DE3010595A1 - Silizium-solarzelle mit einer fluoreszenzzentren enthaltenden kollektorplatte - Google Patents
Silizium-solarzelle mit einer fluoreszenzzentren enthaltenden kollektorplatteInfo
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Description
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- Silizium-Solarzelle mit einer Fluoreszenzzentren enthal-
- tenden Kollektorplatte Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Solarzelle mit einem im wesentlichen aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper mit einem aktiven Gebiet, in welchem Ladungsträger durch die auf die Solarzelle auftreffende und in diese eindringende Energie erzeugt werden und mit einer als Konzentratorsystem für das einfallende Sonnenlicht wirkenden, Fluoreszenzzentren enthaltenden Kollektorplatte aus Glas oder Kunststoff.
- Die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie erfolgt durch photovoltaische Elemente, sogenannte Solarzellen. Die Herstellung dieser Solarzellen mit wirtschaftlich attraktiven Wirkungsgraden ( T -# 10%) ist zur Zeit noch sehr aufwendig und teuer. #ur Reduzierung der Kosten werden u.a. die Möglichkeiten von DUnnschicht-Solarzellen aus II/VI-oder IllIV-Verbindungen (z.B. Cadmiumsulfid/Kupfersulfid oder Galliumarsenid) oder Solarse'len aus amorphen Silizium mit Wasserstoffbindungen erforscht, die mit geringem Aufwand an aktivem Material auf billigen Substraten auskommen. Die Leistung pro Solarzellenfläche ist hierbei allein durch den Wirkungsgrad und die Sonnenbeleuchtungsstärke gegeben. FUr hohe Leistung ist eine große Zellenflache (=Halbleiterfläche) erforderlich.
- Eine andere Lösung besteht darin, daß man eine kleine Zellenfläche mit einer hohen Strahlungsintensität beleuchtet, d.h. das Sonnenlicht konzentriert. Dieses läßt sich mit Spiegeln, z.B. durch Hohlspiegel oder aber durch billige Kollektorplatten erreichen. Bei diesen Kollektorplatten handelt es sich um flache Gebilde aus durchsichtigem Material, in das fluoresz#erende Farbstoffe eingebettet sind. Kollektorplatten haben den Vorteil, daß unabhängig von der Sonnenstrahlung diffuses Licht so gut wie direktes Licht konzentriert wird.
- Die Erzeugung von elektrischer Energie aus Sonnenlicht mittels Kollektorplatten und Solarzellen ist bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst. Die zur Zeit verwendeten Kollektorplatten bestehen aus transparenten Plastikgläsern, die mit verschiedenen Farbstoffmolekeulen versehen sind und somit bei Lichtanregung (Sonnenlicht) mit unterschiedlichen Farben fluoreszieren. Dieses Fluoreszenzlicht wird dann durch geeignete Verspiegelung verschiedenen Solarzellen zugeleitet, die spektral angepaßte Energielücken besitzen (s. auch A.Götzberger u. W. Greubel: Solar Energy Conversion with Fluorescent Colleotors. Appl. Phys. 14 (1977) 123-139 oder A. Goetzberger: Fluorescent Solar Energy Collectors: Operating Conditions with Diffuse Light.
- Appl. Phys. 16 (1978) 399-404). Theoretische Berechnungen lassen einen hohen Wirkungsgrad von 38% erwarten. Bisher wurden im Experiment Wirkungsgrade von nur etwa 1% erreicht, weil für die Jeweiligen Farbstoffe die geeigneten Halbleiter noch nicht verwendet wurden.
- Ein großer Nachteil dieser Kollektorplatten ist ihre Alterung, da durch Lichteinstrahlung die organischen Farbstoffmoleküle zerbrechen und dann ihre Fluoreszenzeigenschaften verlieren. Die Schichtdicken der Platten liegen bei mehr als 1 cm, da die Absorption der Kollektorplatten relativ gering ist.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine wenig aufwendige Stromerzeugung mittels Solarzellen, die mit fluoreszieren- den Kollektorplatten kombiniert sind, zu ermöglichen.
- Dabei soll vor allen Dingen das Problem der Alterung dieser Kollektorplatten beseitigt werden.
- Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Solarzelle der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Fluoreszenzzentren aus Neodym-Ionen bestehen, die von Chrom-Ionen umgeben sind. Durch die Verwendung von Neodym-Ionen (Nd+) als lichtbeständige Fluoreszenzzentren, die in dünnen Glas- oder Plastikschichten eingebaut und zusätzlich noch von Chrom-Ionen (Cr3+) umgeben sind, wird eine lange Betriebslebensdauer der Kollektorschicht erzielt, da Neodym- und Chrom-Ionen als Fluoreszenzzentren durch Lichteinstrahlung nicht altern. Durch die hohe Absorption der Chrom-Ionen wird erreicht, daß dünnere Kollektorschichten ausreichen als bei den bisher benutzten Fluoreszenzmaterialien. Außerdem ergibt sich wegen eines effizienten Energietransfers vom Chromzum Neodym-Ion eine Neodym-Fluoreszenzstrahlung mit einer Wellenlänge von 1,05 pm (entspricht 1,18 eV). Diese Strahlung trifft dann auf einen photovoltaischen Halbleiter mit angepaßter Energielücke z.B. Silizium mit einem Bandabstand EG = 1 , 1 eV.
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfigdung beträgt die Chrom-Dotierung ungefähr 10 Atom-% und die Neodym-Dotierung 2 bis 5 Atom-%. Bei diesen Detierungen werden fluoreszenzlöschende Prozesse (Quenching) zwischen zu eng benachbarten Neodym-Ionen einerseits oder zu eng benachbarten Chrom-Ionen andererseits vermieden. Die Dicke der Kollektorplatte kann auch kleiner 0,1 cm eingestellt werden.
- In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, die Kollektorplatte durch verspiegelte Flächen und Kanten zu vergüten.
- Die weiteren Vorteile der erfindungsgemäßen Solarzelle sollen an Hand von Ausführungsbeispielen und der Figuren 1 bis 3 noch näher erläutert werden.
- Dabei zeigt die Figur 1 verschiedene Absorptions- und Emissionsspektren in Abhängigkeit von der Wellenlänge, Figur 2 das Spektrum der Sonnenstrahlung und die spek-.
- trale Empfindlichkeit einer Solarzelle und die Figur 3 ein Schnittbild durch eine erfindungsgemäße Solarzelle in Prinzipdarstellung.
- Das in Figur 1 dargestellte Kurvendiagramm ist aus einem Aufsatz von I.G. Edwards und S. Gomulka: "nhanced performance of Nd Laser glass by double doping with Chrom" aus der Zeitschrift J. Phys. D: Appl. Phys. 12 (1979) 187-194 entnommen und zeigt die Nd-Cr-Glas-Absorptionr und die Nd-Emmission (E/E.max) in Abhängigkeit von der Wellenlänge 24(nm). Dabei ist mit der Kurve I die Nd-Absorption, mit der Kurve II die Cr-Absorption, mit der Kurve III die (Cr+Nd)-Absorption und mit der Kurve IV die Nd-Emmission bezeichnet.
- Die Fig. 2 zeigt im Kurvendiagramm das Spektrum der Sonnenstrahlung (Kurve V) und die spektrale Empfindlichkeit einer Solarzelle (Kurve VI). Dabei ist die Wellenlänge A in ßmm aufgetragen.
- Aus den Figuren 1 und 2 zeigt sich, daß durch Cr- und Nd-Ionen der wichtigste Teil des Sonnenspektrums (0,3# = ffi L 1,0 ) absorbiert wird.Photonen mit geringerer Energie würden z.B. in SIlizium auch keine weiteren Elektronen-Loch-Paare mehr erzeugen. Aus der Literatur (H.-D. Hattendorff, G. Huber und F. Lutz: "cw laser action in Nd (Al, Cr)3 (Bo3)4" in Appl.Phys.
- Lett.34 (1979) 437-439) ist bekannt, daß bei Zugabe von Chrom-Ionen zu Nd-Laserkristallen der Energietransfer von angeregten Chrom-Ionen zu benachbarten Nd-Ionen so effizient ist, daß diese Kristalle zur Nd-Laserstrahlung angeregt werden können. Die Absorptionslängen von Chromsensibilisierten Nd-Substanzen können je nach Chrom-Dotierung zwischen 10## pm und unendlich eingestellt werden. Bei nicht zu hohem Mischungsverhältnis von Cr zu Nd wird die gesamte vom Chrom absorbierte Lichtleistung auf das Neodym übertragen.
- Weiterhin ist bekannt, daß in Nd-Lasersubstanzen der innere Quantenwirkungsgrad nahezu 1 ist, d.h. jedes angeregte Nd-Ion gibt seine Energie in Form von Fluoreszenzlicht wieder ab. Ähnliche Fluoreszenzeigenschaften wie in einkristallinen Nd-Lasersubstanzen liegen auch in glasigen, chromsensibilisierten Neodym-Substanzen vor.
- Durch die statistische Umgebung der Ionen werden die Absorptionslinien noch breiter sein, was in diesem Fall von Vorteil ist. Durch die Umwandlung des Sonaenlichts in quasi-monochromatisches Licht (Nd-Fluoreszenz) wird nur noch ein Halbleitertyp mit geeignetem Bandabstand benötigt.
- In Figur 3 ist dargestellt, wie durch geeignete Verspiegelungen 10 einer Cr-Nd-sensibilisierten Glasplatte 11, welche als Sonnenlichtkollektor 12 in der erfindungsge-k~ mäßen Anordnung 13 verwendet wird, die Nd-Fluoreszenz in der dünnen Kollektorschicht (11) gehalten und auf die Kante 14 gelenkt wird, wo sich die Solarzelle 15 befindet. Mit den Bezugszeichen 17 und 18 sind die Kontaktanschlüsse bezeichnet.
- Eine Reabsorption der Nd-Fluoreszenz in der Schicht 11 ist auszuschließen, da die Nd-Fluoreszenzstrahlung durch einen Übergang in ein tieferes Energie-Niveau erfolgt, das nicht der Grundzustand ist. Ein Rücktransfer zum Cr-Ion findet nicht statt, da Absorptions- und Emmissionsbanden getrennt sind und keine Überlappung von beiden existiert.
- Durch die hohe Fluoreszenzausbeute auf Grund des effizienten Cr-Nd-Energietransfers und wegen des hohen inne ren Quantenwirkungsgrades bei Nd-Ionen werden nahezu alle von Cr und Nd absorbierten Photonen in monochromatische Photonen mit etwa 1,05 #um Wellenlänge umgewandelt.
- Da Reabsorption und Energierücktransfer nicht auftreten, wird der Fluoreszenzverlust in der Schicht 11 nur durch die Vergütung der verspiegelten Flächen und Kanten 10 (hochreflektierend für 1,0,ii-Strahlung) bestimmt. Dieser liegt unter 10%. 90% der absorbierten Photonen gelangen also als umgewandelte, monochromatische Photonen zum Halbleiter (15) und erzeugen dort Ladungsträger. Die Absorptionslänge von z.B. einkristallinem Silizium liegt bei einer Wellenlänge von 1,05 um bei 50 um ( ^ 2 x 102 cm 1 Absorptionskonstante). Der pn-Ubergang 16 kann also etwa 20 bis 30 pm unterhalb der Oberfläche des Siliziumhalbleiters liegen, da die ~blauen" Photonen in langwellige Photonen umgewandelt wurden und nicht mehr in der Oberfläche absorbiert werden. Dadurch kann mit der in Figur 3 abgebildeten Anordnung die niedrige Blauempfindlichkeit von Solarzellen (S. Figur 2) gesteigert werden, so daß mit weniger Verlusten und einem höheren Wirkungsgrad zu rechnen ist.
- Vorteile dieser Anordnung (13) sind: 1. Die bei üblichen Solarzellen bekannte schwache Blauempfindlichkeit wird erhöht, da nun jedes blaue Photon ein IR-Photon erzeugt, das im Halbleiter ein Ladungsträgerpaar erzeugt; dadurch wird die optische Effizienz erhöht (bis zu 75%).
- 2. Eine lange Betriebslebensdauer der Kollektorschicht, da Nd- und Cr-Ionen als Fluoreszenzzentren durch Lichteinstrahlung nicht altern.
- 3. Durch den Cr-Nd-Transfer wird das Sonnenlicht in nur eine einzige monochromatische Fluoreszenz umgewandelt, so daß nur ein Halbleitertyp (Silizium) verwendet werden muß.
- 4. Eine Aufteilung des Sonnenlichts durch mehrere, unterschiedlich fluoreszierende Platten und anschließende Anpassung von Halbleitern mit entsprechender Bandlücke - wie es bekannter Stand der Technik ist -ist nicht erforderlich.
- 5. Durch bestimmte Chromdotierungen lassen sich die Dicken der Absorbierschichten variieren.
- 6. Die Schichtdicken der Cr-Nd-Kollektoren 12 können im Bereich von unter 0,10 cm liegen, so daß ein geringerer Materialaufwand erforderlich ist.
- 7. Die Materialkosten für '2E«am lmd Neodym sind wegen der geringen Schichtdicke und den relativ geringen Konzentrationen vernachlässigbar gegenüber den übrigen Kosten eines Solargenerators.
- Als Solarzelle kann anstelle einer Zelle mit pn-Übergang auch eine solche mit MIS-Struktur verwendet werden.
- Ebenso kann auch eine Antireflexionsschicht für Sonnenlicht aufgebracht sein.
- 3 Figuren 5 Patentansprüche
Claims (5)
- Patentansprüche Solarzelle mit einem im wesentlichen aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper mit einem aktiven Gebiet, in welchem Ladungsträger durch die auf die Solarzelle auftreffende und in diese eindringende Energie erzeugt werden und mit einer als Konzentratorsystem für das einfallende Sonnenlicht wirkenden, Fluoreszenzzentren enthaltenden Kollektorplatte aus Glas oder Kunststoff, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fluoreszenzzentren aus Neodym-Ionen bestehen, die von Chrom-Ionen umgeben sind.
- 2. Solarzelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Chromdotierung ungefahr 10 Atom-% und die Neodym-Dotierung 2 bis 5 Atom-% beträgt.
- 3. Solarzelle nach Anspruch 1 und/oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Dicke der Kollektorplatte kleiner 0,1 cm beträgt.
- 4. Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kollektorplatte durch verspiegelte Flächen und Kanten vergütet ist.
- 5. Solarzelle nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Halbleiterkörper einen etwa 20 bis 30/um unterhalb der Oberfläche des Siliziumhalbleiters liegenden pn-Übergang aufweist.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE202008010452U1 (de) * | 2008-08-06 | 2009-09-17 | Linder, Patrik | Fotovoltaikmodul und Fotovoltaikanlage |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS56146285A (en) | 1981-11-13 |
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