DE2628291A1

DE2628291A1 - Vorrichtung zur umwandlung von sonnenenergie in elektrische energie mit hilfe von lichtkonzentratoren

Info

Publication number: DE2628291A1
Application number: DE19762628291
Authority: DE
Inventors: Adolf Prof Dr Rer Goetzberger; Waldemar Greubel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1976-06-24
Filing date: 1976-06-24
Publication date: 1977-12-29

Description

Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie
mit Hilfe von Lichtkonzentratoren Die Erfindung beinhaltet weitere Ausführungsbeispiele zur deutschen Patentanmeldung P 26 20 115. 0 und bezieht sich auf Lichtkonzentratoren, die aus dünnen Schichten von transparenten festen oder flüssigen Stoffen mit eingelagerten Fluoreszenzzentren bestehen und die in Verbindung mit Solarzellen zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie dienen.
Die Beispiele werden anhand der Zeichnungen folgenden Inhalts beschrieben.
Fig. 1 Beispiel für einen günstigen geometrischen Aufbau eines Systems von Lichtkonzentratoren mit gekühlten Solarzellen.
Fig. 2 Querschnitt durch eine Zweischichtanordnung von Lichtkonzentratoren bestehend aus Glasküvetten, die Lösungsmittel mit Fluoreszenzzentren enthalten.
Fig. 3 Schematische Darstellung der Lage von Absorptions- und Emissionskurven einer 2- stufigen Fluoreszenzstoff-"Kaskade" .
Fig. 4 Ausführungsbeispiel, besonders für Siliztum-Solarzellen geeignet, für optimale Lage und Verteilung der Absorptions- und Emissionsbänder in einer 2-Schichtanordnung von Lichtkonzentratoren.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform von Lichtkonzentratoren erhält man, wenn man flache Küvetten, bevorzugt aus Glas, verwendet, die flüssige transparente Lösungsmittel mit Fluoreszenzzentren enthalten. In Fig. 2 ist im Querschnitt eine Zweischichtanordnung von Lichtkonzentratoren dargestellt, bestehend aus Glasküvetten (1), die Lösungsmittel mit Fluoreszenzzentren (7)enthalten. Da es zur Erreichung hoher Konzentrationsgrade günstig ist, dünnwandige Küvetten zu benutzen, bietet sich zur Abstandshalterung der Glaswände und zur mechanischen Stabilisierung der ganzen Anordnung der Einbau von Stütz stellen aus verlöteten Glaskügelchen (8) an. Zur Vermeidung von Lichtverlusten sollen die Glasküvetten (1), die Lösungen (7) und die Glasstützstellen (8) gleichen Brechungsindex aufweisen. Die wichtigsten Vorteile dieser Ausführungsform sind: Im Langzeitbetrieb chemisch bzw. photochemisch instabile Fluoreszenzstoffe können leicht ausgetauscht werden. Die Lösungsmittel können regeneriert werden. Die Glasküvetten haben lange Lebensdauer und halten Wasser und Gase fern, die die Fluoreszenzstofflebensdauer oft stark beeinträchtigen. Flüssigkeitsmischungen, die gleichzeitig für mehrere verschiedenartige Fluoreszenzstoffe optimale Konzentrationen erlauben, stehen in praktisch unbeschränkten Kombinationen zur Auswahl. Außerdem bietet sich mit Flüssigkeiten mit relativ hoher statischer Dielektrizitätskonstanten (unter den organischen Flüssigkeiten relativ häufig) die Möglichkeit, die Überlappung von Absorptions- und Emissionsspektren der darin gelösten Fluoreszenzzentren wesentlich zu verringern und so die Effektivität der Lichtkonzentratoren wesentlich zu steigern. Die Wellenzahldifferenz zwischen Absorptions- und Emissionsmaximum Xl , die vor allem vom inneren Aufbau des Fluoreszenzmoleküls abhängt (Form und relative Lage der Potentialenergiekurven von Grund- und Anregungszustand; innere Rotationsmöglichkeiten) wird nämlich auch durch die dielektrischen Eigenschaften der Fluoreszenzmoleküle und ihrer Umgebung (Lösungsmittelmoleküle) beeinflußt. Es ist bekannt, daß ZlY erhöht werden kann, wenn einerseits die statische Dielektrizitätskonstante des Lösungsmittels groß ist und andererseits der Unterschied der Dipolmomente des Grund- und Anregungszustandes der Fluoreszenzmoleküle möglichst groß ist (siehe z.B. Landolt-Börnstein, Neue Serie II/3, Seite 285, Lumineszenz Organischer Substanzen, Berlin 1967).
Neben den genannten homogenen Mischungen zur Realisierung von Lichtkonzentratoren können unter Umständen auch Schichten aus heterogene# Mischungen (wie z.B. Suspensionen) von transparenten festen oder flüssigen Einbettungs-Substanzen mit fluoreszierenden Partikeln (z.B. bestehend aus festen Lösungen von Fluoreszenzzentren) von Vorteil sein, wobei die Brechungsindizes von Einbettungssubstanz und fluoreszierenden Partikeln aneinander angepaßt sein müssen, so daß das Fluoreszenzlicht an den Partikeln nicht gestreut wird. Solche Gemische könnten z. B.
von Vorteil sein, wenn man in einer Konzentratorschicht mehrere Fluoreszenzstoffe nebeneinander verwenden möchte, die chemisch miteinander unverträglich sind.
Ein Beispiel für einen günstigen geometrischen Aufbau eines Systems von Lichtkonzentratoren mit in Küvetten enthaltenen flüssigen, austauschbaren Fluoreszenzlösungen und gekühlten Solarzellen ist in Fig. 1 gezeigt. Die Küvetten (1) haben die Form von gleichschenkligen Dreiecken und besitzen verspiegelte Stirnflächen (2), was den Vorteil hat, daß die Laufstrecken der Fluoreszenzlichtstrahlen (4) optimal kurz werden. An der dritten unverspiegelten Seite befindet sich die Solarzelle (3), die mit der Küvette über einen optischen Kontaktiermittelfilm verbunden ist, um optimale Auskoppelung des Fluoreszenzlichts zu erreichen. Als Kontaktmittel eignen sich z. B. besonders Silikonöle mit Viskositäten von 106 Centistokes bei Normaltemperatur und hoher chemischer Stabilität, wie sie sich z. B. beim optischen Kontaktieren von Szin tillatoren mit Photomultipliern bewährt haben Damit läßt sich das Problem der unterschiedlichen Wärmeausdehnung lösen. Die Solarzellen (3) befinden sich auf ihrer Rückseite in gutem Wärmekontakt mit den Kühlmittelleitungen (5). Über oder unter den Kühlmittelleitungen sind Lösungsaustauschleitungen (6), durch die die Fluoreszenzlösungen bei Bedarf erneuert werden. Die Küvetten sind alle parallel an diese Leitungen angeschlossen.
Hat man in einer Lösung nebeneinander 2 Fluoreszenzstoffe (siehe Fig.
3), bei welchen sich das Emissionsband (el) des ersten annähernd mit dem Absorptionsband (a2) des zweiten deckt, so hat man die Möglichkeit, das in den beiden Absorptionsbändern (al) und (a2) absorbierte Licht in das Emissionsband (e2) des zweiten Fluoreszenzstoffes umzusetzen. Eine solche Kombination sei im folgenden zur Abkürzung als 2-stufige Fluoreszenzstoff-"Kaskade" bezeichnet. Eine solche Kaskade kann in verschiedener Weise von Vorteil sein. Durch eine solche Kaskade kann der Anteil des nicht totalreflektierten Lichtes relativ klein gehalten werden, die Verluste multiplizieren sich nicht, da der größte Teil des Fluoreszenzlichts im Band (e ) vom zweiten Fluoreszenzstoff absorbiert wird, noch bevor es die Schichtgrenze erreicht. Bei höheren Fluoreszenzstoffkonzentrationen kann auch der Fall eintreten, daß die Anregungsenergie von der einen Fluoreszenzmolekülsorte auf die andere strahlungslos erfolgt und dann von letzterer im Band (e2) ausgestrahlt wird. Die Stufenzahl einer solchen Kaskade wird sinnvollerweise immer klein sein, wenn man davon ausgeht, daß man, um die Auswahl an potentiellen Fluoreszenzstoffen nicht zu sehr einzuengen, mit Quantenwirkungsgraden um etwa 80 % rechnen muß. Von einem weiteren Vorteil einer Kaskade wird im folgenden Ausführungsbeispiel Gebrauch gemacht.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel für optimale Lage und Verteilung der Absorptions- und Emissionsbänder in einer 2-Schichtanordnung von Lichtkonzentratoren gezeigt. Es ist besonders geeignet für Silizium-Solarzellen. In Fig. 4 sind die Absorptionsbänder (A1) bis (A4) durch 2-stufige Fluoreszenzstoff-Kaskaden gemäß Fig. 3 realisiert. Die Emissionsbänder sind mit (E1) bis (E4) bezeichnet.
Die oben beschriebene Kaskade ermöglicht es, durch Überlagerung gemäß Fig. 3 relativ zur Emissionsbandbreite energetisch annähernd doppelt so breite Absorptionsbänder zu erhalten. Dies erleichtert die gleichzeitige Erfüllung der beiden für eine effektive Nutzung der Sonnenenergie mit Hilfe der beschriebenen Konzentratoren wesentlichen Bedingungen, nämlich, daß 1. die für die Lichtfortleitung innerhalb derselben Schicht vorgesehenen Fluoreszenzlicht- Emis sionsbänder mit benachbarten Absorptionsbän dern so wenig wie möglich überlappen, und 2. daß sich die Absorptionsbänder der verschiedenen Schichten lückenlos überlappen.
Gegen eine Einschicht-Konzentratoranordnung spricht auch im Fall von Siliziumsolarzellen die Tatsache, daß der Absorptionskoeffizient für Silizium mit zunehmender Wellenlänge abnimmt, so daß es ungünstig ist, alle Photonen des Sonnenlichts über mehrstufige "Fluoreszenzstoffkaskaden" in einen Bereich im nahen IR umzusetzen.
Die in Fig. 4 gezeigte Aufteilung des Spektrums soll im wesentlichen nur die Hauptgesichtspunkte erläutern. Das von der Siliziumsolarzelle nutzbare Sonnenlicht ließe sich auch annähernd voll nutzen, wenn man in einer 2-Schichtanordnung von Konzentratoren in jeder Konzentratorschicht nur je eine 2-stufige Fluoreszenzstoffkaskade verwenden würde, in dem man Fluoreszenzstoffe mit entsprechend breiteren Absorptionsbändern verwendet.
Zur Verringerung der Lichtverluste durch Selbstabsorption infolge von Überlappung von Emissions- und Absorptionsband eines Fluoreszenzstoffes bietet sich auch die Möglichkeit, den Fluoreszenzstoff in einer dünnen Randschicht des Lichtkonzentrators in entsprechend höherer Konzentration unterzubringen, z B. im Fall von festen Lösungsmitteln realisiert durch Eindiffusion des Fluoreszenzstoffes oder bei heterogen Mischungen der weiter oben beschriebenen Art realisiert durch Einbettung oder Sedimentation von fluoreszierenden Partikeln in festen oder flüssigen Einbettungsmitteln mit gleichem Brechungsindex.
Als letztes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sei noch angegeben, wie sich das Lichtkonzentratorprinzip in Verbindung mit Anzeigevorrichtungen gemäß der deutschen Patentanmeldung P 25 54 226. 1 vom 2. 12. 1975 bei gleichzeitiger Verwendung von Solarzellen zur optimalen Nutzung der Sonnenenergie nutzen läßt. Die Anzeigevorrichtungen werden nämlich nur den Spektralbereich vom blauen bis zum grünen oder gelben nutzen, um die spektrale Augenempfindlichkeit mit auszunutzen. Es empfiehlt sich deshalb, den oberen Teil des Sonnenspektrums zur Beleuchtung der Anzeige in einer ersten Konzentratorschicht und den restlichen Spektralbereich in einer zweiten Konzentratorschicht hinter der ersten aufzufangen und einer Solarzelle zur elektrischen Energiegewinnung für die Stromversorgung der Anzeige zuzuführen.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüobe 1. Vorriohtung zur Umwandlung von Liohtenergie in elektrisobe Energie, wobei Licht in einer transparenten Sobioht, deren Breohungsindex größer als der des umgebenden Mediums ist und die Fluoreszenzzentren enthält (nachfolgend Konzentrator genannt) aufgefangen und einer an sich bekannten Solarzelle zugeführt wird.

d a d u r o h g e k e n n z e i o h n e t, daß die Liohtkonzentratoren aus Küvetten (1) bestehen, die flüssige transparente Lösungsmittel mit Fluoreszenzzentren (7) enthalten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r o h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Küvetten (1) aus Glas bestehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, d a d u r o h g e ke n n z e i o h n e t, daß die Küvetten flaoh ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, d a d u r ob g e k e n n z ei oh n 6 daß die Küvetten (1) zur Abstandhalterung der Küvetten wände transparente Stützstellen (#) besitzen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r o h g e k e n n z e i o h n e t, daß die Küvetten (1), die Lösungen (7) und die transparenten Stützstellen (8) gleichen Breohungsindex aufweisen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i o h n e t, daß die Lösungsmittel (7) aus Flüssigkeitsmisohungen bestehen, um gleichzeitig für mehrere versohiedenartige Fluoreszenzzentren optimale Konzentrationen zu ermöglichen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Lösungsmittel (7) statische Dielektrizitätskonstanten zwischen 5 und 100 aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, d a d u r oh g e k e n n z e i c h n e t, daß die Lichtkonzentratoren aus Schichten bestehen, die aus heterogenen Mischungen von transparenten festen oder flüssigen Substanzen, in die fluoreszierende Partikeln eingebettet sind, hergestellt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die transparenten Einbettungssubstanzen und die fluoreszierenden Partikeln gleichen Brechungsindex besitzen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, d a d u r o h g e k e n n z e i c h n e t, daß die fluoreszierenden Partikeln aus festen Lösungen von Fluoreszenzzentren bestehen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, d a d u r c h gek e n n zeichnet, daß die Lichtkonzentratoren die Form von gleichschenkligen Dreiecken besitzen, die Stirnflächen (2) der gleichlangen Dreiecksseiten verspiegelt sind und die Solarzellen (3) an der dritten unverspiegelten Dreieoksseite angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dreieckigen Lichtkonzentratoren flächenfüllend zwischen parallel laufenden Kühlmittelleitungen (5) angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Kühlmittelleitungen (5) Lösungsaustauschleitungen (6) angebracht sind, an die die Küvetten (1) angeschlossen sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, d a d u r o h g e k e n n z ei o h n e t, daß in den Liohtkonzentratoren Fluoreszenzstoffe verwendet werden, deren Absorptions- und Emissionsbänder so aufeinander abgestimmt sind, daß sich das Emissionsband (ei) jeweils eines Fluoreszenzstoffes annähernd mit dem Absorptionsband (a2) je eines anderen Fluoreszenzstoffes deckt (im folgenden zur Abkürzung als Fluoreszenzstoff-Easkade bezeichnet).
15. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, d a d u r o h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Anordnung von 2 übereinander liegenden Lichtkonzentratoren verwendet wird, wobei jede Schicht Fluoreszenzstcffkaskaden enthält, die so aufeinander abgestimmt sind, daß einerseits die für die Lichtfortleitung innerhalb derselben Schicht vorgesehenen Fluoreszenzlicht-Emissionsbänder mit benachbarten Absorptionsbändern so wenig wie möglich überlappen und daß sich andererseits die Absorptionsbänder der verschiedenen Schichten lückenlos überlappen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i o h n e t, daß sich die Fluoreszenzstoffe in einer dünnen Randschicht des liichtkonzentrators befinden.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, d a d u ro h g e k e n n z ei o h n e t, daß die Verteilung des Fluoreszenzstoffes in einer dünnen Randschicht dadurch erzeugt wird, daß der Fluoreszenzstoff in ein festes transparentes Lösungsmittel eindiffundiert wird.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 17, d a d u r o h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verteilung des Fluoreszenzstoffes in einer dünnen Randschicht dadurch erzeugt wird, daß fluoreszierende Partikeln in einem festen oder flüssigen Einbettungsmittel am Rand abgelagert werden.
19. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 18, d a d u r o h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Anordnung von 2 übereinander liegenden Lichtkonzentratoren verwendet wird, wobei der in dem einen Lichtkonzentrator aufgefangene kürzerwellige Anteil des Sonnenspektrums zur Beleuchtung einer Anzeigevorrichtung verwendet wird und der restliche längerwellige Spektralbereich in der zweiten Konzentratorschicht aufgefangen und einer Solarzelle zugeführt wird.