EP3785305A1 - Absorberelement und photovoltaische zelle - Google Patents

Absorberelement und photovoltaische zelle

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Publication number
EP3785305A1
EP3785305A1 EP19720519.8A EP19720519A EP3785305A1 EP 3785305 A1 EP3785305 A1 EP 3785305A1 EP 19720519 A EP19720519 A EP 19720519A EP 3785305 A1 EP3785305 A1 EP 3785305A1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
absorber
absorber element
reflection layer
light
Prior art date
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Pending
Application number
EP19720519.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Steenhoff
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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
Publication of EP3785305A1 publication Critical patent/EP3785305A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/40—Optical elements or arrangements
    • H10F77/42—Optical elements or arrangements directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H10F77/48—Back surface reflectors [BSR]
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
    • A01G9/00—Cultivation in receptacles, forcing-frames or greenhouses; Edging for beds, lawn or the like
    • A01G9/24—Devices or systems for heating, ventilating, regulating temperature, illuminating, or watering, in greenhouses, forcing-frames, or the like
    • A01G9/243—Collecting solar energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/20—Electrodes
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02A40/00—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production
    • Y02A40/10—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P60/00—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries
    • Y02P60/12—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries using renewable energies, e.g. solar water pumping

Definitions

  • the invention relates to an absorber element and a device based thereon
  • 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.
  • Known photovoltaic cells aim to maximize the totality
  • 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 the band gap at one of the band gap of the absorber layer corresponding wavelength.
  • 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.
  • greenhouses that have large glass surfaces through which the light necessary for plant growth falls on the cultivated plants or the biomass are required for biomass production and cultivation.
  • For plant growth is a photosynthesis process required, with the help of light energy high-energy biomolecules are produced from low-energy substances.
  • Plants, including, for example, algae normally require light of specific wavelengths in the blue and red wavelengths. Green and infrared light is only weakly absorbed by the plants and therefore mostly transmitted or reflected.
  • the object of the invention is to provide an absorber element and a photovoltaic cell, the / the light of those wavelengths that can be used by plants, transmits, while it / the remaining wavelengths of light as broadband absorbed, the efficiency over prior art devices increases and the manufacturing cost is minimized.
  • An absorber element has an absorber layer, wherein the absorber element has at least one front-side reflection layer and at least one rear-side reflection layer, wherein the absorber layer is arranged between the front-side reflection layer and the back-reflection layer, wherein the optical path length between the front-side reflection layer and
  • Rear side reflective layer is less than 400 nm at least for perpendicular to the cell incident light.
  • front side refers to the side of the absorber element facing the light source, for example the sun, while the term “back side” here and in the
  • the optical path length is calculated from the product of the refractive index with the geometric path, i. the geometric thickness of the layer stack, calculated.
  • the absorber element according to the invention is characterized in that at least one of the reflection layers has a spectrally selective reflectivity, wherein light which is essentially usable by plants for photosynthesis is
  • Substantially transmissive and light of other wavelengths is substantially reflective.
  • Reflective layers located thin absorber absorbs at one time
  • Such an absorber element may include, for example, germanium. Unless the
  • 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
  • Rear side reflective layer whereby the absorption in the absorber layer is substantially increased. Does at least one of the reflection layers have one spectrally selective reflectivity, whereby from plants to photosynthesis in the
  • Substantially usable light is substantially transmissive and light of other wavelengths is substantially reflective, the incident light can be used both for the generation of electrical energy and for plant growth. At wavelengths with reduced reflectivity then disappear the resonance effects almost completely, so that this light passes through the absorber layer only simply and is substantially transmitted. At wavelengths of high reflectivity, however, the absorber layer is traversed many times, resulting in a high absorption. At the same time, this leads to suitable light conditions for the growth of photosynthetically active species as well as to a large one
  • At least one of the reflection layers has a spectrally selective reflectivity with a change in reflectivity of at least 50% for a limited wavelength range.
  • the wavelength of the light which can be used for photosynthesis is about 400 nm to 500 nm in the blue region and about 630-730 nm in the red region.
  • the wavelengths between about 500 nm and about 630 nm fall in the green and yellow areas and are of
  • Plants generally not or only weakly used. Even light in the UV range and above 630 nm contribute little to photosynthesis.
  • Wavelengths can therefore be used for the production of electrical energy.
  • the absorber layer As materials or material combinations for the absorber layer, it has proven advantageous to absorb at least about 5%, preferably at least about 10%, absorption at an optical thickness of 400 nm or less in the spectral range reflected by the back reflection layer on the other hand of a maximum of about 30%, preferably a maximum of about 20% guarantee even with a single pass.
  • the optical thickness is calculated from the product of the refractive index with the geometric thickness.
  • the optical path length given by the absorber layer must be between
  • 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.
  • the spectral selectivity of the absorber element can be supported by the absorber layer itself additionally having a spectrally selective absorption coefficient.
  • the absorber layer has a spectrally selective absorption, wherein light usable by plants for photosynthesis is substantially transmissive and light of other wavelengths is substantially absorbable.
  • 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 and MoO x .
  • TMDCs transition metal dichalcogenides
  • 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 and MoO x .
  • organic semiconductor materials or one or more organic dyes especially those with spectrally selective absorption coefficient.
  • Reflective layers on a metal / oxide / metal multi-layer stack In this case, a layer thickness of the inner oxide layer of 250 nm to 550 nm has proven to be advantageous.
  • oxide is here and below as a placeholder for in the visible
  • Wavelength range essentially transparent materials with a high band gap of 2 eV or higher to understand, as is in the art
  • oxides e.g., zinc oxide, silica, indium-tin oxide, alumina, titania, magnesia
  • nitrides e.g.
  • Silicon nitride Silicon nitride
  • oxynitrides e.g., silicon oxynitride
  • carbides e.g., silicon carbide
  • At least one of the reflective layers comprises a metal / oxide / metal / oxide multiple layer stack.
  • Reflective layers comprises a zinc oxide / silver / zinc oxide / silver multi-layer stack, wherein the silver layer thicknesses are between 5 and 25 nm.
  • the layer thickness of at least one of the oxide layers is between about 250 nm and 550 nm.
  • the described advantageous embodiments cause an optimization of the energy yield.
  • An inventive photovoltaic cell is characterized in that the photovoltaic cell has an inventive absorber element, wherein the
  • Solar cell furthermore 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 can be carried out by means of laser cuts in order to achieve an electrical series connection of individual cell strips of the photovoltaic cell and thus to generate a higher module voltage instead of a high current.
  • 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 embodiment of an absorber element according to the invention with spectrally selective transparency with n-layer as part of
  • 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 backside 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 spectrally selective reflectivity, wherein the reflectivity is at least 50% for a limited
  • Wavelength range is changed.
  • 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 formed as a metal-grid structure, in particular of silver, in which the metal forms the surface of the absorber element 1 only to a small extent, for example 10%, covered, while the front side of this metal grid, another layer of a TCO (Transparent Conductive Oxide), in particular from one of
  • the front-side reflection layer 5 may be formed as a known Bragg reflector with the aim of achieving wavelength-dependent transmission and reflection properties thereof.
  • a Bragg reflector consists of alternating, thin For example, layers of a dielectric of different refractive indices. At each boundary layer, part of the electromagnetic wave of the light is reflected according to Fresnel's formulas. If the
  • Wavelength is close to four times the optical path length of the layers, then the reflected rays interfere constructively and there is a high quality reflector.
  • 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 terminated by a surface-formed spectrally selective rear-side reflection layer 6.
  • the backside reflection layer may also be formed as a Bragg reflector with the aim of achieving wavelength-selective transmission and reflection properties of the same.
  • the n-layer is formed as part of the interior of the resonator 8, with its refractive index similar to that of the adjacent second absorber layer 4b.
  • FIG. 3 shows an absorber element 1 with spectrally selective transparency with n-layer as part of the 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, with its refractive index 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, third layer 4c, which 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.
  • Front reflection layer 5 consists in this embodiment of a first layer 5a of a TCO (Transparent Conductive Oxide), in particular of an ITO. Further, the front side reflection layer 5 includes a second layer 5b of an amorphous n-type 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.
  • TCO Transparent Conductive Oxide

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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  • Sustainable Energy (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Absorberelement und eine darauf basierende photovoltaische Zelle. Ein erfindungsgemäßes Absorberelement weist eine photoelektrisch aktive Absorberschicht auf, wobei das Absorberelement mindestens eine Vorderseitenreflexionsschicht und mindestens eine Rückseitenreflexionsschicht aufweist, 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 spektralselektive Reflektivität aufweist, wobei von Pflanzen zur Photosynthese im Wesentlichen nutzbares Licht im Wesentlichen transmittierbar und Licht anderer Wellenlängen im Wesentlichen reflektierbar ist.

Description

Absorberelement und photovoltaische Zelle
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Absorberelement und eine darauf basierende
photovoltaische Zelle.
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 photovoltaische Zellen zielen darauf ab, möglichst das gesamte
Wellenlängenspektrum des auf sie einfallenden Lichts zu absorbieren.
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 Bandlücke bei einer der Bandlücke der Absorberschicht entsprechenden Wellenlänge ist. Die Solarzelle weist den Vorteil auf, dass die Dicke der Absorberschicht gegenüber vorbekannten Solarzellen verringert ist, wobei die Absorptionskapazität nur geringfügig verringert ist.
Für die Biomassegewinnung und den Pflanzenanbau werden beispielsweise Gewächshäuser benötigt, die große Glasflächen aufweisen, durch die das für das Pflanzenwachstum notwendige Licht auf die angebauten Pflanzen beziehungsweise die Biomasse fällt. Zum Pflanzenwachstum ist ein Photosyntheseprozess erforderlich, bei dem mit Hilfe von Lichtenergie energiereiche Biomoleküle aus energiearmeren Stoffen erzeugt werden. Pflanzen, auch beispielsweise Algen, benötigen im Normalfall hauptsächlich Licht bestimmter Wellenlängen im blauen und im roten Wellenlängenbereich. Grünes und infrarotes Licht wird von den Pflanzen nur schwach absorbiert und daher meist transmittiert oder reflektiert. Dort, wo
photosynthetisch aktive Spezies unter Verwendung von Sonnenlicht oder anderer breitbandiger Lichtquellen angebaut werden, ist es wünschenswert, die für die Photosynthese nicht nutzbare Energie des Lichts in Wärme oder Strom
umzuwandeln.
Hierzu benötigt man eine Vorrichtung, die Licht derjenigen Wellenlängen, die von den Pflanzen nutzbar sind, transmittiert, während es die übrigen Lichtwellenlängen möglichst breitbandig absorbiert. Hierzu ist ein Konzept bekannt, in welchem ein lumineszentes Absorbermaterial auf einer hochtransparenten Glasscheibe grünes Licht absorbiert und in Form von rotem Licht reemittiert, welches sich dann teilweise in der Glasscheibe ausbreitet und von hocheffizienten streifenförmigen Wafer- Solarzellen, welche verteilt auf der Oberfläche der Scheibe angeordnet sind, absorbiert und genutzt wird. Nachteil ist hier einerseits, dass die Solarzellen selbst lichtundurchlässig sind und bereits 14% der Fensterfläche bedecken. Hinzu kommen hohe Kosten für hochreines Glas, um die Weiterleitung des vom Farbstoff emittierten Lichts zu den Solarzellen zu ermöglichen. Darüber hinaus ist der Prozess, bei dem die Solarzellen in Stücke geschnitten, auf den Scheiben plaziert und verdrahtet werden, aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Absorberelement und eine photovoltaische Zelle anzugeben, das / die Licht derjenigen Wellenlängen, die von Pflanzen nutzbar sind, transmittiert, während es / sie die übrigen Lichtwellenlängen möglichst breitbandig absorbiert, wobei der Wirkungsgrad gegenüber vorbekannten Vorrichtungen erhöht und der Herstellaufwand minimiert ist.
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 16. Die Aufgabe wird ferner durch eine photovoltaische Zelle nach Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der photovoltaischen Zelle ergeben sich aus den Unteransprüchen 18 und 19.
Ein erfindungsgemäßes Absorberelement weist eine Absorberschicht auf, wobei das Absorberelement mindestens eine Vorderseitenreflexionsschicht und mindestens eine Rückseitenreflexionsschicht aufweist, 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, zugewandten Seite des Absorberelements, während sich der Ausdruck„Rückseite“ hier und im
folgenden auf die der Lichtquelle abgewandten Seite des Absorberelements bezieht. Die optische Weglänge wird dabei aus dem Produkt des Brechungsindex mit dem geometrischen Weg, d.h. der geometrischen Dicke des Schichtstapels, berechnet. Das erfindungsgemäße Absorberelement ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Reflexionsschichten eine spektralselektive Reflektivität aufweist, wobei von Pflanzen zur Photosynthese im Wesentlichen nutzbares Licht im
Wesentlichen transmittierbar und Licht anderer Wellenlängen im Wesentlichen reflektierbar ist.
Der sich zwischen den mindestens zwei mindestens teilweise reflektierenden
Reflexionsschichten befindende dünne Absorber 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 spektralselektive Reflektivität auf, wobei von Pflanzen zur Photosynthese im
Wesentlichen nutzbares Licht im Wesentlichen transmittierbar und Licht anderer Wellenlängen im Wesentlichen reflektierbar ist, kann das einfallende Licht sowohl zur Erzeugung von elektrischer Energie als auch zum Pflanzenwachstum benutzt werden. Bei Wellenlängen mit verminderter Reflektivität verschwinden dann die Resonanzeffekte fast vollständig, so dass dieses Licht die Absorberschicht nur noch einfach durchläuft und im Wesentlichen transmittiert wird. Bei Wellenlängen hoher Reflektivität dagegen wird die Absorberschicht vielfach durchlaufen, was zu einer hohen Absorption führt. Dies führt gleichzeitig zu geeigneten Lichtbedingungen für das Wachstum photosynthetisch aktiver Spezies als auch zu einer großen
Gesamtabsorption des übrigen Lichts. Darüber hinaus führt der erfinderische Aufbau des spektral selektiven Absorberelements zu einer effizienten
Ladungsträgergeneration und zu einer hohen elektrischen Energieausbeute, wenn das spektral selektive Absorberelement in eine photovoltaische Solarzelle 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.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest eine der Reflektionsschichten eine spektral selektive Reflektivität mit einer Veränderung der Reflektivität um mindestens 50% für einen begrenzten Wellenlängenbereich aufweist. Dabei beträgt die Wellenlänge des zur Photosynthese nutzbaren Lichts ca. 400 nm bis 500 nm im blauen und ca. 630 - 730 nm im roten Bereich. Die Wellenlängen zwischen ca. 500 nm und ca. 630 nm fallen in den grünen und gelben Bereich und werden von
Pflanzen im allgemeinen nicht oder nur schwach genutzt. Auch Licht im UV-Bereich sowie oberhalb von 630 nm tragen nur wenig zur Photosynthese bei. Diese
Wellenlängen können daher für die Gewinnung von elektrischer Energie genutzt werden.
Als Materialien bzw. Materialkombinationen für die Absorberschicht haben sich solche als vorteilhaft erwiesen, die bei einer optischen Dicke von 400 nm oder weniger in dem von der Rückseitenreflexionsschicht reflektiertem Spektralbereich eine Absorption von mindestens etwa 5%, bevorzugt von mindestens etwa 10% und andererseits von maximal etwa 30%, bevorzugt von maximal etwa 20% schon bei einmaligem Durchlaufen gewährleisten. Die optische Dicke wird dabei aus dem Produkt des Brechungsindex mit der geometrischen Dicke berechnet.
Um in den von der Rückseitenreflexionsschicht reflektierten Wellenlängenbereichen 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.
Die spektrale Selektivität des Absorberelements kann unterstützt werden, indem die Absorberschicht selbst zusätzlich einen spektralselektiven Absorptionskoeffizienten aufweist. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist daher die Absorberschicht eine spektralselektive Absorption auf, wobei von Pflanzen zur Photosynthese nutzbares Licht im Wesentlichen transmittierbar und Licht anderer Wellenlängen im Wesentlichen absorbierbar ist.
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 vorteilhaften Ausführungsform weist die Absorberschicht Übergangsmetall- Dichalcogenide (TMDCs) und / oder andere metallbasierte Halbleitermaterialien, wie beispielsweise MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, SnSx und MoOx auf. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Absorberschicht
organische Halbleitermaterialien bzw. einen oder mehrere organische Farbstoffe auf, insbesondere solche mit spektral selektivem Absorptionskoeffizienten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist zumindest eine der
Reflexionsschichten einen Metall/Oxid/Metall-Mehrfach-Schichtstapel auf. Dabei hat sich eine Schichtdicke der innenliegenden Oxidschicht von 250 nm bis 550 nm als vorteilhaft erwiesen.
Der Begriff„Oxid“ ist hier und im Folgenden als Platzhalter für im sichtbaren
Wellenlängenbereich im Wesentlichen transparente Materialien mit einer hohen Bandlücke von 2 eV oder höher zu verstehen, wie es sich in Fachkreisen
eingebürgert hat. Neben den Oxiden (z.B. Zinkoxid, Siliziumoxid, Indium-Zinn-Oxid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Magnesiumoxid) können z.B. auch Nitride (z.B.
Siliziumnitrid), Oxinitride (z.B. Siliziumoxinitrid) oder Carbide (z.B. Siliziumcarbid) zum Einsatz kommen.
In einer alternativen Ausführungsform weist zumindest eine der Reflexionsschichten einen Metall/Oxid/Metall/Oxid-Mehrfach-Schichtstapel auf.
Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest eine der
Reflexionsschichten einen Zinkoxid/Silber/Zinkoxid/Silber-Mehrfach-Schichtstapel aufweist, wobei die Silberschichtdicken zwischen 5 und 25nm liegen.
Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schichtdicke mindestens einer der Oxidschichten zwischen etwa 250 nm und 550 nm beträgt.
Die beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen bewirken eine Optimierung der Energieausbeute.
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. Hierdurch wird die Effizienz der photovoltaischen Zelle erhöht.
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 Laserschnitten erfolgen, um eine elektrische Serienverschaltung einzelner Zellstreifen der photovoltaischen Zelle zu erzielen und somit eine höhere Modulspannung statt eines hohen Stroms zu generieren.
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 spektral selektiver Transparenz 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 der
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 spektral selektive Reflektivität auf, wobei die Reflektivität beispielsweise um mindestens 50% für einen begrenzten
Wellenlängenbereich verändert ist.
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. Diese Vorderseitenreflexionsschicht 5 weist dann einen Brechungsindex von ca. 2 oder weniger auf. Da daher 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.
Die Vorderseitenreflexionsschicht 5 kann als bekannter Bragg-Reflektor mit dem Ziel, wellenlängenabhängige Transmissions- und Reflexionseigenschaften desselbigen zu erzielen, ausgeformt sein. Ein Bragg-Reflektor besteht aus alternierenden, dünnen Schichten beispielsweise aus einem Dielektrikum unterschiedlicher Brechungsindizes. An jeder Grenzschicht wird ein Teil der elektromagnetischen Welle des Lichtes gemäß den fresnelschen Formeln reflektiert. Wenn die
Wellenlänge nahe dem Vierfachen der optischen Weglänge der Schichten liegt, dann interferieren die reflektierten Strahlen konstruktiv und es entsteht ein hochqualitativer Reflektor.
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 spektral selektiven Rückseitenreflexionsschicht 6 abgeschlossen. Auch die Rückseitenreflexionsschicht kann als Bragg-Reflektor mit dem Ziel, wellenlängenselektive Transmissions- und Reflexionseigenschaften der selbigen zu erzielen, ausgeformt werden.
In dieser Ausführungsform ist die n-Schicht als Teil des Inneren des Resonators 8 ausgebildet, indem ihr Brechungsindex demjenigen der angrenzenden zweiten Absorberschicht 4b ähnelt.
Fig. 3 zeigt ein Absorberelement 1 mit spektral selektiver Transparenz 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 ist, indem ihr Brechungsindex wesentlich von dem der zweiten Schicht 4b der Absorberschicht abweicht. 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, dritten 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. Absorberelement (1 ) mit einer Absorberschicht (4), wobei das
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 spektralselektive Reflektivität aufweist, wobei von Pflanzen zur Photosynthese im Wesentlichen nutzbares Licht im Wesentlichen transmittierbar und Licht anderer
Wellenlängen im Wesentlichen reflektierbar ist.
2. 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. 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. Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht (4) in den von der Rückseitenreflexionsschicht (6) reflektierten Wellenlängenbereichen eine Absorption von mindestens 5% bei einmaligem Durchlaufen aufweist.
5. Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht (4) in den von der Rückseitenreflexionsschicht (6) reflektierten Wellenlängenbereichen eine Absorption von mindestens 10% bei einmaligem Durchlaufen aufweist.
6. Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht (4) in den von der Rückseitenreflexionsschicht (6) reflektierten Wellenlängenbereichen eine Absorption von maximal 30%, bevorzugt maximal 20% bei einmaligem Durchlaufen aufweist.
7. 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. Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht (4) amorphes Germanium und/oder eine darauf aufbauende Legierung aufweist.
9. Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht (4) Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDCs) und / oder andere metallbasierte Halbleitermaterialien aufweist.
10. Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht organische Halbleitermaterialien aufweist.
1 1 .Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht mindestens einen organischen Farbstoff aufweist.
12. Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Absorberschicht (4) eine spektralselektive Absorption aufweist, wobei von Pflanzen zur Photosynthese nutzbares Licht im Wesentlichen
transmittierbar und Licht anderer Wellenlängen im Wesentlichen absorbierbar ist.
13. Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Reflexionsschichten (5, 6) einen Metall/Oxid/Metall- Mehrfach-Schichtstapel aufweist.
14. Absorberelement (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Reflexionsschichten (5, 6) einen
Metall/Oxid/Metall/Oxid-Mehrfach-Schichtstapel aufweist.
15. Absorberelement (1 ) gemäß Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Reflexionsschichten (5, 6) einen
Zinkoxid/Silber/Zinkoxid/Silber-Mehrfach-Schichtstapel aufweist, wobei die Silberschichtdicken zwischen 5 und 25nm liegen.
16. Absorberelement (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schichtdicke der mindestens einen Oxidschicht zwischen etwa 250 nm und etwa 550 nm beträgt.
17. Photovoltaische Zelle (7),
dadurch gekennzeichnet,
dass die photovoltaische Zelle (7) ein Absorberelement (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche aufweist, wobei die photovoltaische Zelle (7) weiterhin ladungsträgerselektive Elektroden sowie 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.
18.Photovoltaische Zelle (7) gemäß Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass die photovoltaische Zelle (7) weitere Elektroden zum Abtransport des erzeugten elektrischen Stroms aufweist.
19. Photovoltaische Zelle (7) gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine der Schichten (4, 5, 6) dreidimensional strukturiert ist.
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