EP2316136A2 - Schichtsystem für solarabsorber - Google Patents

Schichtsystem für solarabsorber

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Publication number
EP2316136A2
EP2316136A2 EP09782266A EP09782266A EP2316136A2 EP 2316136 A2 EP2316136 A2 EP 2316136A2 EP 09782266 A EP09782266 A EP 09782266A EP 09782266 A EP09782266 A EP 09782266A EP 2316136 A2 EP2316136 A2 EP 2316136A2
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EP
European Patent Office
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solar
layer
absorber
solar thermal
solar cell
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09782266A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Ostermann
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Zylum Beteiligungs GmbH and Co Patente II KG
Original Assignee
Zylum Beteiligungs GmbH and Co Patente II KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Zylum Beteiligungs GmbH and Co Patente II KG filed Critical Zylum Beteiligungs GmbH and Co Patente II KG
Publication of EP2316136A2 publication Critical patent/EP2316136A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T29/49355—Solar energy device making

Definitions

  • the invention relates to a solar absorber, a solar thermal collector comprising such a solar absorber and a method for producing such a solar absorber.
  • Such heated in a solar thermal system heat fluid can then be supplied to a heat exchanger, for example by means of a circulation pump, via which the heat energy stored in the thermal fluid is dissipated and made usable in a subsequent step.
  • the efficiency of such solar thermal systems is determined not only by a number of geometric factors but also by fundamental thermodynamic parameters or material parameters.
  • thermosolar systems typically achieve an efficiency between 50% and 90%. Accordingly, however, at least 50% to 10% of the solar energy absorbed by the solar thermal system remain unused and are emitted or radiated again as waste heat.
  • thermosolar systems In order to increase the efficiency of the thermosolar systems, numerous improvements of the absorber surfaces have been proposed, some of which are also detailed in FIGS. 5a, 5b, 5c, 6a and 6b.
  • the main focus of this effort has been to make the absorber surfaces for the solar radiation particularly selective, so that the loss of heat radiation from the absorber surface is reduced.
  • highly selective absorber surfaces are used which provide multiple coating with quartz glass, a mixture of TiN, TiO and TiO 2 , titanium carbide on a metallic absorber substrate and thus allow to reduce the heat losses to only 10%.
  • the thermal collector and the photovoltaic collector are each separated by a thick layer of insulating airgel.
  • the combination of thermal collector and photovoltaic collector shown in DE 39 23 821 A1 has numerous disadvantages due to the structural design of the thermal collector and the geometric arrangement of the thermal collector with respect to the photovoltaic collector. Due to the inclusion of air in the insulating airgel, on the one hand there is a strong scattering of incident sunlight into the combination collector, with a large proportion of solar radiation, in particular of infrared radiation, being lost. Furthermore, the scattering cross-section is also increased by the fact that the thermal collector provides an arrangement of tubes of the thermal fluid system, which is connected upstream of the photovoltaic collector with respect to the direction of incidence of the solar radiation and shadows it.
  • the combination collectors manufactured by Solarhybrid AG comprise monocrystalline or polycrystalline solar cells, which are glued to the lower side of the cover glass panes of a solar thermal collector. Due to this construction, however, the solar cells become very warm when operated under the influence of radiation and lead to a significant reduction of the photovoltaic efficiency. Furthermore, the additionally added solar cells and the incidence of light for thermal heat generation unfavorable, for example by shading influence.
  • the present invention is therefore based on the object to avoid the above-described disadvantages of the prior art.
  • the present invention has for its object to propose a solar absorber, which in comparison to the known from the prior art solar absorbers can have a high overall efficiency while reducing the manufacturing cost.
  • This object is achieved by a solar absorber according to claim 1, by a solar thermal collector according to claim 16 and by a method for producing such a solar absorber according to claim 19.
  • a solar absorber which comprises at least one solar thermal absorber and at least one solar cell layer system applied thereto, which solar cell layer system comprises a first layer and a second layer directly contacted with the first layer, the second layer either directly or indirectly applied the solar thermal absorber areally.
  • a solar thermal collector comprising at least one previously described solar absorber with at least one solar thermal absorber and at least one solar cell layer system.
  • the object is achieved by a method for producing a solar absorber having at least one solar thermal absorber and at least one solar cell layer system, wherein the method is characterized by at least the following steps: providing a solar thermal absorber; Applying a second layer, either directly or indirectly, to the solar thermal absorber; Applying a first layer directly to the second layer.
  • a solar absorber encompassed by a solar thermal collector has a solar thermal absorber and a solar cell layer system applied thereto.
  • the solar cell layer system is applied either directly or indirectly flat on the solar thermal absorber, so that there is a compact and stable unit of thermal and photovoltaic collector.
  • the solar thermal absorber can also be a solar thermal absorber encompassed by commercially available solar thermal collectors.
  • the solar thermal absorber can also have a specially conditioned surface, which not only allows improved absorption of solar radiation, but also an improved connection to the solar cell layer system according to the invention.
  • the solar thermal absorber according to the invention ensures the conversion of solar radiation when hitting the surface of the solar thermal absorber in heat or heat radiation.
  • the solar thermal absorber by Surface conditioning or by applying one or more absorption layers be particularly suitable to absorb the red and infrared radiation of the visible portion of the solar spectrum and convert it into heat.
  • the solar thermal absorber in relation to the incident direction of the solar radiation is preceded by the solar cell layer system according to the invention.
  • the solar cell layer system in turn allows absorption of the visible and UV radiation of the solar spectrum, which in particular can not be efficiently converted into heat or thermal radiation by the solar thermal absorber.
  • the solar cell layer system on the one hand have a suitable transparency range with regard to its transmission, which in particular allows the red and infrared components of the visible solar spectrum to radiate through substantially unhindered. Due to the planar connection of the solar cell layer system with the solar thermal absorber and the proportion of scattered radiation is greatly reduced, especially if a direct application of the solar cell layer system is provided on the solar thermal absorber. Consequently, the fraction of solar radiation entering the solar cell layer system is made usable either in the solar cell layer system itself by absorption or in the solar thermal absorber by the respective physical absorption processes taking place there.
  • the solar cell layer system according to the invention has a first layer and a second layer directly contacted with the first layer.
  • the first layer may be provided as a photoanode and the second layer as a photocathode of a photovoltaic system.
  • the first layer fulfills the function of a photocathode and the second layer fulfills the function of a photoanode.
  • the solar cell layer system according to the invention can also be a photoelectrochemical layer system whose first layer is designed either as a photocathode or photoanode and whose second layer is designed accordingly as a photoanode or photocathode. Accordingly, the overall efficiency of a solar thermal collector comprising the solar absorber is increased by the additional use of solar radiation for the photoelectrochemical generation of gas in addition to the solar thermal application.
  • Suitable for the formation of the second layer of the solar cell layer system according to the invention are a number of semiconductor materials, for example of the groups TiO 2 , SrTiO 3 , Ge, Si, Cu 2 S, GaAs, CdS, MoS 2 , CdSeS, Pb 3 O 4 or CdSe.
  • Proves to be particularly suitable Titanium dioxide (TiO 2 ) which can also be produced relatively inexpensively industrially. Titanium dioxide can also be used in a wide variety of modifications, which not only allow a second layer of different thickness to be represented, but also to influence the macroscopic layer structure in a targeted manner.
  • Conceivable here are, for example, ultrathin TiO 2 layers, TiO 2 films, polycrystalline TiO 2 , sintered TiO 2 powder and other TiO 2 crystal structures, such as rutile, anatase or brookite.
  • the semiconductors of the second layer may have a suitable doping which allows a targeted adjustment of the energy gap between valence band and conduction band.
  • the first layer directly contacted with the second layer can also be formed from a metal or from a semiconductor oppositely doped with respect to the semiconductor of the second layer.
  • the above-mentioned semiconductor materials of the second layer may also be included.
  • Particularly suitable for the preparation of the first layer are the elements Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Ni, Mo, Pd, Ta and W.
  • a pn junction between the first layer and the second layer is formed (in the case of the use of a semiconductor material) or a Schottky contact (this can be the case when using a metal be).
  • a suitable photovoltaic system can be represented, which has sufficient transparency to let through the important for the solar thermal use of solar radiation shares.
  • a suitable choice of materials for the first layer as well as the second layer also allows a suitable photoelectrochemical system to be represented, which is equally permeable to the components used for solar thermal heat generation. If the solar absorber according to the invention is used for the simultaneous generation of solar thermal heat as well as a photoelectrochemical gas generation, it requires an electrolyte which surrounds or surrounds the solar cell layer system. With regard to the principles of photoelectrochemical gas generation, reference is made to DE 10 2004 012 303.
  • Another essential inventive concept of the present invention can also be seen in the fact that the direct or indirect application of the solar cell layer system to the solar thermal absorber allows a suitable cooling of the solar cell layer system. This is also promoted by the fact that the thickness of the solar cell layer system in comparison to the dimensions of the entire solar thermal absorber is relatively low and has only a low heat capacity.
  • the efficiency of photovoltaic power generation decreases by about 0.5% with each additional ° Celsius. In this respect, sufficient cooling of the solar cell layer system is extremely important for improving the photovoltaic efficiency.
  • the direct or indirect application of the solar cell layer system according to the invention to the solar thermal absorber reduces shading of the solar thermal absorber, as a result of which the solar thermal efficiency could be reduced.
  • no holders / adhesive layers or devices are provided according to the invention which effect the connection of the solar thermal absorber and the solar cell layer system. Since such mechanical elements lead by shading and light reflection or light scattering to reduce the solar thermal efficiency, the arrangement of the solar cell layer system according to the invention on the solar thermal absorber causes a largely unabated solar thermal light output. This is also supported by the fact that the solar cell layer system can be made very thin.
  • the solar cell layer system is permeable at least for a portion of the solar light spectrum, in particular for a red and / or infrared portion of the solar spectrum.
  • the wavelength ranges of the solar light spectrum which are particularly important for solar thermal application, can strike the solar thermal absorber and permit conversion of the electromagnetic light energy into heat.
  • the spectral ranges of the visible as well as the UV range of the light spectrum which are important for a photovoltaic power generation or for a photoelectrochemical conversion are available to the solar cell layer system.
  • an advantageous influencing of the transmission behavior of the solar cell layer system can be achieved.
  • the solar cell layer system has a thickness of not more than 100 nm, in particular of not more than 750 nm, preferably between 400 nm and 600 nm and furthermore preferably of about 500 nm.
  • the execution of the choice of the thickness of the solar cell layer system allows sufficient transmission of the solar radiation, which is provided for the solar thermal conversion by absorption by the solar thermal absorber, wherein the solar cell layer system also allows sufficient irradiation of the non-transmitted radiation components in the solar cell layer system for charge separation therein.
  • the amounts of material to be expended and thus the resulting material costs are relatively low and therefore cost-effective due to the very small thickness of the entire solar cell layer system.
  • the first layer of the solar cell layer system comprises platinum and the second layer comprises titanium dioxide.
  • the first layer of platinum can be applied particularly advantageously to a layer of titanium dioxide, for example by vapor deposition.
  • the second layer, which comprises titanium dioxide may have an n-type doping or a p-type doping.
  • the second layer, which comprises titanium dioxide forms a photoanode on irradiation with solar electromagnetic energy, on the surface of which, in particular, a photoelectrochemical oxidation of a reducing agent occurring in an electrolyte solution takes place.
  • this could form a photocathode, on the surface of which a reduction of an oxidizing agent occurring in the electrolytic solution takes place.
  • the first layer has recesses, in particular trenches, which releases predetermined regions of the second layer.
  • the photoelectrochemical generation of a gas with decomposition of an electrolytic solution it is required that both the photoanode and the photocathode be in contact with the electrolytic solution for carrier balance. Consequently, a portion of the electrolyte solution can come into contact with the second layer via the recesses provided in the first layer, wherein either an oxidation or a reduction can take place on the surface of the second layer exposed there, depending on the design of the solar cell layer system.
  • the solar thermal absorber comprises copper and / or aluminum. Both materials have suitable surface structures to ensure a consistent and uniform application of the solar cell layer system. In addition, both materials are good heat conductors, which can efficiently forward or dissipate the solar thermal generated heat.
  • the solar cell layer system comprises a third layer, in particular of titanium, which is provided in direct contact with the second layer on the side of the second layer opposite the first layer.
  • this third layer permits advantageous electrical contacting of the second layer and, moreover, forms a stable, conductive substrate.
  • an ohmic resistor is formed between the third layer of the solar cell layer system and the second layer of the solar cell layer system, which determines the electrical conduction behavior within the solar cell layer system.
  • the solar cell layer system comprises a fourth layer, in particular an insulating layer. material which is provided in direct contact with the second layer or in direct contact with the third layer on the side facing away from the first layer of the second layer.
  • the fourth layer is used particularly advantageously for electrical insulation of the solar cell layer system in relation to the solar thermal absorber, so that no charges generated in the solar cell layer system can flow away electrically via the solar thermal absorber.
  • the fourth layer may particularly preferably be embodied as a silicon dioxide layer, which can be easily applied to the solar thermal absorber, for example by suitable dipping methods or sol-gel processes, for example using tetraethyl orthosilicate (TEOS).
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • the first layer has a thickness of not more than 25 nm, in particular not more than 18 nm, preferably between 8 nm and 15 nm and furthermore preferably of about 13 nm. In a preferred embodiment currently being followed, the thickness of the first layer is 13nm.
  • the second layer has a thickness of not more than 650 nm, preferably between 450 nm and 550 nm and further preferably of about 500 nm. In a preferred embodiment currently being followed, the thickness of the second layer is 500nm.
  • the second layer comprises a plurality of individual particles which have an average diameter of not more than 50 nm, in particular not more than 35 nm, preferably between 15 nm and 25 nm and more preferably about 20 nm.
  • the plurality of individual particles of the second layer is arranged as a cluster composite.
  • the first layer of the solar cell layer system can also be formed as a multiplicity of individual particles or clusters.
  • the third layer has a thickness of 5 nm to 25 nm. The third layer must be made as thin as possible due to the desired transparency and is therefore preferably 5nm to 25nm thick.
  • the solar absorber according to the invention is characterized in that the solar thermal absorber it comprises has a plurality of solar cell layer systems which are electrically connected in series with one another.
  • the voltage of the individual solar cell layer systems can add up, which results in an increased output voltage.
  • the solar thermal absorber is intended for use in a commercially available solar thermal collector. Accordingly, commercially available or industrially customary solar thermal collectors can be retrofitted very inexpensively by using one or more solar absorbers according to the invention, wherein essentially the housing of the solar thermal collector can be left unchanged. In the case of using the solar cell layer system as a photovoltaic system, only at least one electrical line bushing is required in the housing of the solar thermal collector.
  • the housing of the solar thermal collector is to be extended so that it can be at least partially filled via one or more feeds with an electrolyte solution, wherein removed via a discharge spent electrolyte from the housing of the solar thermal collector can be and at the same time via the same discharge or an additionally provided discharge the electrolytically generated gases can be derived from the housing of the solar thermal collector.
  • the solar cell layer system can be suitably electrically connected for photovoltaic power generation, wherein the solar thermal absorber is suitably coupled to a thermal fluid system for simultaneous solar thermal energy. Accordingly, during operation, that is to say when irradiating solar electromagnetic radiation, photovoltaic electrical current can be generated at the same time, and the heat dissipated via the thermal fluid system can be utilized, for example, via a heat exchanger.
  • the solar thermal collector at least one supply for an electrolyte solution, in particular of water, and a discharge for gas, wherein the solar cell layer system for photoelectrochemical gas generation is suitable, and wherein the solar thermal absorber with a thermal fluid system for simultaneous solar thermal Energy production is suitably coupled.
  • the solar thermal energy collector of the present invention can be used for simultaneously producing photoelectrochemically represented gas and solar thermal generated heat.
  • the photoelectrochemical gas used in the case of using water as the electrolytic solution is a mixture of hydrogen and oxygen. After removal of the gas mixture from the solar thermal collector this can be separated by technically common methods.
  • oxidation of the water molecules on the surface of the second layer occurs and a reduction of positively charged hydrogen ions on the surface of the first layer.
  • a solar thermal collector is also conceivable, which is simultaneously suitable for photovoltaic power generation, for photoelectrochemical gas generation as well as for thermal heat generation.
  • the application of the first and / or the second layer takes place by a gel coating process, in particular by a sol-gel process, by spray coating, by dip coating, by CVD, by PVD or by sputtering. All these methods allow the application of a durable and durable layer in a cost effective and technically easy to implement manner.
  • FIG. 1 is a perspective oblique view of a first embodiment of the solar absorber according to the invention, comprising a solar thermal absorber together with a solar cell layer system;
  • FIG. 2a shows a cross-sectional view through a further embodiment of the solar cell layer system according to the invention
  • FIG. 2b shows a photograph of a ground section through an embodiment of the solar cell layer system according to the invention
  • 3a is a perspective partial sectional view through one with a
  • FIG. 3b shows a lateral sectional view through the solar thermal collector according to FIG. 3a;
  • 4a is a perspective partial sectional view through one with a
  • FIG. 4b is a side sectional view through a solar thermal collector according to FIG. 4a;
  • 5a is a schematic representation of the solar thermal energy flows in a conventionally coated solar thermal absorber
  • FIG. 5b shows a schematic representation of the solar thermal energy flows in a black chromium-coated solar thermal absorber
  • 5c shows a schematic representation of the solar thermal energy flows in a solar thermal absorber coated with a highly selective coating
  • FIG. 6a is a schematic side sectional view through the solar thermal absorber shown in Fig. 5c and coated with a highly selective coating
  • FIG. 6b shows a schematic partial representation of the energy flows in the solar thermal absorber coated with a highly selective coating shown in FIG. 6a.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a first embodiment of a solar absorber 1 according to the invention, which comprises a solar thermal absorber 2 and a solar cell layer system 3 applied thereto.
  • the illustrated solar thermal absorber 2 is a flat metal layer, which can be made of copper or aluminum, for example, or at least comprises these metals in the form of an alloy.
  • a fourth layer 13 is first used up, which is in uniform contact with the surface of the Solarthermieabsorbers 2 as a coherent continuous layer.
  • On the side facing away from the solar thermal absorber 2 of the fourth layer 13 four parallel aligned and equally spaced third layers 12 are applied in the form of strips.
  • a second layer 11 are applied in strip form, which also fills the gap between two adjacent and spaced third layers 12 in a stepped arrangement.
  • first layers 10 are arranged in strip form, which in turn fill the regions between two adjacent second layers 11 in a step-shaped arrangement.
  • Both the first layers 10, as well as the second layers 11 and the third layers 13 have a parallel arrangement with each other, wherein the respective layers arranged adjacent to one another in strip form have a uniform spacing. According to this arrangement, a recess 15 is provided between each of the adjacently arranged and aligned parallel first layers 10, which opens the surface to a respective second layer 11.
  • Such an arrangement of the individual layers relative to each other is particularly advantageous when the illustrated solar absorber for solar thermal energy production, as well as for simultaneous photoelectrochemical gas production is used.
  • this will be the first layers 10, the second layers 11, the third Layers 12 and the fourth layer 13 comprising solar cell layer system 3 is partially immersed in an electrolyte solution, wherein the recesses 15, which are present designed as trenches, are filled by this electrolyte solution.
  • the solar absorber 1 according to the invention with light energy, in particular with solar light energy, decomposition of the electrolyte solution or individual constituents of this electrolytic solution occurs on the surfaces of the first layers 10 and the surfaces of the second layers 11 exposed in the recesses 15.
  • the fourth layer 13 is formed as an insulating layer, which particularly preferably consists of an electrically insulating layer of silicon dioxide. Such can, for example, be displayed on the surface of the solar thermal absorber 2 by a dip-coating method, in particular by a sol-gel method.
  • the third layers 12 are configured as metallic titanium layers.
  • the second layers 11 applied to the third layers 12 are made of titanium dioxide according to the invention and can be applied by means of comparable methods.
  • the final first layers 10 are in turn applied again in a further process step, which can essentially make use of the methods which can be used for applying the third layers 12.
  • the first layers 10 according to the embodiment of platinum.
  • the second layers 11 of titanium dioxide now have an n-type doping, a number of hole electron pairs are generated in them when the light is incident, the released electrons migrating to the first layers 10 in order to promote a reduction reaction there.
  • the remaining holes accumulate superficially in the second layers 11 and oxidize in the exposed areas of the recesses 15 more electrolyte components. If the electrolyte solution is water, this oxidation leads to the formation of oxygen as well as the reduction on the surfaces of the first layers 10 of platinum to hydrogen.
  • the transition between the respective first layers 10 and second layers 11 applied to each other in a planar manner acts in the sense of a Schottky diode which has no pn junction, ie a semiconductor-semiconductor junction, but rather a metal-semiconductor junction. Like a diode with pn junction, but also has a Schottky diode rectifying character.
  • the Schottky diodes represented by the respective layer arrangements are represented by the standardized circuit symbols in FIG reproduced at the bottom of the illustration.
  • the respective layers 10, 11, and 12 have a strip width of approximately 20 mm.
  • the total thickness of the layer system consisting of the first layers 10, the second layers 11 and the third layers 12 is approximately 560 nm according to the embodiment.
  • FIG. 2a shows a sectional view through a further embodiment of the solar cell layer system according to the invention of a fourth layer 13, a third layer 12, a second layer 11 and a first layer 10.
  • the illustrated fourth layer 13 for electrical Insulation provided, wherein the third layer 12 is a 400 nm thick titanium layer, the second layer 11 is an approximately 150 nm thick n-doped Titaniumdioxid- layer and the first layer 10 is an approximately lOnm thick platinum layer.
  • an ohmic contact 16 is formed between the third layer 12 and the second layer 11.
  • the Schottky contact 17 important for the photovoltaic as well as the photoelectrochemical function of the illustrated solar cell layer system 3 is formed in a transition region between the second layer 11 and the first layer 10.
  • FIG. 2b shows a scanning tunneling electron micrograph of a section and a transverse section through an embodiment of the solar cell layer system according to the invention.
  • the elementary third layer 12 made of titanium is shown there, which is in direct contact with the second layer 11 of the n-doped titanium dioxide.
  • the second layer 11 is in turn in direct contact with the first layer 10 of platinum.
  • the illustrated layer thicknesses were adjusted in size compared to the layer thicknesses shown in FIG. 2a.
  • FIG. 3a shows a perspective partial sectional view through an embodiment of a solar thermal collector according to the invention.
  • a conventional solar thermal collector in the present case, the Buderus SKS 4.0 high-performance collector shown
  • the conversion significantly reduces the costs of the conversion compared to the production of a new system.
  • the thermal fluid system 40 which has dressedfluidzucode- ments 41 and saucefluidab Installationen 42, requires no further adaptation.
  • the thermal fluid system 40 implemented here as a double meander can be retained unchanged.
  • it only requires the insertion of a solar absorber 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the solar thermal collector shown here comprises a glass cover 55, which is designed for example as a 3.2 mm thick single-pane safety glass cover.
  • a layer of insulating material 56 may further be provided, which is arranged between the thermal fluid system 40 and a rear wall 57.
  • the back wall can be a 0.6 mm thick aluminum-zinc-coated steel sheet and the insulating material a layer of the thickness of 55 mm of ausgasungsUF insulation.
  • the embodiment of the solar thermal collector also has a sensor immersion sleeve 53 in the vicinity of an edge bond 60.
  • FIG. 3a shows a side sectional view through the solar thermal collector shown in Fig. 3a in the region of the electrical cable feedthrough 59.
  • the glass cover 55 which together with a seal 61 and the surface of the solar absorber 1 defines a cavity which, for the sake of reduced heat conduction with a filling gas 62, in particular noble gas, is filled.
  • the solar absorber 1 is in direct contact with the thermal fluid system 40, so that in the solar thermal heat generation, the heat generated in the solar absorber 1 can be delivered directly to the heat fluid system 40.
  • the thermal fluid 40 flows through a thermal fluid, which is removed from the solar thermal collector via the thermal fluid discharge 42.
  • the insulating material 56 which is intended to prevent lossy radiation and dissipation of heat to the back of the solar thermal collector.
  • the solar thermal collector shown in Fig. 4a is substantially similar to the solar thermal collector shown in Fig. 3a, wherein the solar thermal collector shown in Fig. 4a not as a combined photovoltaic solar thermal solution, but as Combined thermal and photoelectrochemical solar thermal collector is executed.
  • the solar thermal collector according to FIG. 4a comprises a solar absorber 1 which, in addition to the solar thermal absorber 2 (not shown in the present case), is equipped with a solar cell layer system 3 (not shown in the present case) suitable for photoelectrochemical applications.
  • a solar absorber 1 which, in addition to the solar thermal absorber 2 (not shown in the present case), is equipped with a solar cell layer system 3 (not shown in the present case) suitable for photoelectrochemical applications.
  • the solar thermal collector shown in Fig. 4a with a feed
  • electrolytic solution 51 (not shown here).
  • the gas shown in the context of use or the photo-electrochemical decomposition of the electrolyte solution can be removed either via openings not shown further or else via the outlet 52 together with the spent electrolyte solution.
  • FIG. 4b shows, in a side sectional view, the region of the presently modified solar thermal collector in FIG. 4a which is comparably illustrated in FIG. 3b.
  • supply 50 and discharge 52 for the electrolyte solution which are not shown in detail
  • Fig. 5a shows a schematic sectional view through a conventionally coated solar thermal absorber.
  • the surface of the solar thermal absorber 70 made of metal is coated with black paint.
  • Such solar thermal absorbers allow about 50% of the solar radiation to be converted into heat and used for solar thermal energy. In this case, 5% of the solar radiation is typically reflected on the surface of the applied black paint, with 45% of the heat represented in the solar thermal absorber being returned to the environment in unused form.
  • Such highly selective coatings 71 allow, for example, the thermal utilization of 90% of the solar radiation, with only 5% being lost by reflection of the solar radiation on the highly selective coating 71 and about 5% of energy absorbed by the solar thermal absorber being given off again as heat radiation to the environment become.
  • FIG. 5c An exemplary embodiment of the highly selective coating 71 shown in FIG. 5c is shown in a cross-sectional view in FIG. 6a.
  • the highly selective coating 71 is protected by a covering layer of quartz glass (SiO 2 ) 72 as a protective layer and an antireflection layer.
  • the thickness of this layer is typically 0, l ⁇ m.
  • the highly selective absorber layer 71 is arranged together with a diffusion barrier.
  • the highly selective absorber layer typically comprises a mixture of TiN, TiO and TiO 2 and has a thickness of approximately 0.1 ⁇ m.
  • the likewise provided diffusion barrier may consist of titanium carbide.

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Abstract

Solarabsorber (1) umfassend wenigstens einen Solarthermieabsorber (2) sowie wenigstens ein darauf aufgebrachtes Solarzellenschichtsystem (3), welches eine erste Schicht (10) und eine zweite, mit der ersten Schicht (10) direkt kontaktierte Schicht (11) umfasst, wobei die zweite Schicht (11) entweder direkt oder indirekt auf den Solarthermieabsorber (2) flächig aufgebracht ist.

Description

Schichtsystem für Solarabsorber
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Solarabsorber, einen einen derartigen Solarabsorber umfassenden Solarthermiekollektor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Solarabsorbers.
Die möglichst effiziente solarthermische Nutzung von Sonnenenergie hat in den vergangenen Jahren auf diesem Gebiet zu einer verstärkten Entwicklungstätigkeit angeregt. Seitdem wurden zahlreiche Konzepte entwickelt, wie Sonnenenergie unter Nutzung thermischer Grundprinzipien für die menschliche Gesellschaft brauchbar gemacht werden kann. Neben zahlreichen Entwicklungen, die sich derzeit entweder noch in einem wissenschaftlichen Versuchsstadium befinden oder aber sich in Großversuchen nicht durchsetzen konnten, haben sich insbesondere Vakuumröhrenkollektoren, Flachkollektoren sowie auch Parabolrinnenkollektoren im häuslichen wie auch industriellen Einsatz als wirtschaftlich erwiesen. All diesen Ansätzen ist zu Eigen, bestimmte Anteile des solaren elektromagnetischen Spektrums mittels spezieller Absorberflächen in Wärmeenergie überzuführen, welche zur Erwärmung eines Wärmefluids dient. Ein solches in einer solarthermischen Anlage erwärmtes Wärmefluid kann anschließend etwa mittels einer Umwälzpumpe einem Wärmetauscher zugeführt werden, über welchen die in dem Wärmefluid gespeicherte Wärmeenergie abgeführt und in einem nachfolgenden Schritt nutzbar gemacht wird. Der Wirkungsgrad derartiger solarthermischer Anlagen wird neben einer Reihe von geometrischen Faktoren auch durch grundlegende thermodynamische Kenngrößen oder Materialkenngrößen bestimmt. Derzeitig im häuslichen wie auch industriellen Einsatz befindliche thermosolare Anlagen erreichen typischerweise einen Wirkungsgrad zwischen 50% und 90%. Demgemäß bleiben jedoch immerhin 50% bis 10% der durch die solarthermische Anlage aufgenommene Sonnenenergie ungenutzt und werden wieder als Abwärme abgegeben bzw. abgestrahlt.
Um den Wirkungsgrad der thermosolaren Anlagen zu erhöhen wurden zahlreiche Verbesserungen der Absorberflächen vorgeschlagen, welche teilweise auch in den Figuren 5a, 5b, 5c, 6a und 6b im Detail ausgeführt sind. Hierbei richteten sich die Anstrengungen hauptsächlich darauf, die Absorberflächen für die solare Strahlung besonders selektiv zu gestalten, so dass die Verlustwärmeabstrahlung von der Absorberfläche vermindert wird. Beispielsweise werden hochselektive Absorberflächen eingesetzt, welche eine Mehrfachbeschichtung mit Quarzglas, einer Mischung aus TiN, TiO und TiO2, Titancarbid auf einem metallischen Absorbersubstrat vorsehen, und so erlauben, die Wärmeverluste auf lediglich 10% zu vermindern.
Um den Gesamtwirkungsgrad einer Solaranlage noch weiter zu erhöhen, das heißt um die empfangene solare Strahlung zu einem höheren Anteil nutzbar zu machen, wurden zudem technische Entwicklungen vorgeschlagen, die eine Kombination von gleichzeitiger thermischer wie photovoltaischer Nutzung der Solarstrahlung ermöglichen.
Stellvertretend für derartige Kombinationsanlage, sei auf die DE 39 23 821 Al verwiesen, welche die Kombination eines thermischen Kollektors sowie eines photovol- taischen Kollektors in einer Kollektoreinheit vorschlägt. Der dort beschriebene Kollektor sieht ein von einem Wärmetauschermedium durchflossenes Wärmefluidsystem als Bauteil des thermischen Kollektors vor, welches in ein isolierendes Aerogel eingebettet ist. Bei Auftreffen der solaren Strahlung auf den thermischen Kollektor werden typischerweise die Anteile der solaren Strahlung mit kürzeren Wellenlängen nicht absorbiert und lediglich die roten bzw. infraroten Anteile nach Umwandlung in thermische Wärme genutzt. Dem thermischen Kollektor in Bezug auf die Einfallsrichtung der solaren Strahlung nachgeschaltet befindet sich der photovoltaische Kollektor angeordnet, welcher das Restspektrum der solaren Strahlung, also das sichtbare und UV-Licht zur Erzeugung von elektrischem Strom mittels des photovoltaischen Effektes nutzbar macht. Der thermische Kollektor und der photovoltaische Kollektor sind jeweils durch eine dicke Schicht an isolierendem Aerogel voneinander getrennt. Die in der DE 39 23 821 Al dargestellte Kombination von thermischem Kollektor und photovoltaischem Kollektor weist aufgrund der konstruktiven Ausführung des thermischen Kollektors sowie der geometrischen Anordnung des thermischen Kollektors in Bezug zum photovoltaischen Kollektor zahlreiche Nachteile auf. Aufgrund des Einschlusses von Luft in das isolierende Aerogel kommt es einerseits zur starken Streuung des in den Kombinationskollektor einfallenden Sonnenlichtes, wobei ein großer Anteil an solarer Strahlung, insbesondere an infraroter Strahlung, verloren geht. Weiter wird der Streuquerschnitt auch dadurch erhöht, dass der thermische Kollektor eine Anordnung an Rohren des Wärmefluidsystems vorsieht, welche in Bezug auf die Einfallrichtung der solaren Strahlung dem photovoltaischen Kollektor vorgeschaltet ist und diesen abschattet. Folglich wird ein Teil der solaren Strahlung durch die Rohre des Wärmetauschers reflektiert und abgelenkt, so dass dieser Anteil an Strahlung zur photovoltaischen Stromerzeugung nicht mehr zur Verfügung stehen kann. Der Wirkungsgrad der photovoltaischen Stromerzeugung wird also signifikant vermindert. Zudem ist auch auf die konstruktive Komplexität des Kombinationskollektors hinzuweisen, welche einerseits hohe Herstellungskosten verursacht, aber auch die Störanfälligkeit und den Wartungsbedarf derartiger Anlagen deutlich erhöht.
Weitere konstruktive Anstrengungen hinsichtlich einer Kombination von thermischem Kollektor und photovoltaischem Kollektor in einer Einheit werden beispielsweise auch von dem Unternehmen Solarhybrid AG unternommen. Die von der Solarhybrid AG hergestellten Kombinationskollektoren umfassen mono- oder auch polykristalline Solarzellen, welche auf die untere Seite der Abdeckungsscheiben aus Glas eines Solarther- miekollektors geklebt werden. Aufgrund dieser Konstruktion werden die Solarzellen jedoch bei Betrieb unter Strahlungseinfall sehr warm und führen zu einer starken Verminderungen des photovoltaischen Wirkungsgrades. Weiterhin können die zusätzlich hinzugefügten Solarzellen auch den Lichteinfall zur thermischen Wärmegewinnung ungünstig, etwa durch Abschattung, beeinflussen.
Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, die oben dargestellten Nachteile aus dem Stande der Technik zu vermeiden. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Solarabsorber vorzuschlagen, welcher im Vergleich zu den aus dem Stande der Technik bekannten Solarabsorbern einen hohen Gesamtwirkungsgrad bei gleichzeitiger Verminderung der Herstellungskosten aufweisen kann. Diese Aufgabe wird durch einen Solarabsorber gemäß Patentanspruch 1, durch einen Solarthermiekollektor gemäß Patentanspruch 16 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Solarabsorbers gemäß Patentanspruch 19 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch einen Solarabsorber gelöst, welcher wenigstens einen Solarthermieabsorber sowie wenigstens ein darauf aufgebrachtes Solarzellen- schichtsystem umfasst, welches Solarzellenschichtsystem eine erste Schicht und eine zweite, mit der ersten Schicht direkt kontaktierte Schicht umfasst, wobei die zweite Schicht entweder direkt oder indirekt auf den Solarthermieabsorber flächig aufgebracht.
Weiterhin wird die Erfindungsaufgabe durch einen Solarthermiekollektor gelöst, welcher wenigstens einen vorab beschriebenen Solarabsorber mit wenigstens einem Solarthermieabsorber und wenigstens einem Solarzellenschichtsystem umfasst.
Überdies wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Solarabsorbers mit wenigstens einem Solarthermieabsorber und wenigstens einem Solarzellenschichtsystem gelöst, wobei sich das Verfahren durch wenigstens folgende Schritte auszeichnet: Bereitstellen eines Solarthermieabsorbers; Aufbringen einer zweiten Schicht, entweder direkt oder indirekt auf den Solarthermieabsorber; Aufbringen einer ersten Schicht direkt auf die zweite Schicht.
Ein wesentlicher Erfindungsgedanke ist darin zu sehen, dass ein von einem Solarthermiekollektor umfasster Solarabsorber einen Solarthermieabsorber sowie ein darauf aufgebrachtes Solarzellenschichtsystem aufweist. Hierbei ist das Solarzellenschichtsystem entweder direkt oder indirekt flächig auf dem Solarthermieabsorber aufgebracht, so dass eine kompakte und stabile Einheit aus thermischen und photovol- taischen Kollektor vorliegt. Der Solarthermieabsorber kann zudem auch ein von handelsüblichen solarthermischen Kollektoren umfasster Solarthermieabsorber sein. Weiterhin kann der Solarthermieabsorber auch eine speziell konditionierte Oberfläche aufweisen, welche nicht nur eine verbesserte Absorption solarer Strahlung, sondern auch eine verbesserte Verbindung zu dem erfindungsgemäßen Solarzellenschichtsystem erlaubt.
Der erfindungsgemäße Solarthermieabsorber gewährleistet die Umwandlung von solarer Strahlung bei Auftreffen auf die Oberfläche des Solarthermieabsorbers in Wärme bzw. Wärmestrahlung. Insbesondere kann der Solarthermieabsorber durch Oberflächenkonditionierung bzw. durch Auftragen einer oder mehrerer Absorptionsschichten besonders geeignet sein, die rote und die infrarote Strahlung des sichtbaren Anteils des Solarspektrums zu absorbieren und in Wärme zu überführen.
Dem Solarthermieabsorber in Bezug auf die Einfallrichtung der solaren Strahlung ist das erfindungsgemäße Solarzellenschichtsystem vorgeschaltet. Das Solarzellenschicht- system seinerseits erlaubt die Absorption der sichtbaren und der UV-Strahlung des solaren Spektrums, welche insbesondere nicht effizient von dem Solarthermieabsorber in Wärme bzw. Wärmestrahlung umgesetzt werden kann. Hierzu kann das Solarzellenschichtsystem einerseits einen geeigneten Transparenzbereich hinsichtlich seiner Transmission aufweisen, welcher insbesondere die roten und die infraroten Anteile des sichtbaren Solarspektrums weitgehend ungehindert hindurchstrahlen lässt. Aufgrund der flächigen Verbindung des Solarzellenschichtsystems mit dem Solarthermieabsorber wird auch der Anteil an Streustrahlung stark vermindert, insbesondere dann wenn eine direkt Aufbringung des Solarzellenschichtsystems auf den Solarthermieabsorber vorgesehen ist. Folglich wird der in das Solarzellenschichtsystem eintretende Anteil der solaren Strahlung entweder in dem Solarzellenschichtsystem selbst durch Absorption oder in dem Solarthermieabsorber durch die jeweils dort stattfindenden physikalische Absorptionsvorgänge nutzbar gemacht.
Das erfindungsgemäße Solarzellenschichtsystem weist eine erste Schicht sowie eine zweite mit der ersten Schicht direkt kontaktierte Schicht auf. Hierbei kann die erste Schicht als Photoanode und die zweite Schicht als Photokathode eines photovol- taischen Systems vorgesehen sein. Je nach Anordnung und ausgewählten Materialien ist es jedoch auch möglich, dass die erste Schicht die Funktion einer Photokathode und die zweite Schicht die Funktion einer Photoanode erfüllt.
Alternativ zu einem photovoltaischen System kann das erfindungsgemäße Solarzellenschichtsystem auch ein photoelektrochemisches Schichtsystem darstellen, dessen erste Schicht entweder als Photokathode bzw. Photoanode und dessen zweite Schicht entsprechend als Photoanode bzw. Photokathode ausgestaltet ist. Demgemäß wird der Gesamtwirkungsgrad eines den Solarabsorber umfassenden Solarthermiekollektors durch die zusätzliche Nutzung solarer Strahlung für die photoelektrochemische Erzeugung von Gas neben der solarthermischen Anwendung erhöht. Geeignet für die Ausbildung der zweiten Schicht des erfindungsgemäßen Solarzellenschichtsystem sind eine Reihe von Halbleitermaterialien beispielsweise der Gruppen TiO2, SrTiO3, Ge, Si, Cu2S, GaAs, CdS, MoS2, CdSeS, Pb3O4 oder CdSe. Als besonders geeignet erweist sich Titandioxid (TiO2), welches zudem industriell relativ kostengünstig erzeugt werden kann. Titandioxid kann auch in verschiedensten Modifikationen eingesetzt werden, welche nicht nur erlauben, eine zweite Schicht unterschiedlicher Dicke darzustellen, sondern auch die makroskopische Schichtstruktur gezielt zu beeinflussen. Denkbar hierbei sind etwa ultradünne TiO2-Schichten, TiO2-Filme, polykristallines TiO2, gesintertes TiO2-Pulver sowie weitere TiO2-Kristallstrukturen, wie etwa Rutil, Anatas oder Brookit. Weiter können die Halbleiter der zweiten Schicht eine geeignete Dotierung aufweisen, die eine gezielte Einstellung der Energielücke zwischen Valenzband und Leitungsband erlauben.
Die mit der zweiten Schicht direkt kontaktierte erste Schicht kann ferner aus einem Metall oder aus einem gegenüber dem Halbleiter der zweiten Schicht entgegengesetzt dotierten Halbleiter gebildet sein. Zur Darstellung eines Halbleitermaterials der ersten Schicht können auch die oben genannten Halbleitermaterialien der zweiten Schicht umfasst sein. Bei der Verwendung eines Metalls für die Darstellung der ersten Schicht ist insbesondere darauf zu achten, dass das Metall nur schwer oberflächlich oxidierbar ist, also eine relativ große Austrittsarbeit aufweist, um eine Zersetzung der Schicht bei Betrieb zu verhindern. Geeignet sind insbesondere für die Darstellung der ersten Schicht die Elemente Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au, AI, Cr, Cu, Ni, Mo, Pd, Ta und W.
Je nach verwendetem Material für die erste Schicht bildet sich entweder ein pn-Über- gang zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht (im Falle der Verwendung eines Halbleitermaterials) aus, oder aber ein Schottky- Kontakt (dies kann bei Verwendung eines Metalls der Fall sein).
Bei geeigneter Wahl der Materialien der ersten Schicht sowie der zweiten Schicht des Solarzellenschichtsystems kann einerseits ein geeignetes photovoltaisches System dargestellt werden, welches ausreichend Transparenz aufweist, um die für die solarthermische Nutzung der solaren Strahlung wichtigen Anteile hindurch zu lassen. Weiterhin erlaubt auch eine geeignete Auswahl an Materialien für die erste Schicht sowie die zweite Schicht ein geeignetes photoelektrochemisches System darzustellen, welches ebenso für die Anteile, welche für die solarthermische Wärmeerzeugung genutzt werden, durchlässig ist. Wird der erfindungsgemäße Solarabsorber zur gleichzeitigen Erzeugung von solarthermischer Wärme wie auch einer photoelektrochemischen Gaserzeugung verwendet, bedarf es eines Elektrolyten, welcher das Solarzellen- schichtsystem umgibt bzw. umspült. Hinsichtlich der Prinzipien der photoelektrochemischen Gaserzeugung sei auf die DE 10 2004 012 303 hingewiesen. Ein weiterer wesentlicher Erfindungsgedanke der vorliegenden Erfindung ist ferner darin zu sehen, dass die direkte bzw. indirekte Aufbringung des Solarzellenschicht- systems auf den Solarthermieabsorber eine geeignete Kühlung des Solarzellenschicht- systems erlaubt. Diese wird auch dadurch gefördert, dass die Dicke des Solarzellen- schichtsystems im Vergleich zu den Ausdehnungen des gesamten Solarthermieabsor- bers relativ gering ist und eine nur geringe Wärmekapazität aufweist. Insbesondere bei Betrieb des Solarzellenschichtsystems als photovoltaisches System entsteht ein großer Anteil an Wärmestrahlung bzw. Wärmeenergie, welcher unter typischen Einsatzbedingungen zu großen Effizienzeinbußen bei der photovoltaischen Stromerzeugung führen kann. Typischerweise sinkt nämlich die Effizienz der photovoltaischen Stromerzeugung mit jedem zusätzlichem °Celsius um etwa 0,5%. Insofern ist eine ausreichende Kühlung des Solarzellenschichtsystems überaus wichtig zur Verbesserung des photovoltaischen Wirkungsgrades.
Aufgrund der direkten bzw. indirekten Aufbringung des Solarzellenschichtsystems auf den Solarthermieabsorber kann erfindungsgemäß nun auch eine effiziente Wärmeabfuhr aus dem Solarzellenschichtsystem über den Solarthermieabsorber erfolgen. Da ein Solarthermieabsorber im Solarthermiekollektor üblicherweise die durch Absorption der solaren Strahlung erzeugte Nutzwärme an ein Wärmefluidsystem abführt, kann gleichzeitig auch die in dem Solarzellenschichtsystem erzeugte Wärme wirkungsvoll an dieses Wärmefluidsystem abgegeben werden. Damit wird einerseits die solarthermische Ausbeute bzw. der solarthermische Wirkungsgrad erhöht und andererseits die photovoltaische Stromausbeute bzw. der photovoltaische Wirkungsgrad verbessert.
Weiterhin reduziert die direkte bzw. indirekte Aufbringung des erfindungsgemäßen Solarzellenschichtsystems auf den Solarthermieabsorber eine Abschattung des Solar- thermieabsorbers, wodurch der solarthermische Wirkungsgrad vermindert werden könnte. Insbesondere sind erfindungsgemäß keine Halterungen/Haftschichten bzw. Vorrichtungen vorgesehen, welche die Verbindung von Solarthermieabsorber und Solarzellenschichtsystem bewirken. Da derartige mechanische Elemente durch Abschattung und Lichtreflexion bzw. Lichtstreuung zur Verminderung des solarthermischen Wirkungsgrades führen, bedingt die Anordnung des erfindungsgemäßen Solarzellenschichtsystems auf dem Solarthermieabsorber eine weitgehend unverminderte solarthermische Lichtausbeute. Diese wird zudem auch noch dadurch unterstützt, dass das Solarzellenschichtsystem sehr dünn ausgeführt sein kann. In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers ist vorgesehen, dass das Solarzellenschichtsystem wenigstens für einen Anteil des solaren Lichtspektrums durchlässig ist, insbesondere für einen roten und/oder infraroten Anteil des solaren Lichtspektrums. Damit können die für eine solarthermische Anwendung besonders wichtigen Wellenlängenbereiche des solaren Lichtspektrums auf den Solarthermieabsorber treffen und erlauben eine Umsetzung der elektromagnetischen Lichtenergie in Wärme. Weiterhin stehen die für eine photovoltaische Stromerzeugung bzw. für eine photoelektrochemische Umsetzung wichtigen Spektralbereiche des sichtbaren sowie des UV-Bereiches des Lichtspektrums dem Solarzellenschichtsystem zur Verfügung. Durch geeignete Wahl der Materialien für die erste und zweite Schicht des Solarzellenschichtsystems sowie durch die geeignete Wahl der Dicken dieser Schichten kann überdies eine vorteilhafte Beeinflussung des Transmissionsverhaltens des Solarzellenschichtsystems erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers weist das Solarzellenschichtsystem eine Dicke von nicht mehr als lOOOnm, insbesondere von nicht mehr als 750nm, vorzugsweise zwischen 400nm und 600nm und weiterhin vorzugsweise von ungefähr 500nm auf. Die ausführungsgemäße Wahl der Dicke des Solarzellenschichtsystems erlaubt eine ausreichende Transmission der solaren Strahlung, welche für die solarthermische Umsetzung mittels Absorption durch den Solarthermieabsorber vorgesehen ist, wobei das Solarzellenschichtsystem auch eine ausreichende Einstrahlung der nicht transmittierten Strahlungsanteile in das Solarzellenschichtsystem zur Ladungstrennung darin ermöglicht. Überdies sind die aufzuwendenden Mengen an Material und damit die entstehenden Materialkosten aufgrund der sehr geringen Dicke des gesamten Solarzellenschichtsystems relativ gering und damit kostengünstig.
In einer weiteren Ausführung kann vorgesehen sein, dass die erste Schicht des Solarzellenschichtsystems Platin und die zweite Schicht Titaniumdioxid umfasst. Insbesondere aufgrund der geringen Herstellungskosten für Titaniumdioxid und des hohen Standardpotenzials (Austrittsarbeit) von Platin (+ 1,2 Volt) eignen sich diese beiden Materialien zur Erzeugung eines Solarzellenschichtsystems besonders. Weiterhin lässt sich die erste Schicht aus Platin besonders vorteilhaft auf eine Schicht aus Titaniumdioxid beispielsweise durch Aufdampfen aufbringen.
In einer weiterführenden Ausführungsform kann die zweite Schicht, welche Titaniumdioxid umfasst, eine n-Dotierung oder eine p-Dotierung aufweisen. Gemäß einer n-Dotierung würde die zweite Schicht, welche Titandioxid umfasst, bei Bestrahlung mit solarer elektromagnetischer Energie eine Photoanode ausbilden, an deren Oberfläche insbesondere eine photoelektrochemische Oxidation eines in einer Elektrolyt- lösung vorkommenden Reduktionsmittels erfolgt. In dem alternativen Fall einer p- Dotierung der zweiten Schicht, könnte diese eine Photokathode ausbilden, wobei an deren Oberfläche eine Reduktion eines in der Elektrolytlösung vorkommenden Oxidationsmittels erfolgt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers weist die erste Schicht Aussparungen, insbesondere Gräben auf, welche vorbestimmte Bereiche der zweiten Schicht freigibt. Insbesondere bei der photoelektrochemischen Erzeugung eines Gases unter Zersetzung einer Elektrolytlösung ist es erforderlich, dass sowohl Photoanode als auch Photokathode zum Ladungsträgerausgleich mit der Elektrolytlösung in Kontakt sind. Über die in der ersten Schicht vorgesehenen Aussparungen kann folglich ein Teil der Elektrolytlösung mit der zweiten Schicht in Kontakt geraten, wobei an der dort frei liegenden Oberfläche der zweiten Schicht je nach Ausführung des Solarzellenschichtsystems entweder eine Oxidation oder Reduktion erfolgen kann.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers weist der Solarthermieabsorber Kupfer und/oder Aluminium auf. Beide Materialien weisen geeignete Oberflächenstrukturen auf, um eine beständige und gleichmäßige Aufbringung des Solarzellenschichtsystems zu gewährleisten. Zudem sind beide Materialien gute Wärmeleiter, welche die solarthermisch erzeugte Wärme effizient weiterleiten bzw. abführen können.
In einer bevorzugten weiterführenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers umfasst das Solarzellenschichtsystem eine dritte Schicht, insbesondere aus Titan, welche in direktem Kontakt mit der zweiten Schicht auf der der ersten Schicht gegenüberliegenden Seite der zweiten Schicht vorgesehen ist. Diese dritte Schicht erlaubt einerseits eine vorteilhafte elektrische Kontaktierung der zweiten Schicht und stellt zudem einen stabilen, leitenden Untergrund dar. Insbesondere ist zwischen der dritten Schicht des Solarzellenschichtsystems und der zweiten Schicht des Solarzellenschichtsystems ein ohmscher Widerstand ausgebildet, welcher das elektrische Leitungsverhalten innerhalb des Solarzellenschichtsystems mitbestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers umfasst das Solarzellenschichtsystem eine vierte Schicht, insbesondere ein Isolations- material, welche in direktem Kontakt mit der zweiten Schicht oder in direktem Kontakt mit der dritten Schicht auf der der ersten Schicht abgewandten Seite der zweiten Schicht vorgesehen ist. Die vierte Schicht wird besonders vorteilhaft zur elektrischen Isolierung des Solarzellenschichtsystems gegenüber dem Solarthermieabsorber verwendet, so dass keine in dem Solarzellenschichtsystem erzeugten Ladungen elektrisch über den Solarthermieabsorber abfließen können. Die vierte Schicht kann hierbei besonders bevorzugt als Siliziumdioxidschicht ausgeführt sein, welche sich beispielsweise durch geeignete Tauchverfahren oder Sol-Gel-Prozesse, beispielsweise unter Verwendung von Tetraethylorthosilicat (TEOS), leicht auf den Solarthermieabsorber aufbringen lassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers weist die erste Schicht eine Dicke von nicht mehr als 25 nm, insbesondere von nicht mehr als 18nm, vorzugsweise zwischen 8nm und 15nm und weiterhin vorzugsweise von ungefähr 13nm auf. In einer bevorzugten derzeit verfolgten Ausführungsform beträgt die Dicke der ersten Schicht 13nm.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers weist die zweite Schicht eine Dicke von nicht mehr als 650nm, vorzugsweise zwischen 450nm und 550nm und weiterhin vorzugsweise von ungefähr 500nm auf. In einer bevorzugten derzeit verfolgten Ausführungsform beträgt die Dicke der zweiten Schicht 500nm.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers umfasst die zweite Schicht eine Vielzahl einzelner Partikel, welche einen Durchschnittsdurchmesser von nicht mehr als 50nm, insbesondere von nicht mehr als 35nm, vorzugsweise zwischen 15nm und 25nm und weiterhin vorzugsweise von ungefähr 20nm aufweisen. Vorzugsweise ist die Vielzahl einzelner Partikel der zweiten Schicht als Clusterverbund angeordnet. Damit lässt sich eine nanostrukturierte Schicht des Solarzellenschichtsystems darstellen, welche einerseits erlaubt, die Oberflächen zu vergrößern und andererseits erlaubt, zusätzliche Energiezustände innerhalb der typischerweise verbotenen Zone des Materials der zweiten Schicht entstehen zu lassen, welche den nutzbaren Wellenlängenbereich insbesondere zu niederenergetischen Zuständen hin erweitert. In einer alternativen Ausgestaltungsform kann auch die erste Schicht des Solarzellenschichtsystems als eine Vielzahl einzelner Partikel bzw. Cluster ausgeformt sein. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers weist die dritte Schicht eine Dicke von 5nm bis 25nm auf. Die dritte Schicht muss aufgrund der angestrebten Transparenz möglichst dünn ausgeführt sein und ist insofern bevorzugtermaßen 5nm bis 25nm stark.
Zudem kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Solarabsorber sich dadurch auszeichnet, dass der von ihm umfasste Solarthermieabsorber eine Mehrzahl an Solar- zellenschichtsystemen aufweist, welche miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind. Insbesondere bei Verwendung als photovoltaisches System kann sich so die Spannung der einzelnen Solarzellenschichtsysteme addieren, wodurch eine erhöhte Ausgabespannung resultiert.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers ist der Solarthermieabsorber zur Verwendung in einem handelsüblichen Solarthermiekollektor vorgesehen. Demgemäß können handelsübliche bzw. industrieübliche Solarthermie- kollektoren durch Einsetzen eines bzw. mehrerer ausführungsgemäßer Solarabsorber sehr kostengünstig umgerüstet werden, wobei im Wesentlichen das Gehäuse des Solarthermiekollektors unverändert belassen werden kann. Im Falle der Verwendung des Solarzellenschichtsystems als photovoltaisches System ist lediglich wenigstens eine elektrische Leitungsdurchführung im Gehäuse des Solarthermiekollektors erforderlich. Im Falle der Verwendung des Solarzellenschichtsystems im Sinne eines photoelektrochemischen Systems ist das Gehäuse des Solarthermiekollektors dahingehend zu erweitern, dass dieses über eine oder mehrere Zuführungen mit einer Elektrolyt- lösung wenigstens teilweise befüllt werden kann, wobei über eine Abführung verbrauchtes Elektrolyt aus dem Gehäuse des Solarthermiekollektors entfernt werden kann und gleichzeitig über dieselbe Abführung bzw. eine zusätzlich vorgesehene Abführung die elektrolytisch erzeugten Gase aus dem Gehäuse des Solarthermiekollektors abgeleitet werden können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarthermiekollektors kann das Solarzellenschichtsystem zur photovoltaischen Stromerzeugung geeignet elektrisch verschaltet sein, wobei der Solarthermieabsorber mit einem Wärmefluidsystem zur gleichzeitigen solarthermischen Energiegewinnung geeignet gekoppelt ist. Demgemäß kann bei Betrieb, das heißt bei Einstrahlung solarer elektromagnetischer Strahlung, gleichzeitig photovoltaisch elektrischer Strom erzeugt werden, und die über das Wärmefluidsystem abgeführte Wärme beispielsweise über einen Wärmetauscher nutzbar gemacht werden. In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarthermiekollektors weist der Solarthermiekollektor mindestens eine Zuführung für eine Elektrolytlösung, insbesondere von Wasser, auf, sowie eine Abführung für Gas, wobei das Solarzellen- schichtsystem zur photoelektrochemischen Gaserzeugung geeignet ist, und wobei der Solarthermieabsorber mit einem Wärmefluidsystem zur gleichzeitigen solarthermischen Energiegewinnung geeignet gekoppelt ist. Demgemäß kann der ausführungsgemäße Solarthermiekollektor zur gleichzeitigen Erzeugung von photoelektrochemisch dargestelltem Gas und solarthermisch erzeugter Wärme genutzt werden. Das im Falle der Verwendung von Wasser als Elektrolytlösung photoelektrochemisch dargestellte Gas ist ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff. Nach Abführung des Gasgemisches aus dem Solarthermiekollektor kann dieses nach technisch gängigen Verfahren aufgetrennt werden. Hierbei kommt es insbesondere bei Verwendung eines Solar- zellenschichtsystems aus Platin und n-dotiertem Titaniumdioxid zu einer Oxidation der Wassermoleküle auf der Oberfläche der zweiten Schicht sowie zu einer Reduzierung von positiv geladenen Wasserstoffionen auf der Oberfläche der ersten Schicht. In einer weiterführenden Ausführungsform ist auch ein Solarthermiekollektor denkbar, welcher gleichzeitig zur photovoltaischen Stromerzeugung, zur photoelektrochemischen Gaserzeugung wie auch zur thermischen Wärmeerzeugung geeignet ist.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Solarabsorbers erfolgt das Aufbringen der ersten und/oder der zweiten Schicht durch einen Gelbeschichtungsprozess, insbesondere durch einen SoI- Gel-Prozess, durch Sprühbeschichtung, durch Tauchbeschichtung, durch CVD, durch PVD oder durch Sputtern. Alle genannten Verfahren erlauben das Aufbringen einer widerstandsfähigen und haltbaren Schicht in kostengünstiger und technisch leicht zu realisierender Weise.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden.
Hierbei zeigen: Fig. 1 Eine perspektivische Schrägansicht auf eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers, umfassend einen Solarthermieabsorber zusammen mit einem Solarzellenschichtsystem;
Fig. 2a eine Querschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarzellenschichtsystems;
Fig. 2b eine Aufnahme eines geschliffenen Schnittes durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarzellenschichtsystems;
Fig. 3a eine perspektivische Teilschnitteansicht durch einen mit einer
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solarabsorbers ausgestatteten Solarthermiekollektor zur gleichzeitigen Erzeugung von solarthermischer Wärme und photovoltaischem Strom;
Fig. 3b eine seitliche Schnittansicht durch den Solarthermiekollektor gemäß Fig. 3a;
Fig. 4a eine perspektivische Teilschnitteansicht durch einen mit einer
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solarabsorbers ausgestatteten Solarthermiekollektor zur gleichzeitigen Erzeugung von solarthermischer Wärme und photoelektrochemischen Erzeugung von Gas;
Fig. 4b eine seitliche Schnittansicht durch einen Solarthermiekollektor gemäß Fig. 4a;
Fig. 5a eine schematische Darstellung der solarthermischen Energieflüsse bei einem herkömmlich beschichteten Solarthermieabsorber;
Fig. 5b eine schematische Darstellung der solarthermischen Energieflüsse in einem mit Schwarzchrom beschichteten Solarthermieabsorber;
Fig. 5c eine schematische Darstellung der solarthermischen Energieflüsse in einem mit einer hochselektiven Beschichtung beschichteten Solarthermieabsorber;
Fig. 6a eine schematische seitliche Schnittansicht durch den in Fig. 5c gezeigten und mit einer hochselektiven Beschichtung beschichteten Solarthermieabsorber; Fig. 6b eine schematische Teildarstellung der Energieflüsse in dem in Fig. 6a gezeigten mit einer hochselektiven Beschichtung beschichteten Solarthermieabsorber.
Im Folgenden werden für alle gleichen bzw. gleich wirkenden Bauteile und Merkmale identische Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solarabsorbers 1, welcher einen Solarthermieabsorber 2 sowie ein darauf aufgebrachtes Solarzellenschichtsystem 3 umfasst. Der dargestellte Solarthermieabsorber 2 ist eine flächig ausgeführte Metallschicht, welche beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen kann oder wenigstens diese Metalle in Form einer Legierung umfasst. Auf die Oberfläche dieses metallischen Solarthermieabsorbers 2 ist zunächst eine vierte Schicht 13 aufgebraucht, welche als einheitlich zusammenhängende Schicht in direktem Kontakt mit der Oberfläche des Solarthermieabsorbers 2 ist. Auf der dem Solarthermieabsorber 2 abgewandten Seite der vierten Schicht 13 sind vier parallel zueinander ausgerichtete und in gleichem Abstand beabstandete dritte Schichten 12 in Form von Streifen aufgebracht. Auf den der vierten Schicht 13 abgewandten Oberflächen der dritten Schichten 12 sind wiederum jeweils eine zweite Schicht 11 in Streifenform aufgebracht, welche in stufenförmiger Anordnung auch den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten und beabstandeten dritten Schichten 12 ausfüllt. Auf den Oberflächen der jeweils zweiten Schichten 11, welche den jeweiligen Dritten Schichten 12 abgewandt sind, befinden sich jeweils erste Schichten 10 in Streifenform angeordnet, welche wiederum die Bereiche zwischen zwei benachbarten zweiten Schichten 11 in stufenförmiger Anordnung ausfüllen. Sowohl die ersten Schichten 10, als auch die zweiten Schichten 11 als auch die dritten Schichten 13 weisen eine parallele Anordnung zueinander auf, wobei die jeweiligen benachbart zueinander angeordneten Schichten in Streifenform einen gleichmäßigen Abstand aufweisen. Gemäß dieser Anordnung ist zwischen den jeweils benachbart angeordneten und parallel ausgerichteten ersten Schichten 10 eine Aussparung 15 vorgesehen, welche die Oberfläche zu jeweils einer zweiten Schicht 11 freigibt.
Eine derartige Anordnung der einzelnen Schichten zueinander ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der dargestellte Solarabsorber zur solarthermischen Energiegewinnung, wie auch zur gleichzeitigen photoelektrochemischen Gasherstellung Einsatz findet. Hierzu wird das die ersten Schichten 10, die zweiten Schichten 11, die dritten Schichten 12 und die vierte Schicht 13 umfassende Solarzellenschichtsystem 3 mit einer Elektrolytlösung teilweise umspült, wobei die Aussparungen 15, welche vorliegende als Gräben ausgestaltet sind, von dieser Elektrolytlösung angefüllt sind. Bei Bestrahlung des ausführungsgemäßen Solarabsorbers 1 mit Lichtenergie, insbesondere mit solarer Lichtenergie, kommt es zu einer Zersetzung der Elektrolytlösung, bzw. einzelner Bestandteile dieser Elektrolytlösung, auf den Oberflächen der ersten Schichten 10 sowie den in den Aussparungen 15 freiliegenden Oberflächen der zweiten Schichten 11.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die vierte Schicht 13 als Isolationsschicht ausgebildet, welche besonders bevorzugt aus einer elektrisch isolierenden Schicht aus Siliziumdioxid besteht. Eine solche kann beispielsweise auf die Oberfläche des Solar- thermieabsorbers 2 durch ein Tauchbeschichtungsverfahren, besonders durch ein SoI- Gel-Verfahren, dargestellt werden. Ausführungsgemäß sind die dritten Schichten 12 als metallische Titanschichten ausgestaltet. Zur Aufbringung dieser Schichten auf die vierte Schicht 13 eigenen sich besonders CVD-, PVD- oder Sputterverfahren. Die auf die dritten Schichten 12 aufgebrachten zweiten Schichten 11 sind ausführungsgemäß aus Titaniumdioxid und können mittels vergleichbarer Verfahren aufgebracht werden. Die abschließenden ersten Schichten 10 werden ihrerseits wieder in einem weiteren Verfahrensschritt aufgebracht, der im Wesentlichen sich der Verfahren bedienen kann, welche zur Aufbringung der dritten Schichten 12 Anwendung finden können. Hierbei sind die ersten Schichten 10 ausführungsgemäß aus Platin.
Weisen nun die zweiten Schichten 11 aus Titaniumdioxid eine n-Dotierung auf, wird in ihnen bei Lichteinfall eine Anzahl an Loch-Elektronenpaaren erzeugt, wobei die freigesetzten Elektronen zu den ersten Schichten 10 wandern, um dort eine Reduktionsreaktion voranzutreiben. Die zurückbleibenden Löcher sammeln sich oberflächlich in den zweiten Schichten 11 an und oxidieren in den freiliegenden Bereichen der Aussparungen 15 weitere Elektrolytbestandteile. Handelt es sich bei der Elektrolytlösung um Wasser, so führt diese Oxidation zur Entstehung von Sauerstoff sowie die Reduktion auf den Oberflächen der ersten Schichten 10 aus Platin zu Wasserstoff. Hierbei wirkt der Übergang zwischen den jeweils aufeinander flächig angebrachten ersten Schichten 10 und zweiten Schichten 11 im Sinne einer Schottky-Diode, welche keinen pn-Übergang, also Halbleiter-Halbleiter-Übergang, sondern einen Metall-Halbleiter- Übergang aufweist. Wie eine Diode mit pn-Übergang, hat aber auch eine Schottky- Diode gleichrichtenden Charakter. Symbolisch sind die durch die jeweiligen Schichtanordnungen dargestellten Schottky-Dioden durch die genormten Schaltzeichen im unteren Bereich der Darstellung wiedergegeben. Ausführungsgemäß weisen die jeweiligen Schichten 10, 11, und 12 eine Streifenbreite von ca. 20mm auf.
Die Gesamtdicke des aus den ersten Schichten 10, den zweiten Schichten 11 und den dritten Schichten 12 bestehenden Schichtsystems beträgt ausführungsgemäß ca. 560nm.
Fig. 2a zeigt eine Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarzellenschichtsystems aus einer vierten Schicht 13, einer dritten Schicht 12, einer zweiten Schicht 11 und einer ersten Schicht 10. Vergleichbar der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die dargestellte vierte Schicht 13 zur elektrischen Isolierung vorgesehen, wobei die dritte Schicht 12 eine 400nm dicke Titaniumschicht darstellt, die zweite Schicht 11 eine etwa 150nm dicke n-dotierte Titaniumdioxid- schicht sowie die erste Schicht 10 eine ca. lOnm dicke Platinschicht. Hierbei bildet sich während des Betriebs bei Bestrahlung mit solarer Strahlung ein ohmscher Kontakt 16 zwischen der dritten Schicht 12 und der zweiten Schicht 11 aus. Der für die photovoltaische wie für die photoelektrochemische Funktion des dargestellten Solarzellenschichtsystems 3 wichtige Schottky- Kontakt 17 wird in einem Übergangsbereich zwischen der zweiten Schicht 11 und der ersten Schicht 10 ausgebildet.
Fig. 2b zeigt eine Rastertunnelelektronenmikroskopaufnahme eines Ausschnittes und eines Querschliffes durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarzellenschichtsystems. Insbesondere ist dort die elementare dritte Schicht 12 aus Titanium dargestellt, welche in direktem Kontakt mit der zweiten Schicht 11 aus dem n-dotier- ten Titaniumdioxid vorliegt. Die zweite Schicht 11 befindet sich ihrerseits in direktem Kontakt mit der ersten Schicht 10 aus Platin. Um die bildliche Wiedergabe zu vereinfachen, wurden die dargestellten Schichtdicken im Vergleich zu den in Fig. 2a dargestellten Schichtdicken größenmäßig angepasst.
Fig. 3a zeigt eine perspektivische Teilschnittdarstellung durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Solarthermiekollektors. Dieser kann im Sinne einer Anpassung eines herkömmlichen Solarthermiekollektors (vorliegend ist der Buderus SKS 4.0-Hochleistungskollektor dargestellt) durch Aufnahme einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarabsorbers erfolgen. Durch die Umrüstung werden die Kosten für den vorgenommenen Umbau im Vergleich zur Herstellung eines Neusystems deutlich vermindert. Hierbei bedarf das Wärmefluidsystem 40, welches Wärmefluidzufüh- rungen 41 und Wärmefluidabführungen 42 aufweist, keiner weiteren Anpassung. Vielmehr kann das vorliegend als Doppelmäander ausgeführte Wärmefluidsystem 40 unverändert beibehalten werden. Zur Anpassung des Solarthermiekollektors bedarf es lediglich der Einfügung eines Solarabsorbers 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zur Abführung des photovoltaisch hergestellten Stromes bedarf es weiter einer geeigneten elektrischen Verschaltung, welche aus dem Gehäuse über die elektrische Leitungsdurchführung 59 geführt werden kann. Die Leitungsdurchführung 59 kann in dem aus Fieberglas gefertigten Rahmen 58 in einem Eckbereich, welcher zur Verstärkung in Kunststoffspritzgusstechnik hergestellt ist, vorgesehen sein. Weiterhin umfasst der vorliegend gezeigte Solarthermiekollektor eine Glasabdeckung 55, welche beispielsweise als 3,2mm dicke Einscheiben-Sicherheitsglas- Abdeckung ausgeführt ist. Zur thermischen Wärmedämmung kann ferner eine Lage an Dämmmaterial 56 vorgesehen sein, welches zwischen dem Wärmefluidsystem 40 und einer Rückwand 57 angeordnet ist. Ausführungsgemäß kann die Rückwand ein 0,6mm dickes Aluminium-Zink-beschichtetes Stahlblech sein und das Dämmmaterial eine Lage der Dicke von 55mm an ausgasungsfreiem Dämmstoff. Wie der herkömmliche Solarthermiekollektor weist auch der ausführungsgemäße Solarthermiekollektor eine Fühlertauchhülse 53 in der Nähe eines Randverbundes 60 auf.
Fig. 3b zeigt eine seitliche Schnittansicht durch den in Fig. 3a dargestellten Solarthermiekollektor im Bereich der elektrischen Leitungsdurchführung 59. Insbesondere sind dort erkennbar die Glasabdeckung 55, welche zusammen mit einer Dichtung 61 sowie der Fläche des Solarabsorbers 1 einen Hohlraum definiert, der aus Gründen der verminderten Wärmeleitung mit einem Füllgas 62, insbesondere Edelgas, gefüllt ist. Der Solarabsorber 1 befindet sich mit dem Wärmefluidsystem 40 in direktem Kontakt, so dass bei der solarthermischen Wärmeerzeugung die in dem Solarabsorber 1 erzeugte Wärme direkt an das Wärmefluidsystem 40 abgegeben werden kann. Das Wärmefluid 40 wird hierbei von einem Wärmefluid durchströmt, welches über die Wärmefluid- abführung 42 aus dem Solarthermiekollektor abgeführt wird. Zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades befindet sich zwischen der Rückwand 57 und dem Wärmefluidsystem 40 das Dämmmaterial 56 angeordnet, welches eine verlustbehaftete Abstrahlung und Ableitung von Wärme zur Rückseite des Solarthermiekollektors verhindern soll.
Der in Fig. 4a dargestellte Solarthermiekollektor gleicht im Wesentlichen dem in Fig. 3a dargestellten Solarthermiekollektor, wobei der in Fig. 4a dargestellte Solarthermiekollektor nicht als kombinierte photovoltaische solarthermische Lösung, sondern als kombinierter thermischer und photoelektrochemischer Solarthermiekollektor ausgeführt ist.
Im Vergleich zu dem in Fig. 3a dargestellten Aufbau des Solarthermiekollektors um- fasst der Solarthermiekollektor gemäß Fig. 4a einen Solarabsorber 1, welcher neben dem Solarthermieabsorber 2 (vorliegend nicht gezeigt) mit einem Solarzellenschicht- system 3 (vorliegend nicht gezeigt) ausgestattet ist, welches für photoelektrochemische Anwendungen geeignet ist. Anstelle einer elektrischen Leitungsdurchführung 59 in Fig. 3a wurde der in Fig. 4a dargestellte Solarthermiekollektor mit einer Zuführung
50 sowie einer Abführung 52 ausgestattet, welche erlauben, in den Solarthermiekollektor eine Elektrolytlösung 51 (vorliegend nicht gezeigt) einzuführen. Das im Rahmen der Benutzung bzw. der photoelektrochemischen Zersetzung der Elektrolytlösung dargestellte Gas kann entweder über nicht weiter dargestellte Öffnungen entnommen werden oder aber auch über die Abführung 52 zusammen mit der verbrauchten Elektrolytlösung.
Fig. 4b stellt in einer seitlichen Schnittansicht den in Fig. 3b vergleichbar dargestellten Bereich des vorliegend umgebauten Solarthermiekollektors in Fig. 4a dar. Neben der nicht im Detail gezeigten Zuführung 50 und Abführung 52 für die Elektrolytlösung
51 unterscheidet sich der in Fig. 4b dargestellte Ausschnitt von dem in Fig. 3b dargestellten Ausschnitt lediglich darin, dass das Füllgas 62 von Fig. 3b durch die Elektrolytlösung 51 ersetzt ist.
Fig. 5a stellt eine schematische Schnittansicht durch einen herkömmlich beschichteten Solarthermieabsorber dar. In der einfachsten, in Fig. 5a dargestellten Ausführungsform ist die Oberfläche des aus Metall 70 bestehenden Solarthermieabsorbers mit schwarzer Farbe beschichtet. Derartige Solarthermieabsorber erlauben etwa 50% der Solarstrahlung in Wärme umzusetzen und für die Solarthermie nutzbar zu machen. 5% der solaren Strahlung werden hierbei typischerweise auf der Oberfläche der aufgetragenen schwarzen Farbe reflektiert, wobei 45% der in dem Solarthermieabsorber dargestellten Wärme wieder an die Umgebung in ungenutzter Form abgegeben werden.
In Vergleich hierzu zeigt eine Beschichtung des von dem Solarthermieabsorber um- fassten Metallsubstrats mit Schwarzchrom eine deutliche energetische Effizienzsteigerung. Unter Verwendung einer Schwarzchrombeschichtung, welche jedoch stark umweltbelastend ist, werden typischerweise 80% der Solarstrahlung von dem Solar- thermieabsorber zur Nutzung aufgenommen, wohingegen lediglich 5% reflektiert werden und 15% der erzeugten Wärme als Wärmestrahlung wieder an die Umgebung in ungenutzter Form abgegeben werden.
Unter Verwendung hochselektiver Beschichtungen ist es jedoch möglich, den Wirkungsgrad von herkömmlichen Solarthermieabsorbern noch weiter zu steigern. Derartige hochselektive Beschichtungen 71 erlauben beispielsweise die thermische Nutzung von 90% der solaren Strahlung, wobei lediglich 5% durch Reflexion der solaren Strahlung an der hochselektiven Beschichtung 71 verloren gehen und etwa wiederum 5% an von dem Solarthermieabsorber aufgenommener Energie als Wärmestrahlung an die Umgebung wieder abgegeben werden.
Eine beispielsweise Ausführung der in Fig. 5c wiedergegebenen hochselektiven Beschichtung 71 ist in Fig. 6a in einer Querschnittdarstellung gezeigt. Hierbei ist die hochselektive Beschichtung 71 von einer Deckschicht aus Quarzglas (SiO2) 72 als Schutzschicht und Antireflexionsschicht geschützt. Die Dicke dieser Schicht beträgt typischerweise 0,lμm. Zwischen der Schicht aus Quarzglas 72 und dem Metall 70 (Metallsubstrat) befindet sich die hochselektive Absorberschicht 71 zusammen mit einer Diffusionsbarriere angeordnet. Die hochselektive Absorberschicht umfasst typischerweise eine Mischung aus TiN, TiO sowie TiO2 und hat eine Dicke von etwa 0,lμm. Die ebenfalls vorgesehene Diffusionsbarriere kann aus Titankarbid bestehen. Aufgrund dieser Beschichtung wird vorzugsweise mehr Licht des blauen Spektralbereiches des Solarspektrums an der Grenzschicht zwischen der Schicht am Quarzglas 72 und der hochselektiven Absorberschicht 71 reflektiert, wobei insbesondere die infraroten Anteile des Solarspektrums von dem Solarthermieabsorber in Form von Wärme aufgenommen werden. Dieser Umstand ist in Fig. 6b schematisch dargestellt.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig. Bezugszeichen :
1 Solarabsorber
2 Solarthermieabsorber
3 Solarzellenschichtsystem
10 erste Schicht
11 zweite Schicht
12 dritte Schicht
13 vierte Schicht/Isolationsmaterial
15 Aussparungen/Gräben
16 Ohmscher Kontakt
17 Schottky Kontakt
20 Partikel
30 Solarthermie-Kollektor
40 Wärmefluidsystem
41 Wärmefluidzuführung
42 Wärmefluidabführung
50 Zuführung (Elektrolytlösung)
51 Elektrolytlösung
52 Abführung (Elektrolytlösung)
53 Fühlertauchhülse
55 Glasabdeckung
56 Dämmmaterial
57 Rückwand
58 Rahmen
59 elektrische Leitungsdurchführung
60 Randverbund
61 Dichtung
62 Füllgas
70 Metall 71 hochselektive Beschichtung
72 Quarzglas

Claims

Schichtsystem für SolarthermieabsorberAnsprüche
1. Solarabsorber (1) umfassend wenigstens einen Solarthermieabsorber (2) sowie wenigstens ein darauf aufgebrachtes Solarzellenschichtsystem (3), welches eine erste Schicht (10) und eine zweite, mit der ersten Schicht (10) direkt kontaktierte Schicht (11) umfasst, wobei die zweite Schicht (11) entweder direkt oder indirekt auf den Solarthermieabsorber (2) flächig aufgebracht ist.
2. Solarabsorber gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarzellenschichtsystem (3) wenigstens für einen Anteil des solaren Lichtspektrums durchlässig ist, insbesondere für einen roten und/oder infraroten Anteil des solaren Lichtspektrums.
3. Solarabsorber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarzellenschichtsystem (3) eine Dicke von nicht mehr als 1000 nm, insbesondere von nicht mehr als 750 nm, vorzugsweise zwischen 400 nm und 600 nm und weiterhin vorzugsweise von ungefähr 500 nm aufweist.
4. Solarabsorber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (10) des Solarzellenschichtsystems (3) ein Edelmetall, insbesondere Palladium und/oder Platin und die zweite Schicht (11) Titaniumdioxid umfasst.
5. Solarabsorber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (10) Aussparungen (15), insbesondere Gräben (15) aufweist, welche vorbestimmte Bereiche der zweiten Schicht frei gibt.
6. Solarabsorber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarzellenschichtsystem (3) eine dritte Schicht (12), insbesondere aus Titanium umfasst, welche in direktem Kontakt mit der zweiten Schicht (11) auf der der ersten Schicht (10) gegenüber liegenden Seite der zweiten Schicht (11) vorgesehen ist.
7. Solarabsorber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarzellenschichtsystem (3) eine vierte Schicht (13), insbesondere ein Isolationsmaterial (13) umfasst, welche in direktem Kontakt mit der zweiten Schicht (11) oder in direktem Kontakt mit der dritten Schicht (12) auf der der ersten Schicht (10) abgewandten Seite der zweiten Schicht (11) vorgesehen ist.
8. Solarabsorber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (10) eine Dicke von nicht mehr als 25 nm, insbesondere von nicht mehr als 18 nm, vorzugsweise zwischen 8 nm und 15 nm und weiterhin vorzugsweise von ungefähr 13 nm aufweist.
9. Solarabsorber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (11) eine Dicke von nicht mehr als 650 nm, , vorzugsweise zwischen 450 nm und 550 nm und weiterhin vorzugsweise von ungefähr 500 nm aufweist.
10. Solarabsorber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (11) eine Vielzahl einzelner Partikel (20) umfasst, welche einen Durchschnittsdurchmesser von nicht mehr als 50 nm, insbesondere von nicht mehr als 35 nm, vorzugsweise zwischen 15 nm und 25 nm und weiterhin vorzugsweise von ungefähr 20 nm aufweisen.
11. Solarabsorber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht (12) eine Dicke von 5nm bis 25 nm aufweist.
12. Solarabsorber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarthermieabsorber (2) eine Mehrzahl an Solarzellenschichtsystemen (3) aufweist, welche miteinander elektrisch in Reihe geschaltet sind.
13. Solarthermiekollektor, umfassend wenigstens einen Solarabsorber (1) mit wenigstens einem Solarthermieabsorber (2) und wenigstens einem Solarzellenschichtsystem (3) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Solarthermiekollektor gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Solarthermiekollektor (30) mindestens eine Zuführung (50) für eine Elektrolytlösung (51), insbesondere von Wasser, aufweist sowie eine Abführung (52) für Gas, wobei das Solarzellenschichtsystem (3) zur photoelektrochemischen Gaserzeugung geeignet ist, und wobei der Solarthermieabsorber (2) mit einem Wärmefluidsystem (40) zur gleichzeitigen solarthermischen Energiegewinnung geeignet gekoppelt ist.
15. Verfahren zur Herstellung eines Solarabsorbers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit wenigstens einem Solarthermieabsorber (2) und wenigstens einem Solarzellenschichtsystem (3), gekennzeichnet durch wenigstens folgende Schritte:
- Bereitstellen eines Solarthermieabsorbers (2);
- Aufbringen einer zweiten Schicht (11) entweder direkt oder indirekt auf den Solarthermieabsorber (2);
- Aufbringen einer ersten Schicht (10) direkt auf die zweite Schicht (11).(???)
16. Verfahren zur Herstellung eines Solarabsorbers gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dass das Aufbringen der ersten (10) und/oder der zweiten Schicht (11) durch einen Gel-Beschichtungs-Prozess, insbesondere durch einen Sol-Gel-Prozess, durch Sprühbeschichtung, durch Tauchbeschichtung, durch CVD, durch PVD oder durch Sputtern erfolgt.
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