DE4141083A1

DE4141083A1 - Saegezahn-tandem-solarzelle

Info

Publication number: DE4141083A1
Application number: DE4141083A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dr Raetz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-13
Filing date: 1991-12-13
Publication date: 1993-06-17

Description

Solarzellen für die photovoltaische Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie werden der Menschheit in Zukunft helfen, ihren Energiebedarf zu decken, ohne dabei die eigenen Lebensbedingungen und die zukünftiger Generationen zu beeinträchtigen bzw. zu gefährden.

Monokristalline Solarzellen kommen wegen der hohen Material- und Herstellungs kosten für eine breite Anwendung nicht in Frage. Eine deutliche Senkung der Herstellungskosten erwartet man dagegen von sehr dünnen Solarzellen. Diese werden mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt, beispielsweise durch Auf dampfen im Vakuum. Schichtdicken bis hinab in den Bereich einiger Mikrometer (µm) sind heute üblich.

Nicht alleine eine Kostensenkung ist erstrebenswert, auch Wirkungsgrade müssen angehoben werden. Nur so kann der Flächenbedarf für die photovoltaische Energieversorgung gesenkt werden. Das Ziel muß sein, die Wirkungsgrade auf einen Stand zu bringen, daß die in der Bundesrepublik bereits verbrauchten Flächen (das sind beispielsweise die Dächer) für eine autarke Energieversor gung ausreichen.

Ursachen niedriger Wirkungsgrade

Die heute noch niedrigen Wirkungsgrade dünner, aufgedampfter Solarzellen (4 bis 6% sind üblich) haben mehrere Ursachen. Eine davon ist die geringe Schichtdicke. Diese hat zur Folge, daß die Wahrscheinlichkeit, mittels des Sonnenlichtes elektrische Ladungsträger anzuregen, sehr gering ist. Es ist daher zweckmäßig, die Schicht auf ein sägezahnförmig gestaltetes Substrat aufzutragen. Das Substratmaterial muß eine metallisch glänzende Oberfläche mit einer hohen Reflexion für Licht haben. Das von der Zelle nicht absorbier te Licht wird am Substratmaterial reflektiert und gelangt auf die gegenüber liegende Solarzelle. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Licht in der Tiefe des Sägezahns nahezu vollständig absorbiert ist.

Wirkungsgradmindernd wirkt sich auch eine hohe Brechzahl (4, 18 bei Silizium) aus, die bei Silizium zu einer Reflexion von 37% an der Oberfläche der Solar zelle führt. Man verwendet daher heute Antireflexbeläge.

Da in einem Sägezahnprofil der Lichtstrahl, je nach Wahl des Flankenwinkels, mehrfach an den Flanken reflektiert wird, gelangt immer ein bestimmter Licht anteil in die Zelle. Auch hier kommt es zu einer nahezu vollständigen Absorp tion.

Eine weitere Minderung des Wirkungsgrades erfahren Solarzellen, weil nur ein begrenzter Wellenlängenbereich aus dem Sonnenspektrum umgewandelt werden kann. Man befaßt sich daher mit der Entwicklung sogenannter Tandem-Solarzellen. Diese bestehen im Prinzip aus zwei dünnen Solarzellen, die übereinander ge stapelt sind. Jede der beiden Solarzellen wandelt einen bestimmten Spektral bereich in elektrische Energie um. Die zwischen beiden Solarzellen liegende, elektrisch leitfähige Schicht, muß für langwelliges Licht durchlässig sein, damit es möglichst ungeschwächt auf die untere Solarzelle gelangen kann. Hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Lichtdurchlässigkeit sind nicht gleichzeitig erfüllbar.

Eine weitere Minderung des Wirkungsgrades geht von den metallischen Leiter bahnen aus, die einen Teil der Solarzelle abschatten. Das Sägezahnprofil mindert diesen Verlust.

Einen Entwicklungssprung kann das Sägezahnprofil bei den Schottky-Solarzellen bewirken.

Die Schottky-Solarzelle ist die in ihrem Aufbau einfachste Solarzelle. Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen, die immer unterschiedlich dotierte Schichten besitzen, (n-Schicht und p-Schicht), arbeiten Schottky-Solarzellen mit einer einzigen Schicht. Sie bestehen beispielsweise aus einer einzigen n-dotierten Siliziumschicht, die auf der Rückseite mit Metall einen Ohmschen Kontakt bildet. Auf der der Sonne zugewandten Seite ist eine Metallschicht aufgedampft, die von der n-Schicht durch eine sog. Sperrschicht (dünner Iso lator) getrennt ist.

Theoretisch erreichen solche Solarzellen denselben Wirkungsgrad wie die auf wendigeren doppelschichtigen. Bei der Schottky-Solarzelle wirkt sich insbeson dere die Metallschicht mindernd auf den Wirkungsgrad aus, weil diese etwa 40% der Lichtes reflektiert und keine Möglichkeit besteht, diesen Verlust durch irgendwelche Beläge zu senken.

Das Sägezahnprofil löst auch dieses Problem.

Die Erfindungsaufgabe besteht darin, eine Tandem-Solarzelle herzustellen, bei der die aufgezählten Probleme nicht auftreten, bzw. in ihren Auswirkungen ge mildert werden. Die erfindungsgemäße Tandem-Solarzelle besitzt ein Sägezahn profil. Jeder zweite Sägezahn ist mit einer Solarzelle beschichtet, die einen bestimmten Spektralbereich des Sonnenlichtes, beispielsweise den kurzwelligen Bereich, in elektrische Energie umwandeln kann. Die zwischen diesen liegenden sägezähne sind mit Solarzellen für den langwelligen Bereich beschichtet.

Die Erfindung wird in den Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Tandem-Solarzelle auf einem Sägezahnprofil mit zwei Solarzellen für je einen Wellenlängenbereich des Sonnenlichtes.

Fig. 2 Tandem-Solarzelle auf einem versenkten, dreiseitigen Pyramiden profil für drei Solarzellen für drei Wellenlängenbereiche des Sonnenlichtes.

Nach Fig. 1 sind Solarzellen auf ein Substrat aufgetragen, das sägezahnförmig profiliert ist. Die Sägezähne können beispielsweise in Glas oder Kunststoff eingearbeitet sein.

In Fig. 1 wurde aus Gründen der Materialeinsparung eine Aluminiumfolie 1 ge wählt, die so geformt ist, daß am Grund des Sägezahns eine flache Auflage 2 entsteht. Damit kann ein guter thermischer Kontakt mit einem mit Wasser oder Luft gekühlten Boden 3 erreicht werden.

Ein Sägezahn ist mit einer Solarzelle beschichtet, die das kurzwellige Sonnen licht umwandelt. Hier käme beispielsweise Galliumarsenid in Frage. Jeder zweite Sägezahn ist mit dieser Solarzelle beschichtet.

Zwischen je zwei Sägezähnen 1 mit einer Galliumarsenid-Solarzelle 4 befindet sich ein Sägezahn 1, der mit einer Solarzelle beschichtet ist, die das lang wellige Snnenlicht umwandelt. Als Beispiel kommt eine Silizium-Solarzelle 5 in Frage. Natürlich sind auch andere Materialen verwendbar.

Die verschiedenen Solarzellen können durch Aufdampfen der Schichten im Vakuum über Masken hergestellt werden. Es ist aber auch möglich, jeweils einen Säge zahntyp herzustellen und diese anschließend mechanisch zusammenzusetzen.

Da gegenüberliegende Solarzellen immer von einem anderen Typ sein müssen, ist bei drei Solarzellen eine dreiseitige Pyramide 8 zu wählen, die trichter förmig in das Substratmaterial eingelassen ist. Auf diese Weise kann zu der Solarzelle 4 und der Solarzelle 5 eine dritte Solarzelle eingeführt werden, die das langwellige, ultrarote Sonnenlicht umwandelt. Eine solche Solarzelle soll hier als UR-Solarzelle 6 bezeichnet werden. Zweckmäßigerweise besitzen zwei Flächen, die eine gemeinsame, außen liegende Kante haben, denselben Solarzellentyp.

Fällt nach Fig. 1 Licht 7 auf die Flanke eines Sägezahns 1 mit Solarzelle, wird ein Teil des Lichts 7 bereits an der Oberfläche reflektiert und fällt auf die gegenüberliegende Solarzelle.

Das eingedrungene Licht wird auf dem Weg zum reflektierenden Substrat und von dort zurück zur Oberfläche zum Teil in elektrische Energie umgewandelt. An der Oberfläche der Solarzelle wird ein Teil des Lichtes wieder in die Solarzelle reflektiert, der andere Teil tritt aus der Solarzelle aus und gelangt zur gegenüberliegenden Solarzelle.

Durch mehrfache Reflexion gelangt schließlich der Wellenlängenbereich des Sonnenspektrums zu der Solarzelle, die diesen Bereich in elektrische Energie umwandeln kann.

Die Zahl der Reflexionen (und damit auch der Absorptionsgrad) hängt vom Flankenwinkel R ab.

Metallisch glänzende Leiterbahnen werden unsichtbar, weil das auftreffende Licht in die Tiefe des Sägezahns reflektiert wird. Parallel zu den Kanten des Sägezahns verlaufende Leiterbahnen führen zu keiner nennenswerten Wirkungs gradminderung.

Schottky-Solarzellen können jetzt als Tandem-Solarzellen ausgeführt werden.

Bei transparentem Substratmaterial ist es prinzipiell gleichgültig, ob das Sägezahnprofil auf der der Sonne zugewandten Seite oder auf der abgewandten seite eingeprägt ist.

Die in den Figuren dargestellten Tandem-Solarzellen können aus zwei Gründen den Tandemeffekt nicht vollständig nutzen:

Erstens

Fällt Sonnenlicht auf die Flanke mit einer Solarzelle für das langwellige Licht, wird das in diese eindringende kurzwellige Licht absorbiert und kann nicht zur gegenüber liegenden Solarzelle gelangen.

Zweitens

Fällt Sonnenlicht auf die Flanke für das kurzwellige Licht, kann das einge drungene langwellige Licht die Zelle nur zum Teil verlassen, weil es in dieser an der inneren Oberfläche reflektiert wird.

Beide Solarzellen können daher mit reflektierenden Schichten unterschiedli chen Typs versehen werden, die verhindern, daß der in der jeweiligen Zelle nicht verwertbare Wellenlängenbereich in die Zelle eindringen kann, sondern bereits an der Oberfläche zur gegenüberliegenden Zelle reflektiert wird.

Claims

1. Solarzelle auf einem metallisch glänzenden Substratmaterial mit Sägezähnen (1), dadurch gekennzeichnet, daß je zwei zueinander zeigende Flanken der Sägezähne 1 mit Solarzellen (4/5) für verschiedene Wellenlängenbereiche beschichtet sind.

2. Solarzelle mit einer Profilierung der Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche aus eingeprägten Pyramiden (8) besteht, deren Seitenzahl gleich der Zahl der verschiedenartigen Solarzellen ist.

3. Solarzelle nach Anspruch 1) oder 2), dadurch gekennzeichnet, daß die Flanke mit der Solarzelle für einen bestimmten Spektralbereich mit einem reflektierenden Belag (Spiegel) beschichtet ist für die anderen Wellenlängen bereiche.