DE112022001998T5 - Eine Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und deren Verfahren - Google Patents

Eine Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und deren Verfahren Download PDF

Info

Publication number
DE112022001998T5
DE112022001998T5 DE112022001998.0T DE112022001998T DE112022001998T5 DE 112022001998 T5 DE112022001998 T5 DE 112022001998T5 DE 112022001998 T DE112022001998 T DE 112022001998T DE 112022001998 T5 DE112022001998 T5 DE 112022001998T5
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
transmittance
absorption
solar cell
layers
solar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE112022001998.0T
Other languages
English (en)
Inventor
Shai Garty
Yuval Shamir
Axel Benichou
Michael Dovrat
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Doral Energy Tech Ventures L P
Doral Energy Tech Ventures LP
Original Assignee
Doral Energy Tech Ventures L P
Doral Energy Tech Ventures LP
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Doral Energy Tech Ventures L P, Doral Energy Tech Ventures LP filed Critical Doral Energy Tech Ventures L P
Publication of DE112022001998T5 publication Critical patent/DE112022001998T5/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • H10K30/57—Photovoltaic [PV] devices comprising multiple junctions, e.g. tandem PV cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/30—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains
    • H10K30/35—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising bulk heterojunctions, e.g. interpenetrating networks of donor and acceptor material domains comprising inorganic nanostructures, e.g. CdSe nanoparticles
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/50—Organic perovskites; Hybrid organic-inorganic perovskites [HOIP], e.g. CH3NH3PbI3
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/10—Photovoltaic [PV]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Error Detection And Correction (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Tandem-Struktur aus Perowskit und Quantenpunkten in einer Mehrschichtstruktur bereit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass jede Schicht einen bestimmten Wellenlängenbereich aufnimmt und entweder (i) einen Teil dieses Bereichs oder (ii) alle anderen Wellenlängen durchlässt. Der Wellenlängenbereich jeder Schicht wird durch ihre Zusammensetzung, Partikelgröße und Partikelkonzentration bestimmt. Die Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit umfasst eine Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, deren Gesamtdurchlässigkeit auf die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität im Verhältnis zur Wellenlänge) abgestimmt ist; ferner umfasst sie mechanisch getrennte Dünnschichtsolarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit, deren elektrische Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen monolithisch integriert sind; wobei die Lichtabsorption der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch die Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis bestimmt wird; wobei die Durchlässigkeit der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch eines oder mehrere Mitglieder einer Gruppe bestimmt wird, die aus (a) der Art der verwendeten Schichten, die verschiedene Wellenlängen absorbieren; (b) Konzentration der Absorptionszentren (die die Lichtdurchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich beeinflusst, der von den Absorptionszentren absorbiert wird); (c) Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle (die die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt. Die Erfindung stellt auch Verfahren zur Herstellung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit bereit.

Description

  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und auf agri-photovoltaische Systeme, die durch eine Solarzelle mit erhöhter selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit gekennzeichnet sind, die so gestaltet ist, dass Pflanzen unterhalb der erhöhten Strukturen wachsen. Die Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren zur Herstellung und Verwendung der Systeme sowohl im kleinen als auch im industriellen Rahmen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erzeugung nennenswerter Mengen elektrischer Energie durch photovoltaische Solarzellen erfordert eine relativ große Fläche, d. h. etwa 1,6 Quadratmeter erzeugen 250 Watt zu Spitzenzeiten oder 2 kWh pro Tag an einem typischen Sonnentag. Um nennenswerte Energiemengen zu erzeugen, sind große Landflächen erforderlich.
  • In den letzten Jahren haben einige Besitzer von Ackerland begonnen, ihr Land für die Stromerzeugung zu nutzen, indem sie eine große Anzahl von Photovoltaikmodulen installiert haben, weil sie finanzielle Vorteile daraus ziehen, oft auf Kosten der ursprünglichen landwirtschaftlichen Nutzung des Landes. Andere haben eine Möglichkeit gefunden, die gleichzeitige Nutzung von Photovoltaik und Ackerbau zu ermöglichen, indem sie die Fläche physisch aufteilen, d.h. Photovoltaikmodule auf den Dächern landwirtschaftlicher Gebäude und zwischen den Pflanzenreihen installieren, um den nicht landwirtschaftlich genutzten Raum zu nutzen. Um sicherzustellen, dass die Pflanzen selbst die erforderliche Dosis an Sonnenenergie erhalten, wird die Nutzung von PV-Modulen auf derselben Fläche in der Regel auf 30 bis 50 % begrenzt.
  • Die Photosynthese ist der wichtigste biologische Prozess, durch den Pflanzen das Sonnenlicht in eine nützliche Form von chemischer Energie umwandeln, die später in der Pflanze genutzt werden kann. Pflanzen haben spezifische Anforderungen an die tägliche Lichtmenge sowie an die Wellenlängen des Lichts, die sie für ein gesundes Pflanzenleben benötigen. Pflanzen nutzen unterschiedliche Teile des Sonnenlichtspektrums und benötigen in den verschiedenen Phasen des Pflanzenwachstums unterschiedliche Lichtintensitäten. Die Arbeit von McCree in den 1970er Jahren, siehe K.J. McCree, The action spectrum, absorptance and quantum yield of photo-synthesis in crop plants. Agric Meteorol, Band 9, Seiten 191-216 (1972), hat die Wirksamkeit festgestellt, mit der Pflanzen verschiedene Teile des Spektrums nutzen, und die „McCree-Kurve“ erstellt, die die von Pflanzen genutzte interne Quanteneffizienz im Wellenlängenbereich von 300 bis 800 nm zeigt.
  • Während der photosynthetisch aktive Bereich (PAB) des Sonnenlichts zwischen 400 und 700 nm liegt, nutzen Pflanzen auch einen Teil des Lichts außerhalb dieses Bereichs (unter 400 nm und über 700 nm). Obwohl Chlorophyll, das Hauptpigment der Photosynthese, seine Absorptionsspitzen im roten und blauen Bereich des Spektrums hat, können Pflanzen das gesamte Spektrum (einschließlich gelbes und grünes Licht) aufnehmen und benötigen es auch für andere Prozesse.
  • Pflanzen haben auch spezifische Anforderungen an die Lichtdosis in verschiedenen Wachstumsphasen. Die meisten Pflanzen benötigen jedoch selbst in ihren anspruchsvollsten Wachstumsphasen nicht die volle Intensität des Sonnenlichts. Tatsächlich verfügen Pflanzen über interne Mechanismen, um sich vor höheren als den erforderlichen Lichtintensitäten zu schützen (was zu Lichtstress führt). Die erforderliche photosynthetische Photonenflussdichte (PPFD - die Menge an PAB-Photonen, die die Pflanze pro Fläche und Zeit erreicht) liegt bei 50-60% der Sonnenintensität.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit, die auf der gesamten landwirtschaftlich genutzten Fläche eingesetzt werden kann und dabei das für die Pflanzen ideale Lichtspektrum und die ideale Lichtintensität beibehält. Durch den Vergleich des Sonnenspektrums mit der McCree-Kurve und die Berücksichtigung der PPFD oder Intensität durch die Differenz zwischen diesen Kurven wird deutlich, dass es wichtige Teile des Spektrums (sowohl in Bezug auf die Wellenlänge als auch auf die Intensität) gibt, die für die photovoltaische Energieumwandlung genutzt werden können, ohne das für ein gesundes Pflanzenwachstum erforderliche Licht zu verhindern.
  • Die Erfindung umfasst den spektralen Durchlässigkeitsgrad, den die Pflanzen benötigen (rot), und den zusätzlichen spektralen Absorptionsgrad (plus eventuellen Reflexionsgrad), den die Solarzellen aufweisen müssen (grün), damit die erforderliche Menge an Sonnenlicht die darunter liegenden Pflanzen erreichen kann.
  • Dazu verwenden wir zwei Arten von Solarzellen, die eine spezielle, maßgeschneiderte spektrale Abstimmbarkeit aufweisen - nämlich Quantenpunkt- und Perowskit-Solarzellen - und stellen eine Tandem-Solarzelle mit mehreren Schichten her, deren Gesamtabsorption (und Reflexion) dem gewünschten Wert entspricht. Diese Abstimmbarkeit kann durch die Wahl der Zusammensetzung und der Bedingungen des Herstellungsprozesses erreicht werden. Art und Größe der Quantenpunkte bestimmen ihr Absorptionsspektrum, die in Perowskit-Solarzellen verwendeten Additive erreichen das gleiche Ziel.
  • Darüber hinaus kann diese Abstimmbarkeit genutzt werden, um nicht nur die allgemeine McCree-Kurve anzupassen, sondern auch eine Kurve, die speziell auf die spektralen Anforderungen einer bestimmten Pflanzenart zugeschnitten ist, um gleichzeitig die Energienutzung und das Pflanzenwachstum zu optimieren.
  • Ein weiteres wichtiges Thema ist die Toxizität der Rohstoffe, die für die Herstellung von Solarzellen verwendet werden. Unabhängig davon, ob die Module am Ende ihres Lebenszyklus (Demontage, Recycling) oder während ihres normalen Betriebs verwendet werden, ist es sehr wünschenswert, Rohstoffe zu verwenden, die für biologische Lebensformen (sowohl Flora als auch Fauna, an Land oder im Meer) ungiftig sind, wie z. B. Blei (Pb), Arsen (As) usw., die bekanntermaßen bereits in sehr geringen Mengen giftig und gefährlich sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Tandem-Struktur aus Perowskit und Quantenpunkten in einer Mehrschichtstruktur bereitzustellen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass jede Schicht einen bestimmten Wellenlängenbereich absorbiert und entweder (i) einen Teil dieses Bereichs oder (ii) alle anderen Wellenlängen durchlässt. Der Wellenlängenbereich jeder Schicht wird durch ihre Zusammensetzung, Partikelgröße und Partikelkonzentration bestimmt. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit zu offenbaren, die eine Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien umfasst, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, deren Gesamtdurchlässigkeit auf die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität im Verhältnis zur Wellenlänge) abgestimmt ist; ferner umfassend mechanisch getrennte selektive spektrale Absorptions- und Durchlässigkeits-Dünnschicht-Solarzellen, deren elektrische Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen verbunden sind, monolithisch integriert; wobei die Lichtabsorption der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung von wellenlängenabstimmbaren verschiedenen halbleitenden Quantenpunkten und/oder verschiedenen wellenlängenabstimmbaren Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis abgestimmt wird; wobei die Durchlässigkeit der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale bestimmt wird (a) Art der verwendeten Schichten, die unterschiedliche Wellenlängenbereiche absorbieren; (b) Konzentration der Absorptionszentren (die die Lichtdurchlässigkeit in dem von den Absorptionszentren absorbierten Wellenlängenbereich beeinflusst); (c) Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle (bestimmt die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle).
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit, wie oben definiert, bereitzustellen, wobei die Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht auf die allgemeine Durchlässigkeitskurve für alle Pflanzen (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum abgestimmt sind. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit, wie oben definiert, bereitzustellen, wobei die Materialien, die die Solarzellen umfassen, für biologische Lebensformen ungiftig sind, z.B. keine Schwermetalle enthalten, einschließlich solcher, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb) besteht.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit, das die Schritte der Bereitstellung von Mehrschichtstrukturen aus Perowskit und Quantenpunkten umfasst, wobei jede Schicht einen bestimmten Wellenlängenbereich aufnimmt und entweder (i) einen Teil des Bereichs oder (ii) alle anderen Wellenlängen durchlässt. Der Wellenlängenbereich jeder Schicht wird durch ihre Zusammensetzung, Partikelgröße und Partikelkonzentration bestimmt. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit bereitzustellen, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist; Anpassen ihrer Gesamtdurchlässigkeit an die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität vs. Wellenlänge); Bereitstellen von mechanisch getrennten Dünnschichtsolarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und Verbinden der elektrischen Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen, so dass sie monolithisch integriert sind; Abstimmen der Lichtabsorption der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis: (a) Verwenden verschiedener Arten von Schichten, wodurch verschiedene Wellenlängen absorbiert werden; (b) Verwenden definierbarer Konzentrationen von Absorptionszentren, wodurch die Lichtdurchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich, der von den Absorptionszentren absorbiert wird, beeinflusst wird; (c) Definieren der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle und dadurch Bestimmen der Lichtmenge, die im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle absorbiert/durchgelassen wird.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung des oben definierten Verfahrens, wobei das Verfahren den Schritt umfasst, die Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht an eine allgemeine Durchlässigkeitskurve für alle Pflanzen (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum anzupassen, sondern an eine bestimmte Pflanzenart bei einer bestimmten physikalischen Breite (Sonnenausrichtung und -intensität). Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung des oben definierten Verfahrens, wobei das Verfahren ferner den Schritt der Verwendung von für biologische Lebensformen ungiftigen Materialien für die Solarzellen umfasst, wobei die Materialien kein Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb) enthalten. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Verwendung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit für den Anbau von landwirtschaftlichen Produkten unter photovoltaischen (Solar-) Zellen, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist; Anpassen ihrer Gesamtdurchlässigkeit an die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität als Funktion der Wellenlänge); Bereitstellen mechanisch getrennter Dünnschichtsolarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und Verbinden elektrischer Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen, so dass sie monolithisch integriert sind; Abstimmen der Lichtabsorption der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener Halbleiter-Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Perowskit-Absorptionsschichten; Bestimmen der Lichtdurchlässigkeit der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch ein oder mehrere Mitglieder einer Gruppe, die aus folgenden Merkmalen besteht (a) Verwendung verschiedener Arten von Schichten, wodurch verschiedene Wellenlängen aufgenommen werden; (b) Verwendung definierbarer Konzentrationen von Absorptionszentren, wodurch die Lichtdurchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich, der von den Absorptionszentren aufgenommen wird, beeinflusst wird; (c) Definieren der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle, wodurch die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt wird.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das oben definierte Verfahren bereitzustellen, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst, die Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht an eine allgemeine Durchlässigkeitskurve für alle Pflanzen (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum anzupassen, sondern an eine bestimmte Pflanzenart bei einer bestimmten physikalischen Breite (Sonnenausrichtung und -intensität). Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, wie es in einem der vorstehenden Punkte definiert ist, wobei das Verfahren ferner den Schritt der Verwendung von Materialien für die Solarzellen umfasst, die für biologische Lebensformen ungiftig sind, wobei die Materialien kein Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb) enthalten.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Tandem-Struktur aus Perowskit und Quantenpunkten in einer Mehrschichtstruktur bereitzustellen, wobei jede Schicht einen bestimmten Wellenlängenbereich aufnimmt und entweder (i) zumindest einen Teil des Bereichs oder (ii) alle anderen Wellenlängen durchlässt; wobei das System eine Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien umfasst, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist, deren Gesamtdurchlässigkeit auf die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität im Verhältnis zur Wellenlänge) angepasst ist; ferner umfassend mechanisch getrennte selektive spektrale Absorptions- und Durchlässigkeits-Dünnschichtsolarzellen, deren elektrische Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen monolithisch integriert sind; wobei die Lichtabsorption der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis abgestimmt wird; wobei die Lichtdurchlässigkeit der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch eines oder mehrere Mitglieder einer Gruppe bestimmt wird, die besteht aus (a) der Art der verwendeten Schichten, die verschiedene Wellenlängen aufnehmen; (b) der Konzentration der Absorptionszentren (die sich auf die Lichtdurchlässigkeit in dem von den Absorptionszentren absorbierten Wellenlängenbereich auswirkt); und (c) der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle (die die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt; und wobei die Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht auf eine allgemeine Durchlässigkeitskurve für alle Pflanzen (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum zugeschnitten sind, sondern auf einen bestimmten Pflanzentyp bei einem bestimmten physikalischen Breitengrad (Sonnenausrichtung und - intensität); und wobei ferner die Materialien, die die Solarzellen umfassen, für biologische Lebensformen ungiftig sind und keine Schwermetalle enthalten, einschließlich solcher, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb) besteht.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit bereitzustellen, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen von Mehrschichtstrukturen aus Perowskit und Quantenpunkten, wobei jede Schicht einen bestimmten Wellenlängenbereich annimmt und entweder (i) einen Teil des Bereichs oder (ii) alle anderen Wellenlängen durchlässt; ferner die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Vielzahl von n Schichten aus absorbierenden Materialien, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist; Anpassen ihrer Gesamtdurchlässigkeit an die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität gegenüber Wellenlänge); Bereitstellen mechanisch getrennter Dünnschichtsolarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und Verbinden elektrischer Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen, so dass sie monolithisch integriert sind; Abstimmen der Lichtabsorption der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis; Bestimmen der Durchlässigkeit der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch eines oder mehrere Mitglieder einer Gruppe, die aus folgenden Schritten besteht: (a) Verwenden verschiedener Arten von Schichten, wodurch verschiedene Wellenlängen absorbiert werden; (b) Verwenden definierbarer Konzentrationen von Absorptionszentren, wodurch die Durchlässigkeit von Licht in dem Wellenlängenbereich, der von den Absorptionszentren aufgenommen wird, beeinflusst wird; und (c) Definieren der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle und damit Bestimmen der Lichtmenge, die im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle absorbiert/durchgelassen wird; ferner einen Schritt, bei dem die Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht auf eine für alle Pflanzen allgemeine Durchlässigkeitskurve (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum zugeschnitten werden, sondern auf einen bestimmten Pflanzentyp bei einer bestimmten physikalischen Breite (Sonnenausrichtung und -intensität); ferner einen Schritt, bei dem für biologische Lebensformen ungiftige Materialien für die Solarzellen verwendet werden; die Materialien sind frei von Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb).
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verwendung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit für den Anbau landwirtschaftlicher Produkte unter photovoltaischen (Solar-)Zellen bereitzustellen, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist; Anpassung ihrer Gesamtdurchlässigkeit an die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität im Verhältnis zur Wellenlänge); Bereitstellung mechanisch getrennter Dünnschicht-Solarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und Verbindung elektrischer Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen, so dass sie monolithisch integriert sind; Abstimmen der Lichtabsorption der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis; Bestimmen des Durchlässigkeitsgrads der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch einen oder mehrere Vertreter einer Gruppe, bestehend aus (a) Verwendung verschiedener Arten von Schichten, wodurch verschiedene Wellenlängen absorbiert werden; (b) Verwendung definierbarer Konzentrationen von Absorptionszentren, wodurch die Lichtdurchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich, der von den Absorptionszentren absorbiert wird, beeinflusst wird; und (c) Festlegung der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle, wodurch die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt wird.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verwendung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit für den Anbau landwirtschaftlicher Produkte unter photovoltaischen (Solar-)Zellen bereitzustellen, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist; Anpassen ihrer Gesamtdurchlässigkeit an die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität gegenüber Wellenlänge); Bereitstellen von mechanisch getrennten Dünnschichtsolarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und Verbinden von elektrischen Kontakten außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen, so dass sie monolithisch integriert sind; Abstimmen der Lichtabsorption der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis; Bestimmen der Durchlässigkeit der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch ein oder mehrere Mitglieder einer Gruppe, die aus folgenden Schritten besteht: (a) Verwenden verschiedener Arten von Schichten, wodurch verschiedene Wellenlängen absorbiert werden; (b) Verwenden definierbarer Konzentrationen von Absorptionszentren, wodurch die Durchlässigkeit von Licht in dem Wellenlängenbereich, der von den Absorptionszentren absorbiert wird, beeinflusst wird; und (c) Festlegen der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle, wodurch die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt wird; Anpassung der Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht an eine für alle Pflanzen geltende Durchlässigkeitskurve (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum, sondern an eine bestimmte Pflanzenart bei einem bestimmten Breitengrad (Sonnenausrichtung und -intensität) und Verwendung von für biologische Lebensformen ungiftigen Materialien für die Solarzellen; die Materialien sind frei von Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb).
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden werden die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben. In der folgenden Beschreibung beziehen sich die gleichen Referenznummern auf die gleichen Komponenten. Im Allgemeinen werden nur die Unterschiede zu den einzelnen Ausführungsformen beschrieben. Jedes Beispiel dient zur Erläuterung der Erfindung und ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Darüber hinaus können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform abgebildet oder beschrieben sind, an oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform zu erhalten. Die Beschreibung soll derartige Änderungen und Variationen einschließen.
  • Der Begriff „Solarzellenmodul“ bezeichnet in der vorliegenden Erfindung einen strukturellen Körper, der eine Vielzahl von Solarzellen (photovoltaische Elemente) umfasst, die elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind, während sie mit einem Dichtungsmaterial, das ein organisches Dichtungsharz enthält, abgedichtet sind. Der Begriff „Solarzellenmodulstring“ bezeichnet einen String, der mehrere Solarzellenmodule umfasst, die elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind. In einigen Ausführungsformen bezieht sich der Begriff „Solarzelle“ auf die Komponente zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. In einigen Ausführungsformen können die Begriffe „Solarzelle“ und „Batterieplatte“ austauschbar verwendet werden. In einigen Ausführungsformen ist eine Solarzelle auf Silizium-Basis. In einigen Ausführungsformen verwendet eine Solarzelle kein Silizium und besteht stattdessen aus einer Glas- oder Kunststofffolie.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Solarzelle Komposit-Solarmaterialien, z.B. Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS), Cadmiumtellurid (CdTe), Galliumarsenid (GaAs). In einigen Ausführungsformen kann eine Solarzelle organische Solarmaterialien oder polymere Solarmaterialien enthalten. In einigen Ausführungsformen kann eine Solarzelle eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle sein. Ziel ist es, die Kosten, die Größe und/oder die Komplexität von Solargeräten zu reduzieren und gleichzeitig die Robustheit der Geräte zu erhalten und vorzugsweise zu verbessern. Dementsprechend ist es wünschenswert, verbesserte Solarzellen zu entwickeln. Obwohl sich der Begriff „Solarzelle“ auf „Solar“ bezieht und somit andeutet, dass sie für den Betrieb mit Sonnenlicht ausgelegt ist, wird der Begriff „Solarzelle“ in der Fachwelt allgemein für Geräte verwendet, die elektromagnetische Strahlung aus einer beliebigen Quelle (Sonnenlicht oder andere) in elektrische Energie umwandeln. Der Begriff „Solarzelle“ wird in einigen der hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet, um sich auf Geräte zu beziehen, die elektromagnetische Strahlung aus einer beliebigen Quelle in elektrische Energie umwandeln. Der Begriff ist weit genug gefasst, um auch Geräte einzuschließen, die Licht aus Bereichen des elektromagnetischen Spektrums umwandeln, die außerhalb der Wellenlängen liegen, die hauptsächlich mit Sonnenlicht verbunden sind.
  • Der Begriff „Lösung“ wird hier verwendet, um sich auf eine Mischung aus einem Feststoff und einer Flüssigkeit zu beziehen. Während sich der Begriff „Lösung“ in einigen Ausführungsformen auf ein Gemisch bezieht, in dem der Feststoff in der Flüssigkeit gelöst ist, umfasst dieser Begriff auch eine kolloidale Lösung oder eine Dispersionslösung, in der die festen Partikel in der Flüssigkeit verteilt sind.
  • Die im Folgenden beschriebene Technologie bezieht sich auf eine Tandem-Struktur einer Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit, die Perowskit und Quantenpunkte in einer Mehrschichtstruktur enthält. Das System ist gemäß einer Reihe von Ausführungsformen zumindest teilweise transparent, so dass seine Transparenz in einem relevanten Wellenlängenbereich von etwa 5% bis etwa 95% der eingestrahlten Intensität reicht. Beispielsweise ist die Solarzelle transparent und so gestaltet oder durchlässig, dass sie mindestens etwa 50% oder alternativ mindestens 90% oder alternativ mindestens 99% der Intensität oder alternativ mehr als etwa 5% oder alternativ mehr als 10% oder alternativ mehr als 25% oder alternativ mehr als etwa 50% durchlässt; wobei sich der Begriff „etwa“ auf einen Wert bezieht, der größer oder kleiner als bis zu 20% des definierten Maßes ist.
  • Teile für Perowskit-Solarzellen
  • Wie in US 2020/0127204 A1 und anderswo definiert, bezieht sich der Begriff „Perowskit“, wie er hier verwendet wird, auf ein Material mit der allgemeinen Strukturformel QZX3, wobei Q und Z Kationen unterschiedlicher Größe sind und X ein Anion ist. Fachleute werden auch verstehen, dass ein Perowskit-Material durch die Formel [Q][Z][X]3 dargestellt werden kann, wobei Q mindestens ein Kation ist, Z mindestens ein Kation ist und X mindestens ein Anion ist. In einigen Ausführungsformen ist die „Q“-Komponente des Materials ausgewählt aus Methylammonium CH3NH3 (MA), Formamidinum CH(NH2)2 (FA), n-Butylammonium, Tetra-Butylammonium C4H9NH3 (BA) und Kombinationen davon, die Z-Komponente ist ausgewählt aus einem Übergangsmetall wie Pb, Sn, Cs oder Kombinationen davon; und die X-Komponente ist ausgewählt aus einem Halogen wie I, Cl, Br und Varianten davon. Zusätzlich oder alternativ bezieht sich im Falle eines organometallischen Halogenids die Q-Stelle auf eine organische Gruppe, Z stellt ein Metall wie Blei oder Cäsium dar und X ist eine Halogenidgruppe wie Jodid, Chlorid, Fluorid oder Bromid. Geeignete Perowskit-Materialien sind zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, Materialien aus der Gruppe bestehend aus MAPbI3, MAPbBr3, MAPbIxBr3-x, MAPbIxCI3-x, FAPbI3, FAPbBr3, FAPbIxBr3-x, FAPbIXCl3-x, BAPbI3, BAPbBr3, BAPbIxBr3-x, BAPbIxCl3-x, MASnI3, MASnBr3, MASnIxBr3-x, FASnI3, FASnBr3, FASnIxBr3-x, FASnIxCl3-x, BASnI3, BASnBr3, BASnIxBr3-x, BASnIxCl3-x, FAyCszMA1-y-x(I1-xBrx)3, sowie Kombinationen und Mischungen davon. In einigen Beispielen umfasst die Perowskit-Schicht CH3NH3PbI3 (MAPbI3). In einigen Beispielen wird die Perowskitschicht durch ein Lösungsverfahren hergestellt, wie z.B. durch Schleuderbeschichtung oder ein Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren. Die Perowskitschichten können aus einem Perowskit-Material, wie hier beschrieben, hergestellt werden.
  • Die Perowskitschicht kann beispielsweise eine durchschnittliche Dicke von 300 nm oder mehr aufweisen, z.B. 325 nm oder mehr, 350 nm oder mehr, 375 nm oder mehr, 400 nm oder mehr, 425 nm oder mehr, 450 nm oder mehr, 475 nm oder mehr, 500 nm oder mehr, 550 nm oder mehr, 600 nm oder mehr, 650 nm oder mehr, 700 nm oder mehr, 750 nm oder mehr, 800 nm oder mehr, 850 nm oder mehr oder 900 nm oder mehr. In einigen Beispielen kann die Perowskitschicht eine durchschnittliche Dicke von 1000 nm oder weniger aufweisen, z.B. 950 nm oder weniger, 900 nm oder weniger, 850 nm oder weniger, 800 nm oder weniger, 750 nm oder weniger, 700 nm oder weniger, 650 nm oder weniger, 600 nm oder weniger, 550 nm oder weniger, 500 nm oder weniger, 475 nm oder weniger, 450 nm oder weniger, 425 nm oder weniger, 400 nm oder weniger, 375 nm oder weniger oder 350 nm oder weniger. Die durchschnittliche Dicke der Perowskitschicht kann zwischen einem der oben beschriebenen Minimalwerte und einem der oben beschriebenen Maximalwerte liegen. Zum Beispiel kann die Perowskitschicht eine durchschnittliche Dicke von 300 nm bis 1000 nm haben; z.B., von 300 nm bis 650 nm, von 650 nm bis 1000 nm, von 300 nm bis 400 nm, von 400 nm bis 500 nm, von 500 nm bis 600 nm, von 600 nm bis 700 nm, von 700 nm bis 800 nm, von 800 nm bis 900 nm, von 900 nm bis 1000 nm, von 300 nm bis 500 nm, oder von 400 nm bis 900 nm. Die Dicke der Perowskitschicht kann mittels Rasterelektronenmikroskopie im Querschnitt bestimmt werden.
  • Solarzellen aus Quantenpunkten (OD)
  • Der Begriff „Quantenpunkte“ bezieht sich hier auf einen Halbleiterkristall, der typischerweise mehrere Nanometer groß ist, z.B. von etwa 1 nm bis etwa 100 nm.
  • Zusammensetzung der für die Landwirtschaft geeigneten QD: Die Bandlücken von Quantenpunkten sind über einen breiten Bereich von Energieniveaus abstimmbar und können durch die Größe der Quantenpunkte gesteuert werden. Dies steht im Gegensatz zu Massenmaterialien, bei denen die Bandlücke durch die Wahl der Materialzusammensetzung festgelegt ist. Diese Eigenschaft macht Quantenpunkte attraktiver für Mehrfachsolarzellen, bei denen eine Vielzahl von Energieniveaus mehr Energie aus dem Sonnenspektrum umwandeln kann. Die Hälfte der Sonnenenergie, die die Erde erreicht, liegt im Infrarotbereich, der größte Teil davon im nahen Infrarotbereich. Bei einer Quantenpunkt-Solarzelle sind IR-empfindliche Materialien genauso einfach zu verwenden wie alle anderen und eröffnen die Möglichkeit, viel mehr Energie kostengünstig einzufangen. QDs können einfach durch Schleuderbeschichtung auf ein transparentes Substrat aufgebracht werden. In der Großserienproduktion könnte die Abscheidung durch Sprüh- oder Walzendrucksysteme erfolgen, die relativ kostengünstige Verfahren sind. Die Zusammensetzung der QDs ist ungiftig für Menschen, Tiere und Pflanzen, für den Fall, dass die Platte versagt, für die Herstellung der Platte oder für Recyclingzwecke. QDs bestehen aus Schwermetallnanokristallen, die in einer transparenten Glas- oder Kunststoffplatte verteilt sind.
  • Gemäß einer Reihe von Ausführungsformen ist die Schwermetallzusammensetzung ungiftig und enthält kein Cadmium, Quecksilber, Arsen oder Blei. Eine cadmiumfreie QD-Zusammensetzung kann zum Beispiel dotiertes ZnS/ZnSe, Graphen, Silizium und CsSnI3 enthalten.
  • Gemäß einer weiteren Reihe von Ausführungsformen kann die QD-Lösung QD umfassen, die mit Octadecen, Oleylamin, Ölsäure und/oder oberflächenaktiven Mitteln/Liganden beschichtet sind.
  • Gemäß einer anderen Gruppe von Ausführungsformen kann die QD-Lösung flüssige Träger wie Ethanol, Toluol und Hexan enthalten.
  • Gemäß einer anderen Reihe von Ausführungsformen kann die QD-Lösung Poly(vinylalkohol) (z.B. PVA, Mw 100.000) enthalten, der als Beschichtungsmittel für Indiumzinnoxid (ITO)-Substrate nützlich ist und eine flächige Textur ergibt.
  • Gemäß einer anderen Reihe von Ausführungsformen umfasst die Kernzusammensetzung einen Nanokristall, der z.B. Folgendes umfasst, Zink, Aluminium, Gallium, Indium, Thallium, Silber, Gold, Kupfer, Kobalt, Eisen, Nickel, Tellurid, Antimon, Silizium, Mangan, Indium, Selen, Schwefel und jede Kombination davon, einschließlich unter anderem Zinksulfid, Zinkoxid, Zinkselenid, Zink-Tellurid, Aluminiumnitrid, Aluminiumsulfid, Aluminiumphosphid, Aluminium-Antimonid, Aluminium-Indiumnitrid, Indium-Aluminiumphosphid, Aluminium-Galliumphosphid, Aluminium-Indium-Galliumnitrid, Galliumnitrid, Galliumphosphid, Galliumantimonid, Indiumnitrid, Indiumphosphid, Indiumantimonid, Indiumgalliumnitrid, Indiumgalliumphosphid, Thalliumnitrid, Thalliumphosphid, Thalliumantimonid, Silber-Indiumselenid-Sulfid, Silber-Indiumselenid, Gold-Indium-Selenid-Sulfid, Gold-Indium-Sulfid, Kupfer-Aluminium-Selenid-Sulfid, Kupfer-Gallium-Selenid-Sulfid, Kupfer-Aluminium-Selenid, Kupfer-Gallium-Selenid, Kupfer-Indium-Selenid-Sulfid und alle Derivate und Kombinationen davon.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die QD-Lösung einen Kern und eine Schale umfassen, wie sie in der Literatur beschrieben sind, beispielsweise in US 2019/0051779 A1 „Colorless luminescent solar concentrators using colloidal semiconductor nanocrystals“.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Schalenmaterial verwendet, um die Stabilität des Kerns zu erhöhen, eine gute Verteilung auf einer Matrix zu ermöglichen und die photolumineszente Intensität des Kern-Nanokristalls zu verbessern.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform zeichnen sich QDs durch ihre abstimmbare Bandlücke aus. Eine solche Abstimmung ist nützlich, indem man die Partikelgröße der QDs verändert und die Zusammensetzung der Metallchalcogenide abstimmt, indem man z.B. die Stöchiometrie der Partikel verändert.
  • QDs-Synthese und Definition ihres Emissionsbereichs
  • Im Rahmen der Erfindung werden QDs mit allen handelsüblichen Mitteln und Methoden hergestellt und strukturiert, einschließlich der Verwendung von Kationenaustausch und synthetischen SILAR-Ansätzen oder beidem. Sowohl für die Synthese als auch für die Definition des Emissionsbereichs wird auf die anwendbaren Methoden verwiesen, die in Adegoke, O., Park, E. Size-confined fixed-composition, and composition-dependent engineered band gap alloying induces different internal structures in L-cysteine-capped alloyed quaternary CdZnTeS quantum dots. Sci Rep 6, 27288 (2016); und Haiguang Zhao, Federico Rosei, Colloidal Quantum Dots for Solar Technologies, Chem, 3, 2,2017, Seiten 229-258, dargestellt werden.
  • Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die vorgenannte Technologie beim Bau von erhöhten Strukturen, z.B. abgehängten Konstruktionen oder anderen Anordnungen, die oberhalb des Bodens angebracht sind und die nachstehend definierten Zusammensetzungen enthalten, angewendet wird. Die erhöhten Strukturen eignen sich für die Installation von Photovoltaikzellen, Solarzellen und anderen Mitteln zur Nutzung der elektromagnetischen Sonnenstrahlung und deren Wärme. Diese Paneele mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit ermöglichen sowohl eine effiziente als auch eine flächensparende agrarwirtschaftliche Nutzung, wie unten definiert: Unter und unterhalb der erhöhten Strukturen befinden sich niedrigere Flächen, die für andere, Sonne (Licht und Wärme) benötigende Nutzungen eingesetzt werden können, darunter Lebensräume für Menschen und Tiere, Landwirtschaft, z.B. Anbau von Ackerpflanzen, Bodenvegetation, Gartenbau, Aquakultur usw.
  • D.h. im Rahmen der Erfindung, bei der eine Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit eine Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien umfasst, wobei n eine ganze Zahl ist, die gleich oder größer als 1 ist, z.B. 2, 6 oder 20, deren Gesamtdurchlässigkeit auf die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität im Verhältnis zur Wellenlänge) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgestimmt ist. Mindestens eine erste erhöhte Struktur trägt eine photovoltaische Zelle (2), die oberhalb des Bodens angebracht ist, wo die Pflanzen (4) in einem natürlichen Lebensraum mit Insekten (5) usw. wachsen. Die Sonne (1) strahlt elektromagnetische Spektren aus, von denen ein Teil von der selektiven spektralen Absorptions- und Durchlässigkeits-Photovoltaikzelle zur Energieerzeugung genutzt wird und ein anderer Teil (3), z.B. Spektren zwischen Blau, Grün und Rot (d.h. zwischen ca. 400 und ca. 800 nm), für landwirtschaftliche und städtische Zwecke verwendet wird. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die photovoltaische Zelle (2) ferner mechanisch getrennte Dünnschicht-Solarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit, deren elektrische Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen verbunden sind, die monolithisch integriert sind, d.h. zusammen auf einem Substrat angebaut oder zusammengesetzt sind und innerhalb der Solarzellen elektrisch und mechanisch verbunden sind (z.B. mit transparenten leitenden Oxidschichten); und sowohl (i) als auch (ii) - Teile sind mechanisch getrennt und Teile sind monolithisch integriert. Die photovoltaische (Solar-)Zelle (2) absorbiert Licht in verschiedenen Wellenlängen, indem verschiedene zumindest teilweise leitende Quantenpunkte und/oder verschiedene wellenlängenabstimmbare Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis verwendet werden. Die weitere Durchlässigkeit der Zelle (2) bei verschiedenen Wellenlängen wird durch eines oder mehrere Mitglieder einer Gruppe bestimmt, die aus folgenden Schritten besteht: (a) Verwenden verschiedener Arten von Schichten, wodurch verschiedene Wellenlängen absorbiert werden; (b) Verwenden definierbarer Konzentrationen von Absorptionszentren, wodurch die Durchlässigkeit von Licht in dem Wellenlängenbereich, der von den Absorptionszentren absorbiert wird, beeinflusst wird; und (c) Festlegen der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle, wodurch die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt wird.
  • Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die erhöhte Struktur den größten Teil der Fläche der unteren Oberfläche bedeckt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung deckt die erhöhte Struktur bis zu etwa 51% der unteren Fläche ab. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung deckt die erhöhte Struktur bis zu etwa 75% der unteren Fläche ab. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung bedeckt die erhöhte Struktur bis zu etwa 95% der unteren Fläche. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bedeckt die erhöhte Struktur mehr als 95% der unteren Fläche.
  • Die Erfindung sieht vor, dass die erhöhten Strukturen sowohl (a) den Abfluss von Regen als auch (b) die Verdunstung von Feuchtigkeit ermöglichen.
  • Es ist auch im Rahmen der Erfindung, wobei mindestens eine erste erhöhte Struktur in einer ersten Höhe angeordnet ist; und mindestens eine zweite erhöhte Struktur in einer zweiten (höheren) Höhe angeordnet ist. Die mindestens eine zweite (höhere) Struktur bedeckt mindestens einen ersten Teil der mindestens einen ersten (bzw. niedrigeren) erhöhten Struktur, und beide bedecken mindestens einen zweiten Teil des Bodens (d.h. die unterste Fläche).
  • Es ist auch im Rahmen der Erfindung, dass eine Stapelanordnung eine Vielzahl von erhöhten Strukturen und eine Vielzahl von niedrigen Flächen umfasst. So fängt eine höher gelegene Struktur eines ersten Typs von photovoltaischen Zellen oder Solarsystemen das mindestens eine erste Energiespektrum der Sonne ein. Darunter befindet sich ein erstes landwirtschaftliches Produktionssystem, z.B. eine Aquakultur in einem transparenten Behälter. Darunter befindet sich eine unterste erhöhte Struktur eines zweiten Typs von photovoltaischen Zellen oder Solarsystemen, die das mindestens eine zweite Energiespektrum der Sonne einfangen. Darunter befindet sich ein zweites landwirtschaftliches Produktionssystem, z.B. für den Anbau von Feldkulturen.
  • Neuer Standard für kombinierte Nutzung für Landwirtschaft und Photovoltaik
  • Während die Landwirtschaftsministerien die landwirtschaftliche Nutzung von Photovoltaikflächen einschränken, unterstützen die Energieministerien eine solche Nutzung nachdrücklich. Die vorliegende Erfindung stellt daher Mittel und Verfahren für eine vollständige photovoltaische Nutzung zur Verfügung, die keine Beschränkung auf die Landwirtschaft hat.
  • In einer Reihe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden verschiedene Zusammensetzungen von PS offenbart, die alle eine selektive spektrale Absorption und Durchlässigkeit aufweisen und daher für den Einsatz in der Landwirtschaft geeignet sind. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Verfahren zur Herstellung von PS und QD mit selektiver Absorption und Durchlässigkeit und mehrschichtigem Aufbau bereitgestellt.
  • Im Folgenden werden verschiedene Zusammensetzungen von PS und QD mit spezifischen Wellenlängen, Größen und Zusammensetzungen bereitgestellt: Bleihaltige Perowskite haben eine Energieumwandlungseffizienz (PCE) von über 25% im Labor, eine schlechte Lebensdauer (<2.000 Stunden) und starke Auswirkungen auf die Umwelt aufgrund der möglichen Freisetzung von Blei in löslicher Form. Es wurde versucht, diese Umweltprobleme durch die Suche nach alternativen Elementen zu Blei zu lösen. Ein Ansatz besteht darin, die Freisetzung von bleihaltigen Verbindungen durch chemische Bindung zu verhindern. Ein anderer Ansatz ist die Verbesserung der Versiegelung des Moduls (mechanische Verbesserung).
  • BEISPIEL 1
  • Ein Aspekt der Erfindung ist daher die Verwendung von Organometallhalogenid-Perowskiten mit erhöhter optischer Absorption im Rot/IR-Bereich. CH3NH3PbX3 (X ist ein Halogenatom), wobei Pb replizierbar ist. Charakteristische Absorptionsspitzen in Perowskiten werden auf die meisten Wellenlängen des sichtbaren Spektrums angepasst, indem das Metallatom (Ge, Sn und Pb), das Halogen (Cl, Br und I) und/oder die Dicke der anorganischen Schicht eingestellt wird. Der typische Perowskit CH3NH3PbI3 weist einen steilen Absorptionsbeginn bei 825 nm (1,5 eV) mit einem großen Absorptionskoeffizienten von etwa 5.105 cm-1 auf. Pb-Perowskite, die aus (CH3NH3 +) oder (HC(NH2)2 + Kationen und Iodid (Anion) bestehen, emittieren zwischen 700 und 800 nm, während die Emission ähnlicher Sn-Perowskite zwischen 850 und 1000 nm liegt und damit einen breiten Bereich des nahen IR-Spektrums abdeckt (Photolumineszenz).
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung bleifreier Organometallhalogenid-Perowskite: Pb ist durch Sn, Bi, Ge, Sb und Cu replizierbar. Es wird hier offenbart, dass die Lebensdauer durch Hinzufügen von Abstandshaltern im Kristallgitter verbessert werden kann: Phenylethylammoniumchlorid (PEAC1). Bleifreier Organometallhalogenid-Perowskit ist mit einer Bandlücke von unter 1,48 eV verwendbar. Bleifreies Perowskit, das für photovoltaische Solarzellen verwendet werden kann, ist (CH3NH3)3Bi2I9, Cs2SnI6, Methylammoniumzinnjodid (MASnI3), Formamidiniumzinnjodid (FASnI3), Cäsiumzinnjodid (CsSnI3), Bandlücken von etwa 1,2-1,4 eV für Perowskit auf Bleibasis, Bandlücken von etwa 1,1 bis 2,5 eV für bleifreies.
  • Daher ist eine Tandem-Struktur aus Perowskiten und Quantenpunkten in einer mehrschichtigen Struktur nützlich. Jede Schicht nimmt einen bestimmten Wellenlängenbereich auf und überträgt entweder (i) zumindest einen Teil dieses Bereichs oder (ii) alle anderen Wellenlängen. In einer nützlichen Ausführungsform umfasst das System eine Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, deren Gesamtdurchlässigkeit auf die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität im Verhältnis zur Wellenlänge) abgestimmt ist; ferner umfasst es mechanisch getrennte Dünnschichtsolarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit, deren elektrische Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen monolithisch integriert sind.
  • In einer anderen nützlichen Ausführungsform wird die Lichtabsorption der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch die Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis abgestimmt.
  • In einer anderen nützlichen Ausführungsform wird der Durchlässigkeitsgrad der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch eines oder mehrere Mitglieder einer Gruppe bestimmt, die besteht aus (a) der Art der verwendeten Schichten, die verschiedene Wellenlängen absorbieren; (b) der Konzentration der Absorptionszentren (die den Lichtdurchlässigkeitsgrad in dem Wellenlängenbereich beeinflusst, der von den Absorptionszentren absorbiert wird); und (c) der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle (die die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts gegenüber anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt.
  • In einer anderen nützlichen Ausführungsform sind die Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht auf eine allgemeine Durchlässigkeitskurve für alle Pflanzen (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum zugeschnitten, sondern auf eine bestimmte Pflanzenart auf einem bestimmten Breitengrad (Sonnenausrichtung und -intensität).
  • In einer weiteren nützlichen Ausführungsform sind die Materialien, aus denen die Solarzellen bestehen, für biologische Lebensformen ungiftig und enthalten keine Schwermetalle, einschließlich solcher, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb) besteht.
  • BEISPIEL 2
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung, nämlich ein Verfahren zur Herstellung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit, wurde bereitgestellt, das die Schritte der Bereitstellung von Mehrschichtstrukturen aus Perowskit und Quantenpunkten umfasst, wobei jede Schicht einen bestimmten Wellenlängenbereich annimmt und entweder (i) einen Teil des Bereichs oder (ii) alle anderen Wellenlängen durchlässt.
  • In einer weiteren nützlichen Ausführungsform umfasst das Verfahren außerdem die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist; Anpassen ihrer Gesamtdurchlässigkeit an die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität gegenüber Wellenlänge); Bereitstellen von mechanisch getrennten Dünnschichtsolarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und Verbinden von elektrischen Kontakten außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen, so dass sie monolithisch integriert sind; Abstimmen der Lichtabsorption der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis; Bestimmen der Durchlässigkeit der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch eines oder mehrere Mitglieder einer Gruppe, die aus folgenden Schritten besteht: (a) Verwenden verschiedener Arten von Schichten, wodurch verschiedene Wellenlängen absorbiert werden; (b) Verwenden definierbarer Konzentrationen von Absorptionszentren, wodurch die Durchlässigkeit von Licht in dem Wellenlängenbereich, der von den Absorptionszentren absorbiert wird, beeinflusst wird; und (c) Definieren der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle, wodurch die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt wird.
  • In einer weiteren nützlichen Ausführungsform umfasst das Verfahren außerdem den/die Schritt(e) der Anpassung der Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht an eine für alle Pflanzen allgemeine Durchlässigkeitskurve (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum, sondern an eine bestimmte Pflanzenart bei einem bestimmten Breitengrad (Sonnenausrichtung und -intensität).
  • In einer weiteren nützlichen Ausführungsform umfasst das Verfahren außerdem die Verwendung von für biologische Lebensformen ungiftigen Materialien für die Solarzellen; die Materialien sind frei von Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb).
  • BEISPIEL 3
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung, nämlich ein Verfahren zur Verwendung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit für den Anbau von landwirtschaftlichen Produkten unter photovoltaischen (Solar-)Zellen, wurde als brauchbar befunden.
  • Das Verfahren umfasst die Schritte der Bereitstellung einer Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist; der Anpassung ihrer Gesamtdurchlässigkeit an die von den Pflanzen benötigte Absorption (Lichtintensität im Verhältnis zur Wellenlänge); der Bereitstellung mechanisch getrennter Dünnschichtsolarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und der Verbindung elektrischer Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen, so dass sie monolithisch integriert sind; Abstimmen der Lichtabsorption der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis; Bestimmen des Durchlässigkeitsgrads der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch einen oder mehrere Vertreter einer Gruppe, bestehend aus (a) Verwendung verschiedener Arten von Schichten, wodurch verschiedene Wellenlängen absorbiert werden; (b) Verwendung definierbarer Konzentrationen von Absorptionszentren, wodurch die Lichtdurchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich, der von den Absorptionszentren absorbiert wird, beeinflusst wird; und (c) Definieren der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle, wodurch die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts gegenüber anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt wird; Anpassung der Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht an eine für alle Pflanzen geltende Durchlässigkeitskurve (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum, sondern an eine bestimmte Pflanzenart bei einem bestimmten Breitengrad (Sonnenausrichtung und -intensität) und Verwendung von für biologische Lebensformen ungiftigen Materialien für die Solarzellen; die Materialien sind frei von Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb).
  • Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen der Erläuterung, sind jedoch nicht als vollständig oder auf die offengelegten Ausführungsformen beschränkt zu betrachten. Viele Änderungen und Ausführungen werden für den Fachmann offensichtlich sein, ohne dass der Umfang und der Geist der beschriebenen Ausführungsformen beeinträchtigt werden. Die hier verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Grundsätze der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder die technische Verbesserung gegenüber den auf dem Markt befindlichen Technologien bestmöglich zu erläutern oder um es anderen, die über normale Fachkenntnisse verfügen, zu ermöglichen, die hier bereitgestellten Ausführungsformen zu verstehen.
  • 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
    • US 20200127204 A1 [0026]
    • US 20190051779 A1 [0035]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Jahren, siehe K.J. McCree, The action spectrum, absorptance and quantum yield of photo-synthesis in crop plants. Agric Meteorol, Band 9, Seiten 191-216 [0004]

Claims (14)

  1. Eine Tandem-Struktur aus Perowskit und Quantenpunkten in einer Mehrschichtstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht einen bestimmten Wellenlängenbereich aufnimmt und entweder (i) zumindest einen Teil dieses Bereichs oder (ii) alle anderen Wellenlängen durchlässt.
  2. Die Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit nach Anspruch 1, wobei das System eine Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien umfasst, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist, deren Gesamtdurchlässigkeit auf die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität im Verhältnis zur Wellenlänge) abgestimmt ist; ferner umfassend mechanisch getrennte Dünnschichtsolarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit, deren elektrische Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen monolithisch integriert sind; wobei die Lichtabsorption der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch die Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis bestimmt wird; wobei die Durchlässigkeit der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch eines oder mehrere Mitglieder einer Gruppe bestimmt wird, die aus (a) der Art der verwendeten Schichten, die verschiedene Wellenlängen absorbieren; (b) Konzentration der Absorptionszentren (die die Lichtdurchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich beeinflusst, der von den Absorptionszentren absorbiert wird); und (c) Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle (die die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt.
  3. Die Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht auf eine für alle Pflanzen allgemeine Durchlässigkeitskurve (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum zugeschnitten sind, sondern auf eine bestimmte Pflanzenart bei einem bestimmten Breitengrad (Sonnenausrichtung und - intensität).
  4. Die Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei die Materialien, aus denen die Solarzellen bestehen, für biologische Lebensformen ungiftig sind und keine Schwermetalle enthalten, einschließlich solcher, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb) besteht.
  5. Ein Verfahren zur Herstellung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen von Mehrschichtstrukturen aus Perowskit und Quantenpunkten, wobei jede Schicht einen bestimmten Wellenlängenbereich aufnimmt und entweder (i) einen Teil des genannten Bereichs oder (ii) alle anderen Wellenlängen durchlässt.
  6. Das Verfahren nach Anspruch 5, das ferner die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist; Anpassen ihrer Gesamtdurchlässigkeit an die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität gegenüber Wellenlänge); Bereitstellen von mechanisch getrennten Dünnschicht-Solarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und Verbinden von elektrischen Kontakten außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen, so dass sie monolithisch integriert sind; Abstimmen der Lichtabsorption der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis; Bestimmung der Lichtdurchlässigkeit der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch eines oder mehrere Mitglieder einer Gruppe, die aus folgenden Elementen besteht: (a) Verwendung verschiedener Arten von Schichten, wodurch verschiedene Wellenlängen absorbiert werden; (b) Verwendung definierbarer Konzentrationen von Absorptionszentren, wodurch die Lichtdurchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich, der von den Absorptionszentren absorbiert wird, beeinflusst wird; und (c) Definition der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle, wodurch die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts gegenüber anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt wird.
  7. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6 umfasst den Schritt, die Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht auf eine für alle Pflanzen allgemeine Durchlässigkeitskurve (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum abzustimmen, sondern auf einen bestimmten Pflanzentyp bei einer bestimmten physikalischen Breite (Sonnenausrichtung und -intensität).
  8. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7 umfasst ferner den Schritt der Verwendung von für biologische Lebensformen ungiftigen Materialien für die Solarzellen; die Materialien sind frei von Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb).
  9. Ein Verfahren zur Verwendung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit für den Anbau landwirtschaftlicher Produkte unter photovoltaischen (Solar-)Zellen, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist; Anpassen ihrer Gesamtdurchlässigkeit an die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität gegenüber Wellenlänge); Bereitstellen mechanisch getrennter Dünnschicht-Solarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und Verbinden elektrischer Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen, so dass sie monolithisch integriert sind; Abstimmen der Lichtabsorption der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis; Bestimmen des Durchlässigkeitsgrads der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch eines oder mehrere Mitglieder einer Gruppe, bestehend aus (a) Verwendung verschiedener Arten von Schichten, wodurch verschiedene Wellenlängen absorbiert werden; (b) Verwendung definierbarer Konzentrationen von Absorptionszentren, wodurch die Lichtdurchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich, der von den Absorptionszentren aufgenommen wird, beeinflusst wird; und (c) Festlegung der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle, wodurch die Menge des absorbierten/übertragenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt wird.
  10. Das Verfahren nach Anspruch 9 umfasst den Schritt, die Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht auf eine für alle Pflanzen allgemeine Durchlässigkeitskurve (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum abzustimmen, sondern auf eine bestimmte Pflanzenart bei einem bestimmten physikalischen Breitengrad (Sonnenausrichtung und -intensität).
  11. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10 umfasst ferner den Schritt der Verwendung von Materialien für die Solarzellen, die für biologische Lebensformen ungiftig sind; diese Materialien sind frei von Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb).
  12. Eine Tandem-Struktur aus Perowskit und Quantenpunkten in einer Mehrschichtstruktur, wobei jede Schicht einen spezifischen Wellenlängenbereich aufnimmt und entweder (i) mindestens einen Teil dieses Bereichs oder (ii) alle anderen Wellenlängen durchlässt; wobei das System eine Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien umfasst, wobei n eine ganze Zahl ist, die gleich oder größer als 1 ist, deren Gesamtdurchlässigkeit auf die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität gegenüber Wellenlänge) abgestimmt ist; ferner umfassend mechanisch getrennte selektive spektrale Absorptions- und Durchlässigkeits-Dünnschicht-Solarzellen, deren elektrische Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen monolithisch integriert sind; wobei die Lichtabsorption der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis abgestimmt wird; wobei der Durchlässigkeitsgrad der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch eines oder mehrere Mitglieder einer Gruppe bestimmt wird, die aus (a) der Art der verwendeten Schichten, die verschiedene Wellenlängen absorbieren; (b) der Konzentration der Absorptionszentren (die den Durchlässigkeitsgrad des Lichts in dem von den Absorptionszentren absorbierten Wellenlängenbereich beeinflusst); und (c) der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle (die die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt; und wobei die Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht auf eine für alle Pflanzen allgemeine Durchlässigkeitskurve (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum zugeschnitten sind, sondern auf einen bestimmten Pflanzentyp bei einem bestimmten physikalischen Breitengrad (Sonnenausrichtung und - intensität); und wobei ferner die Materialien, die die Solarzellen umfassen, für biologische Lebensformen ungiftig sind und keine Schwermetalle enthalten, einschließlich solcher, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb) besteht.
  13. Ein Verfahren zur Herstellung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen von mehrschichtigen Strukturen aus Perowskit und Quantenpunkten, wobei jede Schicht einen bestimmten Wellenlängenbereich aufnimmt und entweder (i) einen Teil dieses Bereichs oder (ii) alle anderen Wellenlängen durchlässt; ferner die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist; Anpassen ihrer Gesamtdurchlässigkeit an die erforderliche Absorption von Pflanzen (Lichtintensität im Verhältnis zur Wellenlänge); Bereitstellen mechanisch getrennter Dünnschicht-Solarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und Verbinden elektrischer Kontakte außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen, so dass sie monolithisch integriert sind; Abstimmen der Lichtabsorption der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis; Bestimmen der Durchlässigkeit der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch eines oder mehrere Mitglieder einer Gruppe, die aus folgenden Schritten besteht: (a) Verwenden verschiedener Arten von Schichten, wodurch verschiedene Wellenlängen absorbiert werden; (b) Verwenden definierbarer Konzentrationen von Absorptionszentren, wodurch die Lichtdurchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich, der von den Absorptionszentren absorbiert wird, beeinflusst wird; und (c) Festlegen der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle, wodurch die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt wird; ferner einen Schritt, bei dem die Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht auf eine für alle Pflanzen geltende Durchlässigkeitskurve (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum zugeschnitten werden, sondern auf einen bestimmten Pflanzentyp bei einer bestimmten physikalischen Breite (Sonnenausrichtung und -intensität); ferner einen Schritt, bei dem für biologische Lebensformen ungiftige Materialien für die Solarzellen verwendet werden, wobei die Materialien frei von Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb) sind.
  14. Ein Verfahren zur Verwendung einer Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit für den Anbau von landwirtschaftlichen Produkten unter photovoltaischen (Solar-)Zellen, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Vielzahl von n Schichten absorbierender Materialien, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist; Anpassen ihrer Gesamtdurchlässigkeit an die erforderliche Absorption der Pflanzen (Lichtintensität gegenüber Wellenlänge); Bereitstellen von mechanisch getrennten Dünnschicht-Solarzellen mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und Verbinden von elektrischen Kontakten außerhalb des aktiven Bereichs der Zellen, so dass sie monolithisch integriert sind; Abstimmen der Lichtabsorption der Solarzelle in verschiedenen Wellenlängen durch Verwendung verschiedener halbleitender Quantenpunkte und/oder verschiedener wellenlängenabstimmbarer Absorptionsschichten auf Perowskit-Basis; Bestimmen der Durchlässigkeit der Solarzelle bei verschiedenen Wellenlängen durch ein oder mehrere Mitglieder einer Gruppe, die aus folgenden Schritten besteht: (a) Verwenden verschiedener Arten von Schichten, wodurch verschiedene Wellenlängen absorbiert werden; (b) Verwenden definierbarer Konzentrationen von Absorptionszentren, wodurch die Lichtdurchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich, der von den Absorptionszentren aufgenommen wird, beeinflusst wird; und (c) Festlegen der Dicke der wellenlängenspezifischen aktiven Schicht in der Zelle, wodurch die Menge des absorbierten/durchgelassenen Lichts im Vergleich zu anderen Schichten in der Solarzelle bestimmt wird; Anpassung der Absorptions-/Durchlässigkeitseigenschaften der Solarzelle nicht an eine für alle Pflanzen allgemeine Durchlässigkeitskurve (die McCree-Kurve) und ein „synthetisches“ Sonnenspektrum, sondern an einen bestimmten Pflanzentyp, an einem bestimmten physikalischen Breitengrad (Sonnenausrichtung und -intensität) und Verwendung von für biologische Lebensformen ungiftigen Materialien für die Solarzellen; die Materialien sind frei von Blei (Pb), Chrom (Cr) und Antimon (Sb).
DE112022001998.0T 2021-05-03 2022-05-03 Eine Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und deren Verfahren Pending DE112022001998T5 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163183073P 2021-05-03 2021-05-03
US63/183,073 2021-05-03
PCT/IL2022/050461 WO2022234578A2 (en) 2021-05-03 2022-05-03 A tandem selective spectral absorbance and transmittance solar cell and methods thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE112022001998T5 true DE112022001998T5 (de) 2024-01-18

Family

ID=83933031

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112022001998.0T Pending DE112022001998T5 (de) 2021-05-03 2022-05-03 Eine Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und deren Verfahren

Country Status (3)

Country Link
DE (1) DE112022001998T5 (de)
IL (1) IL300382B1 (de)
WO (1) WO2022234578A2 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190051779A1 (en) 2015-06-26 2019-02-14 Los Alamos National Security, Llc Colorless luminescent solar concentrators using colloidal semiconductor nanocrystals
US20200127204A1 (en) 2018-10-22 2020-04-23 The Board Of Trustees Of The University Of Alabama Rapid layer-specific photonic annealing of perovskite thin films

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015512147A (ja) * 2012-02-03 2015-04-23 ザ・リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・カリフォルニアＴｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ 植物成長用のルミネセンス発電ウィンドウ
TW201503575A (zh) * 2013-02-25 2015-01-16 Univ California 用於農藝應用之透明有機太陽能電池
CN107431128B (zh) * 2015-01-08 2020-12-25 韩国化学研究院 包括有机、无机杂化钙钛矿化合物膜的器件的制备方法及包括有机、无机杂化钙钛矿化合物膜的器件
KR102095100B1 (ko) * 2018-02-22 2020-03-31 한국과학기술원 마이크로 광학 구조를 이용한 4단자 다중 접합 태양전지

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190051779A1 (en) 2015-06-26 2019-02-14 Los Alamos National Security, Llc Colorless luminescent solar concentrators using colloidal semiconductor nanocrystals
US20200127204A1 (en) 2018-10-22 2020-04-23 The Board Of Trustees Of The University Of Alabama Rapid layer-specific photonic annealing of perovskite thin films

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jahren, siehe K.J. McCree, The action spectrum, absorptance and quantum yield of photo-synthesis in crop plants. Agric Meteorol, Band 9, Seiten 191-216

Also Published As

Publication number Publication date
IL300382A (en) 2023-04-01
WO2022234578A2 (en) 2022-11-10
WO2022234578A3 (en) 2023-01-05
IL300382B1 (en) 2024-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3047431C2 (de) Solarzelle mit mehreren übereinander angeordneten pn-Übergängen für Konzentratoranwendung
DE102014000156A1 (de) Mehrfachsolarzelle mit einer einen niedrigen Bandabstand aufweisenden Absorptionsschicht in der Mittelzelle
EP2438634A1 (de) Kompositmaterial umfassend nanopartikel sowie herstellung von photoaktiven schichten enthaltend quaternäre, pentanäre und höher zusammengesetzte halbleiternanopartikel
DE10106491A1 (de) Fotoelektrischer Wandler
DE3635944A1 (de) Tandem-solarzelle
DE102006053953A1 (de) Fotovoltaische Struktur mit einer Elektrode aus einem Array leitender Nanodrähte sowie Verfahren zum Herstellen der Struktur
WO2006092135A1 (de) Photoaktives bauelement mit organischen schichten
DE102012109883A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Dünnschichtsolarzelle mit pufferfreiem Fertigungsprozess
DE112012001058B4 (de) Verfahren zur herstellung einer tandem-photovoltaikeinheit
DE112012002855B4 (de) toelektrische Umwandlungsvorrichtung
DE102018203509A1 (de) Vierfach-Solarzelle für Raumanwendungen
EP3987577A1 (de) Perowskit-mehrfachsolarzelle mit multischichtsystem als verbindungsschicht
DE102012218265B4 (de) Rückseitenfeld-Strukturen für Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheiten und Verfahren zum Herstellen einer Mehrfachübergang-III-V-Photovoltaikeinheit
EP0954033A1 (de) Halbleiterbauelement, insbesondere eine Solarzelle, mit einer Schicht aus Pyrit, sowie Verfahren zu dessen Herstellung
DE112022001998T5 (de) Eine Tandem-Solarzelle mit selektiver spektraler Absorption und Durchlässigkeit und deren Verfahren
IL282890B1 (en) A suspended solar cell system used for growing agropot and voltaic plants
WO2007076843A1 (de) Kompositzusammensetzung für eine solarzelle, p-i-n-halbleiterstruktur, enthaltend diese zusammensetzung, solarzelle und verfahren zur herstellung von kompositzusammensetzungen
EP3014652B1 (de) Schichtsystem für dünnschichtsolarzellen mit natriumindiumsulfid-pufferschicht
DE102012112922A1 (de) Dünnfilm-Photovoltaikzelle und Verfahren zu deren Herstellung
DE102006039331C5 (de) Photovoltaik-Dünnschichtaufbau und Herstellungsverfahren
DE10108700A1 (de) Optisches Material und optisches Element
Pellet Investigations on hybrid organic-inorganic perovskites for high performance solar cells
DE102010015970A1 (de) Photovoltaikzelle, Photovoltaikzellenmodul, Anordnung zum Aufbringen einer vorgegebenen Information auf eine Photovoltaikzelle, Verfahren zum Ermitteln einer Information von einer Photovoltaikzelle, Anordnung zum Ermitteln einer Information von einer Photovoltaikzelle
AT515591B1 (de) Dünnschichtsolarzelle
DE3208078A1 (de) Photozelle zur gewinnung von sonnenenergie

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed