EP1676293A2 - Photovoltaikelement - Google Patents

Photovoltaikelement

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Publication number
EP1676293A2
EP1676293A2 EP04765705A EP04765705A EP1676293A2 EP 1676293 A2 EP1676293 A2 EP 1676293A2 EP 04765705 A EP04765705 A EP 04765705A EP 04765705 A EP04765705 A EP 04765705A EP 1676293 A2 EP1676293 A2 EP 1676293A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
conductors
photovoltaic
photon absorber
photovoltaic element
photon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04765705A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wulf Nägel
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1676293A2 publication Critical patent/EP1676293A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic element which is used in particular as a solar cell in photovoltaic systems in order to obtain electrical energy by absorbing sunlight.
  • Highly efficient solar cells are known, for example, from “Solar Energy: Photovoltaics” (BG Teubner Verlag, Stuttgart, 1997) or “Research Association Solar Energy Topics 95/96, Photovoltaics 3".
  • Highly efficient photovoltaic elements then have a "p-base” photon absorber, which consists of monocrystalline, zoned and p-doped (approx. 1.5 x 10 16 cm “3 ) silicon.
  • the photon absorber has an electrical conductivity of approx. 1 ⁇ ⁇ cm "1 and a thickness of approx. 200 ⁇ m.
  • the front of the photon absorber facing the light is textured with the help of recessed, inverted pyramids.
  • the front of the photon absorber is covered with a thermally grown silicon dioxide layer, the thickness of which is approximately 100 nm.
  • An emitter layer is arranged under the SiO 2 layer with a doping of approx. 1 x 10 19 cm “3 - 1 x 10 20 cm “ 3 and a penetration depth of approx. 0.5 - 3 ⁇ m.
  • Metal conductors which consist of Ti-Pd-Ag, are arranged on the front of the photon absorber in order to supply and remove the electrons set in motion by the absorption of light quanta. Aluminum is vapor-deposited as a back contact on the underside of the photon absorber.
  • BESTATIGUNGSKOPIE The evaporated aluminum is connected to a back surface field (BSF) via point contacts. With the help of the point contacts and the BSF, the electrical contact between the evaporated aluminum and the photon absorber is guaranteed.
  • BSF back surface field
  • the object of the invention is to provide an easily producible photovoltaic element or a photovoltaic device in which or in which the efficiency is improved.
  • the object is achieved according to the invention by a photovoltaic element with the features of claim 1 and by a photovoltaic device with the features of claim 16.
  • a photovoltaic element according to the invention in which an electrically conductive active element is at least partially embedded in a photon absorber.
  • the photon absorber which is, for example, the absorber layer of a conventional solar cell, is in particular p-doped and is therefore designed as a "p-base".
  • the active element is separated from the photon absorber by a phase boundary, ie the active element is not a doping of the photon absorber or alloy of the photon absorber, but an element which has different physical properties compared to the photon absorber.
  • the active element also has a higher electron mobility than the photon absorber.
  • the electrical conductivity of the active element is higher than that of the photon absorber.
  • the electrical conductivity of the active element is preferably more than 1.4 ⁇ ⁇ cm “1 , particularly preferably more than 1.6 ⁇ ⁇ cm " 1 , in particular more than 2.0 ⁇ ⁇ cm “1 and in particular even more than 8.0 ⁇ ⁇ cm “1 .
  • the active element has a large surface area and a large surface area in comparison to the volume.
  • the active element is in particular elongated, for example as an elongated cylinder or cuboid.
  • the ratio of surface area to volume is in particular greater than 2.5, preferably greater than 4.0 and particularly preferably greater than 6.5.
  • the volume ratio of the photon absorber to the conductors is preferably in the range 2-7. A volume ratio of about 4 is particularly preferred.
  • the active element can be, for example, a conductor, so that, compared to conventional photovoltaic elements, the conductor is not arranged outside but within the photon absorber. It was surprisingly found that the active element is electrically insulated in a preferred embodiment, ie the active element is neither connected to a plus pole nor to a minus pole, but at least partially arranged within the photon absorber.
  • the active element can thus be a conductor which is neither connected to a positive pole nor to a negative pole, but is embedded in the photon absorber without contact with a voltage source.
  • the embedded part of the active element has a certain reinforcing property.
  • the electrons set in motion by light quanta can apparently easily transmit their electrical impulse to the electrons within the active element.
  • This electrical impulse is reflected within the active element at the phase boundaries to the electrically denser medium with a higher ohmic resistance, namely in particular the photon absorber or the environment, until sufficient energy is stored in the active element in order to pass an energy-rich electrical pulse out of the active element to be able to transmit the photon absorber through to an electrical conductor.
  • the conductors do not necessarily have to be part of the photovoltaic element according to the invention, but can also be, for example, an outer contact surface of a photovoltaic device receiving the photovoltaic element.
  • the effect is believed to be due to a resonance phenomenon that results in an amplifier effect.
  • the active element is therefore an amplifier element or an electrical resonance body.
  • the active element thus produces an electron resonance with a wave characteristic that has a frequency bandwidth of approximately 75 Hz - 85 Hz.
  • the electrons can be stored in the active element and, for example, be released to the photon absorber as a function of temperature, which additionally triggers electron / hole events which lead to additional amplification, which improves the efficiency.
  • the absorption of photons in the photon absorber creates electron / hole pairs which can be conducted out of the photon absorber as an electric current via an electric field.
  • capacitor plates can be provided on opposite sides of the photon absorber, which are connected to a plus pole or a minus pole.
  • an electric field is provided by providing at least one conductor that is at least partially embedded in the photon absorber. This avoids capacitor plates arranged outside the photon absorber.
  • the conductor can be embedded in the photon absorber, as a result of which different manufacturing processes are avoided and the manufacturing costs are reduced.
  • the conductor can have the same composition as the active element, so that the provision of different material compositions is avoided.
  • a large-area photon absorber in which a large number of active elements are embedded.
  • the large-area photon absorber can then be divided into several small photon absorbers.
  • individual active elements can be designed as conductors. For this purpose, for example, a cable connected to a positive pole or negative pole can be soldered to one of the active elements. Individual active elements are preferably connected in series. As a result, a fully functional solar cell can be produced using structurally simple measures that are particularly suitable for mass production.
  • At least two conductors are arranged in the photon absorber, one conductor being a plus conductor connected to a plus pole and the other conductor being a minus conductor connected to a minus pole.
  • the plus conductors are arranged in such a way that they end or protrude on a first end face of the photon absorber and the minus conductors in a corresponding embodiment end or protrude on a second end face of the photon absorber. This makes it possible to connect several, in particular all, positive conductors via a first common conductor on the first end face and several, in particular all, minus conductors via a second common conductor on a second end face.
  • the photovoltaic element is preferably configured in multiple layers.
  • the photovoltaic element has at least two photon absorbers, each of which is in contact via a contact surface.
  • the alignment of the photon absorbers is preferably anti-parallel.
  • the plus conductors and the minus conductors are arranged in such a way that the plus conductors and the minus conductors are delimited from one another via the contact surface. This results in a greater spatial separation of the plus conductors and the minus conductors.
  • both photon absorbers in which, for example, both active elements and conductors are arranged, can be configured identically, the conductors of one photon absorber being connected to the plus pole and the conductors of the other photon absorber being connected to the minus pole.
  • the photovoltaic element according to the invention is particularly suitable for mass production.
  • the photovoltaic element can preferably have, for example, four layers, the third and fourth layers being antiparallel to the first and second layers, for example. This can increase the degree of absorption. To further increase the degree of absorption, more than four layers can also be provided.
  • the photon absorber preferably consists essentially of silicon, in particular of monocrystalline silicon, which may be doped, so that a "p-base" results.
  • the active element preferably consists largely, in particular completely, of a metal and is optionally doped or alloyed.
  • the metals Pt, Ag and Au are preferably avoided due to the high raw material costs.
  • the metal comes especially from the 3rd - 6th main group or the 1st - 8th subgroup according to the periodic table of the elements.
  • the metal is preferably a subgroup metal whose electron configuration has an outer d-shell which is occupied by at least ten electrons.
  • the invention further relates to a photovoltaic device with a receiving element which has recesses. Photovoltaic elements as described above are arranged in these recesses.
  • the photovoltaic device has a first and a second connecting conductor, which are connected to a plus pole and a minus pole, respectively.
  • the electrical connection to the photovoltaic elements is guaranteed via the connecting conductor.
  • the connecting conductors are connected in particular to the plus conductor or minus conductor and / or, if present, to the corresponding collective conductor.
  • a plurality of photovoltaic elements are arranged in a recess, the recess being in contact with at least one photon absorber of the photovoltaic element and being insulated in particular from the conductors.
  • the photovoltaic device is designed to be electrically conductive at least in the region of the recesses and is made of a preferably aluminum-containing material, for. B. AIP, which may be endowed, composed.
  • the receiving element essentially fulfills an amplification power which can be explained as follows: All electrons from the photo absorber with an energy of at least 0.8 eV, which either originated from the p-base in a photo-induced manner, or which additionally originate from resonance-induced, come under given conditions Geometric conditions in the receiving element and trigger electrical movements there, which produce a reinforcing effect, so that the outflowing electrons return to the photo absorber in about 3 times the amount.
  • This proportion of electrons flowing back into the photo absorber from the receiving element is increased by photo-induced electrons of such residual light quantities that strike the receiving element.
  • the photovoltaic elements are fitted in the recess of the receiving element, so that there is preferably direct contact between the receiving element and the photovoltaic element.
  • a plurality of first connection conductors are preferably connected to exactly one first current conductor and a plurality of second connection conductors are connected to exactly one second current conductor.
  • the second current conductor performs the function of the "back surface field", the "back surface field” being reduced to a "back surface line”. This makes it possible to spatially separate the "back surface line” thus created in order to avoid electrical short-circuit currents or to reduce disturbing electrical fields.
  • the use of materials for realizing the back contact is reduced.
  • the electrical field required for charge separation is spatially widely distributed and in particular spans the following components of the photovoltaic element:
  • the band-shaped / wire-shaped conductor corresponds functionally to the n + emitter.
  • the minus board is embedded in a silicon matrix.
  • the silicon layers are designed as pairs, each with an anti-parallel orientation.
  • the plus board is embedded in a silicon matrix.
  • the photovoltaic device has connecting means in order to mechanically and electrically connect at least two photovoltaic devices arranged next to one another.
  • the mechanical or electrical connection can be achieved with different as well as with a common connection means.
  • An independent invention is a method of making monocrystalline anisotropic silicon. First, a cuboid made of monocrystalline silicon, which is doped, is cut into slices that correspond to the planned layer thickness of a photon absorber for a photovoltaic element.
  • This disk is slowly heated to the melting point, for example within 90 minutes, and in particular is kept at this temperature level for about 30 minutes.
  • the silicon wafer is then carefully cooled to approximately 300 ° C. over a period of, for example, eight hours, in particular at intervals. From approx. 300 ° C the cooling can take place without control.
  • This process results in a preferably circular disk of uniform layer thickness made of monocrystalline anisotropic silicon.
  • Three photon absorbers are preferably cut or sawn out of the silicon wafer, which are arranged at a defined angle to one another, preferably radially symmetrically. This process can be used to produce photon absorbers that have a high degree of homogeneity in the orientation of the crystal structure.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a photovoltaic element
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of the photovoltaic element along the line II-II from FIG. 1, 3 shows a schematic top view of a second embodiment of the photovoltaic element,
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of the photovoltaic element along the line IV-IV from FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a schematic sectional side view of a multilayer photovoltaic element
  • FIG. 6 shows a schematic side view of the photovoltaic element in the direction of arrow VI from FIG. 5,
  • FIG. 7 shows a schematic side view of the photovoltaic element in the direction of arrow VII from FIG. 5,
  • FIG. 8 shows a schematic top view of a photovoltaic device
  • Fig. 9 is a schematic sectional view of the photovoltaic device along the line IX-IX of Fig. 8, and
  • FIG. 10 shows a schematic top view of a silicon wafer for producing photon absorbers.
  • An electrically conductive active element 12 is embedded in an electrically insulated manner in a photon absorber 10 shown in FIG. 1. Further active elements are designed as positive conductors 14 and as negative conductors 16. For simple soldering, part of the plus conductor 14 projects beyond a first end face 18 of the photon absorber 10. Correspondingly, part of the minus conductor 16 projects beyond a second end face 20 of the photon absorber 10.
  • the photon absorber 10 can absorb electromagnetic radiation, in particular in the range from 95 nm to 1220 nm.
  • the absorption maxima of the photon absorber 10 are in particular 130 nm ⁇ 15 nm and 720 nm + 15 nm. As a result, a degree of absorption for electromagnetic radiation of approximately 42% can be achieved.
  • the active element 12, the plus conductor 14 and the minus conductor 16 are completely embedded in the photon absorber 10. Their surfaces facing away from the photon absorber 10 are flush with the surface of the photon absorber 10 (FIG. 2).
  • a plurality of active elements 12, plus conductors 14 and minus conductors 16 are arranged in the photon absorber 10 (FIG. 3). There is a distance between the active elements 12, plus conductor 14 and minus conductor 16 from one another, at which the efficiency is particularly high. This distance can be determined experimentally depending on the material used.
  • silicone pads 22 are arranged between the end faces 18, 20 of the photon absorber 10 and the end faces of the active elements 12.
  • the active elements 12, the plus conductors 14 and the minus conductors 16 are elongated and are arranged essentially parallel to one another.
  • the active elements 12, the plus conductors 14 and the minus conductors 16 are essentially designed as strips arranged next to one another, which essentially have a cuboid geometry.
  • the protruding ends of the plus conductor 14 and the minus conductor 16 are connected to a first collecting conductor 24 and a second collecting conductor 26, in particular by soldering (FIG. 4).
  • the collecting conductors 24, 26 are arranged on the first end face 18 or on the second end face 20.
  • the photovoltaic element according to the invention can be configured in one, two or more layers (FIG. 5).
  • the photon absorber 10 has, for example four layers 28, 30, 32, 34, which are each in contact via contact surfaces 36.
  • the photon absorber 10 is preferably provided with a textured polycarbonate layer 38 both on the top and on the bottom in the sense of a “light trap”.
  • the polycarbonate layer 38 is in turn provided on both sides with a glass layer 40 in order to protect the photovoltaic element according to the invention from damage.
  • the first layer 28 and the third layer 32 have an antiparallel anisotropic crystal structure with respect to one another.
  • the second layer 30 and the fourth layer 34 likewise have an antiparallel anisotropic crystal structure with respect to one another.
  • the multilayer photovoltaic element 44 is held by a receiving element 54.
  • the opening or incidence angle for electromagnetic radiation, which can be absorbed by the photon absorber 10 or the layers 28, 30, 32, 34, is thus over 130 ° to about 153 °.
  • a negative pressure is preferably generated, which is in particular 0.3-0.5 bar.
  • the collecting conductors 24, 26 preferably also extend over several layers (FIG. 6, FIG. 7).
  • the collecting conductors 24, 26 are arranged, for example, lengthways. Since the positive conductors 14 and the negative conductors 16 protrude on opposite end faces 18 and 20, the risk of a short circuit is avoided. However, it is preferred not to lay the collecting conductors 24, 26 over the ends of the conductors with opposite charges, in order to avoid possible disturbances due to strong electric fields in this area or short circuits.
  • a photovoltaic device 42 according to the invention has a plurality of photovoltaic elements 44 according to the invention (FIG. 8).
  • the first collecting conductors 26 of the photovoltaic elements 44 are each connected to a connecting conductor 46.
  • common conductors 27 are connected to a connecting conductor 48.
  • the latter form the back contact designed as a "back surface line", while the collecting conductors 26 functionally correspond to the n + emitters of conventional photovoltaic systems.
  • the connecting conductors 46 and 48 of the individual photovoltaic elements are further electrically connected to the conductors 50, 52 across all the way to the end poles.
  • the photovoltaic device 42 has connecting means (not shown) in order to mechanically connect adjacent photovoltaic devices 42.
  • the current conductors 50, 52 of adjacent photovoltaic devices 42 are electrically connected to one another. 6 and 7 show a possible construction in the arrangement of downstream conductors. These are connected in series.
  • the photovoltaic device 42 has receiving elements 54 with recesses 56 (FIG. 9).
  • the photovoltaic elements 44 are inserted into the recesses 56 in the receiving elements 54.
  • the receiving element 54 can act as an amplifier in that it is at least partially designed to be electrically conductive and is in contact with both the third layer 32 and the fourth layer. Avoid contact with conductors of the same name.
  • the receiving element 44 has an opening 57 below the lowermost layer 34 in a preferred construction, whereby material is saved. Possibly.
  • the opening 57 can also be completely closed, for example with AIP.
  • the layers 28, 30, 32, 34 are in particular designed as a thick layer system with a total thickness of approximately 3 mm to 18 mm, so that the risk of breakage of the photovoltaic element 44 is reduced.
  • a silicon wafer 58 is first made from monocrystalline anisotropic silicon (FIG. 10), from which the Photon absorber 10 are sawn out.
  • the photon absorbers 10 to be cut out are preferably at a distance from an edge 60 of the silicon wafer 58 in order to avoid any structural defects that may occur in the atomic lattice in the edge region of the silicon wafer 58.
  • the remainder of the silicon wafer 58 remaining after sawing out the photon absorbers 10 can then be melted down and reused, so that a complete recycling of the silicon wafer material is possible.

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Abstract

Ein Photovoltaikelement, das insbesondere als Solarzelle für Photovoltaikanlagen verwendet wird, weist einen Photonenabsorber (10) auf. In den Photonenabsorber (10) ist ein elektrisch leitfähiges Wirkelement (12) zumindest teilweise eingelassen. Das Wirkelement (12) ist über eine Phasengrenze von dem Photonenabsorber (10) getrennt. Ferner weist das Wirkelement (12) eine höhere Elektronenbeweglichkeit als der Photonenabsorber (10) auf. Überraschend wurde festgestellt, dass der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Photovoltaikelements deutlich erhöht ist.

Description

Photovoltaikelement
Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikelement, das insbesondere in Photovoltaikanlagen als Solarzelle verwendet wird, um durch Absorption von Sonnenlicht elektrische Energie zu gewinnen.
Hocheffiziente Solarzellen sind beispielsweise aus "Sonnenenergie: Photovoltaik" (B. G. Teubner Verlag, Stuttgart, 1997) oder "Forschungsverbund Sonnenenergie Themen 95/96, Photovoltaik 3" bekannt. Hocheffiziente Photovoltaikelemente weisen danach einen als "p-Basis" bezeichneten Photonenabsorber auf, der aus monokristallinem, zonengezogenem und p- dotiertem (ca. 1,5 x 1016 cm"3) Silizium besteht. Der Photonenabsorber weist dabei eine elektrische Leitfähigkeit von ca. 1 Ω^cm"1 und eine Dicke von ca. 200 μm auf. Die dem Licht zugewandte Vorderseite des Photonenabsorbers ist texturiert mit Hilfe vertieft liegender, invertierter Pyramiden. Zur Erzeugung einer hohen Antireflexwirkung ist die Vorderseite des Photonenabsorbers mit einer thermisch aufgewachsenen Siliziumdioxidschicht bedeckt, deren Dicke ca. 100 nm beträgt. Unter der SiO2-Schicht ist eine Emitterschicht angeordnet mit einer Dotierung von ca. 1 x 1019 cm"3 - l x 1020 cm"3 und einer Eindringtiefe von ca. 0,5 - 3 μm. Zum Zu- bzw. Ableiten der durch die Absorption von Lichtquanten in Bewegung versetzten Elektronen sind auf der Vorderseite des Photonenabsorbers Metallleiter angeordnet, die aus Ti-Pd-Ag bestehen. Auf der Unterseite des Photonenabsorbers wird als Rückkontakt Aluminium aufgedampft.
BESTATIGUNGSKOPIE Das aufgedampfte Aluminium ist über Punktkoπtakte mit einem Back Surface Field (BSF) verbunden. Mit Hilfe der Punktkontakte und dem BSF wird der elektrische Kontakt zwischen dem aufgedampften Aluminium und dem Photonenabsorber gewährleistet.
Mit Hilfe derartiger Photovoltaikelemente kann ein Spitzenwirkungsgrad von 21,3% erreicht werden. Dieser Wirkungsgrad ist allerdings noch zu niedrig. Insbesondere um einen großflächigen Umstieg von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energieträger, insbesondere mit Hilfe von Photovoltaik, zu erreichen, reichen die bisherigen erreichbaren Wirkungsgrade von Photovoltaikelementeπ nicht aus.
Aus DE 198 37 365 AI ist es bekannt, in dem optischen Bereich einer Solarzelle, der dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, Cluster aus Gold, Silber oder Galiumarsenid vorzusehen. Die Cluster weisen eine Größe von 3 000 bis 10 000 Atomen auf und sind kleiner als 10 μm. Die Cluster bewirken durch einen Resonanzeffekt zusätzliche Ladungsträgerpaare, die einen zusätzlichen elektrischen Strom bereitstellen, wodurch der Wirkungsgrad verbessert ist. Nachteilig bei einer derartigen Solarzelle ist, dass die für die Cluster verwendeten Materialien sehr teuer sind. Ferner ist es kompliziert und aufwändig, die im Verhältnis zur Solarzelle sehr kleinen Cluster in das für den Photonenabsorber verwendete Material einzubringen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein leicht herstellbares Photovoltaikelement bzw. eine Photovoltaikeinrichtung zu schaffen, bei dem bzw. bei der der Wirkungsgrad verbessert ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Photovoltaikelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Photovoltaikeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Überraschend wurde festgestellt, dass bei einem erfindungsgemäßen Photovoltaikelement, bei dem ein elektrisch leitfähiges Wirkelement zumindest teilweise in einen Photonenabsorber eingelassen ist, ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann. Der Photonenabsorber, bei des es sich beispielsweise um die Absorberschicht einer konventionellen Solarzelle handelt, ist insbesondere p- dotiert und dadurch als "p-Basis" ausgebildet. Das Wirkelement ist dabei von dem Photonenabsorber über eine Phasengrenze getrennt, d.h. bei dem Wirkelement handelt es sich nicht um eine Dotierung des Photonenabsorbers bzw. Legierung des Photonenabsorbers, sondern um ein Element, das im Vergleich zum Photonenabsorber unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweist. Das Wirkelement weist ferner eine höhere Elektronenbeweglichkeit als der Photonenabsorber auf. Insbesondere ist die elektrische Leitfähigkeit des Wirkelements höher als die des Photonenabsorbers. Vorzugsweise beträgt die elektrische Leitfähigkeit des Wirkelements mehr als 1,4 Ω^cm"1, besonders bevorzugt mehr als 1,6 Ω^cm"1, insbesondere mehr als 2,0 Ω^cm"1 und insbesondere sogar mehr als 8,0 Ω^cm"1. Das Wirkelement ist erfindungsgemäß großflächig ausgeführt und weist eine im Vergleich zum Volumen große Oberfläche auf. Hierzu ist das Wirkelement insbesondere länglich, beispielsweise als langgestreckter Zylinder oder Quader, ausgeführt. Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ist insbesondere größer als 2,5, vorzugsweise größer als 4, 0 und besonders bevorzugt größer als 6,5.
Das Volumenverhältnis des Photonenabsorbers zu den Leitern liegt vorzugsweise im Bereich von 2 - 7. Besonders bevorzugt ist hierbei ein Volumenverhältnis von etwa 4.
Bei dem Wirkelement kann es sich beispielsweise um einen Leiter handeln, so dass im Vergleich zu herkömmlichen Photovoltaikelementen der Leiter nicht außerhalb, sondern innerhalb des Photonenabsorbers angeordnet ist. Überraschend wurde festgestellt, dass das Wirkelement in bevorzugter Ausführungsform elektrisch isoliert ist, d.h. das Wirkelement ist weder mit einem Plus-Pol, noch mit einem Minus-Pol verbunden, sondern zumindest teilweise innerhalb des Photonenabsorbers angeordnet. Bei dem Wirkelement kann es sich somit um einen Leiter handeln, der weder mit einem Plus-Pol, noch mit einem Minus-Pol verbunden ist, sondern ohne Kontakt zu einer Spannungsquelle in dem Photonenabsorber eingebettet ist.
Anscheinend weist der eingelassene Teil des Wirkelements eine gewisse Verstärkungseigenschaft auf. Die durch Lichtquanten in Bewegung versetzten Elektronen können anscheinend ihren elektrischen Impuls auf die Elektronen innerhalb des Wirkelements leicht übertragen. Dieser elektrische Impuls wird solange innerhalb des Wirkelements an den Phasengrenzen zum elektrisch dichteren Medium mit einem höheren ohmschen Widerstand, nämlich insbesondere dem Photonenabsorber oder der Umgebung, reflektiert, bis genügend Energie in dem Wirkelement gespeichert ist, um einen energiereichen elektrischen Impuls aus dem Wirkelement heraus durch den Photonenabsorber hindurch zu einem elektrischen Leiter hin übertragen zu können. Die Leiter müssen nicht zwangsläufig ein Teil des erfindungsgemäßen Photovoltaikelements sein, sondern können auch beispielsweise eine äußere Anlagefläche einer das Photovoltaikelement aufnehmenden Photovoltaikeinrichtung sein. Es wird angenommen, dass der Effekt auf ein Resonanzphänomen beruht, das einen Verstärkereffekt zur Folge hat. Bei dem Wirkelement handelt es sich somit um ein Verstärkerelement bzw. einen elektrischen Resonanzkörper. Durch das Wirkelement ergibt sich somit eine Elektronenresonanz mit einer Wellencharakteristik, die eine Frequenz-Bandbreite von ca. 75 Hz - 85 Hz aufweist. In dem Wirkelement können insbesondere die Elektronen gespeichert werden und beispielsweise temperaturabhängig an den Photonenabsorber abgegeben werden, wodurch zusätzlich Elektronen/ Loch-Ereignisse ausgelöst werden, die zu einer zusätzlichen Verstärkung führen, wodurch der Wirkungsgrad verbessert wird.
Durch die Absorption von Photonen im Photonenabsorber werden Elektronen/ Loch-Paare erzeugt, die über ein elektrisches Feld als elektrischer Strom aus dem Photonenabsorber herausgeleitet werden können. Hierzu können beispielsweise an gegenüberliegenden Seiten des Photonenabsorbers Kondensatorplatten vorgesehen sein, die mit einem Plus-Pol bzw. einem Minus- Pol verbunden sind. In bevorzugter Ausführungsform wird ein elektrisches Feld dadurch bereitgestellt, dass mindestens ein Leiter vorgesehen ist, der in den Photonenabsorber zumindest teilweise eingelassen ist. Dadurch werden außerhalb des Photonenabsorbers angeordnete Kondensatorplatten vermieden. Der Leiter kann entsprechend wie das Wirkelement in den Photonenabsorber eingelassen sein, wodurch unterschiedliche Herstellungsverfahren vermieden werden und die Herstellungskosten reduziert sind. Ferner kann der Leiter die gleiche Zusammensetzung wie das Wirkelement aufweisen, so dass die Bereitstellung unterschiedlicher Materialzusammensetzungen vermieden wird. Es ist somit möglich, zunächst einen großflächigen Photonenabsorber herzustellen, in den eine Vielzahl von Wirkelementen eingelassen sind. Anschließend kann der großflächige Photonenabsorber in mehrere kleine Photonenabsorber unterteilt werden. Zur Ausbildung des elektrischen Feldes können einzelne Wirkelemente als Leiter ausgeführt werden. Hierzu kann beispielsweise ein mit einem Plus-Pol oder Minus-Pol verbundenes Kabel an eines der Wirkelemente angelötet werden. Einzelne Wirkelemente werden vorzugsweise in Reihe geschaltet. Dadurch kann durch konstruktiv einfache Maßnahmen, die sich insbesondere zur Massenfertigung eignen, eine voll funktionsfähige Solarzelle hergestellt werden.
In bevorzugter Ausführungsform sind in dem Photonenabsorber mindestens zwei Leiter angeordnet, wobei der eine Leiter ein mit einem Plus-Pol verbundener Plus-Leiter und der andere Leiter ein mit einem Minus-Pol verbundener Minus- Leiter ist. In besonders bevorzugter Ausführungsform sind die Plus-Leiter derart angeordnet, dass sie an einer ersten Stirnseite des Photonenabsorbers enden bzw. überstehen und die Minus-Leiter in entsprechender Ausgestaltung an einer zweiten Stirnseite des Photonenabsorbers enden bzw. überstehen. Dadurch ist es möglich, besonders einfach an der ersten Stirnseite mehrere, insbesondere alle, Plus-Leiter über einen ersten Sammel-Leiter und an einer zweiten Stirnseite mehrere, insbesondere alle, Minus-Leiter über einen zweiten Sammel-Leiter miteinander zu verbinden. Vorzugsweise ist das Photovoltaikelement mehrschichtig ausgestaltet. In dieser Ausführungsform weist das Photovoltaikelement mindestens zwei Photonenabsorber auf, die jeweils über eine Anlagefläche in Kontakt stehen. Die Ausrichtung der Photonenabsorber ist hierbei vorzugsweise antiparallel. In besonders bevorzugter Ausführungsform sind die Plus-Leiter und die Minus- Leiter derart angeordnet, dass die Plus-Leiter und die Minus-Leiter über die Anlagefläche voneinander abgegrenzt sind. Dadurch wird eine größere räumliche Trennung der Plus-Leiter und der Minus-Leiter erreicht. Ferner können beide Photonenabsorber, in die beispielsweise sowohl Wirkelemente als auch Leiter angeordnet sind, identisch ausgestaltet werden, wobei die Leiter des einen Photonenabsorbers mit dem Plus-Pol und die Leiter des anderen Photonenabsorbers mit dem Minus-Pol verbunden werden. Dadurch ist das erfindungsgemäße Photovoltaikelement insbesondere zur Massenfertigung geeignet. Vorzugsweise kann das Photovoltaikelement z.B. vier Schichten aufweisen, wobei beispielsweise die dritte und vierte Schicht zu der ersten und zweiten Schicht jeweils antiparallel ist. Hierdurch kann der Absorptionsgrad erhöht werden. Zur weiteren Erhöhung des Absorptionsgrades können auch mehr als vier Schichten vorgesehen sein.
Vorzugsweise besteht der Photonenabsorber im Wesentlichen aus Silizium, insbesondere aus monokristallinem Silizium, das ggf. dotiert ist, so dass sich eine "p-Basis" ergibt.
Das Wirkelement besteht vorzugsweise zu einem Großteil, insbesondere vollständig, aus einem Metall und ist ggf. dotiert bzw. legiert. Vorzugsweise werden auf Grund der hohen Rohstoffkosten die Metalle Pt, Ag und Au vermieden. Das Metall stammt insbesondere aus der 3. - 6. Hauptgruppe oder der 1. - 8. Nebengruppe gemäß dem Periodensystem der Elemente. Bei dem Metall handelt es sich vorzugsweise um ein Nebengruppenmetall, dessen Elektronenkonfiguration eine äußere d-Schale aufweist, die mit mindestens zehn Elektronen besetzt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Photovoltaikeinrichtung mit einem Aufnahmeelement, das Ausnehmungen aufweist. In diesen Ausnehmungen sind Photovoltaikelemente angeordnet, wie sie vorstehend beschrieben sind. Die Photovoltaikeinrichtung weist einen ersten und einen zweiten Verbindungsleiter auf, die mit einem Plus-Pol bzw. einem Minus-Pol verbunden sind. Über den Verbindungsleiter wird die elektrische Verbindung mit den Photovoltaikelementen gewährleistet. Hierzu sind die Verbindungsleiter insbesondere mit dem Plus-Leiter bzw. Minus-Leiter und/ oder, sofern vorhanden, mit dem entsprechenden Sammel-Leiter verbunden. Dadurch ist es möglich, in kostensparender, modularer Bauweise mehrere Photovoltaikelemente, die ggf. selber ebenfalls modular zusammengesetzt sind, miteinander zu verbinden. Hierzu sind in einer Ausnehmung insbesondere mehrere Photovoltaikelemente angeordnet, wobei die Ausnehmung in Kontakt mit mindestens einem Photonenabsorber des Photovoltaikele ents steht und insbesondere von den Leitern isoliert ist. Die Photovoltaikeinrichtung ist in bevorzugter Ausführungsform zumindest im Bereich der Ausnehmungen elektrisch leitfähig ausgestaltet und aus einem vorzugsweise aluminiumhaltigen Material, z. B. AIP, das ggf. dotiert ist, zusammengesetzt. Das Aufnahmeelement erfüllt im Wesentlichen eine Verstärkungsleistung, die folgendermaßen erklärbar ist: Alle Elektronen aus dem Photoabsorber mit einer Energie von mindestens 0,8 eV, die entweder aus der p-Basis photoinduziert entstanden sind, oder zusätzlich resonanzinduziert aus dem Wirkelement stammen, gelangen unter gegebenen geometrischen Bedingungen in das Aufnahmeelement und lösen dort elektrische Bewegungen aus, die einen Verstärkungseffekt hervorrufen, so dass die ausströmenden Elektronen in etwa 3-facher Menge in den Photoabsorber zurückgelangen. Dieser vom Aufnahmeelement in den Photoabsorber zurückfließende Elektronenanteil wird vermehrt durch photoinduzierte Elektronen solcher Restlichtmengen, die auf das Aufnahmeelement treffen. Hierzu sind insbesondere die Photovoltaikelemente auf Passung in der Ausnehmung des Aufnahmeelementes eingepasst, so dass sich vorzugsweise ein direkter Kontakt zwischen dem Aufnahmeelement und dem Photovoltaikelement ergibt. Vorzugsweise werden mehrere erste Verbindungsleiter mit genau einem ersten Strom-Leiter und mehrere zweite Verbindungsleiter mit genau einem zweiten Strom-Leiter verbunden. Dadurch ist es möglich, die gesamte, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Photovoltaikeinrichtung bereitgestellte Spannung über ein einziges Leiterpaar abzugreifen. Der zweite Strom-Leiter nimmt die Funktion des "Back Surface Field" wahr, wobei das "Back Surface Field" zu einer "Back Surface Line" reduziert ist. Dadurch ist es möglich, die so geschaffene "Back Surface Line" zur Vermeidung von elektrischen Kurzschlussströmen bzw. Reduzierung von störenden elektrischen Feldern räumlich zu trennen. Der Materialeinsatz zur Realisierung des Rückkontakts ist dadurch reduziert.
Im Gegensatz zu bekannten Systemen wird erfindungsgemäß das für die Ladungstrennung notwendige elektrische Feld räumlich weit verteilt und überspannt insbesondere folgende Bauelemente des Photovoltaikelements:
- der bandförmige/ drahtförmige Leiter entspricht funktionell dem n+- Emittenten. - die Minus-Platine ist in eine Silizium-Matrix eingebettet. - die Silizium-Schichten sind als Paare mit jeweils antiparalleler Orientierung ausgebildet. - Die Plus-Platine ist in eine Silizium-Matrix eingebettet.
In besonders bevorzugter Ausführungsform weist die Photovoltaikeinrichtung Verbindungsmittel auf, um mindestens zwei nebeneinander angeordnete Photovoltaikeinrichtungen mechanisch und elektrisch miteinander zu verbinden. Die mechanische bzw. die elektrische Verbindung kann dabei sowohl mit unterschiedlichen, als auch mit einem gemeinsamen Verbindungsmittel erreicht werden. Dadurch ist es möglich, mehrere Photovoltaikeinrichtungen modular miteinander zu verbinden und ggf. in Reihe zu schalten, um dadurch beispielsweise eine besonders große Photovoltaikanlage zusammenzusetzen. Eine unabhängige Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung monokristallinem anisotropem Siliziums. Zunächst wird ein Quader aus monokristallinem Silizium, das dotiert ist, in Scheiben geschnitten, die der geplanten Schichtdicke eines Photonenabsorbers für ein Photovoltaikelement entsprechen. Diese Scheibe wird langsam, beispielsweise innerhalb von 90 Minuten, auf den Schmelzpunkt erhitzt und insbesondere ca. 30 Minuten lang auf diesem Temperaturniveau gehalten. Anschließend wird die Silizium-Scheibe über einen Zeitraum von beispielsweise acht Stunden auf ca. 300°C vorsichtig , insbesondere in Intervallen, abgekühlt. Ab ca. 300°C kann die Abkühlung ungesteuert erfolgen. Nach diesem Vorgang ergibt sich eine vorzugsweise kreisförmige Scheibe gleichmäßiger Schichtdicke aus monokristallinem anisotropem Silizium. Aus der Silizium-Scheibe werden vorzugsweise drei Photonenabsorber ausgeschnitten bzw. ausgesägt, die in einem definierten Winkel zueinander, vorzugsweise radiärsymmetrisch, angeordnet sind. Durch dieses Verfahren lassen sich Photonenabsorber erzeugen, die eine hohe Homogenität in der Orientierung der Kristallstruktur besitzen. Dadurch ist es insbesondere möglich, zwei Photonenabsorber antiparallel zueinander anzuordnen, wodurch die Absorptionseigenschaft für Lichtquanten erhöht ist. Die antiparallel zueinander angeordneten anisotropen Photonenabsorber weisen also eine Orientierung der Kristallstruktur auf, die gegenläufig (α = 180°) angeordnet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Photovoltaikelements,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht des Photovoltaikelements entlang der Linie II-II aus Fig. 1, Fig. 3 eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausführungsform des Photovoltaikelements,
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht des Photovoltaikelements entlang der Linie IV-IV aus Fig. 3,
Fig. 5 eine schematische geschnittene Seitenansicht eines mehrschichtigen Photovoltaikelements,
Fig. 6 eine schematische Seitenansicht des Photovoltaikelements in Richtung des Pfeils VI aus Fig. 5,
Fig. 7 eine schematische Seitenansicht des Photovoltaikelements in Richtung des Pfeils VII aus Fig. 5,
Fig. 8 eine schematische Draufsicht einer Photovoltaikeinrichtung,
Fig. 9 eine schematische Schnittansicht der Photovoltaikeinrichtung entlang der Linie IX-IX aus Fig. 8, und
Fig. 10 eine schematische Draufsicht einer Silizium-Scheibe zur Herstellung von Photonenabsorbern.
In einem in Fig. 1 dargestellten Photonenabsorber 10 ist ein elektrisch leitfähiges Wirkelement 12 elektrisch isoliert eingelassen. Weitere Wirkelemente sind als Plus-Leiter 14 und als Minus-Leiter 16 ausgestaltet. Zum einfachen Verlöten steht ein Teil des Plus-Leiters 14 über eine erste Stirnseite 18 des Photonenabsorbers 10 über. Entsprechend steht ein Teil des Minus-Leiters 16 über eine zweite Stirnseite 20 des Photonenabsorbers 10 über. Der Photonenabsorber 10 kann elektromagnetische Strahlung insbesondere im Bereich von 95 nm bis 1220 nm absorbieren. Die Absorbtionsmaxima des Photonenabsorbers 10 liegen insbesondere bei 130 nm ± 15 nm und 720 nm + 15 nm. Dadurch lässt sich ein Absorbtionsgrad für elektromagnetische Strahlung von ca. 42 % erreichen.
Das Wirkelement 12, der Plus-Leiter 14 und der Minus-Leiter 16 sind vollständig in den Photonenabsorber 10 eingelassen. Ihre vom Photonenabsorber 10 weg gerichteten Oberflächen fluchten mit der Oberfläche des Photonenabsorbers 10 (Fig. 2).
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photovoltaikelements sind in den Photonenabsorber 10 mehrere Wirkelemente 12, Plus-Leiter 14 und Minus-Leiter 16 angeordnet (Fig. 3). Es gibt einen Abstand der Wirkelemente 12, Plus-Leiter 14 und Minus-Leiter 16 zueinander, bei dem der Wirkungsgrad besonders hoch ist. Dieser Abstand lässt sich ggf. in Abhängigkeit vom verwendeten Material experimentell ermitteln. Zur elektrischen Isolierung der Wirkelemente 12 sind zwischen den Stirnseiten 18, 20 des Photonenabsorbers 10 und den Stirnflächen der Wirkelemente 12 Silikonkissen 22 angeordnet. Die Wirkelemente 12, die Plus-Leiter 14 sowie die Minus-Leiter 16 sind länglich ausgeführt und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die Wirkelemente 12, die Plus-Leiter 14 sowie die Minus-Leiter 16 sind hierzu im Wesentlichen als nebeneinander angeordnete Streifen ausgeführt, die im Wesentlichen eine quaderförmige Geometrie aufweisen.
Die überstehenden Enden der Plus-Leiter 14 und der Minus-Leiter 16 sind mit einem ersten Sammel-Leiter 24 bzw. einem zweiten Sammel-Leiter 26, insbesondere durch Löten, verbunden (Fig. 4). Die Sammel-Leiter 24, 26 sind auf der ersten Stirnseite 18 bzw. auf der zweiten Stirnseite 20 angeordnet.
Das erfindungsgemäße Photovoltaikelement kann ein-, zwei- oder mehrschichtig ausgestaltet sein (Fig. 5). Hierzu weist der Photonenabsorber 10 beispielsweise vier Schichten 28, 30, 32, 34 auf, die jeweils über Anlageflächen 36 in Kontakt stehen. Zur Erzeugung einer hohen Antireflexwirkung und um die Licht- bzw. Strahlungsabsorption zu erhöhen, ist der Photonenabsorber 10 vorzugsweise sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite im Sinne einer "Lichtfalle" mit einer texturierten Polycarbonatschicht 38 versehen. Die Polycarbonatschicht 38 ist außen wiederum beidseitig mit einer Glasschicht 40 versehen, um das erfindungsgemäße Photovoltaikelement vor Beschädigungen zu schützen. Um eine möglichst hohe Lichtabsorption zu erreichen, weisen die erste Schicht 28 und die dritte Schicht 32 zueinander eine antiparallele anisotrope Kristallstruktur auf. Entsprechend weist die zweite Schicht 30 und die vierte Schicht 34 zueinander ebenfalls eine antiparallele anisotrope Kristallstruktur auf. Das mehrschichtige Photovoltaikelement 44 wird von einem Aufnahmeelement 54 gehalten. Der Öffnungs- bzw. Einfallswinkel für elektromagnetische Strahlung, die von dem Photonenabsorber 10 bzw. den Schichten 28, 30, 32, 34 absorbiert werden kann, beträgt dadurch über 130 ° bis ca. 153 °.
Vorzugsweise erfolgt ein Füllen mit einem Sauerstoff-Mangelgas, insbesondere mit Stickstoff. Hierdurch kann die Ausbeute um ca. 10% erhöht werden. Ferner wird ggf. zusätzlich zur Reduzierung des Erwärmungseffekts vorzugsweise ein Unterdruck erzeugt, der insbesondere 0,3 - 0,5 bar beträgt.
In der mehrschichtigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photovoltaikelements erstrecken sich die Sammel-Leiter 24, 26 vorzugsweise ebenfalls über mehrere Schichten (Fig. 6, Fig. 7). Hierzu sind die Sammel-Leiter 24, 26 beispielsweise längs angeordnet. Da die Plus-Leiter 14 und die Minus- Leiter 16 an gegenüberliegenden Stirnseiten 18 bzw. 20 überstehen, ist die Gefahr eines Kurzschlusses vermieden. Es ist aber dennoch bevorzugt, die Sammel-Leiter 24, 26 nicht über die Enden der Leiter mit gegensätzlicher Ladung zu verlegen, um evtl. auftretende Störungen durch starke elektrische Felder in diesem Bereich bzw. Kurzschlüsse zu vermeiden. Eine erfindungsgemäße Photovoltaikeinrichtung 42 weist mehrere erfindungsgemäße Photovoltaikelemente 44 auf (Fig. 8). Zellenintern sind die ersten Sammel-Leiter 26 der Photovoltaikelemente 44 jeweils mit einem Verbindungsleiter 46 verbunden. Entsprechend sind Sammel-Leiter 27 mit einem Verbindungsleiter 48 verbunden. Letztere bilden den als "Back Surface Line" ausgebildeten Rückkontakt, während die Sammel-Leiter 26 den n+-Emittenten herkömmlicher Photovoltaiksysteme funktionell entsprechen. Die Verbindungsleiter 46 und 48 der einzelnen Photovoltaikelemente werden weiterführend mit den Leitern 50, 52 übergreifend elektrisch bis zu den Endpolen verbunden. Ferner weist die Photovoltaikeinrichtung 42 nicht dargestellte Verbindungsmittel auf, um benachbarte Photovoltaikeinrichtungen 42 mechanisch zu verbinden. Ferner werden die Strom-Leiter 50, 52 benachbarter Photovoltaikeinrichtungen 42 elektrisch miteinander verbunden. Fig. 6 und 7 zeigen eine mögliche Bauweise in der Anordnung nachgeordneter Leiter. Diese sind in Reihe geschaltet.
Zur Aufnahme mehrerer Photovoltaikelemente 44 weist die Photovoltaikeinrichtung 42 Aufnahmeelemente 54 mit Ausnehmungen 56 auf (Fig. 9). In die Ausnehmungen 56 der Aufnahmeelemente 54 werden die Photovoltaikelemente 44 eingelegt. Hierbei kann das Aufnahmeelement 54 als Verstärker wirken, indem es zumindest teilweise elektrisch leitfähig ausgestaltet ist und sowohl mit der dritten Schicht 32 als auch mit der vierten Schicht in Kontakt steht. Der Kontakt mit entgegengesetztnamigen Leitern ist vorzugsweise zu vermeiden. Das Aufnahmeelement 44 weist unterhalb der untersten Schicht 34 in bevorzugter Bauweise eine Öffnung 57 auf, wodurch Material eingespart ist. Ggf. kann die Öffnung 57 auch vollständig, beispielsweise mit AIP verschlossen sein. Die Schichten 28, 30, 32, 34 sind insbesondere als Dickschichtsystem ausgeführt mit einer Gesamtdicke von ca. 3 mm bis 18 mm, so dass die Bruchgefahr des Photovoltaikelementes 44 reduziert ist.
Zur Herstellung der Photonenabsorber 10 wird zunächst eine Silizium-Scheibe 58 aus monokristallinem anisotropem Silizium hergestellt (Fig. 10), aus der die Photonenabsorber 10 ausgesägt werden. Vorzugsweise weisen die auszusägenden Photonenabsorber 10 einen Abstand zu einem Rand 60 der Silizium-Scheibe 58 auf, um evtl. auftretende Gefügedefekte im Atomgitter im Randbereich der Silizium-Scheibe 58 zu vermeiden. Der nach dem Aussägen der Photonenabsorber 10 verbleibende Rest der Silizium-Scheibe 58 kann anschließend eingeschmolzen und wieder verwendet werden, so dass ein vollständiges Recyceln des Silizium-Scheiben-Materials möglich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Photovoltaikelement mit einem Photonenabsorber (10) und einem zumindest teilweise in dem Photonenabsorber (10) eingelassenen, elektrisch leitfähigen, großflächigen Wirkelement (12), wobei das Wirkelement (12) von dem Photonenabsorber (10) über eine Phasengrenze getrennt ist und das Wirkelement (12) eine höhere Elektronenbeweglichkeit als der Photonenabsorber (10) aufweist.
2. Photovoltaikelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkelement (12) im Wesentlichen elektrisch isoliert ist.
3. Photovoltaikelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Photonenabsorber (10) zumindest teilweise mindestens ein Leiter (14, 16) eingelassen ist, der insbesondere die gleiche Zusammensetzung wie das Wirkelement (12) aufweist.
4. Photovoltaikelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkelement (12) und die Leiter (14, 16) länglich ausgeführt und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
5. Photovoltaikelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter als Plus-Leiter (14) und Minus-Leiter (16) ausgestaltet sind, wobei der Plus-Leiter (14) an einer ersten Stirnseite (18) des Photonenabsorbers (10) und der Minus-Leiter (16) an einer zweiten Stirnseite (20) des Photonenabsorbers (10) endet oder übersteht.
6. Photovoltaikelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrschichtiger Bauweise mindestens zwei über eine Anlagefläche (36) in Kontakt stehende Photonenabsorber (28, 30, 32, 34) vorgesehen sind, in welche die Plus-Leiter (14) und die Minus-Leiter (16) derart angeordnet sind, dass die Plus-Leiter (14) und die Minus-Leiter (16) über die Anlagefläche (36) voneinander abgegrenzt sind.
7. Photovoltaikelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Plus-Leiter (14) über einen ersten Sammel-Leiter (27) und mehrere Minus-Leiter (16) über einen zweiten Sammel-Leiter (26) miteinander verbunden sind.
8. Photovoltaikelement nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Photonenabsorber (10) im Wesentlichen aus Silizium, insbesondere aus anisotrop-monokristallinem Silizium besteht.
9. Photovoltaikelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Photonenabsorber (28, 32; 30, 34) eine zueinander antiparallele Kristallstruktur aufweisen.
10. Photovoltaikelement nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkelement (12) zu einem Großteil, insbesondere vollständig, aus einem Metall besteht.
11. Photovoltaikelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall des Wirkelements (12) aus der 3. - 6. Hauptgruppe stammt oder ein Nebengruppenmetall aus der 1. - 8. Nebengruppe ist, dessen Elektronenkonfiguration vorzugsweise eine mit mindestens zehn Elektronen besetzte d-Schale aufweist.
12. Photovoltaikelement nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkelement (12) eine elektrische Leitfähigkeit von mehr als 1,4 Ω^cm"1, bevorzugt mehr als 1,6 Ω^cm"1 und besonders bevorzugt mehr als 2,0 Ω^cm"1 aufweist.
13. Photovoltaikeinrichtung mit einem Aufnahmeelement (54), das Ausnehmungen (56) aufweist, in denen mindestens ein Photovoltaikelement (44) nach einem der Ansprüche 1 - 12 angeordnet ist, wobei im Photovoltaikelement (44) vorhandene Leiter (14, 16) mit Sammel-Leitern (26, 27) jeweils verbunden sind.
14. Photovoltaikeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer Ausnehmung (56) mehrere Photovoltaikelemente (44) angeordnet sind, wobei die Ausnehmung (56) in Kontakt mit mindestens einem Photonenabsorber (10) des Photovoltaikelements (44) steht.
15. Photovoltaikeinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste Verbindungsleiter (46) und mehrere zweite Verbindungsleiter (48) jeweils mit ersten Strom-Leitern (50) bzw. zweiten Strom-Leitern (52) verbunden sind.
16. Photovoltaikeinrichtung nach einem der Ansprüche 13 - 15, gekennzeichnet durch Verbindungsmittel zum mechanischen und elektrischen Verbinden von mindestens zwei nebeneinander angeordneten Photovoltaikeinrichtungen (42).
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