DE2926191A1

DE2926191A1 - Sonnenkollektor

Info

Publication number: DE2926191A1
Application number: DE19792926191
Authority: DE
Inventors: Samuel Neuman; Renata Reisfeld
Original assignee: Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
Current assignee: Yissum Research Development Co of Hebrew University of Jerusalem
Priority date: 1978-07-04
Filing date: 1979-06-28
Publication date: 1980-01-17
Also published as: US4367367A; GB2028859A; GB2028859B

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Konzentration der Solarenergie bei Solarzellen, die die Solarenergie optimal ausnutzen.

Die Erfindung beruht auf der Verwendung planarer oder im wesentlichen planarer Glasplatten, die auf geeignete Art dotiert sind und die mit Reflexionseinrichtungen an den seitlichen Seiten und an der untersten Glasoberfläche ausgerüstet sind, wobei eine Solarzelle an einer der seitlichen Seiten der Glasplatte angebracht ist.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine einzige Glasplatte, die vorteilhafterweise mit Uranylionen und möglicherweise ebenfalls noch mit anderen Ionen dotiert ist, und weiterhin unter Bezugnahme auf Solarkollektoren, bei denen eine Vielzahl von Platten mit unterschiedlichen Gläsern verwendet wird, wovon jedes mit einer Solarzelle mit hoher Wirksamkeit bei der Wellenlänge, bei der das entsprechende Glas fluoresziert, ausgerüstet ist, erläutert.

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Solarenergieumwandlung in einer Solarzelle und erfindungsgemäß wird ein Teil des Sonnenspektrums und insbesondere der Teil in dem ultravioletten und blauen Bereich zu längeren Wellenlängen umgewandelt, die von Solarzellen besser ausgenutzt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zur Umwandlung eines Teils der Sonnenstrahlung in den längeren Wellenbereich und zur Abführung der ungewünschten Hitze, während die konzentrierte Solarstrahlung in einer Solarzelle konzentriert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen planeren oder im wesentlichen planaren Kollektor, der so ausgebildet ist, daß er einen Teil dessolaren Spektrums absorbiert und die Energie in konzen-

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trierter Form mit vorbestimmter Wellenlänge auf zwei oder mehrere unterschiedliche, photoelektrische (Solar-) Zellen abgibt, die an einer oder mehreren seitlichen Wänden des Kollektors vorgesehen sind.

Die Einrichtung bzw. Vorrichtung betrifft einen verbesserten Solarkollektor, mit dem die Sammelleistung der Sonnenbestrahlung im wesentlichen erhöht wird und der die Konzentration der Sonnenenergie nach der geeigneten Umwandlung in längere Wellenlängen in einer Vielzahl von Solarzellen erlaubt, wodurch die Ausbeute bzw. die Leistung und die Wirtschaftlichkeit eines solchen Systems wesentlich erhöht wird.

Silicium-Semileiter spielen eine Schlüsselrolle in den meisten Arten der Sonnenenergieumwandlung, bedingt durch ihre elektro-optischen Eigenschaften, und die Technologie für die Herstellung solcher Zellen ist hoch entwickelt. Es ist ein großer Nachteil solcher Zellen, daß sie sehr teuer sind, und ihre weitverbreitete Verwendung für die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie ist noch nicht wirtschaftlich. Eine der Möglichkeiten, diesen Nachteil \zu beseitigen, besteht darin, daß man den einkommenden .Flux der Sonnenstrahlung auf eine Solarzelle konzentriert, die Umwandlungsleistung. . erhöht und im wesentlichen die Oberfläche der Solarzellen, die pro Einheitsfläche des Sonnenfluxes erforderlich ist, reduziert. Man hat verschiedene Vorschläge gemacht, die Sonnenenergie auf Solarzellen zu fokussieren, aber die bekannten Einrichtungen konzentrieren die gesamte Sonnenstrahlung einschließlich der Wärmestrahlung. Sonnenzellen besitzen im allgemeinen eine maximale Empfindlichkeit bei etwa 800 nm, und wenn die Wärmeenergie und die Bestrahlung in anderen Teilen des Spektrums auf solche Sonnenzellen konzentriert wird, ist die Gesamtleistung recht niedrig.

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Kürzlich haben Weber et al, App. Phys. .1^,(1976)2299-2300, vorgeschlagen, lumineszierende Sonnenkollektoren zu verwenden, und sie haben vorgeschlagen, mit Neodym dotiertes Laserglas oder Rhodamino-6-G als lumineszierendes Material zu verwenden. Ihre Berechnungen zeigen die Beziehung zwischen dem Einfangen der Bestrahlung und dem Brechungsindex des Kollektors.

Die Ausnutzung der Sonnenenergie auf wirksame Weise ist eines der Hauptziele der Wissenschaft, um eine wirtschaftliche und geeignete Energiequelle zur Verfügung zu haben. Eine der Hauptschwierigkeiten sind die relativ hohen Kosten der Solarzellen und anderer Elemente der Einrichtungen, die für eine Sonnenenergieausnutzung entworfen wurden. Landumwandlungssysteme in großem Haßstab müssen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, damit sie mit anderen verfügbaren Energiequellen konkurrieren können. Solche Einrichtungen müssen an einer gegebenen Landstelle installiert, gewartet und betrieben werden können. Zur Zeit sind Siliciumzellen bekannt, die Umwandlungsleistungen von etwa 1596 bei AM=O und über 1896 bei AM=1 (AM = Luftmasse, durch die der Sonnenstrom penetriert; AM=1 beim Seeniveau für die Sonne von oben) erbringen. (AM leitet sich ab von dem angelsächsischen Ausdruck " air mass".) Diese Werte liegen innerhalb etwa 5 bis 9# der Theorie. Solarzellen sind sehr teuer und nur durch Konzentration der Solarenergie auf sol- / chen Zellen können die Kostenschwierigkeiten beseitigt werden, und dies gilt nur, wenn die Konzentrationseinrichtung billig und wirtschaftlich ist.

Man hat bereits vorgeschlagen, eine Sperrschichtphotozelle mit einer kleinen Glasplatte zu verbinden; vergl. Nature, 13. Juli 1978, "Planar Solar Energy Converter and Concentrator Based on Uranyl doped Glass". In dieser Arbeit wird

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das Grundprinzip solcher Energieumwandlungen angegeben, es wird jjedoch keine leistungsfähige Ausführungsform erläutert, die von praktischem Wert ist und mit dem man den geforderten Grad an Leistung erhält.

In der US-PS 4 110 123 wird eine Vorrichtung zur Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie beschrieben, bei der das Licht in einer Lichtkonzentriereinrichtung gesammelt wird, die eine transparente Schicht, deren Brechungskoeffizient größer ist als der des Umgebungsmediums, und die fluoreszierende Zentren umfaßt und in Solarzellen geleitet wird. Das Wesentliche ist, daß mehr als eine Eonzentriereinrichtung/Sonnenzellen-Kombination aufeinander über ein Zwischenmedium gestapelt werden, das einen kleineren Brechungskoeffizienten aufweist als die Konzentriereinrichtungen, wobei jede Konzentriereinrichtung so ausgebildet ist, daß ein Teil des einfallenden Spektrums in fluoreszierendes Licht umgewandelt und in eine Solarzelle geleitet wird.

In der US-Patentschrift wird ein ähnliches Prinzip vorgeschlagen, es beruht Jedoch auf der Verwendung von Glaszellen, die Lösungsmittel mit fluoreszierenden Zentren enthalten. Die Verwendung von flüssigen Gemischen ist kompliziert und unwirksam, und solche Zellen erfordern eine konstante Wartung und Instandhaltung. In der Patentschrift finden sich keine Hinweise für eine wirklich arbeitende Ausführungsform, und sie stellt somit einen reinen Vorschlag des Prinzips eines vielschichtigen Kollektors dar. In der vorliegenden Erfindung werden spezifisch dotierte bzw. gedopte bzw. angereicherte Gläser beschrieben und eine Anordnung, mit der ein wesentlicher Anteil der einfallenden Energie in verwendbare elektrische Energie umgewandelt wird.

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In der vorliegenden Anmeldung wird der Ausdruck "dotiert" verwendet, der gleichzeitig "gedopt", "angereichert" mitumfassen soll. Der Einfachheit halber wird Jedoch "dotiert" verwendet. In der vorliegenden Anmeldung werden weiterhin die Ausdrücke "Solar" und "Sonnen-"im gleichen Sinn verwendet.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie einen Teil der Sonnenstrahlung, die normalerweise von den bekannten Sonnenzellen nicht ausreichend ausgenutzt wird, in Strahlung umgewandelt, die in größerem Ausmaß von selchen ZeTLenausgenutzt wird und die die Sonnenstrahlung auf Sonnenzellen konzentriert, wodurch die Fläche solcher Zellen, die für eine gegebene Fluxflache erforderlich ist, verringert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ein geeignet dotiertes Medium, das stark in dem UV- und blauen Bereich des Sonnenspektrums absorbiert und das diese Strahlung in längere Wellenlängen umwandelt, wobei die geometrische Anordnung der Vorrichtung so ist, daß die Sonnenenergie auf eine Solarzelle fokussiert wird, was eine wesentliche Erhöhung in der Wirksamkeit der Sonnenenergieumwandlung in •elektrische Energie mit sich bringt. Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird mit Uranyl dotiertes Glas bzw. mit Uranyl versetztes Glas als Medium für die Umwandlung des UV- unb . blauen Teils des Spektrums in höhere Wellenlängen verwendet. Die mit dem Uranyl-dotierten Glas erhaltene Energie kann weiter in noch besser auszunutzende Wellenlänge, nämlich im 800 nin-Bereich, umgewandelt werden, wenn man eine Seltene Erde zu den dotierten Gläsern gibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt eine, geometrische Form, die das Fokussieren der Sonnenenergie auf eine Solarzelle

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mit kleiner Größe erlaubt. Die Form der Wahl ist ein planarer Kollektor, der mit einer Reflexionseinrichtung an seinem unteren und seitlichen Seiten ausgerüstet ist, wobei eine der seitlichen Seiten an die Solarzelle angrenzt bzw. damit verbunden ist.

Die einfachste Form ist eine rechteckige Tafel, da diese am billigsten herzustellen ist. Gegenstand der Erfindung sind jedoch auch andere geeignete, geometrische Formen, die das gewünschte Fokussieren der Strahlung auf eine Solarzelle erlauben. Die üranylionen können in verschiedene Arten von Gläsern eingearbeitet werden. Beispielsweise können Gläser, wie BaO-P₂O₅, SrO.P₂O₅, CaO.P₂O₅, und Silikatgläser vom CaO.SiO₂.Na₂0-Typ, erwähnt werden.

Die Glasplatte kann irgendeine geeignete Dimension besitzen; Dicken von etwa 1 mm bis etwa 10 mm wurden geprüft, und es wurde gefunden, daß sie geeignet sind. Das Verhältnis der Dicke zu den seitlichen Dimensionen kann innerhalb weiter Grenzen variieren. Beispielsweise wurde ein Bereich von 1:10 bis etwa 1:100 Dicke der seitlichen Dimensionen geprüft und gute Ergebnisse wurden erhalten.

.Die Absorption der Uranylionen ist recht hoch und ist um das etwa 5fache höher als die von Neodym, und es ist somit möglich, eine vollständige Absorption der Sonnenstrahlung

mit kleinen Konzentrationen an UO₂ zu erhalten. Die Uranylionen absorbieren in dem Teil des Spektrums, gegenüber dem die Siliciumzellen nicht empfindlich sind, und die Energie, die sonst verlorengeht, wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgenutzt. Uranyl fluoresziert mit höherer Quantenleistung bei Umgebungstemperatur bei längeren Wellenlängen, bei denen die Empfindlichkeit der Siliciumzellen höher ist als die natürlicher Sonnenstrah-

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lung. Die geometrische Konfiguration ergibt eine wirksame Ausnutzung des gewünschten Teils der Strahlung, während gleichzeitig die unerwünschte Wärme durch die relativ große Fläche des Kollektors verteilt wird. Nicht- radioaktives üranyl ist in großen Mengen verfügbar; es ist ein Nebenprodukt bei der Abtrennung von U und sehr billig.

Wird mit Uranyl dotiertes bzw. versetzes Glas durch die Zugabe von Ear dotiert, so beträgt die Wellenlänge der emittierten Strahlung etwa 612 nm, und dadurch wird

die Ausnutzung der Strahlung durch die . Solarsiliciumzellen zusätzlich erhöht.

Das Absorptionsspektrum von Uranylionen in Phosphatglas wurde von Lieblich-Sofer et al, Inorg.Chim.Acta (1978), untersucht, und das Spektrum ist in Fig. 1 dargestellt. Die Anregung von Uranyl in diesen Banden ergibt eine starke, sichtbare Fluoreszenz (Fig. 2), die eine Quantenwirksamkeit bzw. -ausbeute von etwa 50# bei Umgebungstemperatur und eine Lebensdauer von etwa 300 /us besitzt. Entsprechend den verwendeten geometrischen Konfigurationen wird die emittierte Strahlung an einer der Kanten der Vorrichtung gesammelt, da die Hauptmenge des Lichts in Winkeln emittiert wird, die die Oberfläche mehr streifen als der Anfangswinkel der gesamten, inneren Reflexion. Das eingefangene Licht pflanzt sich durch aufeinanderfolgende Reflexionen zu den engen Kanten fort, die mit Reflexionseinrichtungen ausgerüstet sind, bis es die eine Kante erreicht, wo die Sonnenzelle angebracht ist, wo es entweichen und diese Zelle erreichen kann. Die Wirkung ist ähnlich wie die von Wellenleitern mit optischen Fasern.

Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform betrifft eine Einrichtung für die Ausnutzung der Sonnenstrahlung auf wirksame Weise und für die Umwandlung in elektrische

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Energie. Die neue erfindungsgemäße Einrichtung erlaubt die Absorption der Sonnenstrahlung in einem breiten, spektralen Bereich, der mit dem Solarspektrum überlappt, und ergibt eine enge Bandenemission in einem vorbestimmten Bereich, die mit dem der spektralen Leistung der Solarzellen, die in dieser Vorrichtung verwendet werden, übereinstimmt.

Die bevorzugte neue erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine Vielzahl von Platten, die aufeinandergestapelt sind und die bevorzugt planare, d.h. ebene Platten sind und aus einem Material hergestellt sind, das so ausgebildet ist, daß es einen vorbestimmten, wesentlichen Teil der Sonnenstrahlung absorbieren kann, und das weiterhin so ausgebildet ist, daß die Energie mit vorbestimmten Wellenlängen auf Solarzellen, die an den seitlichen Selten der Platten angebracht sind, emittiert wird. Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Einrichtung zwei bis vier planare Glasplatten, die aus Spezialgläsern hergestellt sind und die aufeinander aufgestapelt sind und mit Spiegeln mit hohem Reflexionsvermögen kombiniert sind, die am Boden des Stapels und an den Seiten, die nicht an den Solarzellen befestigt sind, vorgesehen sind. Der Kollektor, der diesen Stapel von Platten umfaßt, wird die Energie im sichtbarem und den UV-Teilen des Sonnenspektrums absorbieren und fluoreszierendes Licht mit Wellenlängen emittieren, für die die Solarzellen, die an dem Stapel vorgesehen sind, besonders empfindlich sind. Man kann geeignete Gläser zusammen mit Siliciumzellen, mit Galliumarsenid- und/oder Cadmiumsulfidzellen verwenden. Die Photonen-Fluxdichte bzw. -Stromdichte kann theoretisch um den Faktor von etwa 100 auf die Photo zelle erhöht werden, deren Fläche 10~^ von der Fläche des Kollektors ist. Werden planare Platten verwendet, die eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform darstellen, besitzen solche Platten den zusätzlichen Vorteil, daß es möglich ist, verstreutes Licht wie auch direktes Licht auszunutzen,

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was an wolkigen Tagen von großer Bedeutung ist. Bei solchen planaren Kollektoren ist kein Gleichlauf erforderlich, überschüssige Photonenenergie verteilt sich in dem Kollektor einheitlich, und somit wird der Betrieb des Halbleiters nicht gestört. Es ist möglich, die entstehende, emittierende Strahlung in einem vorbestimmten Bereich der Wellenlängen zu erzeugen, so daß eine hohe Umwandlungsleistung mittels der gewählten Sperrschichtphotozellen möglich wird. Man kann auch eineiwirksamen Antireflexionsüberzug verwenden, da man die Strahlung in einem engen Wellenlängenbereich erhält.

Der Betrieb des neuen Kollektors beruht auf der hohen, inneren Reflexion des fluoreszierenden Lichts in jeder der den Stapel ergebenden Platten und solches Licht wird in jeder Platte innerhalb der Platte konzentriert und erreicht die Photosperrschichtzelle, die an der Platte angebracht ist, in hoher Konzentration. Dies wird ermöglicht durch die Verwendung der Fluoreszenz und der Energieübertragung zwischen verschiedenen anorganischen Ionen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer spezifischen Ausführungsform näher erläutert, die drei Glasplatten umfaßt, die aufeinander angeordnet sind. Die Platten sind planar, und solche planare Platten sind am billigsten. Wird ein Stapel aus drei Platten verwendet, so ist es möglich, die Sonnenenergie im UV- und sichtbaren Teilen des Spektrums zu absorbieren und den größeren Teil der Sonnenenergie in fluoreszierendes Licht im Bereich der Wellenlängen umzuwandeln, bei denen die Siliciumzellen, Galliumarsenid- und Cadmiumsulfidzellen besonders empfindlich sind.

Unter den wichtigsten Vorteilen der erfindungsgemäßen neuen Kollektoreinheiten können erwähnt werden: (a) eine einfache Bauart, (b) billige Materialien für die Kollektor-

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platten; (c) die Abwesenheit von Gleichlaufeinrichtungen; (d) die Verwendung von diffusem Licht, wodurch die Zahl der Stunden, während derer die Vorrichtung wirksam betrieben werden kann, pro Tag erhöht wird; (e) die Möglichkeit, die Lebenserwartung des Glases auf die der Photosperrzellen (etwa 30 Jahre) auszudehnen, indem man eine chemische Behandlung zur Erhöhung des Widerstands gegenüber dem Umwelteinfluß durchführt; (f) die Verwendung von Teilen des Spektrums, bei denen gegebene Zellen nicht empfindlich sind.

Die Verteilung der Sonnenenergie in verschiedenen Teilen des Spektrums und die Wirksamkeit der Solarzellen in verschiedenen spektralen Bereichen wird in Tabelle I aufgeführt.

Um eine maximale Ausbeute bei der Energieumwandlung, aufgrund, der Konzentration auf der Grundlage von der inneren Reflexion des fluoreszierenden Lichts, zu erhalten, ist es erforderlich, die folgenden Ziele zu erreichen:

(1) Ein großer Teil des Sonnenspektrums muß von dem Kollektor absorbiert werden,

(2) Eine Überlappung zwischen der Absorption und Emission muß vermieden oder minimal gehalten werden, um Absorptionsverluste des innen reflektierten, fluoreszierenden Lichts zu vermeiden,

(3) Das emittierte Licht muß in einem engen spektralen Bereich liegen, so daß es die Verwendung eines wirksamen Antireflexionsüberzugs möglich ist;

(4) Das emittierte Licht sollte zu der maximalen Empfindlichkeit des solaren Lichts passen, das in der gegebenen Platte verwendet wird.

(5) Der Glaskollektor sollte gegenüber Korrosion, bedingt durch Umgebungseinflüsse beständig sein.

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Das Ziel (1) kann erreicht werden, indem man eine Vielzahl von Platten verwendet, die so dotiert sind, daß sie verschiedenen Wellenlängen absorbieren und fluoreszieren.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform werden drei ebene Glasplatten verwendet, von denen die oberste Licht in dem UV und blauen Teil des Spektrums absorbiert und die fluoreszierendes Licht im grünen Teil des Spektrums emittieren. Dies paßt zu der Banden-Lücke bzw. -Breite von CdS-Zellen..

Licht von dem grünen Teil des Spektrums und vom gelben Teil penetriert durch die obere Glasplatte zusammen mit Licht mit längeren Wellenlängen, und das grüne und gelbe Licht werden von der zweiten Glasplatte absorbiert, die geeignete Ubergangsmetallionen, wie dreiwertiges Chrom, enthält. Diese fluoreszieren Im roten Bereich des Spektrums, und dies paßt zu der maximalen Wirksamkeit von GaAs-Zellen.

Licht vom roten Teil des Spektrums wird in der dritten Glasplatte absorbiert, die zweiwertige Ionen von Seltenen Erden zusammen mit dreiwertigen Ionen Seltener Erden enthält, die nahe dem IR-Teil des Spektrums emittieren, was zu der maximalen Wirksamkeit von Siliciumzellen paßt.

Die Ziele (2) und (3) werden erhalten, indem man eine Kombination geeigneter Ionen in den einzelnen planeren Glasplaten verwendet. Die Kombination aus Uranyl- und Terbium(IIl)-ionen bringt eine hohe Absorption in den UV- und blauen Teilen des Spektrums, eine ausreichende Energieübertragung (etwa 9096) zu Tb^⁺, gefolgt von einer engen Bandenemission bei 540 nm mit einer Quantenleistung von

fast 10096. Ähnliche Kombinationen werden m den zweiten und dritten Platten entsprechend den Solarzellen, die daran angebracht sind, verwendet.

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Das Ziel (4) wird durch die Auswahl einer geeigneten Solarzelle erreicht, die an die entsprechenden Platten des Kollektors angebracht ist.

Das Ziel (5) wird erreicht, indem man Gläser mit hohem Gehalt an dreiwertigen Ionen herstellt, die das Glas stabilisieren und den Reflexionsindex erhöhen.

Es ist weiterhin möglich, Oberflächenschichten, die Solarzellen ergeben, auf den seitlichen Kanten der Platten durch Aufwachsverfahren vorzusehen.

Wie angegeben, ist die Solarzelle bevorzugt an den seitlichen Seiten der Glasplatte angebracht und die anderen seitlichen Seiten wie auch der Boden der untersten Glasplatte sind mit einer Reflexionsschicht versehen, so daß die Energieverluste von unausgenutzter Sonnenstrahlung minimal gehalten werden.

Eine Vielzahl geeignet dotierter Glasplatten wird aufeinandergestapelt, wobei jede der Platten so ausgebildet ist, daß sie in einem unterschiedlichen Bereich des Sonnenspektrums absorbiert und an jeder der Platten eine Solarzelle angebracht ist, die eine maximale Leistung in dem Bereich des Spektrums aufweist, in dem fluoreszierendes Licht von dem Glas emittiert wird. Die Fläche und Dicke der einzelnen Glasplatten kann innerhalb großer Grenzen variieren. Es wurde gefunden, daß Größen von 1 χ 10 cm bis 100 χ 100 cm mit einer Dicke von etwa 1 bis 10 mm gute Ergebnisse liefern.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 ist das Absorptionsspektrum von UO₂ in Phosphatglas;

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"Fig. 2 ist ein Emissionsspektrum von UOp⁺* in Phosphatglas ;

Fig. 3 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, nicht im Maßstab einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines dreischichtigen erfindungsgemäßen Stapelkollektors.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele beschrieben. Modifizierungen in der Art des Glases, der Photozellen und der Anordnungen sind erfindungsgemäß selbstverständlich möglich.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung 11 eine rechteckige Platte bzw. Tafel 12 aus geeigneten, dotierten Glas, wie mit Uranyl dotiertes Glas, die an ihrer unteren Oberflächen mit einer Reflexionsschicht 13 und an drei ihrer seitlichen Seiten mit den Reflexionsschichten 14, 15 und 16 versehen ist. Die vierte Kante 17 ist offen und an der Solarzelle 18 des Siliciumtyps angebracht. Das Verhältnis von Glasoberfläche, auf die die Solarstrahlung trifft, zu der Fläche der Solarzelle 18 beträgt in diesem spezifischen Fall 18:1. Die Vorrichtung wird mit einer Hochdruckquecksilberlampe (100 ¥, Entfernung 10 cm) bestrahlt, und eine beachtliche Erhöhung im Strom und in der Spannung wird erhalten. In Tabelle I ist das Verhältnis von Kurzschlußstrom der Zelle, der durch das konzentrierte Licht über den Kollektor erhalten wird, zu dem Strom, der von der Zelle erhalten wird, die mit einem freien , nichtdotierten Glas identischer Geometrie verbunden ist, dargestellt: I/I Blindprobe, während das Verhältnis des Stroms, der von der ^zelle, die mit dem Kollektor verbunden ist, gegenüber der Zelle, die mit direkter Bestrahlung bestrahlt wird, als I/I Zelle angegeben wird. Die Abnahme bei höheren Konzentrationen an Uranylionen ist auf die Fluoreszenzkonzentration, mit der das Uranyl abge-

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schreckt bzw. gelöscht wird, dargestellt. Wird das Verhältnis über das verwendete 18:1-Verhältnis erhöht, kann eine weitere Erhöhung erhalten werden. Die Vorrichtung wird vorteilhafterweise zusammen mit Siliciumzellen verwendet, die kürzlich entwickelt wurden und die eine hohe Fluxdichte mit hoher Ausbeute ausnutzen können.

Tabelle I

Verhältnis des Kurzschlußstroms, der erhalten wird durch Konzentrierung der angewendeten Strahlung (Quecksilberlampe) mit einem mit Uranyl dotierten Glas, zu dem,der unter Verwendung eines nichtdotierten Glases erhalten wurde.

Gew. % UOo⁺ im Glas 0,5 1,0 2,0

^Blindprobe "3.10 3,00 2,54 ¹'^{54 1}'⁵° ¹'⁰⁶

Beispiel 1

Der Kollektor umfaßt drei Platten. Grundglaszusammensetzung: BaCPpO₅

Herstellung des Glases: Das Glas wird aus einem Gemisch aus NH^EyEO^ und BaCO, in einem Verhältnis von 1:1 unter Zugabe des Dotierungsmittels hergestellt. Das Gemisch wird in einem Platinschmelztiegel 5 h bei 135O°C unter gelegentlichem Rühren geschmolzen. Die Schmelze wird in eine Kupferform übertragen und bei 50O⁰C über Nacht getempert bzw. spannt.
Obere Schicht: 1 Mol-% Uranyl

Absorption 300 bis 480 nra

Emission 450 bis 570 nm

Zelle CdS

Mittelschicht: 5 Mol-# Eu³⁺ + 0,3 Mol-# Cr⁵⁺

Die Dotierungsmittel werden als Oxide zugegeben und die Schmelze wird auf 145O°C erhitzt. Absorption 300 bis 850 mn

Emission 800 bis 1000 nm (max. bei 900 nm) Zelle GaAs

Untere Schicht:2 Mol-96 Yb³⁺ + 3 Mol-# Nd³⁺

Die Dotierungsmittel werden als Oxide zugegeben und die Schmelze wird auf 1350⁰C erhitzt. Absorption 500 bis 950 nm
Emission 960 bis 1140 nm Zelle Silicium

Beispiel 2

Der Kollektor umfaßt drei Platten. Grundglas zusammensetzung: 52 Mol-# SiO₂

4 Mol-96 Al₂O₃ 36 Mol-96 Na₂O

8 Mol-96 CaO

Herstellung des Glases: Die Grundbestandteile sind SiO₂, Al₂(CO₃),, Na₂CO₃ und CaCO₃, chemisch rein. Die Pulver werden gut unter Zugabe von dem Dotierungsmittel als Oxid vermischt, dann wird in Luft in einem Platinschmelztiegel 1 bis 4 Tage bei 1400 bis 1500⁰C geschmolzen. Die Schmelze wird in eine Stahlform gegeben und bei 500⁰C über Nacht entspannt bzw. behandelt.

Obere Schicht: 1 Mol-# Uranyl + 4 Mol-# Tb³⁺

Absorption 350 bis 490 nm

Emission 450 bis 590 nm (max. bei 540 nm)

Zelle CdSe Mittelschicht: 0,2 Mol-96 Cr³⁺

Absorption 400 bis 750 nm

Emission 800 bis 880 nm (max. bei 850 nm)

Zelle GaAs

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Untere Schicht:2 Mol-% Yt⁵⁺ + 3 Mol-# Nd³⁺ Absorption 500 bis 950 nm Emission 960 bis 1140 nm Zelle Silicium

Beispiel 3

Der Kollektor umfaßt zwei Platten.

Grundglas zusammensetzung: 11 Mol-96 SiOp

4,5 Mol-96 BaO 32 Mol-36 Al₂O₃ 52 Mol-36 CaO 0,5 Mol-# As₂O₃

Herstellung des Glases: Die Grundbestandteile sind SiO₂, BaCO₃, A1₂(CO₃)_3> CaCO₃ und As₂O₃, chemisch rein. Das Gemisch wird unter Zugabe des Dotierungsmittels in einem Zirkondioxidschmelztiegel in reduzierender Atmosphäre von 3 Teilen N₂ und 1 Teil H₂ bei 1500°C während 5 h geschmolzen. Das Glas wird über Nacht bei 600⁰C entspannt bzw. behandelt.

2+ Obere Schicht: 1 Mo1-% Mn (zugegeben als Acetat)

Absorption 350 bis 500 nm

Emission 500 bis 600 nm (max bei 520 nm)

Zelle CdS
•Untere Schicht:0,2 Mol-96 Cr³⁺ + 3 Mol-96 Nd³⁺ + 2 Mol-% Yb³⁺

Absorption 400 bis 960 nm

Emission 1000 bis 1100 nm

Zelle Silicium

Beispiel 4

Der Kollektor umfaßt drei Platten. Grundglas zusammensetzung: 60 Mol-% ZrF^

34 Mol-# BaF₂ 6 JS.ol-% PbF₂

Herstellung des Glases: Die Oxide werden mit der doppelten theoretischen Menge an NH^F und HF in einem Platinschmelztiegel vermischt. Zu den gemischten Komponenten gibt man

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das Fluorid der Seltenen Erde, lind das Gemisch wird dann 1 h bei 400⁰C vorerhitzt, um die Fluorierung zu vervollständigen. Überschüssiges NH^F und HF «rden bei 800⁰C verdampft. Die Gläser werden in eine Graphitform gegossen und über Nacht bei 50O⁰C entspannt bzw. behandelt.
Obere Schicht: 1 Mol-% Mn²⁺

Absorption 300 bis 500 nm

Emission 460 bis 650 nm

Zelle CdS
Mittelschicht: 5 Mol-% Er³⁺ + 2 Mol-# Ho³⁺

Absorption 500 bis 740 nm

Emission 750 bis 860 nm

Zelle GaAs
Untere Schicht: 10 Mol-96 Yb³⁺ + 5 Mol-# Nd³⁺

Absorption 880 bis 960 nm

Emission 1100 nm

Zelle Silicium.

Beispiel 5

Der Kollektor umfaßt drei Platten. Grundglas zusammensetzung ι 60 Mol-96 SiO₂

2,5 Mol-96 Al₂O₃

27,5 Mol-96 Li₂O

10 Mol-96 MgO

Herstellung des Glasest Die Komponenten werden als SiO₂, Al₂CO₃, Li₂CO₃ und MgCO₃ genommen und in einem Platinschmelztiegel in einem Elektroofen 24 h unter wiederholtem Rühren bei einer Temperatur von 1350 bis 150O⁰C geschmolzen. Die Schmelze wird in eine Graphitform gegossen und auf eine Kupferplatte während 24 h bei 450°C übertragen.

Obere Schicht: 0,1 Mol-96 Ce³⁺(zugesetzt als Oxide in redu-

■z η ι»λι αί M^²⁺ zierter Atmosphäre von 3 Teit>_t O Mol-?* Mn _len jj^ ^_{4 1 Teil H2 erhitzt})

Absorption 350 bis 500 nm Emission 500 bis 650 nm Zelle CdS

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Mittelschicht: 0,3 Mol-96 Cr³⁺ + 5 Mol-% Nd⁵⁺ (zugegeben als

Oxide und in reduzierender Atmosphäre erhitzt)

Absorption 400 bis 880 mn

Emission 880 bis 1040 mn

Zelle Silicium Untere Schicht:7 Mol-% Yb³⁺

Absorption 960 nm

Emission 1050 nm

Zelle Silicium

Beispiel 6

Der Kollektor umfaßt drei Platten.

Grundglaszusammensetzung: CaO.P₂ ⁰C

Herstellung des Glases: wie in Beispiel 1 unter Verwendung

von CaCO,

Obere Schicht: 1 Mol-% Mn²⁺ + 5 Mol-96 Yb³⁺

Absorption 300 bis 500 nm

Emission 1020 nm

Zelle Silicium Mittelschicht: 0,2 Mol-% Cr³⁺ + 5 Mol-% Eu³⁺

Absorption 400 bis 750 nm

Emission 800 bis 900 nm

Zelle GaAs Untere Schicht:5 Mol-% Yb³⁺

Absorption 940 nm

Emission 1050 nm

Zelle Silicium Alle Beispiele sind in Tabelle III zusammengefaßt.

Beispiel 7

Ein Stapel, wie er in Fig. 4 erläutert wird, wird aus drei Glasplatten 41, 42 und 43, die je 4 cm χ 75 cm messen und 1 mm dick sind, hergestellt. Drei der seitlichen Seiten von jeder der Platten 41, 42 und 43 werden mit einer Re-

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flexionsschicht 44 versehen, und eine Reflexions schicht 15 ist ebenfalls am Boden der Platte 43 vorgesehen. An einer der seitlichen Seiten von jeder der Glasplatten wird eine Sonnenzelle angebracht. Die Sonnenzellen sind 46 auf der Platte 41; 47 auf der Platte 42; und 48 auf der Platte 43.

Die Größe von jeder Zelle beträgt 0,1 cm χ 4 cm, und somit

6 beträgt die Gesamtfläche der drei Zellen 1,2 cm .

Die Schichten des Stapels sind wie folgt:

Die erste Schicht wird aus einer Grundglaszusammensetzung

hergestellt, die enthält:

52 Mol-% SiO₂

4 Mol-# Al₂O₃ 36 Mol-96 Na₂O 8 Mol-96 CaO

Die Dotierungsmittel sind 1 Mol-# UO₅ ²⁺(Uranyl) und 4 Mol-% Tb³⁺.

Die Herstellung dieses Glases erfolgt gemäß Beispiel 2, und die Zelle ," die an diesem Glas angebracht ist, ist eine CdS-ZeIIe.

Die zweite Schicht wird aus der folgenden Zusammensetzung hergestellt:
11 Mol-90 SiO₂
4,5 Mol-96 BaO
32 Mol-% Al₂O₃
52 Mol-96 CaO

0,5 Mol-# As₂O₃

und das Glas wird gemäß Beispiel 3 hergestellt. Die Dotierungsmittel, die verwendet werden, sind 0,2 Mol-% Cr^ und 5 Mol-96 Eu³⁺.

Die an dieser Glasplatte angebrachte Zelle ist eine GaAs-Zelle.

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Die dritte Glasplatte wird hergestellt aus: 11 Mol-% SiO₂

5,0 Mol-% BaO 32 Mol-% Al₂O₃ 52 Mol-% CaO.

Als Dotierungsmittel werden 3 Mol-% Yb³⁺ und 1MoHi Nd³⁺ verwendet. Das Glas wird gemäß Beispiel 3 hergestellt. Die an dieser Glasplatte angebrachte Zelle ist eine Siliciumzelle.

Wie oben ausgeführt, handelt es sich bei den Zellen 46, 47 und 48 um eine CdS- bzw. GaAs- bzw. Siliciumzelle.

Der Kollektor empfängt eine Energie von 30 W auf der gesamten Oberfläche von 300 cm (volles Sonnenlicht). Die Gläser sind gegenüber etwa 80% des solaren Spektrums empfindlich, was 24 W ergibt.

Die Fluoreszenzleistung beträgt etwa 50%, was 12 W ergibt; die Sammelleistung beträgt etwa 50%, was 6 ¥ ergibt, während die Zelleistung etwa 20% ergibt, was insgesamt einen Energieoutput von etwa 1,2 W ermöglicht. Dieser zeigt, daß es mög-

lieh ist, von 1 m dieser Art von Kollektor einen Output bzw. eine Abgabe von etwa 40 W zu erhalten.

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Tabelle II

Prozentgehalt Verteilung der Sonnenenergie (AM 2) bei Spektralbereichen Λ (nm) und Bandspalten
(in eV und nm) erhaltbarer Solarzellen, was die Leistungen anzeigt, sofern verfügbar

Bereich	Spektrale Verteilung Sonnenenergie AM 2	der	Passende Bandenbreite der Halbleiter	nm	Vermutliche maximale Lei stung (%)	•	• 28
	Wellenlänge nm	%	eV	-			■ 27
nahe UV	315 - 400	2,7	-	-	-
blau	400 - 510	14,6	-	516	-
grün gelb	510 - 610	16,0	CdS(I) 2,4	712	24
rot	610 - 700	13,8	CdSe 1,74	843 886	-
nahe IR	700 - 920	23,5	CdTe 1,44-1,5 GaAs(2)1,35-1,43	1127	25 -
IR	920 - 1400	21,6	Si(3) 1,11	1878	26 -
entfernt	IR 1400 - oo	7,8	Ge 0,66

(1) CdS/CuInSe₂ Einzelkristall-Heteroverbindung

(2) GSyAl₁__r/GaAs (20Ofaches des konzentrierten Lichts)

(3) Interdigitaler Unterseitenkontakt Siliciumeinkristall-Homoverbindung, 10Ofache Konzentration

Tabelle III

Zusammenfassung der Glaszusammensetzungen und der Spektralbereiche der Absorption und der Emission und der Photosperrschichtzellenempfindlichkeit

OO QCS

Glas

DOtM

Schicht 1

Emiss.(ran;

Zelle

DotM

Schicht 2

Emiss.(nmj

Zelle

DotM

Schicht 3

Emiss.
(nm)

Zelle

uo₂ ^2h

Abs._vnm;

450-570

CdS

Eu³⁺

Abs.(nm;

800-1000

GaAs

Nd³⁺

Abs.
(mn)

960-
1140

Si

BaO.
P₂O₅

uo₂ ^2h
Tb³⁺

^h 300-480

450-590

CdSe

Cr³⁺

300-850

800-880

GaAs

Yb^⁺
Nd³⁺

500-
950

960-
1140

Si
4

SiOp
A1203
NapO
CaO

Mn²⁺

^h 350-470

500-600

CdS

Cr^⁺
Nd³⁺
Yb³⁺

400-750

1000-1100

Si

500-
950

SiO₂
BaO
CaO
As₂0_?

Mn²⁺

350-500

500-600

CdS

Er³⁺
Ho³⁺

400-960

750-860

GaAs

Yb³⁺
Nd³⁺

1100

Si

ZrF₄
BaF^

Ce³⁺
Mn²⁺

300-500

500-600

CdS

Cr³⁺
Nd³⁺

500-740

880-1040

Si

Yb³⁺

880-
960

1050

Si

SiO₂
A1₂O3
MgO

Mn²⁺

300-500

1020

Si

Cr³⁺
Eu³⁺

400-880

800-900

GaAs

Yb^⁺

960

1050

Si

CaO.
P₂O₅

300-500

400-750

940

DotM = Dotiermittel

CD CD

Claims

Patentansprüche

1. Kollektor, der zur Konzentration der Sonnenenergie auf eine Solarzelle ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß er in Kombination mindestens eine Glasplatte, die mit einer Substanz dotiert ist, die eine Fluoreszenz ergibt, wenn die Platte mit Sonnenlicht bestrahlt wird, umfaßt, wobei die Platte mit einer Sonnenzelle an einer ihrer seitlichen Kanten versehen ist und die anderen seitlichen Kanten mit einem Reflexionsüberzug versehen sind, und wobei die Sonnenzelle eine hohe Leistung im Bereich der Wellenlängen von fluoreszierender Bestrahlung aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine einzige, planare Glasplatte, dotiert mit Uranylionen, umfaßt.

3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas ausgewählt wird unter BaO:PpOc-SrO-P₂O₅-, CaO.P₂O₅- und CaO.SiO₂-GIaS, dotiert mit Uranyl ionen.

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4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas mit Uranylionen und mit Ionen der Seltenen Erden, die die fluoreszierende Strahlung zu längeren Wellenlängen ändern, dotiert ist.

5. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt: eine Vielzahl von Glasplatten unterschiedlicher Zusammensetzung, die aufeinandergestapelt sind, wobei die oberste Platte zur Sonne hin liegt und wobei jede Platte so ausgebildet ist, daß sie einen Teil des Sonnenspektrums absorbiert und in einem Wellenlängenbereich fluoresziert, bei dem die Solarzelle wirksam ist und wobei eine solche Solarzelle an die Glasplatte an eine: ihrer Seitenkanten angebracht ist, und wobei die anderen Kanten und die unterste Oberfläche mit einem Reflexionsüberzug versehen sind.

6. Kollektor nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt: Gläser, die bevorzugt im UV- und blauen, im grünen und gelben und im roten Teil des Spektrums absorbieren; Photosperrschichtzellen, die an Jeder der Glasplatten angebracht sind, wobei die Zellen so gewählt sind, daß sie eine Maximale Leistung in dem Bereich der Wellenlängen des fluoreszierenden Lichts aufweisen, das von dem Gläsern emittiert wird.

7. Kollektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei bis vier Glasplatten mit einer Fläche von 1 χ 10 cm bis 100 χ 100 cm und einer Dicke von 1 bis

10 mm umfaßt.

8. Kollektor nach Anspruch 5 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß er drei Glasplatten, die in dem UV- und blauen bzw. im gelben und grünen bzw. im roten Bereich des

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Spektrums absorbieren; Photosperrschichtzellen, die an den seitlichen Seiten an jeder dieser Platten angebracht sind, umfaßt, wobei die Gläser in dem grünen Bereich, in dem roten Bereich und im nahen IR-Berelch fluoreszieren, und wobei geeignete Photozellen mit jeder der Platten für eine, maximale: Leistung in dem Bereich der emittierten Strahlung verwendet werden.

9. Kollektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Oberfläche des Glasplattenstapels mit einem Reflexionsüberzug beschichtet ist.

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