bevorzugt im Bereich von 5 µm bis 50 µm liegt.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet aus, dass das optische Teilelement als Quadratgitter, Kreuzgitter, hexagonales Gitter oder Punktgitter ausgebildet ist. Alternativ oder bevorzugt ergänzend kann das optische Teilelement als maßgeschneiderte, ungeordnete (tailored disorder) Struktur ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in Hauser et al., Tailored disorder: a self-organized photonic contact for light trapping in silicon-based tandem solar cells, Opt. Express 28, 10909 (2020) dargelegt ist. Durch die Ausbildung des Teilelements mit seinen Strukturelementen als ein entsprechendes Gitter oder als ungeordnete Struktur wird Strahlung in einem bestimmten spektralen Bereich des eingestrahlten relevanten Spektrums am Teilelement entsprechend gebeugt und/oder gestreut, sodass diese spektralen Bereiche nicht unmittelbar zurück reflektiert werden. Durch die Ausgestaltung des optischen Teilelements als entsprechendes Gitter wird zudem ermöglicht, dass niederenergetische Strahlung oder zumindest ein Bereich dieser Strahlung, welche nicht durch die Teilzellen absorbiert werden kann, nicht gebeugt und/oder gestreut und somit durch das untere Spiegelelement entsprechend zurück reflektiert wird. Insbesondere kann durch die Wahl des mittleren Abstandswerts selektiv eingestellt werden, ab welcher Energie der Strahlung keine Beugung und/oder Streuung mehr erfolgt, da z.B. keine höheren Beugungsordnungen mehr existieren.
  • Bei der Ausbildung der Gitterstruktur als Kreuzgitter können die Gitterlinien rechtwinklig oder auch gerade nicht rechtwinklig zueinander ausgebildet sein.
  • Bevorzugt sind die Strukturelemente des Teilelements regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet. Durch die entsprechende Anordnung der Strukturelemente können die Eigenschaften des optischen Teilelements entsprechend beeinflusst werden. Insbesondere kann hierbei die Energie, ab welcher in die Mehrfachsolarzelle eintretende Strahlung nicht mehr gebeugt und/oder gestreut wird, eingestellt werden oder ein gewisser Übergangsbereich definiert werden.
  • Insbesondere können die Strukturelemente regelmäßig angeordnet sein, wobei der mittlere Abstand sich bei einer regelmäßigen Anordnung der Strukturelemente insbesondere aus dem Abstand der Mittelpunkte von nächstliegenden Strukturelementen ergibt. Alternativ können die Strukturelemente auch unregelmäßig angeordnet sein, wobei sich der mittlere Abstand aus dem Mittel des Abstands von zwei benachbart nächstliegenden Strukturelementen über die Vielzahl von Strukturelementen ergibt.
  • Die Strukturelemente können insbesondere als Quader, Würfel oder Zylinder mit einer rechteckigen, quadratischen bzw. runden oder ovalen Grundfläche ausgebildet sein. Alternativ oder insbesondere ergänzend können die Strukturelemente auch als Pyramide, Kegel, Pyramiden- oder Kegelstumpf oder einer abgewandelten Form hiervon ausgebildet sein und insbesondere eine unregelmäßige Grundfläche aufweisen.
  • Alternativ oder vorzugsweise in Kombination weisen die Strukturelemente eine Dicke zwischen 50 nm und 400 nm, bevorzugt zwischen 100 nm und 300 nm auf. Das Einbringen der Strukturelemente erfolgt beispielsweise über selektive trockenchemische oder nasschemische Ätzprozesse oder dem Aufbringen von inversen Strukturen, zwischen welchen die eigentlichen Strukturelemente schließlich ausgebildet werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet aus, dass die Strukturelemente als Quadrate, Gitterlinien, Gitterpunkte und/oder als Streuzentrum, insbesondere als Nanopartikel, ausgebildet sind. Durch die Strukturelemente wird somit das Teilelement beziehungsweise die Gitterstruktur ausgebildet.
  • Die Verwendung von Nanopartikeln als Streuzentren ermöglicht es, dass diese auf die untere Teilzelle aufgebracht werden und eine zufällige Verteilung in lateraler Richtung unmittelbar oder mittelbar entlang der Zwischenschicht erfolgt. Über die Größe und die Anzahl der Nanopartikel kann deren Einfluss bzw. der Einfluss des Teilelements mit seinen Strukturelementen auf die in die Mehrfachsolarzelle eintretende Strahlung entsprechend eingestellt werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Mehrfachsolarzelle zeichnet sich dadurch aus, dass auf einer Licht zugewandten Seite oberhalb der oberen Teilzelle zumindest eine optische Komponente, insbesondere ein Glas und/oder eine Anti-Reflexionsschicht und/oder ein oberes Spiegelelement, angeordnet ist. Durch die optische Komponente oberhalb der oberen Teilzelle wird ermöglicht, dass Strahlung außerhalb des für die Mehrfachsolarzelle relevanten Spektralbereichs zumindest teilweise reflektiert wird und somit gar nicht erst in die Mehrfachsolarzelle eindringen kann. Zudem schützt die optische Komponente die darunterliegenden Teilzellen vor äußeren Einflüssen, welche den Wirkungsgrad der Teilzellen reduzieren könnte. Insbesondere können die optischen Komponenten für bestimmte spektrale Bereich eine hohe Absorption und/oder eine hohe Emission aufweisen.
  • Das obere Spiegelelement als optische Komponente ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieses im für die Mehrfachsolarzelle relevanten eingestrahlten Spektralbereich, insbesondere für Strahlung mit einer Energie größer der unteren Bandlücke, welche im Wesentlichen senkrecht auf das obere Spiegelelement auftritt, transmittiert, jedoch für in die Mehrfachsolarzelle eingetretene und vom unteren Spiegelelement reflektierte Strahlung, welche meist in einem Winkel auf das obere Spiegelelement auftritt, eine hohe Reflexion in Richtung des unteren Spiegelelements aufweist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Mehrfachsolarzelle weist die optische Komponente eine mit der Photonenzahl der Strahlung gewichtete Transmission für Strahlung mit einer Energie größer oder gleich der unteren Bandlücke von zumindest 85%, bevorzugt von zumindest 90%, besonders bevorzugt von zumindest 93% auf. Hierdurch kann von den Teilzellen absorbierbare Strahlung durch die optischen Komponenten in die Mehrfachsolarzelle hinein transmittiert werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Mehrfachsolarzelle weist die zumindest eine optische Komponente eine mit der Energie der Strahlung gewichtete Absorption für Strahlung mit einer Energie im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum einem spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums kleiner 15%, bevorzugt kleiner 10% auf. Durch die geringe Absorption für Strahlung, welche außerhalb des Absorptionsbereichs der Teilzellen der Mehrfachsolarzelle bis zum spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums liegt, kann Strahlung im vorgenannten Bereich zwar durch die optischen Komponenten transmittiert werden, andererseits wird aber auch gewährleistet, dass diese Strahlung in den optischen Komponenten nicht absorbiert wird und auch aus der Mehrfachsolarzelle wieder austreten kann. Hierdurch kann insbesondere eine Erwärmung der Mehrfachsolarzelle durch die Absorption von Strahlung im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums vermieden werden. Beispielsweise kann es sich für ein solares Spektrum wie AM0 oder AM1.5 als relevantes eingestrahltes Spektrum bei dem spektralen Ende um das spektrale Ende des nahen Infrarot handeln, welches bei einer Wellenlänge von etwa 2,5 µm liegt.
  • Besonders vorteilhaft weisen neben der optischen Komponente alle Komponenten der Mehrfachsolarzelle die Eigenschaft auf, dass diese eine mit der Energie gewichtete Absorption für Strahlung im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zu einem spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums kleiner 15%, bevorzugt kleiner 10% aufweisen. Die Strahlung aus dem vorgenannten Bereich zwischen unterer Bandlücke und dem spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums kann zwar somit die Mehrfachsolarzelle durchdringen, jedoch erfolgt durch die geringe Absorption nur eine geringe Erwärmung der Mehrfachsolarzelle durch die Strahlung aus diesem Bereich.
  • In einer nochmals weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Mehrfachsolarzelle weist die optische Komponente eine Emission von Strahlung im Bereich des mittleren Infrarot, insbesondere für Strahlung mit einer Wellenlänge größer 3 µm, bevorzugt größer 5 µm, von größer 90%, bevorzugt von größer 95%, besonders bevorzugt größer 98% auf. Insbesondere weist neben den optischen Komponenten die Mehrfachsolarzelle insgesamt Komponente eine Emission von Strahlung im Bereich des mittleren Infrarot, insbesondere für Strahlung mit einer Wellenlänge größer 3 µm, bevorzugt größer 5 µm, von größer 90%, bevorzugt von größer 95%, besonders bevorzugt größer 98% auf. Gerade durch eine hohe Emission von Strahlung mit einer Wellenlänge größer 3 µm kann effektiv eine radiative Kühlung der Mehrfachsolarzelle erfolgen. Insbesondere kann die optische Komponente und/oder die Mehrfachsolarzelle insgesamt eine Emission von Strahlung bis in den Bereich einer Wellenlänge von etwa 60 µm aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optische Komponente und/oder die gesamte Mehrfachsolarzelle derart ausgebildet, dass diese eine hohe Emission von Strahlung zumindest in einem Bereich um das Maximum der spektralen spezifischen Ausstrahlung nach dem Planckschen Strahlungsgesetzes aufweist.
  • Vorzugsweise erfolgt die Kontaktierung der Teilzellen über Kontakte an der Licht abgewandten Seite der Mehrfachsolarzelle, insbesondere mittels metal wrap through Technologie (MWT). Durch Kontakte auf der Rückseite der Mehrfachsolarzelle kann eine Bedeckung der Vorderseite und somit der Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle vermieden werden, wodurch der Wirkungsgrad der Mehrfachsolarzelle erhöht werden kann.
  • Alternativ können aber auch auf der Vorderseite der Mehrfachsolarzelle und somit auf der dem Licht zugewandten Seite Kontakte ausgebildet sein.
  • In einer weiter bevorzugten Ausgestaltungsform sind das optische Teilelement und das untere Spiegelelement aus einem transparenten, leitfähigen Oxid, beispielsweise Indiumzinnoxid, gebildet.
  • In einer weiter bevorzugten Ausgestaltungsform ist der mittlere Abstand der Strukturelemente kleiner oder gleich dem 1,2-fachen des Abstandswerts und/oder größer oder gleich dem 0,8-fachen, bevorzugt dem 0,9-fachen des Abstandswerts. Durch die entsprechende Wahl des mittleren Abstands der Strukturelemente wird erreicht, dass die auftreffende Strahlung entsprechend selektiv gestreut und/oder gebeugt wird oder gerade keine weitere Beeinflussung erfolgt, sodass die Strahlung lediglich zurück reflektiert wird.
  • Vorzugsweise beträgt der mittlere Abstand zwischen 230 nm und 450 nm, bevorzugt zwischen 250 nm und 400 nm. Für diesen mittleren Abstand der Strukturelemente kann insbesondere für Teilzellen auf Basis von Ill-V-Halbleitern eine Beeinflussung der Strahlung bis zu einer Energie, welche der unteren Bandlücke entspricht, erzielt werden. Zudem wird Strahlung mit einer Energie kleiner der unteren Bandlücke im Wesentlichen an dem optischen Element ohne Beeinflussung reflektiert, wodurch diese an der Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle insbesondere wieder austreten kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform zeichnet aus, dass ein Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen durch ein dielektrisches Material ausgefüllt ist, wobei das dielektrische Material vorzugsweise transparent bzw. nicht absorbierend ausgebildet ist, wodurch eine Erwärmung durch Absorption von Strahlung vermieden werden kann. Bei dem dielektrischen Material kann es sich insbesondere um Siliziumoxid (SiO), Titanoxid (TiO), Siliziumnitrid (SiN), Indiumzinnoxid (ITO), oder Indiumzinkoxid (IZO) oder Aluminiumzinkoxid (AZO), den Fotolack SU-8 oder Polymere wie beispielsweise Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polyimid handeln. Alternativ kann es sich beim Material im Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen um ein Gas, insbesondere um Luft, oder Vakuum handeln.
  • Alternativ oder vorzugsweise ergänzend ist ein Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen durch einen Lack, insbesondere einem Fotolack, ausgefüllt. Insbesondere kann der verwendete Lack zu einer Strukturierung an der Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht verwendet werden, wobei die Strukturierung der späteren Ausbildung der Strukturelemente dient. So ist es beispielsweise möglich, dass mittels UV-Nanoprägelithografie (NIL) eine entsprechende Struktur mit den entsprechenden Strukturelementen ausgebildet wird. Ein beispielhafter Prozess zur Strukturierung ist beispielsweise in Cariou et al., III-V-on-silicon solar cells reaching 33% photoconversion efficiency in two-terminal configuration, Nature Energy 3, 326-333 (2018) oder in Chen et al., A 19.9%-efficient ultrathin 205nm-thick GaAs Solar Cell with a Silver Nanostructured Back Mirror, Nature Energy 4, 761-767 (2019) dargelegt.
  • Weiter alternativ oder vorzugsweise ergänzend ist ein Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen durch ein Halbleitermaterial ausgefüllt, dessen Bandlücke vorzugsweise größer der unteren Bandlücke ist. Bevorzugt handelt es sich hierbei um Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Aluminium-Gallium-Aarsenid (AIGaAs), Gallium-Indium-Arsen-Phosphid (GalnAsP), Aluminium-Gallium-Indium-Arsen-Phosphid (AIGalnAsP). Das für den Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen verwendete Halbleitermaterial kann insbesondere schon bei der Epitaxie der Zwischenschicht hergestellt oder unmittelbar nach Ausbildung der Zwischenschicht auf diese aufgebracht und mittels trockenchemischer oder nasschemischer Ätzprozesse strukturiert werden.
  • In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind das optische Teilelement und die Zwischenschicht aus einem gleichen Material, insbesondere aus einem gleichen Halbleitermaterial, ausgebildet. Das Teilelement wird in diesem Falle über einen Ätzprozess ausgebildet, bei welchem zunächst die Zwischenschicht mit einer größeren Dicke vollflächig auf die untere Teilzelle aufgebracht wird und anschließend ein selektiver Ätzprozess zur Ausbildung der entsprechenden Struktur erfolgt. Für einen selektiven Ätzprozess kann es wiederum erforderlich sein, dass ein Lack auf die vollflächige Zwischenschicht aufgebracht, dieser zur Ausbildung einer Äztmaske strukturiert wird, beispielsweise mittels Nanoprägelithographie (NIL), und anschließend ein oder mehrere Ätzprozesse zur Ausbildung der Strukturelemente erfolgen, wobei nach erfolgter Ausbildung der Strukturelemente des Teilelements aus dem Halbleitermaterial der Lack ggf. vollständig entfernt wird.
  • Alternativ oder vorzugsweise in Kombination wird das Teilelement durch einen Lack, insbesondere einen Fotolack, gebildet. Der Lack kann hierbei selektiv, insbesondere zur entsprechenden Erzeugung der Struktur oder ebenfalls zunächst vollflächig auf die Zwischenschicht aufgebracht werden, wobei anschließend insbesondere über Nanoprägelithographie-Prozess und einem selektiven Ätzprozess zur Restlackentfernung eine entsprechende Struktur im Lack selbst und gerade nicht in der Zwischenschicht erzeugt wird, wie dies wie vorgenannt in Cariou et al. oder Chen et al. dargelegt ist. Dies ermöglicht insbesondere eine einfachere Prozessführung, da lediglich eine Strukturierung mit dem Lack erfolgt und keine Strukturierung der Zwischenschicht erforderlich ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen durch die Trennschicht ausgefüllt. Durch die Trennschicht wird somit erreicht, dass die Zwischenbereiche zwischen den Strukturelementen ausgefüllt werden und ein entsprechend planer Spiegel als unteres Spiegelelement aufgebracht werden kann. Insbesondere dient die Trennschicht dazu, dass eine möglichst glatte und ebene Oberfläche unterhalb der Strukturelemente ausgebildet wird, wodurch insbesondere die Ausbildung eines planen Spiegels mit einem geringen Effektivwert der Rauigkeit ermöglicht wird.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform der Mehrfachsolarzelle zeichnet aus, dass die Strukturelemente einen mittleren Abstand kleiner einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge aufweisen oder einen mittleren Abstand kleiner oder gleich dem 1,3-fachen eines Abstandswerts aufweisen, wobei sich der Abstandswert aus einem Verhältnis aus einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge zu einem Brechungsindex, insbesondere dessen Realteil, der unteren Teilzelle ergibt. Durch diesen mittleren Abstand wird erreicht, dass Strahlung mit einer Energie größer oder gleich der unteren Bandlücke an dem optischen Teilelement entsprechend derart gebeugt und/oder gestreut wird, sodass diese zumindest die untere Teilzelle zumindest zweimal, bevorzugt zumindest dreimal, besonders bevorzugt zumindest viermal durchläuft.
  • Es kann zwar auch eine Beugung und/oder Streuung von Strahlung mit einer Energie kleiner der unteren Bandlücke an diesen Strukturelementen mit dem mittleren Abstand kleiner einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge erfolgen, jedoch wird diese durch den planen Spiegel im Wesentlichen in Richtung der dem Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle reflektiert und kann die Mehrfachsolarzellen im Wesentlichen ohne Absorption verlassen.
  • Insbesondere ist die Mehrfachsolarzelle insgesamt derart ausgebildet, dass eine parasitäre Absorption von Strahlung mit einer Energie im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums pro Interaktion mit dem unteren Spiegelelement im Bereich kleiner 5%, bevorzugt kleiner 2% liegt. Besonders bevorzugt liegt die parasitäre Absorption von Strahlung mit einer Energie im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums in der Mehrfachsolarzelle insgesamt bei kleiner 25%, bevorzugt bei kleiner 20%.
  • In vorteilhafter Weise ist die Trennschicht leitfähig oder es sind zur Kontaktierung der Zwischenschicht zwischen der Zwischenschicht und dem unteren Spiegelelement in der Trennschicht Punktkontakte ausgebildet. Durch eine leitfähige Trennschicht erfolgt automatisch eine Kontaktierung der Zwischenschicht, ohne dass weitere Prozessschritte notwendig sind. Das Ausbilden von Punktkontakten in der Trennschicht kann über an sich bekannte Prozesse erfolgen.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet aus, dass die Trennschicht aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise amorphes Silizium oder einem Titanoxid, bevorzugt Titandioxid, oder einem vorzugweise transparent leitfähigen Oxid, beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO) oder Indiumzinkoxid (IZO) oder Aluminiumzinkoxid (AZO), gebildet ist. Die vorzugweise transparent leitfähigen Oxide weisen eine ausreichende Leitfähigkeit auf, sodass keine Punktkontakte zur Kontaktierung der Mehrfachsolarzelle, insbesondere der Zwischenschicht, notwendig sind.
  • Durch die Ausbildung der Trennschicht aus einem Halbleitermaterial wie amorphem Silizium oder Titandioxid wird auch erzielt, dass an der Grenzfläche zwischen der Trennschicht und dem optischen Teilelement eine starke Streuung und/oder Beugung zumindest für Strahlung mit einer Energie größer der unteren Bandlücke erfolgt. Zudem kann das Aufbringen dieser Materialien auf die Mehrfachsolarzelle prozesstechnisch einfach erfolgen.
  • Alternativ oder vorzugsweise in Kombination ist die Trennschicht aus einem vorzugsweise transparenten dielektrischen Material, beispielsweise Siliziumdioxid, gebildet. Durch das vorzugsweise transparente dielektrische Material wird insbesondere eine Leitfähigkeit zwischen der Zwischenschicht und dem unteren Spiegelelement vermieden und eine Kontaktierung erfolgt alleine über die Ausbildung von Punktkontakten in der Trennschicht.
  • Vorzugsweise ist zwischen der Trennschicht und dem unteren Spiegelelement eine Planarisierungsschicht angeordnet, wobei die Planarisierungsschicht vorzugsweise aus einem Polymer, beispielsweise aus SU-8, PMMA, PS, Polyimid, oder aus einem Dielektrikum, beispielsweise SiO, TiO, SiN oder Zinksulfid (ZnS) oder einem SolGel-basierten Material, oder einem vorzugsweise transparent leitfähigen Oxid gebildet ist. Insbesondere kann die Planarisierungsschicht aus Indiumzinnoxid (ITO), oder Indiumzinkoxid (IZO) oder Aluminiumzinkoxid (AZO) gebildet sein. Die Planarisierungsschicht ermöglicht einerseits wiederum die Ausbildung des unteren Spiegelelements als planer Spiegel mit einem Effektivwert der Rauigkeit kleiner 50 nm, bevorzugt kleiner 20 nm, wobei mittels der Planarisierungsschicht auch Einflüsse wie Welligkeiten oder ähnliches zwischen der Trennschicht und dem unteren Spiegelelement ausgleichbar sind. insbesondere ist eine Planarisierungsschicht dann von Vorteil, wenn die Trennschicht nicht in der entsprechenden Güte und mit entsprechend geringer Rauigkeit an der Grenzfläche zum unteren Spiegelelement ausgebildet werden kann. Zudem erlaubt die Planarisierungsschicht, dass die Trennschicht aus einem hochbrechenden Material gebildet werden kann, sodass eine entsprechende Brechung, Beugung und/oder Streuung an den Strukturelementen, insbesondere für Strahlung mit einer Energie größer der unteren Bandlücke, erzielt werden kann.
  • Die Planarisierungsschicht ist vorzugsweise aus einem niedrigbrechenden Material gebildet, wobei die Trennschicht in diesem Fall bevorzugt aus einem Material mit einem zur Planarisierungsschicht unterschiedlichen Realteil des Brechungsindex, insbesondere aus einem hochbrechenden Material gebildet ist. Als hochbrechend ist vorliegend ein Material bezeichnet, dessen Realteil des Brechungsindex größer 1,5 bevorzugt größer 2, besonders bevorzugt größer 2,5 beträgt.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform der Mehrfachsolarzelle zeichnet aus, dass die Trennschicht und/oder die Planarisierungsschicht eine Dicke zwischen 100 nm und 300 nm, bevorzugt um 200 nm, aufweist, wobei für die Trennschicht sich die Dicke aus einem Abstand zwischen einem dem Licht abgewandten Ende des Strukturelements und dem unteren Spiegelelement oder der Planarisierungsschicht ergibt. Durch die entsprechende Dicke zwischen dem unteren Spiegelelement und den Strukturelementen kann eine ausreichend glatte Oberfläche durch die Planarisierungsschicht erzielt werden, sodass ein planer Spiegel als unteres Spiegelelement in entsprechender hoher Güte mit einem geringen Effektivwert der Rauigkeit aufgebracht werden kann.
  • Weiterhin betrifft die vorliegende Anmeldung die Verwendung einer Mehrfachsolarzelle gemäß einer Ausgestaltungform oder bevorzugten Form hiervon wie vorstehend ausgeführt in extraterrestrischen Systemen und/oder in terrestrischen Konzentratorsystemen und/oder Flugobjekten und/oder Fahrzeugen und/oder in der Thermophotovoltaik. Insbesondere finden die Mehrfachsolarzellen in Satelliten oder anderen Weltraumobjekten Verwendung. Als Flugobjekte kommen vorzugsweise unbemannte Systeme wie Pseudo-Satelliten oder Drohnen wie auch bemannte Flugsysteme wie Flugzeuge in Betracht.
  • Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 eine erste Ausführungsform einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
    • 2 eine weitere Ausführungsform einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
    • 3 eine Ausführungsform einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
    • 4 eine weitere Ausführungsform einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
    • 5 eine nochmals weitere Ausführungsform einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
    • 6 eine nochmals weitere Ausführungsform einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
    • 7 eine nochmals weitere Ausführungsform einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
    • 8a eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des Teilelements;
    • 8b eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Teilelements; und
    • 8c eine Draufsicht auf eine nochmals weitere Ausführungsform des Teilelements.
  • In den 1 bis 8c bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente.
  • 1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung durch eine erste Variante einer Mehrfachsolarzelle 1. Die Mehrfachsolarzelle 1 umfasst eine dem Licht zugewandte obere Teilzelle 2 sowie eine in Dickenrichtung 14 nachfolgend angeordnete untere Teilzelle 3, welche eine voneinander verschiedene Bandlücke aufweisen. Die obere Bandlücke der oberen Teilzelle 2 ist hierbei größer als die untere Bandlücke der unteren Teilzelle 3. In Dickenrichtung 14 unterhalb der unteren Teilzelle 3 ist weiterhin eine Zwischenschicht 4 angeordnet, an welche sich unmittelbar das optische Element 5 anschließt. Das optische Element 5 umfasst ein unteres Spiegelelement 6 sowie ein Teilelement 7, welches aus mehreren Strukturelementen 8 aufgebaut ist.
  • Bei der oberen Teilzelle 2 wie auch der unteren Teilzelle 3 sowie der Zwischenschicht 4 handelt es sich vorliegend um direkte Halbleiter, welche aus einem Material aus der Gruppe der III-V-Halbleiter aufgebaut sind. Die obere Teilzelle 2 besteht im Wesentlichen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), dessen obere Bandlücke im Bereich von etwa 1,9 eV liegt. Die Dicke der oberen Teilzelle 2 beträgt etwa 500 nm.
  • Die untere Teilzelle 3 ist in der vorliegenden Ausführungsform aus Galliumarsenid (GaAs) ausgebildet, dessen untere Bandlücke im Bereich von etwa 1,4 eV liegt. Die der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge beträgt etwa 870 nm. Die Dicke der unteren Teilzelle 3 in Dickenrichtung 14 beträgt vorliegend etwa 450 nm bis 800 nm, wobei die Dicke dieser Teilzelle 3 insbesondere vom Absorptionsverhalten abhängt. So kann die Dicke der unteren Teilzelle 3 in Abhängigkeit von Reflexion, Absorption und Transmission des in Dickenrichtung 14 unterhalb der unteren Teilzelle 3 angeordneten optischen Elements 5 auch in einem Bereich kleiner 500 nm liegen. Die an die untere Teilzelle 3 anschließende Zwischenschicht 4 besteht aus dem Material Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), dessen Bandlücke bei etwa 1,7 eV liegt, was einer dieser Bandlücke zugeordneten Wellenlänge von etwa 730 nm entspricht. Im Verhältnis zur oberen Teilzelle 2 und unteren Teilzelle 3 weist die Zwischenschicht 4 eine Dicke im Bereich von 200 bis 500 nm auf.
  • Die obere und untere Teilzelle 2, 3 weisen zumindest jeweils einen pn-Übergang auf, wobei zwischen der oberen Teilzelle 2 und der unteren Teilzelle 3 zumindest eine Tunneldiode ausgebildet ist, deren Dicke in Dickenrichtung 14 kleiner 200 nm beträgt.
  • Das optische Teilelement 7 mit seinen Strukturelementen 8, welche wie in 1 dargestellt in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind, ist aus dem gleichen Material wie das untere Spiegelelement 6 ausgebildet. Vorliegend wurde sowohl für das untere Spiegelelement 6 als auch das optische Teilelement 7 das Material Silber verwendet. Auch die Verwendung von Gold als Material für das untere Spiegelelement 6 wie das Teilelement 7 ist ebenfalls möglich.
  • Die regelmäßig angeordneten Strukturelemente 8 des Teilelements 7 weisen einen mittleren Abstand X auf, der im Bereich von 270 bis 300 nm liegt. Der Abstand zwischen zwei Strukturelementen 8 ergibt sich aus dem Abstand der jeweiligen Mittelpunkte der Strukturelemente 8. Der mittlere Abstand X wird aus dem Mittel über alle Abstände zwischen zwei benachbarten Strukturelementen 8 des Teilelement 7 gebildet. Bei einer regelmäßigen Anordnung der Strukturelement 8 entspricht der Abstand von benachbarten Strukturelementen 8 dem mittleren Abstand X der Strukturelement 8 des Teilelements 7.
  • Die Wahl des mittleren Abstands X für die vorliegende Mehrfachsolarzelle 1 ist von besonderer Bedeutung, da der mittlere Abstand X die Streuung und/oder Beugung von am optischen Element 5 ankommenden Licht an dem Teilelement 7 wesentlich beeinflusst. Durch die Größe und die Anordnung der Strukturelemente 8 des Teilelements 7 in einem bestimmten mittleren Abstand X kann das Teilelement 7 so ausgebildet werden, dass Strahlung kleiner einer bestimmten Energie am optischen Teilelement 7 nicht mehr gebeugt und/oder gestreut wird, sondern im Wesentlichen am optischen Element 5 reflektiert wird.
  • Die Bestimmung eines geeigneten mittleren Abstands X der Strukturelemente 8 hängt von einem Abstandswert A ab, welcher sich aus den gewählten Materialien für die untere Teilzelle 3 ergibt. Der Abstandswert A ergibt sich hierbei aus dem Verhältnis der der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge zu dem Realteil des Brechungsindex der unteren Teilzelle 3. Der Realteil des Brechungsindex von Galliumarsenid, welches in der in 1 dargestellten Ausführungsform als Material für die untere Teilzelle 3 verwendet wird, liegt bei einem Wert von etwa 3,5. Bei einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge Bandlücke von 870 nm ergibt sich somit für diese Materialkombination ein Abstandswert A von etwa 250 nm.
  • Durch die Wahl des mittleren Abstands X der Strukturelemente 8 des optischen Teilelements 7 kleiner oder gleich dem 1,3-fachen des Abstandswertes, somit kleiner oder gleich 325 nm, wird es ermöglicht, dass Strahlung mit einer Energie im Bereich der unteren Bandlücke am optischen Element 5 ohne Beugung oder Streuung direkt reflektiert wird (direkter Reflex).
  • Das optische Element 5 weist insgesamt eine Reflexion für Strahlung mit einer Energie zumindest im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums, hier bei dem solaren Spektrum AM0 als relevantes Spektrum bis zum spektralen Bereichs des nahen Infrarot bei etwa 2,5 µm von größer 90% auf. Hierdurch wird nicht von der Mehrfachsolarzelle 1 absorbierte Strahlung, die außerhalb des Absorptionsbereichs der Teilzellen 2, 3 liegt, unmittelbar am optischen Element 5 zurück reflektiert, so dass diese die Mehrfachsolarzelle 1 an der dem Licht zugewandten Seite wiederum im Wesentlichen unmittelbar verlassen kann. Durch die direkte Reflexion kann eine Erwärmung der Mehrfachsolarzelle 1 durch Absorption von in den Teilzellen 2, 3 nicht nutzbarer Strahlung, beispielsweise an Defekten der Mehrfachsolarzelle 1, vermieden werden. Die unmittelbare Reflexion solcher Strahlung am optischen Element 5 und das Austreten dieser Strahlung an der, dem Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle 1 ermöglicht, dass die Mehrfachsolarzelle 1 zumindest indirekt eine Kühlung erfährt.
  • Auf der dem Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle 1 in Dickenrichtung 14 oberhalb der Teilzelle 2 angeordnet sind optische Komponenten wie ein Glas 11, eine Antireflexionsschicht 12 oder ein oberes Spiegelelement 13 ausgebildet.
  • Die optischen Komponenten 11, 12, 13 weisen eine mit der Photonenzahl der Strahlung gewichtete Transmission für Strahlung mit einer Energie größer oder gleich der unteren Bandlücke von zumindest 90 % auf. Es wird hierdurch sichergestellt, dass durch die Mehrfachsolarzelle 1 nutzbare Strahlung des relevanten eingestrahlten Spektrums, insbesondere die Strahlung mit einer Energie größer oder gleich der unteren Bandlücke, in die Mehrfachsolarzelle 1 eintreten kann.
  • Zudem weisen die optischen Komponenten 11, 12, 13 eine mit der Energie der Strahlung gewichtete Absorption für Strahlung mit einer Energie im Bereich kleiner der unteren Bandlücke, welche vorliegend bei etwa 1,4 eV liegt, bis zum spektralen Ende des nahen Infrarots für das solare Spektrum als relevantes Spektrum, welches bei etwa 0,5 eV liegt, auf, welche kleiner 10 % beträgt. Der durch die Teilzellen 2, 3 nicht nutzbare Spektralbereich kann zwar in die Mehrfachsolarzelle 1 eintreten, kann aber auch gleichzeitig nach Reflexion am optischen Element 5 ohne wesentliche Absorption aus der Mehrfachsolarzelle 1 wieder austreten. Durch eine geringe parasitäre Absorption wird insbesondere eine Erwärmung der Mehrfachsolarzelle 1 durch die Teilzellen 2, 3 nicht absorbierbare Strahlung verhindert.
  • Zur Verhinderung einer weiteren Erwärmung der Mehrfachsolarzelle 1 ist die zumindest eine optische Komponente 11, 12, 13 so ausgebildet, dass diese eine Emission von Strahlung im Bereich des mittleren Infrarots für Strahlung mit einer Wellenlänge größer 5 µm von größer 90 % aufweist. Die Strahlung des mittleren Infrarots wird somit durch die optische Komponente 11, 12, 13 einerseits zwar absorbiert, aber andererseits durch die hohe Emission wiederum abgestrahlt. Hierdurch kann ebenfalls eine Erwärmung der Mehrfachsolarzelle 1 vermieden werden. Neben den optischen Komponenten 11, 12 13 ist die Mehrfachsolarzelle 1 insgesamt so ausgebildet, dass Strahlung im Bereich des mittleren Infrarots im Wesentlichen absorbiert wird und gleichzeitig für die Strahlung in diesem Bereich eine hohe Emission aufweist.
  • Wie in 1 dargestellt ist der Bereich zwischen den Strukturelementen 8 des Teilelements 7 durch ein von den Strukturelementen 8 verschiedenes Material ausgefüllt. Bei dem zwischen den Strukturelementen 8 angeordneten Material handelt es sich vorliegend um den Fotolack SU-8 der Firma Microchem Corp. In der Herstellung der Mehrfachsolarzelle 1 wird der Fotolack nach Ausbildung der Zwischenschicht 4 vollflächig auf diese ausgebracht und mittels UV-Nanoprägelithografie (NIL) eine entsprechende Struktur ausgebildet wird, wobei eine Restlackentfernung mittels eines O2-Plasmaätzschritt oder Piranha-Ätzschritt erfolgt. Durch Aufdampfen eines Metalls wie hier vorliegend Silber erfolgt schließlich die Ausbildung der Strukturelemente 8 bzw. des optischen Teilelements 7 sowie der gesamten optischen Komponente 5, umfassend auch das untere Spiegelelement 6. Neben der Verwendung des Fotolackes SU-8 können auch andere Materialien, insbesondere Lacke, Verwendung finden, welche mittels eines ähnlichen Prozessvorganges die Ausbildung einer entsprechenden Struktur auf der dem Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht 4 ermöglichen. Insbesondere muss der Abstand zwischen den Strukturelementen 8 nicht zwangsläufig durch ein festes Material gefüllt sein. So ist es auch möglich, dass der Abstand mit einem Gas als Material, insbesondere Luft, ausgefüllt ist oder im Abstandsbereich zwischen den Strukturelementen 8 ein Vakuum herrscht.
  • Die Strukturelemente 8 des Teilelements 7 sind in 1 regelmäßig angeordnet und bilden somit einzelne Gitterpunkte eines Punktgitters auf der dem Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht 4 aus. Die einzelnen Gitterpunkte als Strukturelemente 8 weisen eine regelmäßige, rechteckige oder quadratische Grundfläche auf. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Strukturelemente 8 des Teilelements 7 insgesamt als Quader, Würfel oder Pyramidenstümpfe ausgebildet. Der mittlere Abstand X ergibt sich bei einer regelmäßigen Anordnung der Strukturelemente 8 aus dem Abstand der Mittelpunkte von benachbarten Strukturelementen 8 als nächstliegende Nachbarn.
  • Alternativ können die Strukturelemente 8 auch als Pyramide, Kegel, Pyramiden- oder Kegelstumpf ausgebildet sein und insbesondere auch eine unregelmäßige Grundfläche aufweisen.
  • In 2 ist eine weitere Ausführungsform der Mehrfachsolarzelle 1 nach der ersten Variante dargestellt, bei welcher die Strukturelemente 8 des Teilelements 7 wiederum einen mittleren Abstand X kleiner oder gleich dem 1,3-fachen eines Abstandswerts aufweisen. Ein Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform liegt in der Anordnung und Ausbildung der Strukturelemente 8 des optischen Teilelements 7.
  • Wie in 2 dargestellt sind die Strukturelemente 8 nicht regelmäßig angeordnet und weisen auch keine einheitliche Größe in lateraler Richtung 15 wie auch eine unterschiedliche Dicke in Dickenrichtung 14 auf. Der Abstand zwischen den Strukturelementen 8 für eine Reflexion für Strahlung mit einer Energie im Wesentlichen kleiner der unteren Bandlücke ist gegenüber der in 1 dargestellten Ausführungsform in einem bestimmten Bereich variiert, wobei der mittlere Abstand X der Strukturelemente 8 des Teilelements 7 ebenfalls in der Größenordnung von 270 nm bis 300 nm liegt. Der mittlere Abstand X ergibt sich wiederum aus dem errechneten Mittel über die Abstände zwischen zwei benachbarten Strukturelementen 8 über die vollständige Mehrfachsolarzelle 1.
  • Zur Erzeugung des entsprechenden Teilelements 7 werden zunächst Nanopartikel aus einer Lösung auf der dem Licht abgewandte Seite der Zwischenschicht 4 aufgebracht, welche sich auf dieser Seite zufällig verteilen. Die Nanopartikel bestehen aus einem dielektrischen Material, deren Größe im Bereich von 100 nm bis 200 nm liegt. Nach Verdampfen der Lösung sind die Nanopartikel jeweils ortsfest auf der dem Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht 4 angeordnet, sodass die Ausbildung der Strukturelemente 8 des optischen Teilelements 7 und des optischen Elements 5 insgesamt durch Aufdampfen eines Metalls erzielt wird. Alternativ kann auch ein transparentes leitfähiges Oxid anstatt des Metalls aufgebracht werden.
  • In einem alternativen Herstellungsprozess für das Teilelement 7 mit einer nichtregelmäßigen Struktur kann ebenfalls ein Selbstorganisationsprozess ausgehend von einer Mischung verschiedener Polymere wie beispielsweise PMMA und PS genutzt werden, wobei nach Aufbringen einer Schicht aus der Mischung auf die dem Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht 4 ein Polymer wiederum gelöst oder geätzt wird, wodurch sich eine entsprechende, selbstorganisierte Struktur ausbildet. Wiederum durch Aufdampfen eines Metalls oder eines transparent leitfähigen Oxids werden die Strukturelemente 8 des optischen Teilelements 7 sowie entsprechend die optische Komponente 5 ausgebildet.
  • Neben einer unregelmäßigen, zufälligen Anordnung der Strukturelemente 8 ist auch deren Form nicht regelmäßig ausgebildet. So wird durch die zufällige Anordnung der Nanopartikel oder durch die Selbstorganisation die Ausgestaltung Strukturelemente 8 mit unterschiedlichen Formen ermöglicht. Die Breite der einzelnen Strukturelemente 8, welche sich in lateraler Richtung 15 ausdehnt, liegt vorliegend im Bereich zwischen 100 nm bis 300 nm. Die Breite wird dabei im Wesentlichen durch die im Abstand zwischen den Strukturelementen 8 ausgefüllten Bereiche bestimmt, welche prozesstechnisch in der in den 1 und 2 dargestellten ersten Variante der Mehrfachsolarzelle 1 vor Ausbildung der Strukturelemente 8 auf die dem Licht abgewandte Seite der Zwischenschicht 4 aufgebracht werden.
  • Eine Kontaktierung der Mehrfachsolarzelle 1 erfolgt über deren Unterseite. Durch die Ausbildung des Teilelements 7 sowie des unteren Spiegelelements 6 aus Metall erfolgt direkt eine Kontaktierung der Zwischenschicht 4 der Mehrfachsolarzelle 1, so dass keine weiteren Elemente zur Kontaktierung der Zwischenschicht 4, insbesondere keine Punktkontakte, notwendig sind.
  • Die Kontaktierung der Teilzellen 2, 3 erfolgt über die dem Licht zugewandte Seite der oberen Teilzelle 2. Weiter besteht noch die Möglichkeit, dass eine Kontaktierung der Teilzellen 2, 3 ebenfalls über die dem Licht abgewandte Seite der Mehrfachsolarzelle 1 mittels Metal Warp Through Kontakte erfolgt wie dies beispielsweise in dem Dokument Salvetat et. al., III-V multi-junction solar cell using metal wrap through contacts, AIP conference proceedings 1766, 060004 (2016) dargelegt ist. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Mehrfachsolarzelle 1 weiter erhöht werden.
  • In 3 ist eine erste Ausführungsform der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 dargestellt. Der in 3 dargestellte Aufbau der Mehrfachsolarzelle 1 ähnelt dem strukturellen Aufbau wie in 1 oder 2 dargestellt, wobei Unterschiede im optischen Element 5 und dessen Aufbau bestehen, welche jedoch die gleiche Aufgabe und Zweck erfüllen.
  • Das optische Element 5 umfasst ein optisches Teilelement 7 mit mehreren Strukturelementen 8 sowie ein unteres Spiegelelement 6, wobei das untere Spiegelelement 6 als ein planer Spiegel mit einer Rauigkeit mit einem Effektivwert kleiner 50 nm ausgebildet ist. Weiterhin ist zwischen der Zwischenschicht 4 und dem planen Spiegel als unteres Spiegelelement 6 eine Trennschicht 9 ausgebildet, welche einerseits die zwischen den Strukturelementen 8 ausbildenden Bereiche und Abstände ausfüllt und gleichzeitig noch einen Abstand in Dickenrichtung 14 zwischen den Strukturelementen 8 und dem unteren Spiegelelement 6 ausbildet.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist die Trennschicht 9 aus dem Material Indiumzinnoxid (ITO) gebildet, welches ein transparent leitfähiges Oxid ist. Die Verwendung von transparent leitfähigen Oxiden wie Indiumzinnoxid oder alternativ auch Indiumzinkoxid (IZO) oder Aluminiumzinkoxid (AZO) hat den Vorteil, dass über die Trennschicht 9 gleichzeitig eine Kontaktierung der Zwischenschicht 4 erfolgt. Zudem lassen sich transparent leitfähige Oxide in einer hohen Qualität ausbringen, insbesondere mit einer Oberfläche mit geringer Rauigkeit, sodass ein entsprechend planer Spiegel als unteres Spiegelelement 6 mit einem Effektivwert der Rauigkeit kleiner 50 nm auf der dem Licht abgewandten Seite der Trennschicht 9 entsprechend aufgebracht werden kann. Die Trennschicht 9 ist hierbei aus einem niedrigbrechenden Material ausgebildet. Das untere Spiegelelement 6 ist wiederum aus Silber gebildet, wobei dessen Dicke zumindest 200 nm beträgt, sodass eine Transmission von Licht verhindert wird. Alternativ kann das untere Spiegelelement 6 auch aus einem Bragg-Spiegel gebildet sein.
  • Die Strukturelemente 8 des optischen Teilelements 7 sind in der in 3 dargestellten Ausführungsform durch das gleiche Material AlGaAs wie die Zwischenschicht 4 ausgebildet. Zur Herstellung der Strukturelemente 8 wird prozesstechnisch hierbei zunächst eine deutlich dickere Zwischenschicht 4 aufgebracht, in welche über Lithographie-Verfahren sowie nasschemische oder trockenchemische Ätzprozesse die entsprechenden Strukturelemente 8 eingebracht werden. Wie in 3 dargestellt, weisen die optischen Strukturelemente 8 wiederum eine regelmäßige Anordnung auf, wobei deren mittlerer Abstand im Bereich zwischen 270 nm und 500 nm liegt. Die Dicke in Dickenrichtung 14 der Strukturelemente 8 liegt im Bereich zwischen 150 nm bis 300 nm.
  • Der mittlere Abstand X der Strukturelemente 8 ist in der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1, wie in 3 dargestellt, deutlich größer gegenüber dem mittleren Abstand X der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Mehrfachsolarzelle 1. Durch den deutlich größeren mittleren Abstand X zwischen den Strukturelementen 8 erfolgt zwar auch für Strahlung mit einer Energie kleiner der unteren Bandlücke zumindest teilweise eine Beugung und/oder Streuung an dem optischen Teilelement 7, wobei durch den planen Spiegel als unteres Spiegelelement 6 eine Reflexion für diese Strahlung von über 98% sichergestellt wird. Somit wird Strahlung, welche in die Mehrfachsolarzelle 1 eintritt, optimal an der Fläche des planen Spiegels als unteres Spiegelelement 6 reflektiert. Durch die Beugung und/oder Streuung am Teilelement 7 sowie die Reflektion am planen Spiegel als unteres Spiegelelement 6 wird für die Strahlung eine deutliche Wegverlängerung innerhalb der Mehrfachsolarzelle 1 erzielt. Hierdurch kann die untere Teilzelle 3 mit einer geringeren Dicke ausgebildet werden, da durch die Wegverlängerung eine ausreichend große Absorptionsstrecke für eine vollständige Absorption der durch die untere Teilzelle 3 nutzbaren Strahlung erzielt wird.
  • Neben einem geringen Effektivwert der Rauigkeit des unteren Spiegelelements 6 für eine entsprechende Reflexion weisen auch die anderen Bestandteile der Mehrfachsolarzelle 1 eine hohe Güte auf, so dass die parasitäre Absorption für Strahlung mit einer Energie in einem Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum spektralen Ende des nahen infrarot für das solare Spektrum als relevantes eingestrahltes Spektrum in der gesamten Mehrfachsolarzelle 1 gering ist. Die parasitäre Absorption pro Interaktion der Strahlung mit dem unteren Spiegelelement 6 durch die qualitativ hochwertigen Schichten liegt in einem Bereich kleiner 5%, sodass auch bei vielfacher Reflexion von nicht durch die Teilzellen 2, 3 absorbierbare Strahlung keine Absorption dieser Strahlung an Defekten oder anderen Absorptionszentren der Mehrfachsolarzelle 1 erfolgt. Insbesondere liegt die parasitäre Absorption für diese Strahlung für die gesamte Mehrfachsolarzelle bei kleiner 20%. Diese Strahlung kann an der dem Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle 1 wieder abgestrahlt werden und aus der Mehrfachsolarzelle 1 austreten. Somit wird auch durch ein optisches Element 5 umfassend ein Teilelement 7, eine Trennschicht 9 und einen planen Spiegel als unteres Spiegelelement 6 insgesamt eine Erwärmung durch nicht-verwertbare Strahlung in der Mehrfachsolarzelle 1 ebenfalls vermieden.
  • In 4 ist eine weitere Ausführungsform der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 dargestellt. Vom Aufbau her ähnelt diese wiederum dem Aufbau wie in 3 dargestellt, mit den Unterschieden, dass die Trennschicht 9 als nichtleitfähiges Material ausgebildet ist und die Strukturelemente 8 als kegelförmige Elemente ausgebildet sind, deren Spitze in Richtung des unteren Spiegelelementes 6 gerichtet ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird für die Trennschicht 9 das Material Siliziumdioxid (SiO2) verwendet, auf dessen dem Licht abgewandten Seite wiederum ein planer Spiegel aus Silber als unteres Spiegelelement 6 aufgebracht ist.
  • Die Trennschicht 9 aus Siliziumdioxid füllt den Bereich zwischen den Strukturelementen 8 des optischen Teilelements 7 aus und weist darüber hinaus eine weitere Dicke in Dickenrichtung 14 von etwa 200 nm auf, welche den Abstand zwischen der dem Licht abgewandten Oberfläche der Strukturelemente 8 und dem planen Spiegel als unteres Spiegelelement 6 entspricht.
  • Eine Kontaktierung der Zwischenschicht 4 erfolgt auf Grund der mangelnden Leitfähigkeit der Trennschicht 9 über Punktkontakte 16. Die Punktkontakte 16 können hierbei mittels Lithographie oder Laser zunächst ausgebildet und anschließend über einen Metallisierungs-Schritt fertiggestellt werden.
  • Der mittlere Abstand X der Strukturelemente 8 des optischen Teilelements 7 beträgt in der in 4 dargestellten Ausführungsform etwa 800 nm bis 850 nm und liegt somit im Bereich der der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge.
  • Neben einer regelmäßigen Anordnung der Strukturelemente 8 im optischen Element 5 können die Strukturelemente 8 auch in der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 unregelmäßig an der dem Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht 4 in lateraler Richtung 15 ausgebildet sein, wie dies in 5 dargestellt ist. Daneben besitzen die Strukturelemente 8 wiederum eine unterschiedliche Dicke in Dickenrichtung 14.
  • Zur Ausbildung einer unregelmäßigen Struktur wird zunächst die Zwischenschicht 4 mit entsprechender Dicke auf der Unterseite der unteren Teilzelle 3 aufgebracht, anschließend Nanopartikel oder andere Materialien zu einer Strukturdefinition auf die Zwischenschicht 4 aufgebracht, welche in einem anschließenden nasschemischen oder trockenchemischen Ätzprozess als Maske zur Ausbildung der Strukturelemente 8 und entsprechend des optischen Teilelements 7 dienen.
  • Alternativ kann die unregelmäßige Struktur durch die Anwendung der Phasentrennung von zwei nicht mischbaren Polymeren wie Polystyrol und Polymethylmethacrylat erfolgen, wodurch sich eine stochastische Anordnung von Polystyrol Elementen ergibt, wie dies in Hauser et al. dargelegt ist. Diese stochastische Anordnung kann gegebenenfalls gleich metallisiert werden.
  • Über die Trennschicht 9 werden die Abstände zwischen den Strukturelementen 8 ausgefüllt, eine über die Dicke der Strukturelemente 8 hinausgehende Schicht ausgebildet und anschließend ein planer Spiegel als unteres Spiegelelement 6 mit einem Effektivwert für Rauigkeit kleiner 50 nm aus Gold oder Silber aufgedampft.
  • In 6 ist eine weitere Ausführungsform der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 dargestellt. Im Unterschied zu den vorgenannten Ausführungsformen der weiteren Variante in den 3 bis 5 sind die Strukturelemente 8 in der nun in 6 dargestellten Ausführungsform nicht durch das Halbleitermaterial der Zwischenschicht 4 gebildet, sondern durch ein Dielektrikum. Die Ausbildung der Strukturelemente 8 erfolgt dabei, wie analog auch bereits vorstehend dargelegt, durch vollflächiges Auftragen einer die Zwischenschicht 4 vollständig bedeckenden Schicht mittels Fotolack, einer entsprechenden Strukturierung der Schicht, beispielsweise mittels UV-Nanoprägelithographie, und einem anschließenden nasschemischen oder trockenchemischen Ätzprozess.
  • Die Strukturelemente 8 sind, wie in 6 dargestellt, in die Trennschicht 9 eingebettet, welche vorliegend durch niedrig dotiertes amorphes Silizium gebildet ist. Die Verwendung von amorphem Silizium als Trennschicht 9 bietet den Vorteil, dass dieses Material einen sehr hohen Brechungsindex aufweist und somit gerade für Strahlung mit einer Energie größer der unteren Bandlücke eine starke Streuung oder Beugung ermöglicht, sodass diese Strahlung eine möglichst große Wegverlängerung zumindest in der unteren Teilzelle 3 erfährt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass durch die Teilzelle 2, 3 absorbierbare Strahlung auch in den Teilzellen 2, 3 absorbiert wird, obwohl zumindest die untere Teilzelle 3 nur eine geringe Dicke von etwa 1000 nm aufweist. Alternativ kann die Trennschicht 9 auch aus einem Titanoxid ausgebildet werden.
  • Weiterhin ist in der in 6 dargestellten Ausführungsform zwischen der Trennschicht 9 und dem unteren Spiegelelement 6 eine Planarisierungsschicht 10 ausgebildet. Die Planarisierungsschicht 10 ist vorliegend aus einem Polymer gebildet und ermöglicht, dass das untere Spiegelelement 6 als planer Spiegel mit einer sehr geringen Rauigkeit, insbesondere mit einem Effektivwert der Rauigkeit kleiner 20 nm, ausgebildet wird. Mittels der Planarisierungsschicht 10 werden somit die Voraussetzungen für die Abscheidung eines planen Spiegels als unteres Spiegelelement 6 geschaffen, insbesondere für den Fall, dass die Trennschicht 9 nicht mit einer entsprechenden Oberfläche zwischen der Trennschicht 9 um den planen Spiegel ausgebildet werden kann, sodass der plane Spiegel eine geringe Rauigkeit aufweist.
  • Die Planarisierungsschicht 10 ist hierbei aus einem niedrigbrechenden Material gebildet, wohingegen die Trennschicht 9 aus einem hochbrechenden Material gebildet ist.
  • Um eine Kontaktierung der Zwischenschicht 4 zu ermöglichen weist auf Grund von mangelnder Leitfähigkeit der Trennschicht 9 und/oder der Planarisierungsschicht 10 die Mehrfachsolarzelle 1 wiederum Punktkontakte 16 auf, welche zwischen dem unteren Spiegelelement 6 und der Zwischenschicht 4 ausgebildet sind.
  • In 7 ist eine nochmals weitere Ausführungsform der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 dargestellt, welche sich dadurch unterscheidet, dass die Trennschicht 9 und die Planarisierungsschicht 10 gegenüber der in 6 dargestellten Ausführungsform aus dem gleichen Material ausgebildet sind und dieses Material eine intrinsische Leitfähigkeit aufweist, sodass auf die Ausbildung von Punktkontakten 16 zur Kontaktierung der Zwischenschicht 4 verzichtet werden kann. Weiterhin sind die Strukturelemente 8 im Wesentlichen als Halbkugeln ausgebildet, deren Grundflächen unmittelbar an der Zwischenschicht 4 angeordnet sind. Halbkugelförmige Strukturelemente können durch die Verwendung von Nanopartikel für die Strukturierung des Teilelements 7 verwendet werden oder auch, wie dies beispielsweise in Hauser et al., Tailored disorder: a self-organized photonic contact for light trapping in silicon-based tandem solar cells, Opt. Express 28, 10909 (2020) dargelegt ist, ausgebildet werden.
  • Die Strukturelemente 8 sind in dieser Ausführungsform aus amorphem Silizium oder Titanoxid-Kügelchen gebildet, welche aus der Nassphase auf der dem Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht 4 aufgebracht werden. Das Ausfüllen der Abstände zwischen den Strukturelementen 8 erfolgt durch Aufbringung eines leitfähigen Oxids, mittels welchem einerseits die Kontaktierung der Zwischenschicht 4 ermöglicht wird und andererseits eine Planarisierung erreicht wird, sodass das untere Spiegelelement 6 als planer Spiegel mit einer geringen Rauigkeit aufgebracht werden kann.
  • Die Kontaktierung der oberen und unteren Teilzelle 2, 3 erfolgt wiederum Kontakte auf und unterhalb der Solarzelle. Alternativ besteht auch hier die Möglichkeit, dass die Kontakte über die dem Licht abgewandte Seite der Mehrfachsolarzelle 1 über metal wrap through Kontakte durch die obere und Teilzelle 2,3 erfolgt.
  • Wie auch bei der ersten Variante der Mehrfachsolarzelle 1 weisen auch die in den 3 bis 7 dargestellten Ausführungsformen der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 zumindest eine optische Komponente 11, 12, 13 auf der dem Licht zugewandten Seite oberhalb der oberen Teilzelle 2 der Mehrfachsolarzelle auf. Hierbei handelt es sich wiederum um ein Glas 11, eine Anti-Reflexionsschicht 12 oder ein oberes Spiegelelement 13. Unabhängig von der Variante der Mehrfachsolarzelle 1 weisen die optischen Komponenten 11, 12, 13 für die weitere Variante der Mehrfachsolarzelle gleiche Eigenschaften auf, sodass auf die vorgenannten Ausführungsformen entsprechend verwiesen wird.
  • Alternativ kann die Mehrfachsolarzelle 1 auch keine optische Komponente 11, 12, 13 aufweisen.
  • Die Strukturelemente 8 sind unabhängig von einer Variante der Mehrfachsolarzelle 1 nicht auf eine bestimmte Form begrenzt. In den 8a, 8b und 8c sind Ausschnitte verschiedener Ausführungsformen des Teilelements 7 mit den Strukturelementen 8 in einer Draufsicht dargestellt. In 8a sind die Strukturelemente 8 des Teilelements 7 mit einer rechteckigen Grundfläche ausgebildet und bilden in Dickenrichtung 14, welche aus der Zeichenebene heraus verläuft, quaderförmige Strukturelemente 8 aus. Der Bereich des Abstands zwischen den Strukturelementen 8 kann abhängig von der Variante der Ausführungsform der Mehrfachsolarzelle 1 durch einen Fotolack, ein Halbleitermaterial, ein Dielektrikum oder durch ein Gas wie Luft ausgefüllt sein und Teil des optischen Elements 5 bilden. Insbesondere in der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 entspricht wird der Bereich des Abstands zwischen den Strukturelementen 8durch die Trennschicht 9 ausgefüllt. Die Strukturelemente 8 sind somit in das optische Element 5 eingebettet. Alternativ kann in diesem Bereich des Abstands zwischen den Strukturelemente 8 auch ein Vakuum herrschen.
  • Der mittlere Abstand X ergibt sich in diesem Fall auf Grund der regemäßigen Anordnung der Strukturelemente 8 aus dem Abstand der Mittelpunkte der Strukturelemente 8. So können diese insbesondere als Punkte eines Punktgitters ausgebildet sein, welche eine quaderförmige, würfelartige oder halbrunde Form aufweisen.
  • Bei der halbrunden Form der Strukturelemente 8 liegt die kreisförmige Grundfläche unmittelbar an der Zwischenschicht 4 an wie dies in 8c dargestellt ist, und die Rundung ist in Richtung des unteren Spiegelelements 6 ausgebildet. Die Strukturelemente 8 mit der runden Grundfläche sind hierbei regelmäßig in Reihen ausgebildet, wobei die benachbarte Reihe versetzt ausgebildet ist, so dass diese ein hexagonales Gitter ausbilden. Der mittlere Abstand X ergibt sich in diesem Fall der Anordnung der Strukturelemente 8 in einem hexagonalen Gitter aus dem Netzebenenabstand des Gitters, wie dies in der 8c dargestellt.
  • Auch können die Strukturelemente 8, wie in 8b dargestellt eine trapezförmige Grundfläche aufweisen, die sich durch die spezielle Ausprägung der Zwischenbereiche zwischen den Strukturelementen 8 ergibt. Auch können die Strukturelemente 8 als kegelförmige oder pyramidenförmige Elemente, deren Spitze in Richtung des unteren Spiegelelements 6 gerichtet ist, oder stumpfförmigen Varianten hiervon ausgebildet sein. Die genaue Ausgestaltungsform der Strukturelemente 8 hängt im Wesentlichen von den verwendeten Materialien für die obere und untere Teilzelle 2, 3 sowie der Zwischenschicht 4 und den Materialien des optischen Elements 5 ab. Für die spezielle Form der Strukturelemente 8 ist insbesondere auch der Herstellprozess von großem Einfluss.
  • Auch können die Strukturelemente 8 ein Liniengitter oder hexagonales Gitter ausbilden. Bei einem Liniengitter errechnet sich der Abstand zwischen zwei benachbarten Strukturelementen 8 aus dem Abstand der Mittellinien der benachbarten Strukturelemente 8. Bei unregelmäßigen Liniengittern erfolgt die Berechnung des mittleren Abstands X über das Mittel aller Abstände zwischen den Strukturelementen 8 der gesamten Mehrfachsolarzelle 1.
  • Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Mehrfachsolarzelle
    2
    Teilzelle (obere)
    3
    Teilzelle (untere)
    4
    Zwischenschicht
    5
    optisches Element
    6
    unteres Spiegelelement
    7
    Teilelement
    8
    Strukturelement
    9
    Trennschicht
    10
    Planarisierungsschicht
    11
    Glas
    12
    Anti-Reflexionsschicht
    13
    oberer Spiegelelement
    14
    Dickenrichtung
    15
    laterale Richtung
    16
    Punktkontakt
    X
    mittlerer Abstand
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016208113 A1 [0006]

Claims (23)

  1. Mehrfachsolarzelle (1) mit zumindest zwei Teilzellen (2, 3), wobei zumindest eine Teilzelle (2, 3) aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, mit einer Licht zugewandten oberen Teilzelle (2) und einer Licht abgewandten unteren Teilzelle (3), wobei eine obere Bandlücke der oberen Teilzelle (2) größer als eine untere Bandlücke der unteren Teilzelle (3) ist, und wobei auf der Licht abgewandten Seite der unteren Teilzelle (3) eine Zwischenschicht (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht (4) ein optisches Element (5) umfassend ein unteres Spiegelelement (6) angeordnet ist, wobei das optische Element (5) ein Teilelement (7) mit mehreren Strukturelementen (8) umfasst, welche unmittelbar oder mittelbar an der Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht (4) in einer lateralen Richtung (15) angeordnet sind, und dass das Teilelement (7) und das untere Spiegelelement (6) aus einem gleichen Material ausgebildet sind und die Strukturelemente (8) einen mittleren Abstand (X) kleiner oder gleich dem 1,3-fachen eines Abstandswerts (A) aufweisen, wobei sich der Abstandswert (A) aus einem Verhältnis aus einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge zu einem Brechungsindex der unteren Teilzelle (3) ergibt.
  2. Mehrfachsolarzelle (1) mit zumindest zwei Teilzellen (2, 3), wobei zumindest eine Teilzelle (2, 3) aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, mit einer Licht zugewandten oberen Teilzelle (2) und einer Licht abgewandten unteren Teilzelle (3), wobei eine obere Bandlücke der oberen Teilzelle (2) größer als eine untere Bandlücke der unteren Teilzelle (3) ist, und wobei auf der Licht abgewandten Seite der unteren Teilzelle (3) eine Zwischenschicht (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht (4) ein optisches Element (5) umfassend ein unteres Spiegelelement (6) angeordnet ist, wobei das optische Element (5) ein Teilelement (7) mit mehreren Strukturelementen (8) umfasst, welche unmittelbar oder mittelbar an der Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht (4) in einer lateralen Richtung (15) angeordnet sind, und dass das untere Spiegelelement (6) als ein planer Spiegel mit einer Rauigkeit mit einem Effektivwert kleiner 50 nm, bevorzugt kleiner 20 nm ausgebildet ist, wobei zwischen dem Teilelement (7) und dem unteren Spiegelelement (6) zumindest eine Trennschicht (9) ausgebildet ist.
  3. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine, bevorzugt alle Teilzellen (2, 3) aus einem Material aus der Gruppe der III-V-Halbleiter, insbesondere im Wesentlichen auf Basis von binären, ternären, quaternären und/oder quinternären Verbindungen gebildet ist.
  4. Mehrfachsolarzelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Teilzelle (3) eine Dicke kleiner 1200 nm, bevorzugt kleiner 750 nm, besonders bevorzugt kleiner 500 nm aufweist.
  5. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der oberen und unteren Teilzelle (2, 3) zumindest eine weitere Teilzelle angeordnet ist, deren Bandlücke zwischen der oberen und unteren Bandlücke liegt.
  6. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Spiegelelement (6) aus einem Metall, insbesondere Silber oder Gold, gebildet ist und/oder dass die Zwischenschicht (4) aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus einem Material aus der Gruppe der Ill-V-Halbleiter, gebildet ist, wobei vorzugsweise die Bandlücke der Zwischenschicht (4) größer der unteren Bandlücke ist.
  7. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilelement (7) als Quadratgitter, Kreuzgitter, hexagonales Gitter, Punktgitter oder als maßgeschneiderte, ungeordnete (tailored disorder) Struktur ausgebildet ist.
  8. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (8) regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet sind und/oder dass die Strukturelemente (8) eine Dicke in einer Dickenrichtung (14) zwischen 50 nm und 400 nm, bevorzugt zwischen 100 nm und 300 nm aufweisen.
  9. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (8) als Quadraten, Gitterlinien und/oder Gitterpunkte und/oder als Streuzentren, insbesondere als Nanopartikel, ausgebildet sind.
  10. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Licht zugewandten Seite oberhalb der oberen Teilzelle (3) zumindest eine optische Komponente, insbesondere ein Glas (11) und/oder eine Anti-Reflexionsschicht (12) und/oder ein oberes Spiegelelement (13), angeordnet ist.
  11. Mehrfachsolarzelle (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (11, 12, 13) eine mit der Photonenzahl der Strahlung gewichtete Transmission für Strahlung mit einer Energie größer oder gleich der unteren Bandlücke von zumindest 85%, bevorzugt von zumindest 90%, besonders bevorzugt von zumindest 93% aufweist, und/oder dass die optische Komponente (11, 12, 13) eine mit der Energie der Strahlung gewichtete Absorption für Strahlung mit einer Energie im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum einem spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums kleiner 15%, bevorzugt kleiner 10% aufweist, und/oder dass die optische Komponente (11, 12, 13) eine Emission von Strahlung im Bereich des mittleren Infrarot, insbesondere für Strahlung mit einer Wellenlänge größer 3 µm, bevorzugt größer 5µm, von größer 90%, bevorzugt von größer 95%, besonders bevorzugt von größer 98% aufweist.
  12. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung der Teilzellen (2, 3) über Kontakte an der lichtabgewandten Seite erfolgt, insbesondere mittels metal wrap through Technologie.
  13. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand (X) der Strukturelemente (8) kleiner oder gleich dem 1,2-fachen des Abstandswerts (A) und/oder größer oder gleich dem 0,8-fachen, bevorzugt dem 0,9-fachen des Abstandswerts (A) ist.
  14. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittlere Abstand (X) zwischen 230 nm und 450 nm, bevorzugt zwischen 250 nm und 400 nm beträgt.
  15. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen (8) durch ein dielektrisches Material und/oder ein Halbleitermaterial, insbesondere mit einer Bandlücke größer der unteren Bandlücke, und/oder durch einen Lack, insbesondere einen Fotolack, ausgefüllt ist.
  16. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilelement (7) und die Zwischenschicht (4) aus dem gleichen Material ausbildet sind und/oder dass das Teilelement (7) durch einen Lack, insbesondere einen Fotolack, gebildet wird.
  17. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 13 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen (8) durch die Trennschicht (9) ausgefüllt ist.
  18. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 13 oder 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (8) einen mittleren Abstand (X) kleiner einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge aufweisen, bevorzugt einen mittleren Abstand (X) kleiner oder gleich dem 1,3-fachen eines Abstandswerts (A) aufweisen, wobei sich der Abstandswert (A) aus einem Verhältnis aus einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge zu einem Brechungsindex der unteren Teilzelle (3) ergibt.
  19. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 13 oder 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (9) leitfähig ist oder dass zur Kontaktierung der Zwischenschicht (4) zwischen der Zwischenschicht (4) und dem unteren Spiegelelement (6) Punktkontakte (16) ausgebildet sind.
  20. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12 oder 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (9) aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise amorphes Silizium oder einem Titanoxid, bevorzugt Titandioxid, oder einem vorzugsweise transparent leitfähigen Oxid, beispielsweise Indiumzinnoxid oder Indiumzinkoxid oder Aluminiumzinkoxid, gebildet ist, oder dass die Trennschicht (9) aus einem vorzugsweise transparenten dielektrischen Material, beispielsweise SiO2, gebildet ist.
  21. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12 oder 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Trennschicht (9) und dem unteren Spiegelelement (6) eine Planarisierungsschicht (10) angeordnet ist, wobei die Planarisierungsschicht (10) vorzugsweise aus einem Polymer oder aus einem Dielektrikum oder einem transparent leitfähigen Oxid gebildet ist.
  22. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12 oder 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (9) und/oder die Planarisierungsschicht (10) eine Dicke zwischen 100 nm und 300 nm, bevorzugt um 200 nm aufweisen, wobei für die Trennschicht (9) sich die Dicke aus einem Abstand zwischen einem Licht abgewandten Ende des Strukturelements (8) und dem unteren Spiegelelement (6) oder der Planarisierungsschicht (10) ergibt.
  23. Verwendung einer Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 22 in extraterrestrischen Systemen und/oder in terrestrischen Konzentratorsystemen und/oder Flugobjekten und/oder Fahrzeugen und/oder Thermophotovoltaik.
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