DE19837365A1 - Solarzelle mit Clustern im aktiven Bereich - Google Patents

Abstract

Erfindungsgemäß werden Cluster in den optischen Bereich einer Solarzelle eingebracht. Mittel sind vorhanden, die erzeugten Ladungsträgerpaare getrennt aus dem aktiven Bereich heraufzuführen. Die eingebrachten Cluster bewirken durch eine Resonanz zusätzliche Ladungsträgerpaare, die getrennt aus der Solarzelle herausgeführt, einen zusätzlichen elektrischen Strom bereitstellen. DOLLAR A Es wird eine Solarzelle bereitgestellt, die einen verbesserten Wirkungsgrad gegenüber dem Stand der Technik aufweist, indem sie zusätzliche Wellenlängen für die Erzeugung von Ladungsträgerpaaren nutzt und diese in zusätzlichen elektrischen Strom umwandelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle mit den Merkma­ len des Oberbegriffs von Anspruch 1. Bei einer Solar­ zelle wird durch Absorption elektromagnetischer Strah­ lung ein elektrischer Strom erzeugt. Der erzeugte Strom wird Photostrom genannt.

Aus der Druckschrift DE 196 40 065 A1 ist eine solche Solarzelle bekannt, bei der in einem Farbstoff Photonen in einen elektrischen Strom umgewandelt werden.

Einfallende Photonen erzeugen in der aktiven Zone (ak­ tiver Bereich) einer Solarzelle eine Ladungstrennung. Infolge der Ladungstrennung entsteht ein Ladungsträger­ paar. Wird ein Ladungsträger des Ladungsträgerpaares, also zum Beispiel ein Elektron, aus der aktiven Zone herausgeleitet, so fließt ein elektrischer Strom. Das getrennte Herausleiten von Ladungsträgern eines La­ dungsträgerpaares gelingt durch Vorsehen eines geeigne­ ten elektrischen Feldes. Ein geeignetes elektrisches Feld herrscht in Solarzellen zum Beispiel infolge eines bereitgestellten p-n-Kontaktes mit einer Verarmungszone zwischen dem n- und dem p-Leiter. Die Verarmungszone bildet dann die aktive Zone.

Der Wirkungsgrad, einfallende Photonen zu absorbieren und in Ladungsträgerpaare zu überführen, hängt von der Wellenlänge der Photonen ab. In Abhängigkeit von der Wellenlänge weist der Wirkungsgrad lokale Minima, lo­ kale Maxima oder Flanken auf.

Aus der Druckschrift (M. Quinten, O. Stenzel, A. Stendal, C. Borczyskowski, J. Opt. 28 (1997) 249-251) ist bekannt, Cluster in Bereiche außerhalb der aktiven Zone einer Solarzelle einzubringen und so den Wirkungs­ grad zu steigern. Diese Steigerung findet jedoch nur bei Wellenlängen statt, bei denen ohnehin ein guter Wirkungsgrad vorliegt.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer So­ larzelle mit gutem Wirkungsgrad.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma­ len des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen ergeben sich aus den rückbezogenen Ansprüchen.

Die anspruchsgemäße Solarzelle weist einen aktiven Be­ reich aus, in dem durch einfallende Photonen Ladungs­ trägerpaare erzeugt werden. Ein Ladungsträgerpaar be­ steht aus einem positiven und einem negativen Ladungs­ träger. Mittel sind vorhanden, um die Ladungsträger aus dem aktiven Bereich so heraus zuführen, daß ein elektri­ scher Strom fließt. Negative Ladungsträger wie Elektro­ nen werden dann getrennt von positiven Ladungsträgern aus dem aktiven Bereich herausführt und/oder umgekehrt. Innerhalb des aktiven Bereiches befinden sich Cluster.

Beispiele für Mittel, die die Ladungsträger aus dem ak­ tiven Bereich zur Erzeugung eines elektrischen Stroms heraus führen, sind geeignet angelegte elektrische Fel­ der. Geeignet angelegte elektrische Felder bei einer Solarzelle können zum Beispiel durch einen p-n Kontakt mit einer Verarmungszone zwischen dem n- und dem p-Lei­ ter oder durch einen Schottky-Kontakt oder durch mole­ kulare Anordnungen mit geeignet liegenden Energiezu­ ständen und/oder Ferminiveaus bereitgestellt werden.

Die Mittel, um die Ladungsträger aus dem aktiven Be­ reich herauszuführen, bezwecken in Kombination mit dem aktiven Bereich die Bereitstellung einer elektrischen Spannung.

Unter Clustern im Sinne des Anspruchs wird eine Gruppe von drei oder mehr Atomen oder Molekülen verstanden, von denen jedes mit mindestens zwei anderen Atomen oder Molekülen dieser Gruppe chemisch verknüpft ist. Die Verknüpfung kann aus metallischen, ionischen, kovalen­ ten oder van-der Waals-artigen Bindungen bestehen. Die Cluster weisen einen Absorptionspeak auf. Ein Absorp­ tionspeak liegt vor, wenn die Photonenabsorption in Ab­ hängigkeit von der Wellenlänge ein lokales Maximum auf­ weist. Eine makroskopisch große Metallschicht weist im Unterschied zum anspruchsgemäßen Cluster keinen lokalen Absorptionspeak auf.

Anspruchsgemäße Cluster bestehen z. B. aus 5000 Golda­ tomen oder 3000 Galliumarsenidmolekülen.

Cluster im aktiven Bereich einer Solarzelle bewirken im Wellenlängenbereich des Absorptionspeaks eine zusätzli­ che Photonenabsorption, die im Gegensatz zu einer aus­ gedehnten, makroskopisch großen Metallschicht zu einer Resonanz führt. Hierdurch werden zusätzliche Ladungs­ trägerpaare in der aktiven Zone erzeugt. Der Wirkungs­ grad der Solarzelle wird so gesteigert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Solarzelle nach An­ spruch 2 weist Cluster auf, die kleiner als 100 µm, insbesondere kleiner als 10 µm sind. Cluster in dieser Größenordnung bewirken einen ausgeprägten Absorptions­ peak und damit eine verbesserte Resonanz. Eine weiter gesteigerter Wirkungsgrad der Solarzelle ist die Folge.

Vorteilhaft enthält die Solarzelle nach Anspruch 3 Clu­ ster, die aus wenigstens 100 insbesondere aus wenig­ stens 1000 Atomen bestehen. Ein typischer Cluster ent­ hält z. B. 10 000 Atome.

Ist die Anzahl der Atome eines Clusters zu gering, so wird der Absorptionspeak sehr schmal. Dies führt nach­ teilhaft zu einer Absorption in einem sehr kleinen Wel­ lenlängenbereich. Daher sollte der Cluster aus min­ destens 100, vorzugsweise aus wenigstens 1000 Atomen bestehen, um einen Absorptionspeak über einen breiten Wellenlängenbereich zu erhalten.

Eine vorteilhafte Solarzelle nach Anspruch 4 enthält Cluster im aktiven Bereich, deren Absorptionspeak in den Wellenlängenbereich fällt, bei dem der Wirkungsgrad der Solarzelle ohne Cluster ein lokales Minimum oder den Anstieg einer Absorptionsflanke aufweist.

Ein Beispiel für eine Solarzelle nach Anspruch 4 ist eine Schottky-Kontakt-Solarzelle mit Silberclustern im aktiven Bereich, die einige Nanometer groß sind. Die Solarzelle besteht aus ITO (Indium/Zinnoxid )-be­ schichtetem Glas mit aufgedampfter Zink-Phthalocya­ nin-Schicht. Diese weist ohne die Cluster ein lokales Ab­ sorptionsminimum und damit ein lokales Photostrommini­ mun im Bereich von 410-520 nm auf. Die Silbercluster weisen einen lokalen Absorptionspeak im vorgenannten Bereich auf. Daher wird Licht auch im Wellenlängenbe­ reich um 470 nm mit gutem Wirkungsgrad in einen Photo­ strom umgewandelt. Ein lokales Maximum des Photostroms im Bereich um 450 nm ist die Folge.

Eine Solarzelle, die Cadmiumsulfid als Halbleiter ent­ hält, stellt ein weiteres Beispiel dar. Hier gibt es in Abwesenheit der anspruchsgemäßen Cluster eine Absorp­ tionsflanke, die bei 520 nm steil abfällt. Galliumarse­ nidcluster, die in den aktiven Bereich eingebracht wer­ den, bewirken einen zusätzlichen elektrischen Strom bei Wellenlängen um 600 nm. Dieser Wellenlängenbereich konnte bislang nicht genutzt werden. Der Wirkungsgrad wird somit weiter gesteigert.

Eine Solarzelle nach Anspruch 5 weist vorteilhaft Clu­ ster im aktiven Bereich auf, deren Absorptionspeak im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes liegt. Die Cluster können aus Silber oder Gold bestehen.

In einem Beispiel umfaßt die Solarzelle ein aus ITO (Indium/Zinnoxid)- beschichtetem Glas und eine aufge­ dampfte Zink-Phthalocyanin-Schicht. Diese weist ein Ab­ sorptionsminimum im Wellenlängenbereich von 410-520 nm auf. Durch das anspruchsgemäße Vorsehen von einige Nanometer großen Silberclustern werden Photonen aus dem sichtbaren und damit energiereichen Wellenlängenbereich verstärkt im Bereich um 450 nm in einen Photostrom um­ gewandelt. Der Wirkungsgrad wird so weiter verbessert.

Es hat sich gezeigt, daß der Wirkungsgrad insgesamt um wenigstens 10% bis 15% verbessert werden kann.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 Photonenabsorptionsspektrum in Abhängigkeit von der Wellenlänge für eine Solarzelle mit Silber­ clustern im aktiven Bereich (5 nm Ag + 200 nm ZnPc) im Vergleich zu einer konventionellen So­ larzelle nach dem Stand der Technik (200 nm ZnPc),

Fig. 2 Photostromspektrum in Abhängigkeit von der Wel­ lenlänge für eine konventionelle Solarzelle,

Fig. 3 Photostromspektrum in Abhängigkeit von der Wel­ lenlänge für eine Solarzelle mit Silberclustern im aktiven Bereich.

Es wurden organische Schottky-Kontakt Solarzellen ein­ gesetzt. Jede besteht aus Glas, welches mit ITO (In­ dium/Zinnoxid) beschichtet ist. Die Beschichtung hat Kontakt zu einer ca. 200 nm dicken aufgedampften Schicht aus Zink-Phthalocyanin. In der aktiven Schicht befinden sich ca. 5 nm große Silbercluster, welche durch Aufdampfen einer ca. 1,3 nm dicken Silberschicht, die bei 180 Grad Celsius für 10 Minuten getempert wurde, hergestellt wurden.

In Fig. 1 ist die Abhängigkeit der Photonenabsorption α von der Wellenlänge λ bzw. von der Photonenenergie E für eine erfindungsgemäße Solarzelle (obere Kurve, 5 nm Ag + 200 nm ZnPc) im Vergleich zu einer konventionellen Solarzelle ohne Cluster (untere Kurve, 200 nm ZnPc) dargestellt. Die konventionelle Solarzelle ohne Cluster weist ein lokales Absorptionsminimum im Wellenlängenbereich von 410-520 nm auf. Bei der Solarzelle mit den erfindungsgemäßen Silberclustern zeigt sich in diesem Wellenlängenbereich ein lokales Absorptionsmaximum. Die Lichtabsorption wird folglich durch die Cluster deutlich gesteigert.

Die Absolutwerte sind hier sowie bei den übrigen Figuren kein Maß für die Steigerung, da an verschiedenen, nur vom Typ her vergleichbaren Solarzellen gemessen wurde. Zwei vom Typ her gleiche Solarzellen weisen stets voneinander abweichende Wirkungsgrade auf. Daher ist nur der qualitativ veränderte Kurvenverlauf ein Maß für die Verbesserung.

Der zugehörige Photostrom I der konventionellen, clusterlosen Solarzelle in Abhängigkeit von der Wellen­ länge λ ist in Fig. 2 dargestellt. Der Photostrom weist analog ein Minimum im Bereich von 420-520 nm auf.

Fig. 3 zeigt den Photostrom der Solarzelle mit den erfindungsgemäßen Silberclustern in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Hier tritt nun ein lokales Maximum des Photostroms im Wellenlängenbereich um 450 nm auf.

Schätzungsweise wird der Wirkungsgrad durch das Ein­ bringen von ca. 5 nm großen Silbercluster in den akti­ ven Bereich um 15% gesteigert.

Claims (5)

1. Solarzelle mit

• - einem aktiven Bereich, in dem durch einfallende Photonen Ladungsträger erzeugt werden,
• - Mitteln, um die Ladungsträger aus dem aktiven Bereich herauszuführen, gekennzeichnet durch Cluster, die sich in dem aktiven Bereich befinden.

2. Solarzelle nach vorhergehendem Anspruch 1, bei der die Cluster kleiner als 100 µm, insbeson­ dere kleiner als 10 µm sind.

3. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der die Cluster aus wenigstens 100 Atomen bestehen.

4. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der der Absorptionspeak der Cluster in den Wellenlängenbereich fällt, bei dem die opti­ sche Schicht der Solarzelle ohne Cluster ein Ab­ sorptionsminimum oder einen Anstieg einer Absorp­ tionskante aufweist.

5. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, bei der der Absorptionspeak der Cluster in den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes fällt.