EP3785304A1 - Schaltbares absorberelement und photovoltaische zelle - Google Patents

Schaltbares absorberelement und photovoltaische zelle

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EP3785304A1
EP3785304A1 EP19719286.7A EP19719286A EP3785304A1 EP 3785304 A1 EP3785304 A1 EP 3785304A1 EP 19719286 A EP19719286 A EP 19719286A EP 3785304 A1 EP3785304 A1 EP 3785304A1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
absorber
switchable
absorber element
reflection layer
Prior art date
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Pending
Application number
EP19719286.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Steenhoff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Definitions

  • the invention relates to a switchable absorber element and a photovoltaic cell based thereon.
  • Shading systems in use resort to mechanical shading such as shutters or awnings.
  • solar cells By means of a photovoltaic cell, also called a solar cell, electrical energy can be obtained from the light incident on the cell.
  • solar cells have an absorber element in which free charge carriers can be generated by the supply of energy in the form of electromagnetic radiation.
  • German patent application DE 10 2013 217 653 A1 discloses a solar cell which has a front-side electrode and a rear-side electrode and a photoelectrically active absorber layer which is arranged between the front and rear side electrodes and contains at least 30% by mass of germanium.
  • the absorber layer has a thickness of less than 40 nm, wherein the solar cell has a front-side reflection layer and a rear-side reflection layer, wherein the absorber layer is arranged between the front and back reflection layer and the optical path length between the front and back reflection layer is less than half of that of the band gap of the absorber layer
  • Wavelength is. The optical path length from the product of
  • the solar cell has the advantage that the thickness of the absorber layer is reduced compared to previously known solar cells, wherein the absorption capacity is only slightly reduced.
  • the object of the invention is to provide an absorber element which can be switched as long as possible and reversible with the largest possible stroke, wherein stroke here and below the difference between minimum absorption / maximum transmission and maximum absorption / minimal transmission is understood. Furthermore, it is an object of the invention to provide a photovoltaic cell with as long term and reversible switchable with the largest possible stroke absorber element.
  • this object is achieved by an absorber element having the features of independent claim 1.
  • Advantageous developments of Absorber element emerge from the dependent claims 2 to 10.
  • the object is further achieved by a photovoltaic cell according to claim 11.
  • Advantageous embodiments of the photovoltaic cell result from the
  • a switchable absorber element according to the invention has an absorber layer. Furthermore, the absorber element has at least one
  • Front side reflection layer and at least one backside reflection layer wherein the absorber layer between the front side reflection layer and
  • Rear side reflective layer is arranged, wherein the optical path length between the front side reflection layer and the back surface reflection layer at least for perpendicular to the cell incident light is less than 400 nm.
  • front side refers to the side of the absorber element facing the light source, for example the sun
  • back side refers here and below to the side of the absorber element facing away from the light source.
  • the optical path length is from the product of
  • Absorber element according to the invention is characterized in that at least one of the reflection layers has a switchable reflectivity.
  • the thin absorber layer located between the at least two partially or completely reflecting reflection layers absorbs significantly less than 50% of the incident light when passed through once. Resonances or standing waves or multiple reflections develop under certain conditions between the reflective layers. This results in a multiplication of the absorption compared to simply passing through the layer.
  • Such an absorber element may include, for example, germanium.
  • Absorber Mrs has a thickness which is dimensioned so that the optical
  • Path length between the front surface reflection layer and the back surface reflection layer is less than 400 nm at least for perpendicular to the cell incident light forms a broadband optical resonance between the front and
  • the absorption in the absorber layer is substantially increased.
  • the incident light can either for the most part be transmitted or absorbed in the other switching state for the most part due to resonances and used for example to generate thermal and / or electrical energy.
  • the resonance effects disappear almost completely, so that this light only simply passes through the absorber layer and is for the most part transmitted.
  • the absorber layer is often traversed due to resonances or standing waves, which leads to a high absorption and thus a high lift, with little light is transmitted and thus enters a shading effect.
  • the inventive design of the switchable absorber element leads to an efficient charge carrier generation and to a high electrical energy yield when the switchable absorber element is integrated in a photovoltaic cell, which further charge carrier selective
  • Absorber layer is configured photoelectrically active.
  • the absorber layer As materials or material combinations for the absorber layer, it has proven advantageous for the light reflected by at least one of the switchable reflection layers in reflective mode to absorb at least about 5%, preferably at least about 10%, and at most at least in the visible wavelength range ensure about 30%, preferably at most about 20% even with a single pass.
  • the absorber layer at least if it is not switchable on its own, requires a certain, minimal absorption even after a single pass. This should be so small that, in the transmissive mode, the at least one switchable reflection layer, ie when passing through the
  • Absorber layer only little light is absorbed, while in the reflective mode of the at least one switchable reflection layer due to the resonances by, for example, effectively 10 times passing through the absorber layer a high Absorption comes about.
  • the value for a single pass depends on the material and the thickness of the absorber layer hab, but not on the switching state of the reflector.
  • the optical path length between the front-side reflection layer and the back-side reflection layer, at least for light incident perpendicular to the cell is less than 200 nm.
  • the optical path length between the front-side reflection layer and the back-reflection layer is at least less than 100 nm, at least for light incident perpendicular to the cell.
  • Absorber and front reflection layer has a reflectivity of at least 10%.
  • the absorber layer comprises amorphous germanium and / or an alloy based thereon.
  • the absorber layer comprises transition metal dichalcogenides (TMDCs) and / or other metal-based semiconductor materials such as MoS 2 , WS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , SnS x , MoO x .
  • TMDCs transition metal dichalcogenides
  • metal-based semiconductor materials such as MoS 2 , WS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , SnS x , MoO x .
  • the absorber layer itself has a switchable absorption, whereby the switchable stroke is further increased.
  • An inventive photovoltaic cell is characterized in that the photovoltaic cell has an inventive absorber element, wherein the solar cell further charge carrier selective electrodes and at least one
  • Front side electrode and at least one rear side electrode Between the front side electrode and the rear side electrode, the absorber layer is arranged, which is configured photoelectrically active.
  • a further advantageous embodiment of the photovoltaic cell is characterized in that at least one of the layers of the absorber layer, the front-side reflection layer and / or the rear-side reflection layer
  • a structuring of the different layers by means of laser lines can take place in order to achieve electrical series connection of individual cell strips of the photovoltaic cell and thus to generate a higher voltage instead of a high current.
  • the at least one switchable reflective layer may be based on electrochromic, gasochromic, thermochromic, or photochromic materials. Also, liquid crystals or chiral materials are possible as a basis.
  • the at least one switchable reflection layer may comprise a multilayer stack, the layers containing one or more of the aforementioned switchable materials, optionally supplemented by additional catalytic layers, and in the case of electrochromic materials supplemented by electrode layers, for example ITO layers. In principle, however, it is irrelevant how exactly the at least one switchable reflection layer is constructed.
  • Reflective layer with the photovoltaic cell has a common electrode. As a result, an electrode can be saved. Further advantages, features and expedient developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description of preferred embodiments with reference to the drawings.
  • Fig. 1 shows the general structure of an absorber element according to the invention.
  • Fig. 2 shows an embodiment of an absorber element according to the invention with a germanium absorber layer.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of an absorber element according to the invention with switchable rear-side reflection layer with n-layer as part of the front-side reflection layer
  • Fig. 1 shows the general structure of an absorber element according to the invention 1. Light falls almost perpendicular to the absorber element 1, as indicated by the three broad arrows.
  • the absorber element 1 has a front-side reflection layer 5 and a back-reflection layer 6.
  • An absorber layer 4 is disposed between the front-side reflection layer 5 and the back-reflection layer 6.
  • the absorber layer 4 has a thickness which is dimensioned such that the optical path length between the front-side reflection layer 5 and the back-reflection layer 6 is at least 400 nm for incident light perpendicular to the cell.
  • the absorber layer 4 thus forms a resonator 8.
  • the absorber layer 4 may consist of a single layer or a layer stack of different layers. At least one of the reflection layers (front-side reflection layer 5 and / or rear-side reflection layer 6) has a switchable reflectivity.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of an absorber element 1 according to the invention with a germanium absorber layer 4.
  • the front-side reflection layer 5 is referred to as Metal lattice structure, in particular of silver, formed in which the metal, the surface of the absorber element 1 only to a small extent, for example, 10%, covered, while the front side of this metal lattice another layer of a TCO (Transparent Conductive Oxide), in particular from one of the
  • both materials ZnO: Al (AZO), SnO 2: F (FTO), ln 2 O 3: F (ITO) is formed such that both layers together provide at least 80% coverage of the absorbent member 1. Since both materials have a high reflectivity, for example, at the interface to amorphous or microcrystalline silicon, they in this case together form a front-side electrode 2 and simultaneously a front-side reflection layer 5 of, for example, 80 nm thickness.
  • Front reflection layer 5 mainly has a refractive index of about 2.
  • the absorber layer 4 is formed as an amorphous or microcrystalline germanium layer.
  • the absorber layer 4 consists of a layer stack with a light incident side first layer 4a of an amorphous, n-doped
  • Silicon alloy with a thickness of about 10 nm.
  • the first layer 4a is followed by a second layer 4b of an amorphous intrinsic germanium alloy with a layer thickness of about 3 to 30 nm.
  • a last, third layer 4c has a
  • Microcrystalline p-doped silicon alloy with a layer thickness of about 10 nm. This layer stack forms the resonator 8 with a refractive index of about 3.5 to 4.5.
  • the absorber element 4 is of a flat switchable
  • the n-type layer is formed as part of the interior of the resonator 8, with its refractive index being substantially similar to that of the adjacent second layer 4b of the absorber layer.
  • Fig. 3 shows a switchable absorber element 1 with n-layer as part of
  • Front-side reflection layer 5 The structure corresponds to that of the embodiment shown above with the difference that the n-layer is not the first layer 4a of the absorber layer 4 and thus of the resonator 8, but second Layer 5b of the front-side reflection layer 5 in which the refractive index of the second layer 5b of the front-side reflection layer is substantially different from that of the second layer 4b of the absorber layer.
  • the resonator 8 consists here only of the second layer 4b of an amorphous intrinsic
  • Germanium alloy with a layer thickness of about 3 to 30 nm and a last layer 4c, a microcrystalline p-doped silicon alloy with a
  • the front-side reflection layer 5 consists in this embodiment of a first layer 5a of a TCO (Transparent Conductive Oxide), in particular of an ITO. Furthermore, the front-side reflection layer 5 includes a second layer 5b of an amorphous, n-doped silicon alloy having a thickness of about 10 nm.
  • the refractive indices of about 2 of the front-side reflection layer 5 and about 3.5 to 4.5 of the resonator are this change is not affected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein schaltbares Absorberelement und eine darauf basierende photovoltaische Zelle. Ein erfindungsgemäßes schaltbares Absorberelement weist eine Absorberschicht auf. Weiterhin weist das Absorberelement mindestens eine Vorderseitenreflexionsschicht und mindestens eine Rückseitenreflexionsschicht auf, wobei die Absorberschicht zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht angeordnet ist, wobei die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist. Das erfindungsgemäße Absorberelement ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Reflexionsschichten eine schaltbare Reflektivität aufweist.

Description

Schaltbares Absorberelement und photovoltaische Zelle
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein schaltbares Absorberelement und eine darauf basierende photovoltaische Zelle.
In vielen Bereichen, z.B. in Hochhäusern mit großen Fensterfronten, sind
Verschattungssysteme im Einsatz. Bekannte Systeme greifen dazu auf mechanische Verschattungen wie Rollläden oder Markisen zurück. Mechanische
Verschattungssysteme sind aber wegen der vielen beweglichen Teile
störungsanfällig und wartungsintensiv. Es existieren bereits Fenster, die sich bei Erwärmung oder Beleuchtung selbständig verschatten, oder die vom Nutzer z.B. elektrisch variabel verdunkelt werden können, ohne hierbei auf mechanische
Verschattungen zurückgreifen zu müssen.
Im Sommer heizen solche Gebäude typischerweise stark auf und benötigen daher immer dann viel Energie für die Klimatisierung, wenn auch der Bedarf an
Verschattung groß ist. Es wäre daher von großem Vorteil, insbesondere in dem Moment, wenn der Bedarf an Verschattung groß ist, besonders viel Energie zu erzeugen.
Mittels einer photovoltaischen Zelle, auch Solarzelle genannt, kann aus dem auf die Zelle einfallenden Licht elektrische Energie gewonnen werden. Dazu besitzen Solarzellen ein Absorberelement, in dem durch die Zuführung von Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung freie Ladungsträger erzeugt werden können.
Bekannte Verschattungssysteme blockieren jedoch Licht entweder durch Reflektion oder einfache Absorption, ohne hierbei die Energie des blockierten Lichts zu nutzen. Prinzipiell gibt es zwar Systeme, die bei aktiver Verschattung Wärme oder Strom produzieren. Diese basieren allerdings auf der Kombination klassischer, mechanischer Verschattungskomponenten mit Solarthemnie oder Photovoltaik mit den bereits oben beschriebenen Nachteilen. Theoretisch existierende Ansätze, in denen Solarzellen mit elektrisch schaltbaren Absorbern oder Spiegeln kombiniert werden, weisen den Nachteil auf, dass nur geringe Anteile der Gesamtfläche mit Solarzellen bestückt werden, die auch nur dazu dienen, die Energie für den Betrieb der schaltbaren Verschattung zu gewinnen und gleichzeitig ein automatisches Schalten bei Einstrahlung von Licht zu ermöglichen. Die mit Solarzellen versehenen Flächen sind lichtundurchlässig bzw. weisen eine statische Verschattung auf. Die Energie aus dem dynamisch blockierten Licht geht weiterhin verloren.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 217 653 A1 ist eine Solarzelle bekannt, die eine Vorderseitenelektrode und eine Rückseitenelektrode sowie eine zwischen Vorder- und Rückseitenelektrode angeordnete photoelektrisch aktive Absorberschicht aufweist, die zumindest zu 30 Massenprozent Germanium enthält. Die Absorberschicht weist eine Dicke kleiner 40 nm auf, wobei die Solarzelle eine Vorderseitenreflexionsschicht und eine Rückseitenreflexionsschicht aufweist, wobei die Absorberschicht zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht angeordnet ist und die optische Weglänge zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht kleiner der Hälfte der der Bandlücke der Absorberschicht entsprechenden
Wellenlänge ist. Dabei wird die optische Weglänge aus dem Produkt von
Brechungsindex und geometrischer Weglänge berechnet. Die Solarzelle weist den Vorteil auf, dass die Dicke der Absorberschicht gegenüber vorbekannten Solarzellen verringert ist, wobei die Absorptionskapazität nur geringfügig verringert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Absorberelement bereitzustellen, das möglichst langfristig und reversibel mit möglichst großem Hub schaltbar ist, wobei unter Hub hier und im Folgenden der Unterschied zwischen minimaler Absorption / maximaler Transmission und maximaler Absorption / minimaler Transmission verstanden wird. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine photovoltaische Zelle mit möglichst langfristig und reversibel mit möglichst großem Hub schaltbarem Absorberelement bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Absorberelement mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Absorberelements ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 10. Die Aufgabe wird ferner durch eine photovoltaische Zelle nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der photovoltaischen Zelle ergeben sich aus den
Unteransprüchen 12 bis 14.
Ein erfindungsgemäßes schaltbares Absorberelement weist eine Absorberschicht auf. Weiterhin weist das Absorberelement mindestens eine
Vorderseitenreflexionsschicht und mindestens eine Rückseitenreflexionsschicht auf, wobei die Absorberschicht zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und
Rückseitenreflexionsschicht angeordnet ist, wobei die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist. Dabei bezieht sich hier und im Folgenden der Ausdruck„Vorderseite“ auf die der Lichtquelle, beispielsweise der Sonne, zugewandte Seite des Absorberelements, während sich der Ausdruck „Rückseite“ hier und im Folgenden auf die der Lichtquelle abgewandte Seite des Absorberelements bezieht. Die optische Weglänge ist aus dem Produkt von
Brechungsindex mit der geometrischen Schichtdicke berechenbar. Das
erfindungsgemäße Absorberelement ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Reflexionsschichten eine schaltbare Reflektivität aufweist.
Die sich zwischen den mindestens zwei teilweise bzw. vollständig reflektierenden Reflexionsschichten befindende dünne Absorberschicht absorbiert bei einmaligem Durchlaufen deutlich weniger als 50% des einfallenden Lichts. Zwischen den reflektierenden Schichten entstehen unter bestimmten Bedingungen Resonanzen oder stehende Wellen bzw. Vielfach-Reflexionen. Dies hat eine gegenüber dem einfachen Durchlaufen der Schicht vervielfachte Absorption zur Folge. Ein solches Absorberelement kann beispielsweise Germanium beinhalten. Sofern die
Absorberschicht eine Dicke aufweist, die so bemessen ist, dass die optische
Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist, bildet sich eine breitbandige optische Resonanz zwischen der Vorder- und
Rückseitenreflexionsschicht aus, wodurch die Absorption in der Absorberschicht wesentlich erhöht wird. Weist zumindest eine der Reflexionsschichten eine schaltbare Reflektivität auf, kann das einfallende Licht entweder zum größten Teil transmittiert werden oder im anderen Schaltzustand zum größten Teil aufgrund von Resonanzen absorbiert und beispielsweise zur Erzeugung von thermischer und/oder elektrischer Energie benutzt werden. Bei Ausschaltung der Reflektivität zumindest einer der Reflexionsschichten verschwinden die Resonanzeffekte fast vollständig, so dass dieses Licht die Absorberschicht nur noch einfach durchläuft und zum größten Teil transmittiert wird. Wird die Reflektivität der Reflexionsschichten hingegen eingeschaltet, wird die Absorberschicht aufgrund von Resonanzen beziehungsweise stehenden Wellen vielfach durchlaufen, was zu einer hohen Absorption und damit einem hohen Hub führt, wobei nur noch wenig Licht transmittiert wird und somit ein Verschattungseffekt eintritt. Darüber hinaus führt der erfinderische Aufbau des schaltbaren Absorberelements zu einer effizienten Ladungsträgergeneration und zu einer hohen elektrischen Energieausbeute, wenn das schaltbare Absorberelement in eine photovoltaische Zelle integriert ist, die weiterhin ladungsträgerselektive
Elektroden und mindestens eine Vorderseitenelektrode und mindestens eine
Rückseitenelektrode sowie die zwischen Vorderseitenelektrode und
Rückseitenelektrode angeordnete Absorberschicht aufweist, wobei die
Absorberschicht photoelektrisch aktiv ausgestaltet ist.
Als Materialien bzw. Materialkombinationen für die Absorberschicht haben sich solche als vorteilhaft erwiesen, die für das von zumindest einer der schaltbaren Reflexionsschichten im reflektiven Modus reflektierte Licht zumindest im sichtbaren Wellenlängenbereich eine Absorption von mindestens etwa 5%, bevorzugt von mindestens etwa 10% und von maximal etwa 30%, bevorzugt maximal etwa 20% schon bei einmaligem Durchlaufen gewährleisten. Um mittels der
Vielfachreflexionen, die sich zwischen der Vorderseitenreflexionsschicht und der Rückseitenreflexionsschicht im reflektiven Modus der hiervon mindestens einen schaltbaren Reflexionsschicht ausbilden, eine hohe Absorption in der
Absorberschicht zu erzielen, benötigt die Absorberschicht, zumindest sofern sie nicht selbst schaltbar ist, schon bei einmaligem Durchlaufen eine gewisse, minimale Absorption. Diese sollte so klein sein, dass im transmissiven Modus der zumindest einen schaltbaren Reflexionsschicht, also bei einmaligen Durchlaufen der
Absorberschicht, nur wenig Licht absorbiert wird, während im reflektiven Modus der zumindest einen schaltbaren Reflexionsschicht aufgrund der Resonanzen durch beispielsweise effektiv 10-faches Durchlaufen der Absorberschicht eine hohe Absorption zustande kommt. Der Wert bei einmaligem Durchlaufen hängt vom Material und der Dicke der Absorberschicht hab, nicht jedoch vom Schaltzustand des Reflektors.
Um einerseits im transparenten Modus des schaltbaren Absorberelements eine möglichst neutrale Farbe zu gewährleisten und andererseits im blockierenden Modus eine möglichst breitbandige Absorption zu gewährleisten, muss die durch die
Absorberschicht gegebene optische Weglänge zwischen
Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht so gering wie möglich sein. Daher beträgt die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht in einer bevorzugten Ausführungsform weniger als 200 nm.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht weniger als 100 nm.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Grenzfläche zwischen
Absorberschicht und Vorderseitenreflexionsschicht eine Reflektivität von mindestens 10% auf.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Absorberschicht amorphes Germanium und / oder eine darauf aufbauende Legierung aufweist.
In einer alternativen Ausführungsform weist die Absorberschicht Übergangsmetall- Dichalcogenide (TMDCs) und / oder andere metallbasierte Halbleitermaterialien, wie beispielsweise MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, SnSx, MoOx auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Absorberschicht selbst eine schaltbare Absorption auf, wodurch der schaltbare Hub weiter erhöht wird.
Die beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen bewirken u.a. Optimierungen in der Energieausbeute, wenn das schaltbare Absorberelement photoelektrisch aktiv ausgeführt ist. Eine erfinderische photovoltaische Zelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaische Zelle ein erfinderisches Absorberelement aufweist, wobei die Solarzelle weiterhin ladungsträgerselektive Elektroden und mindestens eine
Vorderseitenelektrode und mindestens eine Rückseitenelektrode aufweist. Zwischen der Vorderseitenelektrode und der Rückseitenelektrode ist die Absorberschicht angeordnet, die photoelektrisch aktiv ausgestaltet ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die photovoltaische Zelle weitere
Elektroden zum Abtransport des erzeugten elektrischen Stroms aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der photovoltaischen Zelle ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Schichten der Absorberschicht, der Vorderseitenreflexionsschicht und / oder der Rückseitenreflexionsschicht
dreidimensional strukturiert ist. Beispielsweise kann bei Dünnschichtsolarzellen eine Strukturierung der unterschiedlichen Schichten mittels Laserlinien erfolgen, um eine elektrische Serienverschaltung einzelner Zellstreifen der photovoltaischen Zelle zu erzielen und somit eine höhere Spannung statt eines hohen Stroms zu generieren.
Die mindestens eine schaltbare Reflexionsschicht kann auf elektrochromen, gasochromen, thermochromen, oder photochromen Materialien basieren. Auch sind Flüssigkristalle oder chirale Materialien als Basis möglich. Insbesondere kann die mindestens eine schaltbare Reflexionsschicht einen Mehrschichtstapel aufweisen, wobei die Schichten eines oder mehrere der vorgenannten schaltbaren Materialien enthalten, optional ergänzt durch zusätzliche katalytische Schichten, sowie im Falle elektrochromer Materialien ergänzt um Elektrodenschichten, beispielsweise ITO- Schichten. Grundsätzlich ist aber unerheblich, wie genau die mindestens eine schaltbare Reflexionsschicht aufgebaut ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform basiert zumindest eine der
Reflexionsschichten auf einem elektrochromen Material, wobei diese
Reflexionsschicht mit der photovoltaischen Zelle eine gemeinsame Elektrode aufweist. Hierdurch kann eine Elektrode eingespart werden. Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
Fig. 1 den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absorberelements.
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Absorberelements mit einer Germanium-Absorberschicht.
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Absorberelements mit schaltbarer Rückseitenreflexionsschicht mit n-Schicht als Teil der Vorderseitenreflexionsschicht
Fig. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absorberelements 1. Licht fällt nahezu senkrecht auf das Absorberelement 1 , wie durch die drei breiten Pfeile angedeutet. Das Absorberelement 1 weist eine Vorderseitenreflexionsschicht 5 und eine Rückseitenreflexionsschicht 6 auf. Eine Absorberschicht 4 ist zwischen der Vorderseitenreflexionsschicht 5 und der Rückseitenreflexionsschicht 6 angeordnet. Die Absorberschicht 4 weist eine Dicke auf, die so bemessen ist, dass die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht 5 und Rückseitenreflexionsschicht 6 zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist.
Zwischen der reflektierenden Vorderseitenreflexionsschicht 5 und
Rückseitenreflexionsschicht 6 entstehen dann breitbandige Resonanzen oder stehende Wellen bzw. Vielfach-Reflexionen. Dies hat eine gegenüber dem einfachen Durchlaufen der Schicht vervielfachte Absorption zur Folge. Die Absorberschicht 4 bildet somit einen Resonator 8. Die Absorberschicht 4 kann dabei aus einer einzelnen Schicht oder einem Schichtstapel unterschiedlicher Schichten bestehen. Mindestens eine der Reflexionsschichten (Vorderseitenreflexionsschicht 5 und / oder Rückseitenreflexionsschicht 6) weist eine schaltbare Reflektivität auf.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Absorberelements 1 mit einer Germanium-Absorberschicht 4. Die Vorderseitenreflexionsschicht 5 ist als Metall-Gitter-Struktur, insbesondere aus Silber, ausgeformt, in welcher das Metall die Oberfläche des Absorberelements 1 nur zu einem geringen Anteil, beispielsweise 10%, bedeckt, während vorderseitig dieses Metallgitters eine weitere Schicht aus einem TCO (Transparent Conductive Oxide), insbesondere aus einem der
Materialien ZnO:AI (AZO), Sn02:F (FTO), ln203:F (ITO)ausgeformt ist, derart, dass beide Schichten zusammen eine Bedeckung des Absorptionselements 1 von zumindest 80% ergeben. Da beide Materialien beispielsweise an der Grenzfläche zu amorphem oder mikrokristallinem Silizium eine hohe Reflektivität aufweisen, bilden sie in diesem Fall zusammen eine Vorderseitenelektrode 2 sowie gleichzeitig eine Vorderseitenreflexionsschicht 5 von beispielsweise 80 nm Dicke. Diese
Vorderseitenreflexionsschicht 5 weist vorwiegend einen Brechungsindex von ca. 2 auf.
Die Absorberschicht 4 ist als amorphe oder mikrokristalline Germaniumschicht ausgebildet. Die Absorberschicht 4 besteht dabei aus einem Schichtstapel mit einer lichteinfallseitigen ersten Schicht 4a aus einer amorphen, n-dotierten
Siliziumlegierung mit einer Dicke von ca. 10 nm. Auf die erste Schicht 4a folgt eine zweite Schicht 4b aus einer amorphen intrinsischen Germaniumlegierung mit einer Schichtdicke von ca. 3 bis 30 nm. Eine letzte, dritte Schicht 4c weist eine
mikrokristalline p-dotierte Siliziumlegierung mit einer Schichtdicke von ca. 10 nm auf. Dieser Schichtstapel bildet den Resonator 8 mit einem Brechungsindex von ca. 3,5 bis 4,5.
Das Absorberelement 4 wird von einer flächig ausgebildeten schaltbaren
Rückseitenreflexionsschicht 6 abgeschlossen.
In dieser Ausführungsform ist die n-Schicht als Teil des Inneren des Resonators 8 ausgebildet, indem ihr Brechungsindex demjenigen der angrenzenden zweiten Schicht 4b der Absorberschicht im Wesentlichen ähnelt.
Fig. 3 zeigt ein schaltbares Absorberelement 1 mit n-Schicht als Teil der
Vorderseitenreflexionsschicht 5. Der Aufbau entspricht dabei dem des zuvor gezeigten Ausführungsbeispiels mit dem Unterschied, dass die n-Schicht nicht erste Schicht 4a der Absorberschicht 4 und damit des Resonators 8 ist, sondern zweite Schicht 5b der Vorderseitenreflexionsschicht 5, indem der Brechungsindex der zweiten Schicht 5b der Vorderseitenreflexionsschicht sich wesentlich von demjenigen der zweiten Schicht 4b der Absorberschicht unterscheidet. Der Resonator 8 besteht hier nur aus der zweiten Schicht 4b aus einer amorphen intrinsischen
Germaniumlegierung mit einer Schichtdicke von ca. 3 bis 30 nm und einer letzten Schicht 4c, die eine mikrokristalline p-dotierte Siliziumlegierung mit einer
Schichtdicke von ca. 10 nm aufweist. Dieser Schichtstapel bildet den Resonator 8 mit einem Brechungsindex von ca. 3,5 bis 4,5. Die Vorderseitenreflexionsschicht 5 besteht in dieser Ausführungsform aus einer ersten Schicht 5a aus einem TCO (Transparent Conductive Oxide), insbesondere aus einem ITO. Weiterhin beinhaltet die Vorderseitenreflexionsschicht 5 eine zweite Schicht 5b aus einer amorphen, n- dotierten Siliziumlegierung mit einer Dicke von ca. 10 nm. Die Brechungsindizes von ca. 2 der Vorderseitenreflexionsschicht 5 und von ca. 3,5 bis 4,5 des Resonators werden von dieser Änderung nicht berührt.
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind
gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste:
1 Absorberelement
2 Vorderseitenelektrode
3 Rückseitenelektrode
4 Absorberschicht
4a erste Schicht
4b zweite Schicht
4c dritte Schicht
5 Vorderseitenreflexionsschicht
5a erste Schicht
5b zweite Schicht
6 Rückseitenreflexionsschicht
7 Photovoltaische Zelle
8 Resonator

Claims

Patentansprüche:
1. Schaltbares Absorberelement (1 ) mit einer Absorberschicht (4), wobei das schaltbare Absorberelement (1 ) mindestens eine
Vorderseitenreflexionsschicht (5) und mindestens eine
Rückseitenreflexionsschicht (6) aufweist, wobei die Absorberschicht (4) zwischen Vorderseitenreflexionsschicht (5) und
Rückseitenreflexionsschicht (6) angeordnet ist, wobei die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht (5) und
Rückseitenreflexionsschicht (6) zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Reflexionsschichten (5, 6) eine schaltbare Reflektivität aufweist.
2. Schaltbares Absorberelement (1 ) gemäß Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht (5) und Rückseitenreflexionsschicht (6) zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 200 nm ist.
3. Schaltbares Absorberelement (1 ) gemäß Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht (5) und Rückseitenreflexionsschicht (6) zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 100 nm ist.
4. Schaltbares Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht (4) in den von zumindest einer der
Reflexionsschichten (5, 6) reflektierten Wellenlängenbereichen eine Absorption von mindestens 5% bei einmaligem Durchlaufen aufweist.
5. Schaltbares Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht (4) in den von zumindest einer der
Reflexionsschichten (5, 6) reflektierten Wellenlängenbereichen eine Absorption von mindestens 10% bei einmaligem Durchlaufen aufweist.
6. Schaltbares Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht (4) in den von zumindest einer der
Reflexionsschichten (5, 6) reflektierten Wellenlängenbereichen eine Absorption von maximal 30%, bevorzugt maximal 20% bei einmaligem Durchlaufen aufweist.
7. Schaltbares Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Grenzfläche zwischen Absorberschicht (4) und
Vorderseitenreflexionsschicht (5) eine Reflektivität von mindestens 10% aufweist.
8. Schaltbares Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht (4) amorphes Germanium und/oder eine darauf aufbauende Legierung aufweist.
9. Schaltbares Absorberelement (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht (4) Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDCs) und / oder andere metallbasierte Halbleitermaterialien aufweist.
10. Schaltbares Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht (4) eine schaltbare Absorption aufweist.
1 1 . Photovoltaische Zelle (7),
dadurch gekennzeichnet,
dass die photovoltaische Zelle (7) ein schaltbares Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche aufweist, wobei die
photovoltaische Zelle (7) weiterhin ladungsträgerselektive Elektroden und mindestens eine Vorderseitenelektrode (2) und mindestens eine
Rückseitenelektrode (3) sowie die zwischen Vorderseitenelektrode (2) und Rückseitenelektrode (3) angeordnete Absorberschicht (4) aufweist, wobei die Absorberschicht (4) photoelektrisch aktiv ausgestaltet ist.
12. Photovoltaische Zelle (7) gemäß Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die photovoltaische Zelle (7) weitere Elektroden zum Abtransport des erzeugten elektrischen Stroms aufweist.
13. Photovoltaische Zelle (7) gemäß einem der Ansprüche 1 1 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Schichten (4, 5, 6) dreidimensional strukturiert ist.
14. Photovoltaische Zelle (7) gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Reflexionsschichten (5, 6) auf einem
elektrochromen Material basiert, wobei diese Reflexionsschicht (5, 6) mit der photovoltaischen Zelle (7) eine gemeinsame Elektrode aufweist.
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