DE19954954A1

DE19954954A1 - Photovoltaic transducer for obtaining energy from sunlight, uses fluorescent layer to match spectral range of sunlight to sensitivity of photocells

Info

Publication number: DE19954954A1
Application number: DE19954954A
Authority: DE
Inventors: Ubbo Ricklefs
Original assignee: Hne Elektronik & Co Satel GmbH
Current assignee: Hne Elektronik & Co Satel GmbH
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2001-05-23

Abstract

The transducer includes a photocell arrangement (1) and a fluorescent layer (2). The flat side of the fluorescent layer faces the light-incidence side of the photocell arrangement. The fluorescent material is selected so that the solar radiation is converted into radiation in a spectral range for which the photocells are operating at maximum efficiency. The fluorescent material may contain sub-materials with differing absorption-wavelength ranges.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine photovoltaische Wandlereinrichtung zur Energiegewinnung aus Sonnenstrahlung mit einer Photozellenanordnung und einer vorgelagerten fluoreszierenden Schicht.The invention relates to a photovoltaic converter device for Generating energy from solar radiation with a photocell arrangement and an upstream fluorescent layer.

Das Spektrum der Sonnenstrahlung erstreckt sich über einen weiten Spektral bereich. Entsprechend unterschiedlich ist die Energie der Photonen. Heute übliche Photozellen werden aus Silizium hergestellt. Dementsprechend haben sie einen Bandabstand von ca. 1,1 eV, der einer Wellenlänge von etwa 900 nm ent spricht. Photonen mit einer höheren Energie können zwar absorbiert werden, geben dann aber nur in etwa den Energiebetrag an die Elektron-Loch-Paare ab, der dem Bandabstand entspricht. Der übrige Energiebetrag der Photonen wird in Form von Wärme an den Kristall abgegeben. Mit der Erwärmung sinkt der Wir kungsgrad der Zellen ab. Deshalb ist es üblich, die Leistungsdaten eines Photovoltaik-Modules bei 25°C anzugeben, obwohl diese Randbedingung bei einem typischen Einsatz kaum realistisch ist. Vorschläge zu einer Kühlung der Zellen findet man in vielen Patenten. In vorteilhaften Anordnungen wird die Kühlung zur Erwärmung von Wärmespeichern genutzt (DE 198 37 189 C1; DE 41 08 503 C2).The spectrum of solar radiation extends over a wide spectrum Area. The energy of the photons is correspondingly different. today Common photocells are made from silicon. Accordingly, they have a band gap of approximately 1.1 eV, which corresponds to a wavelength of approximately 900 nm speaks. Photons with a higher energy can be absorbed then only give approximately the amount of energy to the electron-hole pairs, which corresponds to the band gap. The remaining amount of energy of the photons is in Form of heat given off to the crystal. With warming, the we sinks degree of cell deposition. Therefore, it is common to see the performance data of a Specify photovoltaic modules at 25 ° C, although this boundary condition at a typical application is hardly realistic. Proposals for cooling the Cells can be found in many patents. In advantageous arrangements, the Cooling used to heat heat stores (DE 198 37 189 C1; DE 41 08 503 C2).

Viele Forschungsbemühungen zielten in den letzten Jahren darauf ab, Materia lien für die Photozellen zu finden, die besser an das Spektrum des Sonnenlichtes angepasst waren. In diesem Bereich hat es viele Fortschritte gegeben. Mit diesen Techniken kannte der Wirkungsgrad erheblich gesteigert werden. Bislang sind diese Zellen aber wegen der hohen Herstellkosten nur für Spezialanwen dungen einsetzbar.A lot of research efforts in the past few years have been aimed at Materia lien for the photocells to find that better match the spectrum of sunlight were adjusted. There has been a lot of progress in this area. With The efficiency of these techniques was considerably increased. So far However, due to the high manufacturing costs, these cells are only for special users applications.

Weiterhin sind Verfahren bekannt, das Spektrum der Sonnenstrahlung spektral aufzuspalten und für jede der Teilfarben eine speziell angepasste Photozelle zu verwenden. Diese Verfahren haben viele Vorteile. Nachteilig ist aber auch hier, dass entsprechend angepasste Photozellen bislang nur labormäßig zur Verfü gung stehen. In den Druckschriften WO 87/01512, US 4,350,837, US 4,021,267, DE 44 09 698 A1 wird vorgeschlagen, zur spektralen Separierung Prismen einzusetzen. Der Einsatz der Prismen erfordert einen kollimierten Strahlengang. Durch den Tages- und Jahresgang der Sonne muss eine solche Anordnung nachgeführt werden, wodurch zusätzliche Kosten entstehen.Methods are also known, the spectrum of solar radiation is spectral split and for each of the partial colors a specially adapted photocell use. These processes have many advantages. Another disadvantage is that correspondingly adapted photocells have so far only been available in the laboratory stand. In the publications WO 87/01512, US 4,350,837, US 4,021,267, DE 44 09 698 A1 proposes prisms for spectral separation to use. The use of the prisms requires a collimated beam path. Such an arrangement must pass through the course of the day and year of the sun be tracked, which creates additional costs.

Weiterhin wurde versucht, über fluoreszierende Platten zu einer Anpassung des Spektralbereiches der Strahlung an die Empfindlichkeit der Photozellen und zu einer Konzentration auf den Rand der Platten zu gelangen (DE 30 10 595 A1, DE 29 26 191 A1, DE 84 31 643 U1).Furthermore, attempts were made to adapt the fluorescent plates Spectral range of the radiation to the sensitivity of the photocells and to concentrate on the edge of the plates (DE 30 10 595 A1, DE 29 26 191 A1, DE 84 31 643 U1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer photovoltaischen Wandler einrichtung der eingangs angegeben Art eine Anpassung des Sonnenlichtes an die Empfindlichkeit der Photozellen vorzunehmen, um so die Erwärmung der Zellen auch unter hohen Bestrahlungsstärken zu verringern.The invention has for its object in a photovoltaic converter device of the type specified at the beginning an adaptation of the sunlight make the sensitivity of the photocells so as to heat the Reduce cells even under high levels of radiation.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 ge löst. Es wird ein fluoreszierendes Material verwendet, mit dem die kurzwellige Strahlung des Sonnenlichtes in einen Spektralbereich konvertiert wird, in dem die Photozellen einen höheren Wirkungsgrad und damit einen höheren Strom und weniger Wärme erzeugen, und die Photozellen werden großflächig mit in einem günstigen Spektralbereich liegenden, direkt durchgelassenen und kon vertierten Strahlungsanteilen bestrahlt.According to the invention, this object is achieved with the features of claim 1 solves. A fluorescent material is used with which the short-wave Radiation from sunlight is converted into a spectral range in which the photocells have a higher efficiency and thus a higher current and generate less heat, and the photocells become large with in a favorable spectral range, directly transmitted and con vertical radiation components irradiated.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen an gegeben.Advantageous embodiments of the invention are set out in the dependent claims given.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Be zugnahme auf die Fig. 1a bis 3 erläutert.The invention is explained below using exemplary embodiments with reference to FIGS . 1a to 3.

Fig. 1a zeigt eine Anordnung, Fig. 1b einen vergrößerten Teilausschnitt X, bei der die Photozelle 1 mit einem fluoreszierenden Pulver 2 beschichtet ist. Pulver dieser Art werden z. B. zur Beschichtung von Leuchtstofflampen eingesetzt, um die UV-Strahlung in sichtbare bzw. für die photovoltaische Wandlung wirksame Strahlung 4 zu konvertieren. Durch eine geschickte Wahl der fluoreszierenden Materialien lässt sich der Emissions-Wellenlängenbereich so wählen, dass die Photozelle in diesem Bereich besonders empfindlich ist. Der Absorptions-Wel lenlängenbereich wird so gewählt, dass möglichst auch die hochenergetische UV-Strahlung konvertiert werden kann. Es lassen sich auch mehrere fluoreszie rende Materialien mischen, um so eine optimale Anpassung zu erreichen. Nach teilig ist bei diesem Verfahren, dass das Pulver zusätzlich als diffuser Streuer 5 der einfallenden Strahlung wirkt, und die konvertierte Strahlung 4 nicht gerich tet emittiert wird. Insbesondere bei niedrigen Bestrahlungsstärken und diffuser Bestrahlung mit geringem UV-Anteil kann diese Anordnung nicht mehr vorteil haft eingesetzt werden. In Gegenden mit einem hohen Anteil der direkten So larstrahlung und in Konzentrator-Anordnungen kommt dieser kostengünstigen Beschichtung eine besondere Bedeutung zu. Fig. 1a shows an arrangement, Fig. 1b shows an enlarged partial section X in which the photocell 1 is coated with a fluorescent powder 2. Powders of this type are used e.g. B. used for coating fluorescent lamps to convert the UV radiation into visible or effective for the photovoltaic conversion radiation 4 . Through a clever choice of fluorescent materials, the emission wavelength range can be selected so that the photocell is particularly sensitive in this area. The absorption wavelength range is selected so that the high-energy UV radiation can be converted if possible. Several fluorescent materials can also be mixed in order to achieve optimal adaptation. The disadvantage of this method is that the powder additionally acts as a diffuse scatterer 5 of the incident radiation, and the converted radiation 4 is not emitted in a directed manner. This arrangement can no longer be used advantageously, particularly at low irradiance levels and diffuse radiation with a low UV component. In areas with a high proportion of direct solar radiation and in concentrator arrangements, this cost-effective coating is of particular importance.

In Fig. 2 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die Photozelle 1 mit einem Kunststoff oder Glas 6 abgedeckt ist, in dem fluoreszierendes Material enthalten ist. Anders als in DE 10 10 595 A1 beschrieben, dient das Material hier nicht als Konzentrator, sondern zur Anpassung der Wellenlängen der Solarstrahlung an die spektrale Empfindlichkeit der Photozellen. Vorteilhaft ist die Ausführung mit optisch glatter Oberfläche, so dass die einfallende Strahlung nicht gestreut wird. Die Strahlung mit längerer Wellenlänge 8 wird transmittiert, während die kurzwellige Strahlung 4 konvertiert wird und nicht zur Erwärmung der Zellen führt. Damit lässt sich die Erwärmung der Zellen deutlich reduzieren. Vorteilhaft lässt sich das Fluoreszensmaterial in die ohnehin notwendige Abdeckung der Zellen integrieren.In FIG. 2, an arrangement is shown in which the photocell 1 is covered with a plastic or glass 6, is included in the fluorescent material. Unlike described in DE 10 10 595 A1, the material here does not serve as a concentrator, but rather for adapting the wavelengths of the solar radiation to the spectral sensitivity of the photocells. The version with an optically smooth surface is advantageous so that the incident radiation is not scattered. The radiation with a longer wavelength 8 is transmitted, while the short-wave radiation 4 is converted and does not lead to the heating of the cells. This can significantly reduce the heating of the cells. The fluorescent material can advantageously be integrated into the covering of the cells, which is necessary anyway.

Fig. 2a zeigt einen Aufbau, der dem von Fig. 2 ähnlich ist. Die hier gezeigte Prismenanordnung 10 auf der Oberfläche der Photozellen 1 ist dann vorteilhaft einsetzbar, wenn z. B. in einem Konzentrator diese Fläche vor Verschmutzung geschützt ist. Die Prismenanordnung hat mehrere Vorteile. Bei der Anordnung nach Fig. 2 wirkt die fluoreszierende Platte wie ein Lichtleiter. Dementsprechend erscheinen die Ränder der Platte hell. Einen Teil dieses Lichtes kann man durch Spiegelung an den Prismenflächen auf die Photozellen lenken. Bei einer ver setzten Anordnung der Prismen untereinander und einer Ausrichtung der Längs achse der Prismen senkrecht zur Ost-West-Achse 9 des Kollektors wird in den Tageszeiten, in denen die Sonne unter sehr flachem Winkel auf die Photozellen einstrahlt, der Einfallswinkel der Strahlung auf die Photozellen verbessert. Durch den hohen Brechungsindex der Photozelle würde die Strahlung sonst bei diesen flachen Einfallswinkeln reflektiert. Ein Linsenfeld hätte eine ähnliche Wirkung. Fig. 2a shows a structure which is similar to that of Fig. 2. The prism arrangement 10 shown here on the surface of the photocells 1 can be used advantageously if, for. B. in a concentrator this surface is protected from contamination. The prism arrangement has several advantages. In the arrangement according to FIG. 2, the fluorescent plate acts like a light guide. Accordingly, the edges of the plate appear bright. Part of this light can be directed onto the photocells by reflecting on the prism surfaces. With a staggered arrangement of the prisms with each other and an alignment of the longitudinal axis of the prisms perpendicular to the east-west axis 9 of the collector, the angle of incidence of the radiation on the Photocells improved. The high refractive index of the photocell would otherwise reflect the radiation at these flat angles of incidence. A lens field would have a similar effect.

Werden Fluoreszensmaterialien verwendet, die in einem engen Spektralbereich die Strahlung emittieren, so kann es vorteilhaft sein, eine zusätzliche Ober flächenverspiegelung zu verwenden, die nur in diesem Spektralbereich reflek tierend wirkt, um so den Anteil der Photonen zu erhöhen, die die Photozellen treffen.Fluorescent materials are used that are in a narrow spectral range emit the radiation, it may be advantageous to add an upper to use surface mirroring that only reflect in this spectral range acts to increase the proportion of photons that the photocells to meet.

Bei hoch konzentrierenden Anordnungen reicht die Verwendung fluoreszierender Materialien nicht aus, eine Erwärmung der Zellen zu vermeiden. In der in Fig. 3 gezeigten Anordnung wird das fluoreszierende Material der Kühlflüssigkeit 9 bei gemischt. Die Photozellen 1 werden von der fluoreszierenden Kühlflüssigkeit umströmt. Optisch ähnelt diese Anordnung der von Fig. 2. Auch hier lässt sich die Oberfläche des Gehäuses wieder entsprechend verspiegeln.In the case of highly concentrated arrangements, the use of fluorescent materials is not sufficient to prevent the cells from heating up. In the arrangement shown in FIG. 3, the fluorescent material of the cooling liquid 9 is mixed at. The fluorescent cooling liquid flows around the photocells 1 . This arrangement is optically similar to that of FIG. 2. Here, too, the surface of the housing can be mirrored accordingly.

Claims

1. Photovoltaic converter device for generating energy from solar radiation with a photocell arrangement ( 1 ) and an upstream fluorescent layer ( 2 , 6 , 3 ), characterized in that the fluorescent layer ( 2 , 6 , 3 ) with its flat side of the radiation incident side of the photocell arrangement ( 1 ) is turned and that the fluorescent material of the fluorescent layer ( 2 , 6 , 3 ) is selected so that the solar radiation is essentially converted into a spectral range in which the photocells have their highest efficiency.

2. converter device according to claim 1, characterized, that the fluorescent material is multiple fluorescent part materials with different absorption wavelength ranges.

3. Converter device according to claim 1 and 2, characterized in that the photocell arrangement ( 1 ) is coated with a fluorescent powder ( 2 ).

4. Converter device according to claim 1 or 2, characterized in that the fluorescent layer is formed with a fluorescent material-containing cover plate ( 6 ) made of plastic or glass.

5. converter device according to claim 4, characterized, that the radiation-incident surface is optically smooth.

6. converter device according to claim 1, characterized, that the fluorescent material flows around the photocells Coolant is added.

7. A converter device according to claim 4, 5 or 6, characterized in that the surface of the cover plate ( 6 ) is provided with a surface coating which is effective only in the spectral range in which the fluorescent materials absorb the radiation.

8. Converter device according to one of the preceding claims, characterized in that a prism arrangement ( 10 ) is provided on the surface of the photocells.