EP4226430A2 - Mehrfachsolarzelle und verwendung einer mehrfachsolarzelle - Google Patents

Mehrfachsolarzelle und verwendung einer mehrfachsolarzelle

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EP4226430A2
EP4226430A2 EP21786441.2A EP21786441A EP4226430A2 EP 4226430 A2 EP4226430 A2 EP 4226430A2 EP 21786441 A EP21786441 A EP 21786441A EP 4226430 A2 EP4226430 A2 EP 4226430A2
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EP
European Patent Office
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solar cell
cell
sub
multiple solar
structural elements
Prior art date
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Pending
Application number
EP21786441.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David LACKNER
Oliver Höhn
Benedikt BLÄSI
Jens Ohlmann
Frank Dimroth
Jonas Schön
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Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Albert Ludwigs Universitaet Freiburg, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials

Definitions

  • the present invention relates to a multiple solar cell with at least two sub-cells, at least one sub-cell being formed from a direct semiconductor, with an upper sub-cell facing the light and a lower sub-cell facing away from the light, with an upper band gap of the upper sub-cell being greater than a lower band gap of the lower sub-cell and wherein an intermediate layer is arranged on the side of the lower sub-cell facing away from the light.
  • the present invention relates to the use of a multiple solar cell, for example in extraterrestrial systems, in terrestrial concentrator systems, in flying objects and/or in vehicles and/or in thermophotovoltaics.
  • Multi-junction solar cells are primarily designed for high efficiency and include a large number of sub-cells. Particular attention is paid to introducing the largest possible spectral range of a relevant spectrum, for example solar radiation, into the multi-junction solar cell and absorbing it accordingly in the sub-cells. In order to achieve appropriate absorption in the desired spectral range, it is therefore necessary to design the respective sub-cells of the multi-junction solar cell with an appropriate thickness so that almost complete absorption can be ensured.
  • the aforementioned measures are accompanied by disadvantages, particularly with regard to the performance and the production of the multiple solar cells.
  • MOVPE metal-organic vapor phase epitaxy
  • the individual layers of the multi-junction solar cell are usually produced in an epitaxial process, for example by means of metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE), since these processes enable the formation of high-quality layers with a correspondingly low defect density.
  • MOVPE metal-organic vapor phase epitaxy
  • the production of multiple solar cells is associated with high costs as a result.
  • the operating temperature is also of particular importance for the efficiency of a solar cell in general.
  • an operating temperature of the solar cell that is higher than that in laboratory conditions (typically 25° C.) leads to a reduction in the open-circuit voltage V oc , as a result of which the possible power consumption drops.
  • cooling is technically demanding, since the systems in space operate in a vacuum and cooling cannot take place via convection, but primarily only via thermal radiation.
  • the multiple solar cell comprising at least three sub-cells and at least one sub-cell has a layer which is arranged between an emitter layer and a base layer and has a band gap which is larger than the band gap of the emitter layer and the base layer.
  • the radiation hardness of the solar cell can be increased by this method. However, this cannot prevent the multi-junction solar cell from heating up.
  • the multiple solar cell according to the invention comprises at least two sub-cells, at least one sub-cell being formed from a direct semiconductor, with an upper sub-cell facing the light, a lower sub-cell facing away from the light and an intermediate layer arranged on the side of the lower sub-cell facing away from the light.
  • an upper band gap of the upper sub-cell is greater than a lower band gap of the lower sub-cell.
  • the upper part-cell is thus facing the incident light and the lower part-cell is correspondingly arranged directly or indirectly on the side of the upper part-cell facing away from the incident light.
  • an optical element comprising a lower mirror element is arranged on a side of the intermediate layer averted from light, the optical element comprising a partial element with a plurality of structural elements which are arranged directly or indirectly on the side of the intermediate layer averted from light in a lateral direction.
  • the sub-element and the lower mirror element are formed from the same material, the structure elements having an average spacing that is less than or equal to 1.3 times a spacing value, which spacing value results from a ratio of a wavelength associated with the lower band gap to a refractive index, in particular its real part, which results in the lower sub-cell.
  • the optical element and the integral formation of the sub-element with the lower mirror element create the possibility that radiation with a specific wavelength is no longer diffracted and/or scattered at the structured sub-element, but is essentially reflected back.
  • the average distance By choosing the average distance to be less than or equal to 1.3 times the distance value, it is possible to selectively restrict from which wavelength of the radiation or in which specific area almost complete reflection takes place. In particular, this makes it possible for low-energy radiation to be reflected directly at the lower mirror element and no longer to be diffracted and/or scattered in the lateral region of the sub-cells. The low-energy range of the spectrum can thus exit again on the side of the multi-junction solar cell that faces the light.
  • the value of the distance from the center point or the center line of a structural element to the center point or the center line of an adjacent structural element, averaged over the number of structural elements, is seen as the distance value.
  • the distance value is given by the grating period, for example in the case of point gratings or in the case of line gratings, or by the distance between the lattice planes in the case of hexagonal gratings.
  • the further multiple solar cell according to the invention comprises at least two sub-cells, at least one sub-cell being formed from a direct semiconductor, with an upper sub-cell facing the light, with a lower sub-cell facing away from the light and with an intermediate layer arranged on the side of the lower sub-cell facing away from the light.
  • an upper band gap of the upper sub-cell is greater than a lower band gap of the lower sub-cell.
  • an optical element comprising a lower mirror element is arranged on a side of the intermediate layer averted from the light, the optical element comprising a sub-element with a plurality of structural elements which are directly or indirectly located on the side of the intermediate layer averted from the light in a lateral direction are arranged.
  • the lower mirror element is designed as a plane mirror with a roughness with an effective value of less than 50 nm, preferably less than 20 nm. det, at least one separating layer being formed between the partial element and the lower mirror element.
  • the formation of the lower mirror element as a plane mirror with a very low effective value of the roughness also makes it possible for the radiation to be reflected back essentially directly with little parasitic absorption at the lower mirror element. Furthermore, through the use of a separating layer, low-energy radiation can experience significantly less influence on the sub-element, so that even in the other variant of the multi-junction solar cell, a large part of the low-energy radiation, in particular radiation with an energy in a range smaller than the lower band gap up to a spectral end of the relevant irradiated spectrum, which can leave the multi-junction solar cell directly or indirectly on the side facing the light.
  • the spectral end of the relevant radiated spectrum corresponds to an energy or a wavelength associated with the energy at which 90%, preferably 95%, particularly preferably 98% of the radiated radiation of the entire relevant spectrum is reached.
  • the spectral end of the relevant irradiated spectrum results in the region of the end of the near infrared, in particular at a wavelength of approximately 2.5 ⁇ m.
  • the lateral direction results as a plane perpendicular to the thickness of the multi-junction solar cell.
  • the thickness of a sub-cell is essentially less than its lateral dimensions (width, length and/or diameter).
  • the separating layer is preferably formed from a material with a low refractive index, with a real part of the refractive index of the material with a low refractive index being less than or equal to 1.5.
  • the upper and lower sub-cells each have at least one pn junction, with at least one tunnel diode preferably being formed between the upper sub-cell and the lower sub-cell, the thickness of which is preferably significantly less in the thickness direction than the thickness of a sub-cell.
  • the band gap of a semiconductor material as an energy difference between the valence band and the conduction band of a semiconductor is a fundamental property of the material itself, which is influenced by temperature, among other things.
  • the band gap of a specific semiconductor material can be determined in particular on the basis of the spectral quantum yield, as set out in Helmers et al., Band gap determination based on electrical quantum efficiency, Applied Physics Letters 103, 032108 (2013).
  • the sub-element of the optical element forms an optical structure by means of the structural elements, at which radiation impinging on the sub-element is correspondingly diffracted, scattered and/or reflected.
  • transparent to characterize a material does not imply that that material exhibits transparent properties across the spectrum.
  • transparent properties of a material can only be present in a partial spectrum, for example in the range of the solar spectrum from 100 nm to 2500 nm, or only in a sub-range of a partial spectrum.
  • At least one, preferably all, sub-cells are preferably made from a material from the group of 11 l-V semiconductors.
  • the sub-cells are essentially formed on the basis of binary, ternary, quaternary and/or quinternary compounds from the group of II-V semiconductors.
  • These semiconductor materials enable the highest possible absorption in a very broad energy range, which can be adapted in particular to the relevant spectral range, for example the solar spectral range.
  • the materials from the group of III-V semiconductors are direct semiconductors which, even with low layer thicknesses, have high absorption in the correspondingly relevant spectral range.
  • the lower partial cell has a thickness of less than 1200 nm, preferably less than 750 nm, particularly preferably less than 500 nm.
  • the thickness of the lower partial cell can be correspondingly reduced, which in particular also reduces the manufacturing costs of the multiple solar cell and the production tion process can be accelerated.
  • a small thickness reduces the influence of defects in the sub-cells, which can also be generated by high-energy proton and electron radiation.
  • a preferred embodiment is characterized in that at least one further sub-cell is arranged between the upper and lower sub-cells, the band gap of which lies between the upper and lower band gaps.
  • the at least one further sub-cell allows the absorption of the multi-junction solar cell to be adapted to the irradiated spectrum relevant to the area of application of the multi-junction solar cell, in particular the solar spectrum, so that an improved yield and thus a higher performance of the multi-junction solar cell is made possible.
  • the multiple solar cell can comprise a total of three or four or five or else six sub-cells.
  • the lower mirror element is preferably formed from a metal, in particular from silver or gold.
  • Noble metals such as silver or gold, can be easily applied to the semiconductor structures produced, in particular by vapor deposition, with the layers having a high quality and being able to be applied with little roughness. In particular, this makes it possible to achieve an effective roughness value of less than 50 nm, preferably less than 20 nm.
  • a metallic mirror element can also be used for contacting the multiple solar cell.
  • the lower mirror element can also be designed as a Bragg mirror, which is preferably applied in a further process step immediately after the production of the sub-cells.
  • a Bragg mirror as the lower mirror element makes it possible for the lower mirror element to also be designed with a very high reflectivity.
  • the intermediate layer is formed from a semiconductor material, in particular from a material from the group of III-V semiconductors.
  • this intermediate layer can be applied to the lower partial cell immediately after the latter has been produced.
  • the band gap of the intermediate layer is preferably larger than the lower band gap of the lower sub-cell.
  • the lower mirror element preferably has a thickness of 50 nm to 4 ⁇ m, preferably 100 nm to 2 ⁇ m. The appropriate thickness of the lower mirror element ensures that no more light is transmitted on the rear side of the multi-junction solar cell.
  • the lower mirror element can also serve as a carrier for the multiple solar cell, the thickness of the lower mirror element in this case preferably being in the range from 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • a preferred embodiment is characterized in that the optical sub-element is designed as a square lattice, cross lattice, hexagonal lattice or point lattice.
  • the optical sub-element can be designed as a tailor-made, disordered (tailored disorder) structure, as is the case, for example, in Hauser et al., Tailored disorder: a self-organized photonic contact for light trapping in silicon-based tandem solar cells, Opt Express 28, 10909 (2020).
  • the optical partial element Due to the design of the sub-element with its structural elements as a corresponding grating or as a disordered structure, radiation in a specific spectral range of the relevant spectrum that is radiated in is diffracted and/or scattered accordingly at the sub-element, so that these spectral ranges are not directly reflected back.
  • the configuration of the optical partial element as a corresponding grating also makes it possible for low-energy radiation or at least a region of this radiation that cannot be absorbed by the partial cells not to be diffracted and/or scattered and thus reflected back accordingly by the lower mirror element.
  • the average distance value it can be selectively set from which energy of the radiation no more diffraction and/or scattering takes place, since e.g. higher orders of diffraction no longer exist.
  • the lattice lines can be formed at right angles or not at right angles to one another.
  • the structural elements of the partial element are preferably arranged regularly or irregularly.
  • the properties of the optical partial element can be influenced accordingly by the appropriate arrangement of the structural elements.
  • the energy from which the multi- The radiation entering the compartment solar cell is no longer diffracted and/or scattered can be set or a certain transition area can be defined.
  • the structural elements can be arranged regularly, with the mean distance resulting in a regular arrangement of the structural elements in particular from the distance between the centers of the closest structural elements.
  • the structural elements can also be arranged irregularly, with the average distance resulting from the average of the distance between two adjacent, closest structural elements over the multiplicity of structural elements.
  • the structural elements can in particular be in the form of cuboids, cubes or cylinders with a rectangular, square or round or oval base.
  • the structural elements can also be designed as a pyramid, cone, pyramid or truncated cone or a modified form thereof and in particular have an irregular base area.
  • the structural elements have a thickness of between 50 nm and 400 nm, preferably between 100 nm and 300 nm.
  • the structural elements are introduced, for example, via selective dry-chemical or wet-chemical etching processes or the application of inverse structures, between which the actual structural elements are ultimately formed.
  • a preferred embodiment is characterized in that the structural elements are designed as squares, grid lines, grid points and/or as a scattering center, in particular as nanoparticles.
  • the partial element or the lattice structure is thus formed by the structural elements.
  • a preferred embodiment of the multiple solar cell is characterized in that at least one optical component, in particular a glass and/or an anti-reflection layer and/or an upper mirror element, is arranged on a side facing the light above the upper partial cell.
  • the optical component above the upper partial cell makes it possible for radiation outside the spectral range relevant for the multiple solar cell to be at least partially reflected and thus not even be able to penetrate into the multiple solar cell.
  • the optical component protects the underlying sub-cells from external influences that could reduce the efficiency of the sub-cells.
  • the optical components can have high absorption and/or high emission for specific spectral ranges.
  • the upper mirror element as an optical component is preferably designed in such a way that it transmits in the spectral range that is relevant to the multiple solar cell, in particular for radiation with an energy greater than the lower band gap, which occurs essentially perpendicularly to the upper mirror element, but for radiation that has entered the multiple solar cell and radiation reflected from the lower mirror element, which mostly occurs at an angle on the upper mirror element, has a high reflection in the direction of the lower mirror element.
  • the optical component has a transmission weighted with the number of photons of the radiation for radiation with an energy greater than or equal to the lower band gap of at least 85%, preferably at least 90%, particularly preferably at least 93%.
  • the at least one optical component has an absorption weighted with the energy of the radiation for radiation with an energy in the range of less than the lower band gap up to a spectral end of the relevant irradiated spectrum of less than 15%, preferably less than 10% . Due to the low sorption of radiation that lies outside the absorption range of the sub-cells of the multi-junction solar cell up to the spectral end of the relevant irradiated spectrum, radiation in the aforementioned range can be transmitted through the optical components, but on the other hand it is also ensured that this radiation is not absorbed in the optical components and can exit again from the multi-junction solar cell.
  • the spectral end can be the spectral end of the near infrared, which is at a wavelength of about 2.5 pm.
  • all components of the multi-junction solar cell particularly advantageously have the property that they have an energy-weighted absorption for radiation in the range smaller than the lower band gap up to a spectral end of the relevant irradiated spectrum of less than 15%, preferably less than 10%.
  • the radiation from the aforementioned range between the lower band gap and the spectral end of the relevant irradiated spectrum can thus penetrate the multi-junction solar cell, but the low absorption means that the multi-junction solar cell is only slightly heated by the radiation from this range.
  • the optical component has an emission of radiation in the mid-infrared range, in particular for radiation with a wavelength greater than 3 pm, preferably greater than 5 pm, greater than 90%, preferably greater than 95%, particularly preferably greater than 98%.
  • the multiple solar cell as a whole has an emission of radiation in the mid-infrared range, in particular for radiation with a wavelength greater than 3 pm, preferably greater than 5 pm, greater than 90%, preferably greater than 95%, particularly preferably greater than 98 % on. Radiative cooling of the multi-junction solar cell can take place effectively precisely through a high emission of radiation with a wavelength greater than 3 pm.
  • the optical component and/or the multiple solar cell as a whole can emit radiation up to a wavelength in the range of approximately 60 ⁇ m.
  • the optical component and/or the entire multi-junction solar cell is designed in such a way that it has a high emission of radiation at least in a region around the maximum of the spectral specific radiation according to Planck's radiation law.
  • the sub-cells are preferably contacted via contacts on the side of the multi-junction solar cell facing away from the light, in particular by means of metal wrap-through technology (MWT). Contacts on the back of the multi-junction solar cell make it possible to avoid covering the front side and thus the side of the multi-junction solar cell facing the light, as a result of which the efficiency of the multi-junction solar cell can be increased.
  • MTT metal wrap-through technology
  • contacts can also be formed on the front side of the multiple solar cell and thus on the side facing the light.
  • the optical partial element and the lower mirror element are formed from a transparent, conductive oxide, for example indium tin oxide.
  • the average spacing of the structure elements is less than or equal to 1.2 times the spacing value and/or greater than or equal to 0.8 times, preferably 0.9 times the spacing value.
  • the mean distance is preferably between 230 nm and 450 nm, preferably between 250 nm and 400 nm Band gap corresponds to be achieved.
  • radiation with an energy smaller than the lower band gap is essentially reflected on the optical element without being affected, as a result of which it can emerge again on the side of the multi-junction solar cell that faces the light.
  • a further advantageous embodiment is characterized in that a region of the distance between the structural elements is filled with a dielectric material, with the dielectric material preferably being transparent or non-absorbent, as a result of which heating due to absorption of radiation can be avoided.
  • the dielectric material can in particular be silicon oxide (SiO), titanium oxide (TiO), silicon nitride (SiN), indium tin oxide (ITO), or indium zinc oxide (IZO) or aluminum zinc oxide (AZO), the photoresist SU-8 or polymers such as polypropylene (PP), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA) or polyimide.
  • the material in the area of the distance between the structural elements can be a gas, in particular air, or a vacuum.
  • a region of the distance between the structural elements is filled with a lacquer, in particular a photo lacquer.
  • the lacquer used can be used for structuring on the side of the intermediate layer facing away from the light, with the structuring serving for the subsequent formation of the structural elements. It is thus possible, for example, for a corresponding structure with the corresponding structural elements to be formed by means of UV nanoimprint lithography (NIL).
  • NIL UV nanoimprint lithography
  • An exemplary process for structuring is, for example, in Cariou et al., 111-V-on-si I icon solar cells reaching 33% photoconversion efficiency in two-terminal configuration, Nature Energy 3, 326-333 (2016) or in Chen et al ., A 19.9%-efficient ultrathin 205nm-thick GaAs Solar Cell with a Silver Nanostructured Back Mirror, Nature Energy 4, 761-767 (2019).
  • a region of the distance between the structure elements is filled with a semiconductor material whose band gap is preferably greater than the lower band gap.
  • a semiconductor material whose band gap is preferably greater than the lower band gap.
  • This is preferably gallium indium phosphide (GalnP), aluminum gallium arsenide (AlGaAs), gallium indium arsenic phosphide (GalnAsP), aluminum gallium indium arsenic phosphide (AlGalnAsP).
  • the semiconductor material used for the region of the distance between the structural elements can in particular already be produced during the epitaxy of the intermediate layer or applied to the intermediate layer immediately after it has been formed and structured by means of dry-chemical or wet-chemical etching processes.
  • the optical sub-element and the intermediate layer are formed from the same material, in particular from the same semiconductor material.
  • the partial element is formed using an etching process, in which first the intermediate layer is applied with a greater thickness to the entire surface of the lower partial cell, and then a selective etching process takes place to form the corresponding structure.
  • a selective etching process it may in turn be necessary for a resist to be applied to the full-area intermediate layer, this is structured to form an etching mask, for example by means of nanoimprint lithography (NIL), and then one or more etching processes are carried out to form the structural elements, after formation has taken place of the structural elements of the partial element made of the semiconductor material, the lacquer is optionally completely removed.
  • NIL nanoimprint lithography
  • the partial element is formed by a lacquer, in particular a photo lacquer.
  • the lacquer can be applied selectively, in particular for the corresponding generation of the structure, or likewise initially over the entire surface of the intermediate layer, with a corresponding structure then being generated in the lacquer itself and not in the intermediate layer, in particular via a nanoembossing lithography process and a selective etching process to remove residual lacquer, as described in Cariou et al. or Chen et al. is set forth.
  • this enables a simpler process control, since only structuring with the lacquer takes place and no structuring of the intermediate layer is required.
  • a region of the distance between the structural elements is filled by the separating layer.
  • the separating layer thus ensures that the intermediate areas between the structural elements are filled and a correspondingly planar mirror can be applied as the lower mirror element.
  • the separating layer serves to ensure that a surface which is as smooth and planar as possible is formed below the structural elements, as a result of which the formation of a planar mirror with a low effective value of the roughness is made possible in particular.
  • An advantageous embodiment of the multi-junction solar cell is characterized in that the structural elements have an average spacing that is less than a wavelength associated with the lower band gap or an average spacing that is less than or equal to 1.3 times a spacing value, with the spacing value resulting from a ratio of one of the lower Band gap associated wavelength to a refractive index, in particular its real part, the lower sub-cell results.
  • This average distance ensures that radiation with an energy greater than or equal to the lower band gap is diffracted and/or scattered at the optical partial element in such a way that it passes through at least the lower partial cell at least twice, preferably at least three times, particularly preferably at least four times.
  • the multiple solar cell is designed overall in such a way that parasitic absorption of radiation with an energy in the range smaller than the lower band gap up to the end of the relevant irradiated spectrum per interaction with the lower mirror element is in the range of less than 5%, preferably less than 2%.
  • the parasitic absorption of radiation with an energy in the range of less than the lower band gap up to the end of the relevant irradiated spectrum in the multi-junction solar cell is particularly preferably less than 25% overall, preferably less than 20%.
  • the separating layer is advantageously conductive or point contacts are formed in the separating layer between the intermediate layer and the lower mirror element in order to make contact with the intermediate layer.
  • a conductive separating layer automatically contacts the intermediate layer without the need for further process steps.
  • Point contacts can be formed in the separating layer using processes known per se.
  • An advantageous embodiment is characterized in that the separating layer is formed from a semiconductor material, preferably amorphous silicon or a titanium oxide, preferably titanium dioxide, or a preferably transparent conductive oxide, for example indium tin oxide (ITO) or indium zinc oxide (IZO) or aluminum zinc oxide (AZO).
  • ITO indium tin oxide
  • IZO indium zinc oxide
  • AZO aluminum zinc oxide
  • the preferably transparent conductive oxides have sufficient conductivity so that no point contacts are necessary for contacting the multiple solar cell, in particular the intermediate layer.
  • Forming the separating layer from a semiconductor material such as amorphous silicon or titanium dioxide also results in strong scattering and/or diffraction at the interface between the separating layer and the optical sub-element, at least for radiation with an energy greater than the lower band gap.
  • a semiconductor material such as amorphous silicon or titanium dioxide
  • the application of these materials to the multi-junction solar cell can be carried out easily in terms of process technology.
  • the separating layer is formed from a preferably transparent dielectric material, for example silicon dioxide.
  • the preferably transparent dielectric material in particular avoids conductivity between the intermediate layer and the lower mirror element, and contacting takes place solely via the formation of point contacts in the separating layer.
  • a planarization layer is preferably arranged between the separating layer and the lower mirror element, the planarization layer preferably consisting of a polymer, for example of SU-8, PMMA, PS, polyimide, or of a dielectric, for example SiO, TiO, SiN or zinc sulfide (ZnS) or a SolGel-based material, or a preferably transparent conductive oxide is formed.
  • the planarization layer can be formed from indium tin oxide (ITO), or indium zinc oxide (IZO), or aluminum zinc oxide (AZO).
  • the planarization layer enables the lower mirror element to be formed as a planar mirror with an effective roughness value of less than 50 nm, preferably less than 20 nm, with the planarization layer also being able to compensate for influences such as ripples or the like between the separating layer and the lower mirror element.
  • a planarization layer is advantageous when the separating layer cannot be formed in the corresponding quality and with correspondingly low roughness at the interface to the lower mirror element.
  • the planarization layer allows the separating layer to be formed from a material with a high refractive index, so that a corresponding refraction, diffraction and/or scattering can be achieved at the structural elements, in particular for radiation with an energy greater than the lower band gap.
  • the planarization layer is preferably formed from a low-index material, the separating layer in this case preferably being formed from a material with a different real part of the refractive index than the planarization layer, in particular from a high-index material.
  • a material whose real part of the refractive index is greater than 1.5, preferably greater than 2, particularly preferably greater than 2.5, is referred to as having a high refractive index.
  • An advantageous embodiment of the multi-junction solar cell is characterized in that the separating layer and/or the planarization layer has a thickness of between 100 nm and 300 nm, preferably around 200 nm, with the thickness for the separating layer being determined by a distance between an end of the structural element facing away from the light and the bottom mirror element or the planarization layer. Due to the appropriate thickness between the lower mirror element and the structural elements, a sufficiently smooth surface can be achieved through the planarization layer, so that a planar mirror can be applied as the lower mirror element with a correspondingly high quality and a low effective value of roughness.
  • the present application relates to the use of a multiple solar cell according to an embodiment or preferred form thereof as explained above in extraterrestrial systems and/or in terrestrial concentrator systems and/or flying objects and/or vehicles and/or in thermophotovoltaics.
  • the multiple solar cells are used in satellites or other space objects.
  • Unmanned systems such as pseudo-satellites or drones, as well as manned flight systems, such as airplanes, preferably come into consideration as flying objects. Further advantageous features and embodiments of the multiple solar cell according to the invention are explained below with reference to exemplary embodiments and the figures.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a first variant of a multiple solar cell according to the invention
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a first variant of a multiple solar cell according to the invention
  • FIG. 3 shows an embodiment of a second variant of a multiple solar cell according to the invention
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a second variant of a multiple solar cell according to the invention.
  • FIG. 5 shows yet another embodiment of a second variant of a multiple solar cell according to the invention.
  • FIG. 6 shows yet another embodiment of a second variant of a multiple solar cell according to the invention.
  • FIG. 7 shows yet another embodiment of a second variant of a multiple solar cell according to the invention.
  • FIG. 8a shows a plan view of an embodiment of the partial element
  • FIG. 8b shows a plan view of a further embodiment of the partial element.
  • FIG. 8c shows a top view of yet another embodiment of the partial element.
  • FIG. 1 schematically shows a sectional illustration through a first variant of a multi-junction solar cell 1.
  • the multi-junction solar cell 1 comprises an upper partial cell 2 facing the light and a lower partial cell 3 arranged downstream in the thickness direction 14, which have different band gaps.
  • the upper band gap of the upper sub-cell 2 is larger than the lower band gap of the lower sub-cell 3.
  • an intermediate layer 4 is also arranged, to which immediately the optical element 5 connects.
  • the optical element 5 comprises a lower mirror element 6 and a partial element 7 which is made up of a number of structural elements 8 .
  • the upper sub-cell 2 as well as the lower sub-cell 3 and the intermediate layer 4 are direct semiconductors which are constructed from a material from the group of 11 I-V semiconductors.
  • the upper sub-cell 2 essentially consists of gallium indium phosphide (GaInP), whose upper band gap is in the range of approximately 1.9 eV.
  • the thickness of the upper sub-cell 2 is about 500 nm.
  • the lower partial cell 3 is formed from gallium arsenide (GaAs), the lower band gap of which is in the range of approximately 1.4 eV.
  • the wavelength associated with the lower band gap is approximately 870 nm.
  • the thickness of the lower partial cell 3 in the thickness direction 14 is approximately 450 nm to 800 nm in the present case, the thickness of this partial cell 3 depending in particular on the absorption behavior.
  • the thickness of the lower partial cell 3 can also be in a range of less than 500 nm, depending on the reflection, absorption and transmission of the optical element 5 arranged below the lower partial cell 3 in the direction of thickness 14 .
  • the intermediate layer 4 adjoining the lower partial cell 3 consists of the material aluminum gallium arsenide (AlGaAs) whose band gap is around 1.7 eV, which corresponds to a wavelength of around 730 nm associated with this band gap.
  • AlGaAs aluminum gallium arsenide
  • the intermediate layer 4 has a thickness in the range from 200 to 500 nm.
  • the upper and lower sub-cells 2, 3 each have at least one pn junction, with at least one tunnel diode being formed between the upper sub-cell 2 and the lower sub-cell 3, the thickness of which in the thickness direction 14 is less than 200 nm.
  • the optical partial element 7 with its structural elements 8, which are arranged at regular intervals from one another, as shown in FIG. 1, is made of the same material as the lower mirror element 6.
  • both the lower mirror element 6 and the optical part element ment 7 used the material silver.
  • the use of gold as the material for the lower mirror element 6 like the sub-element 7 is also possible.
  • the regularly arranged structure elements 8 of the partial element 7 have an average distance X, which is in the range from 270 to 300 nm.
  • the distance between two structural elements 8 results from the distance between the respective center points of the structural elements 8 .
  • the average distance X is formed from the average of all distances between two adjacent structural elements 8 of the partial element 7 .
  • the distance from adjacent structural elements 8 corresponds to the mean distance X of the structural element 8 of the partial element 7.
  • the selection of the average distance X for the present multi-junction solar cell 1 is of particular importance, since the average distance X significantly influences the scattering and/or diffraction of light arriving at the optical element 5 at the partial element 7 . Due to the size and the arrangement of the structural elements 8 of the sub-element 7 at a specific mean distance X, the sub-element 7 can be designed in such a way that radiation with a specific energy is no longer diffracted and/or scattered at the optical sub-element 7, but essentially at the optical Element 5 is reflected.
  • the determination of a suitable mean distance X between the structural elements 8 depends on a distance value A, which results from the materials selected for the lower partial cell 3 .
  • the distance value A results from the ratio of the wavelength assigned to the lower band gap to the real part of the refractive index of the lower partial cell 3.
  • the real part of the refractive index of gallium arsenide, which is used as the material for the lower partial cell 3 in the embodiment shown in FIG. is around 3.5. With a band gap of 870 nm assigned to the lower band gap, this results in a distance value A of about 250 nm for this material combination.
  • the mean distance X between the structural elements 8 of the optical sub-element 7 makes it possible for radiation with an energy is directly reflected in the region of the lower band gap at the optical element 5 without diffraction or scattering (direct reflection).
  • the optical element 5 has an overall reflection for radiation with an energy at least in the range smaller than the lower band gap up to the end of the relevant irradiated spectrum, here with the solar spectrum AMO as the relevant spectrum up to the spectral range of the near infrared at about 2.5 pm greater than 90%.
  • the solar spectrum AMO as the relevant spectrum up to the spectral range of the near infrared at about 2.5 pm greater than 90%.
  • radiation that is not absorbed by the multi-junction solar cell 1 and lies outside the absorption range of the sub-cells 2, 3 is reflected back directly at the optical element 5, so that it can in turn leave the multi-junction solar cell 1 essentially directly on the side facing the light. Due to the direct reflection, heating of the multi-junction solar cell 1 through absorption of radiation that cannot be used in the sub-cells 2, 3, for example at defects in the multi-junction solar cell 1, can be avoided.
  • Optical components such as a glass 11 , an antireflection layer 12 or an upper mirror element 13 are arranged on the side of the multi-junction solar cell 1 facing the light in the thickness direction 14 above the partial cell 2 .
  • the optical components 11, 12, 13 have a transmission weighted with the number of photons of the radiation for radiation with an energy greater than or equal to the lower band gap of at least 90%. This ensures that radiation of the relevant irradiated spectrum that can be used by the multiple solar cell 1 , in particular the radiation with an energy greater than or equal to the lower band gap, can enter the multiple solar cell 1 .
  • the optical components 11, 12, 13 have an absorption weighted with the energy of the radiation for radiation with an energy in the range smaller than the lower band gap, which is around 1.4 eV in the present case, up to the spectral end of the near infrared for the solar Spectrum as a relevant spectrum, which is around 0.5 eV, which is less than 10%.
  • the spectral range that cannot be used by the sub-cells 2, 3 can enter the multiple solar cell 1, it can also simultaneously exit the multiple solar cell 1 after reflection on the optical element 5 without significant absorption.
  • Low parasitic absorption in particular prevents the multi-junction solar cell 1 from being heated by radiation that cannot be absorbed by the partial cells 2, 3.
  • the at least one optical component 11, 12, 13 is designed such that it emits more than 90% of radiation in the mid-infrared range for radiation with a wavelength greater than 5 pm.
  • the mid-infrared radiation is thus absorbed by the optical component 11, 12, 13 on the one hand, but is emitted again due to the high emission on the other hand.
  • heating of the multiple solar cell 1 can also be avoided.
  • the multiple solar cell 1 is designed overall in such a way that radiation in the mid-infrared range is essentially absorbed and at the same time has a high emission for the radiation in this range.
  • the area between the structural elements 8 of the partial element 7 is filled with a material that is different from the structural elements 8 .
  • the material arranged between the structural elements 8 is the photoresist SU-8 from Microchem Corp.
  • the photoresist is applied over the entire surface after the intermediate layer 4 has been formed and a corresponding structure is formed using UV nanoimprint lithography (NIL), with residual resist being removed using an O2 plasma etching step or Piranha etching step.
  • NIL UV nanoimprint lithography
  • the structural elements 8 or the optical sub-element 7 and the entire optical component 5, including the lower mirror element 6, are formed by vapor-depositing a metal, such as silver here , Find use which enable the formation of a corresponding structure on the side of the intermediate layer 4 facing away from the light by means of a similar process.
  • the distance between the structural elements 8 does not necessarily have to be filled with a solid material. So it is also possible that the distance is filled with a gas as the material, in particular air, or there is a vacuum in the distance area between the structural elements 8 .
  • the structural elements 8 of the partial element 7 are arranged regularly in FIG. 1 and thus form individual lattice points of a point lattice on the side of the intermediate layer 4 facing away from the light.
  • the individual lattice points as structural elements 8 have a regular, rectangular or square base area.
  • the structural elements 8 of the sub-element 7 are designed overall as cuboids, cubes or truncated pyramids.
  • the average distance X results from the distance between the centers of adjacent structure elements 8 as the nearest neighbors.
  • the structural elements 8 can also be in the form of a pyramid, cone, pyramid or truncated cone and in particular can also have an irregular base area.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the multi-junction solar cell 1 according to the first variant, in which the structural elements 8 of the partial element 7 again have an average distance X that is less than or equal to 1.3 times a distance value.
  • a difference from the embodiment shown in Figure 1 lies in the arrangement and design of the structural elements 8 of the optical sub-element 7.
  • the structural elements 8 are not arranged regularly and also do not have a uniform size in the lateral direction 15 or a different thickness in the thickness direction 14 .
  • the distance between the structure elements 8 for a reflection of radiation with an energy substantially smaller than the lower band gap is varied in comparison to the embodiment shown in Figure 1 in a certain range, the average distance X of the structure elements 8 of the partial element 7 also being of the order of 270 nm to 300 nm.
  • the average distance X results in turn from the calculated mean of the distances between two adjacent structural elements 8 over the complete multiple solar cell 1.
  • nanoparticles are first applied from a solution to the side of the intermediate layer 4 facing away from the light, which are randomly distributed on this side.
  • the nanoparticles consist of a dielectric material with a size in the range of 100 nm to 200 nm. After the solution has evaporated, the nanoparticles are each stationarily arranged on the side of the intermediate layer 4 facing away from the light, so that the structural elements 8 of the optical partial element 7 and the optical element 5 are formed overall by vapor deposition of a metal. Alternatively, a transparent conductive oxide can also be applied instead of the metal.
  • a self-organization process based on a mixture of different polymers such as PMMA and PS can also be used, with a polymer in turn being produced after application of a layer from the mixture to the side of the intermediate layer 4 facing away from the light is dissolved or etched, resulting in the formation of a corresponding, self-organized structure.
  • the structural elements 8 of the optical partial element 7 and correspondingly the optical component 5 are again formed by vapor deposition of a metal or a transparently conductive oxide.
  • the width of the individual structural elements 8, which extends in the lateral direction 15, is in the range between 100 nm and 300 nm
  • the multiple solar cell 1 is contacted via its underside.
  • the partial element 7 and the lower mirror element 6 By forming the partial element 7 and the lower mirror element 6 from metal, direct contact is made with the intermediate layer 4 of the multi- compartment solar cell 1, so that no further elements for contacting the intermediate layer 4, in particular no point contacts, are necessary.
  • the sub-cells 2, 3 are contacted via the side of the upper sub-cell 2 facing the light.
  • the sub-cells 2, 3 are also contacted via the side of the multi-junction solar cell 1 facing away from the light by means of metal warp through contacts, such as this for example in the document Salvetat et. al., Ill-V multi-junction solar cell using metal wrap through contacts, AIP conference proceedings 1766, 060004 (2016).
  • the efficiency of the multiple solar cell 1 can be further increased.
  • FIG. 3 A first embodiment of the further variant of the multiple solar cell 1 is shown in FIG. 3.
  • the construction of the multiple solar cell 1 shown in FIG. 3 is similar to the structural construction as shown in FIG. 1 or 2, with differences in the optical element 5 and its construction, which however fulfill the same task and purpose.
  • the optical element 5 comprises an optical partial element 7 with a plurality of structural elements 8 and a lower mirror element 6, the lower mirror element 6 being designed as a plane mirror with a roughness with an effective value of less than 50 nm. Furthermore, a separating layer 9 is formed between the intermediate layer 4 and the planar mirror as the lower mirror element 6, which on the one hand fills the areas and spacings formed between the structural elements 8 and at the same time forms a spacing in the thickness direction 14 between the structural elements 8 and the lower mirror element 6.
  • the separating layer 9 is formed of the material indium tin oxide (ITO), which is a transparent conductive oxide.
  • ITO indium tin oxide
  • transparent conductive oxides such as indium tin oxide or alternatively also indium zinc oxide (IZO) or aluminum zinc oxide (AZO) has the advantage that contact is made with the intermediate layer 4 via the separating layer 9 at the same time.
  • transparent conductive oxides can be produced in a high quality, in particular with a surface with little roughness, so that a correspondingly flat mirror as the lower mirror element 6 with a Effective value of the roughness less than 50 nm can be applied accordingly on the side of the separating layer 9 facing away from the light.
  • the separating layer 9 is formed from a material with a low refractive index.
  • the lower mirror element 6 is in turn made of silver, the thickness of which is at least 200 nm, so that transmission of light is prevented.
  • the lower mirror element 6 can also be formed from a Bragg mirror.
  • the structural elements 8 of the optical partial element 7 are formed from the same material AlGaAs as the intermediate layer 4 .
  • a significantly thicker intermediate layer 4 is initially applied in terms of process technology, into which the corresponding structural elements 8 are introduced using lithography methods and wet-chemical or dry-chemical etching processes.
  • the optical structural elements 8 again have a regular arrangement, with their average spacing being in the range between 270 nm and 500 nm.
  • the thickness in the thickness direction 14 of the structural elements 8 is in the range between 150 nm and 300 nm.
  • the average distance X of the structural elements 8 is in the further variant of the multiple solar cell 1, as shown in Figure 3, significantly larger compared to the average distance X of the embodiment of the multiple solar cell 1 shown in Figures 1 and 2. Due to the significantly larger average distance X between The structural elements 8 do at least partially diffract and/or scatter at the optical partial element 7 for radiation with an energy smaller than the lower band gap, with the planar mirror as the lower mirror element 6 ensuring a reflection of more than 98% for this radiation. Radiation which enters the multi-junction solar cell 1 is thus optimally reflected on the surface of the planar mirror as the lower mirror element 6 .
  • the lower partial cell 3 Due to the diffraction and/or scattering at the partial element 7 and the reflection at the plane mirror as the lower mirror element 6, a significant lengthening of the path within the multiple solar cell 1 is achieved for the radiation. As a result, the lower partial cell 3 can be formed with a smaller thickness, since the lengthening of the path results in a sufficiently large absorption path for complete absorption of the radiation that can be used by the lower partial cell 3 .
  • the other components of the multi-junction solar cell 1 also have a high quality, so that the parasitic absorption for radiation with an energy in a range smaller than the lower band gap up to the spectral end of the near infrared for the solar spectrum as a relevant irradiated spectrum in the entire multi-junction solar cell 1 is low.
  • the parasitic absorption per interaction of the radiation with the lower mirror element 6 through the high-quality layers is in a range of less than 5%, so that even with multiple reflection of radiation that cannot be absorbed by the sub-cells 2, 3, this radiation is not absorbed at defects or the other Absorption centers of the multi-junction solar cell 1 takes place.
  • the parasitic absorption for this radiation for the entire multi-junction solar cell is less than 20%.
  • This radiation can be emitted again on the side of the multi-junction solar cell 1 facing the light and exit from the multi-junction solar cell 1 .
  • an optical element 5 comprising a sub-element 7, a separating layer 9 and a planar mirror as the lower mirror element 6 also overall prevents heating up in the multi-junction solar cell 1 by radiation that cannot be used.
  • FIG. 1 A further embodiment of the further variant of the multiple solar cell 1 is shown in FIG. In terms of structure, this is again similar to the structure as shown in FIG.
  • the material silicon dioxide (SiC>2) is used for the separating layer 9, on the side of which facing away from the light a flat mirror made of silver is applied as the lower mirror element 6.
  • the separating layer 9 made of silicon dioxide fills the area between the structural elements 8 of the optical sub-element 7 and also has a further thickness in the thickness direction 14 of approximately 200 nm, which is the distance between the surface of the structural elements 8 facing away from the light and the planar mirror lower mirror element 6 corresponds. Due to the lack of conductivity of the separating layer 9, contact is made with the intermediate layer 4 via point contacts 16.
  • the point contacts 16 can first be formed here by means of lithography or laser and then completed using a metallization step.
  • the mean distance X between the structure elements 8 of the optical partial element 7 is approximately 800 nm to 850 nm and is therefore in the range of the wavelength associated with the lower band gap.
  • the structural elements 8 can also be formed irregularly in the further variant of the multiple solar cell 1 in the lateral direction 15 on the side of the intermediate layer 4 facing away from the light, as is shown in FIG.
  • the structural elements 8 in turn have a different thickness in the thickness direction 14.
  • the intermediate layer 4 is first applied to the underside of the lower partial cell 3 with a corresponding thickness, then nanoparticles or other materials are applied to the intermediate layer 4 to define the structure, which in a subsequent wet-chemical or dry-chemical etching process serves as a mask for forming the structural elements 8 and according to the optical sub-element 7 are used.
  • the irregular structure can be achieved through the use of phase separation of two immiscible polymers such as polystyrene and polymethyl methacrylate, resulting in a stochastic arrangement of polystyrene elements as described in Hauser et al. is set forth. If necessary, this stochastic arrangement can be metallized immediately.
  • FIG. 6 A further embodiment of the further variant of the multiple solar cell 1 is shown in FIG.
  • the structural elements 8 in the embodiment now shown in FIG. 6 are not formed by the semiconductor material of the intermediate layer 4, but by a dielectric.
  • the structural elements 8 are formed, as already explained above, by full-area application of a layer completely covering the intermediate layer 4 using photoresist, appropriate structuring of the layer, for example using UV nano-embossing lithography, and a subsequent wet-chemical or dry-chemical etching process.
  • the structural elements 8 are embedded in the separating layer 9, which in the present case is formed by low-doped amorphous silicon.
  • amorphous silicon as the separating layer 9 offers the advantage that this material has a very high refractive index and thus enables strong scattering or diffraction, especially for radiation with an energy greater than the lower band gap, so that this radiation has the greatest possible path extension, at least in the lower Sub-cell 3 learns. In this way it can be ensured that radiation which can be absorbed by the sub-cell 2, 3 is also absorbed in the sub-cells 2, 3, although at least the lower sub-cell 3 has only a small thickness of approximately 1000 nm.
  • the separating layer 9 can also be formed from a titanium oxide.
  • a planarization layer 10 is formed between the separating layer 9 and the lower mirror element 6 .
  • the planarization layer 10 is formed from a polymer and enables the lower mirror element 6 to be formed as a planar mirror with very little roughness, in particular with an effective roughness value of less than 20 nm.
  • the planarization layer 10 thus creates the conditions for the deposition of a plane mirror as the lower mirror element 6, in particular in the event that the separating layer 9 cannot be formed with a corresponding surface between the separating layer 9 around the plane mirror, so that the plane mirror has a low level of roughness.
  • the planarization layer 10 is formed from a material with a low refractive index
  • the separating layer 9 is formed from a material with a high refractive index.
  • the multiple solar cell 1 again has point contacts 16 due to a lack of conductivity in the separating layer 9 and/or the planarization layer 10 , which are formed between the lower mirror element 6 and the intermediate layer 4 .
  • FIG. 7 shows yet another embodiment of the further variant of the multi-junction solar cell 1, which differs in that the separating layer 9 and the planarization layer 10 are made of the same material as in the embodiment shown in FIG. 6, and this material has an intrinsic conductivity. so that the formation of point contacts 16 for contacting the intermediate layer 4 can be dispensed with.
  • the structural elements 8 are essentially designed as hemispheres, the base areas of which are arranged directly on the intermediate layer 4 .
  • Hemispherical structural elements can be used by using nanoparticles for structuring the partial element 7 or, as is the case, for example, in Hauser et al., Tailored disorder: a self-organized photonic contact for light trapping in silicon-based tandem solar cells, Opt. Express 28, 10909 (2020).
  • the structural elements 8 are formed from amorphous silicon or titanium oxide beads, which are applied from the wet phase to the side of the intermediate layer 4 facing away from the light.
  • the gaps between the structural elements 8 are filled by applying a conductive oxide, by means of which contacting of the intermediate layer 4 is made possible on the one hand and planarization is achieved on the other hand, so that the lower mirror element 6 can be applied as a planar mirror with a low level of roughness.
  • the contacting of the upper and lower partial cell 2, 3 is in turn made by contacts on and below the solar cell.
  • the contacts are made on the side of the multi-junction solar Cell 1 takes place via metal wrap through contacts through the upper and partial cell 2.3.
  • the embodiments of the further variant of the multiple solar cell 1 shown in Figures 3 to 7 also have at least one optical component 11, 12, 13 on the side facing the light above the upper partial cell 2 of the multiple solar cell.
  • This is in turn a glass 11, an anti-reflection layer 12 or an upper mirror element 13.
  • the optical components 11, 12, 13 have the same properties for the other variant of the multiple solar cell, so that the aforementioned embodiments is referred accordingly.
  • the multiple solar cell 1 can also have no optical component 11 , 12 , 13 .
  • the structural elements 8 are not limited to a specific shape, regardless of a variant of the multiple solar cell 1 .
  • the structural elements 8 of the partial element 7 are designed with a rectangular base area and form cuboid structural elements 8 in the direction of thickness 14, which runs out of the plane of the drawing.
  • the region of the distance between the structural elements 8 can be filled with a photoresist, a semiconductor material, a dielectric or with a gas such as air and form part of the optical element 5 .
  • the region of the distance between the structural elements 8 is filled by the separating layer 9.
  • the structural elements 8 are thus embedded in the optical element 5 .
  • a vacuum can also prevail in this area of the distance between the structural elements 8 .
  • the average distance X results from the regular arrangement of the structure elements 8 from the distance between the centers of the structure elements 8.
  • these can be used as points in a point grid be formed, which have a cuboid, cube-like or semi-circular shape.
  • the circular base area is in direct contact with the intermediate layer 4, as illustrated in FIG. 8c, and the rounding is formed in the direction of the lower mirror element 6.
  • the structural elements 8 with the round base are regularly formed in rows, with the adjacent row being offset so that they form a hexagonal lattice.
  • the mean distance X results from the arrangement of the structural elements 8 in a hexagonal lattice from the lattice plane spacing of the lattice, as shown in FIG. 8c.
  • the structural elements 8 can also have a trapezoidal base area, as shown in FIG.
  • the structural elements 8 can also be in the form of conical or pyramidal elements, the tip of which is directed in the direction of the lower mirror element 6, or truncated variants thereof.
  • the precise configuration of the structural elements 8 essentially depends on the materials used for the upper and lower partial cells 2 , 3 and the intermediate layer 4 and the materials of the optical element 5 .
  • the manufacturing process is also of particular importance.
  • the structural elements 8 can also form a line lattice or hexagonal lattice.
  • the distance between two adjacent structural elements 8 is calculated from the distance between the center lines of the adjacent structural elements 8.
  • the average distance X is calculated using the mean of all distances between the structural elements 8 of the entire multi-junction solar cell 1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Mehrfachsolarzelle (1) mit zumindest zwei Teilzellen (2, 3), wobei zumindest eine Teilzelle (2, 3) aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, mit einer Licht zugewandten oberen Teilzelle (2) und einer Licht abgewandten unteren Teilzelle (3), wobei eine obere Bandlücke der oberen Teilzelle (2) größer als eine untere Bandlücke der unteren Teilzelle (3) ist, und wobei auf der Licht abgewandten Seite der unteren Teilzelle (3) eine Zwischenschicht (4) angeordnet ist. Die Erfindung zeichnet aus, dass auf einer Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht (4) ein optisches Element (5) umfassend ein unteres Spiegelelement (6) angeordnet ist, wobei das optische Element (5) ein Teilelement (7) mit mehreren Strukturelementen (8) umfasst, welche unmittelbar oder mittelbar an der Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht (4) in einer lateralen Richtung (15) angeordnet sind, und dass das Teilelement (7) und das untere Spiegelelement (6) aus einem gleichen Material ausgebildet sind und die Strukturelemente (8) einen mittleren Abstand (X) kleiner oder gleich dem 1,3-fachen eines Abstandswerts (A) aufweisen, wobei sich der Abstandswert (A) aus einem Verhältnis aus einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge zu einem Brechungsindex der unteren Teilzelle (3) ergibt oder dass das untere Spiegelelement (6) als ein planer Spiegel mit einer Rauigkeit mit einem Effektivwert kleiner 50nm, bevorzugt kleiner 20 nm ausgebildet ist, wobei zwischen dem Teilelement (7) und dem unteren Spiegelelement (6) zumindest eine Trennschicht (9) ausgebildet ist.

Description

Mehrfachsolarzelle und Verwendung einer Mehrfachsolarzelle
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrfachsolarzelle mit zumindest zwei Teilzellen, wobei zumindest eine Teilzelle aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, mit einer Licht zugewandten oberen Teilzelle und einer Licht abgewandten unteren Teilzelle, wobei eine obere Bandlücke der oberen Teilzelle größer als eine untere Bandlücke der unteren Teilzelle ist, und wobei auf der Licht abgewandten Seite der unteren Teilzelle eine Zwischenschicht angeordnet ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Mehrfachsolarzelle beispielsweise in extraterrestrischen Systemen, in terrestrischen Konzentratorsystemen, in Flugobjekten und/oder in Fahrzeugen und/oder der Thermopho- tovoltaik.
Heutige Mehrfachsolarzellen sind vor allem auf eine hohe Effizienz ausgerichtet und umfassen eine Vielzahl von Teilzellen. Ein besonderes Augenmerk liegt insbesondere darauf, einen möglichst großen Spektralbereich eines relevanten Spektrums, beispielsweise der Sonnenstrahlung, in die Mehrfachsolarzelle einzuleiten und entsprechend in den Teilzellen zu absorbieren. Um eine entsprechende Absorption im gewünschten Spektralbereich zu erzielen, ist es daher notwendig die jeweiligen Teilzellen der Mehrfachsolarzelle mit einer entsprechenden Dicke auszubilden, sodass eine nahezu vollständige Absorption sichergestellt werden kann.
Mit den vorgenannten Maßnahmen gehen insbesondere in Bezug auf die Leistung und die Herstellung der Mehrfachsolarzellen Nachteile einher. So ist es für eine vollständige Absorption in einem bestimmten Spektralbereich notwendig, die jeweiligen Teilzellen mit großen Schichtdicken und einer geringen Anzahl an Defekten in der Schicht auszubilden. Daher werden die einzelnen Schichten der Mehrfachsolarzelle meist in einem epitaktischen Verfahren, beispielsweise mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE), hergestellt, da diese Verfahren die Ausbildung von qualitativ hochwertigen Schichten mit entsprechen geringer Defektdichte ermöglichen. Allerdings ist die Herstellung von Mehrfachsolarzellen hierdurch mit hohen Kosten verbunden. Für den Wirkungsgrad einer Solarzelle im Allgemeinen ist auch deren Betriebstemperatur von besonderer Bedeutung. So führt beispielsweise eine gegenüber Laborbedingungen (typischerweise 25°C) erhöhte Betriebstemperatur der Solarzelle zu einer Verringerung der Offenklemmspannung Voc, wodurch die mögliche Leistungsentnahme absinkt. Gerade in extraterrestrischen Systemen ist eine Kühlung technisch anspruchsvoll, da die Systeme im Weltraum im Vakuum operieren und eine Kühlung nicht über Konvektion, sondern primär nur über Wärmestrahlung erfolgen kann.
Zudem sind Solarzellen in extraterrestrischen Systemen oft hochenergetischer Protonen- und Elektronen-Strahlung ausgesetzt, welche die Ausbildung von Defekten in den Teilzellen fördern und somit zu einem Leistungsverlust der Weltraumsolarzelle führen können. Es ist beispielsweise bekannt, dass ein Einfluss von Defekten in den einzelnen Teilzellen einer Mehrfachsolarzelle durch den Einsatz dünner Teilzellen reduziert werden kann, da auf Grund der geringeren Dicke der Einfluss auf die Stromgeneration durch die Reduktion der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger durch die vorhandenen oder durch Strahlung erzeugten Defekte sehr viel geringer ausgeprägt ist. Nachteilig ist jedoch, dass dünne Teilzellen nur ein Teil der relevanten Strahlung absorbieren können und somit ein Teil der absorbierbaren Strahlung ungenutzt bleibt, wodurch der Wirkungsgrad insgesamt sinkt.
Um den Einfluss von durch Strahlung erzeugten Defekten zu reduzieren und somit die Strahlungshärte der Solarzelle zu erhöhen, ist es beispielsweise aus der DE 10 2016 208 113 A1 bekannt, eine Mehrfachsolarzelle mit mindestens drei pn-Übergängen auszubilden, wobei die Mehrfachsolarzelle zumindest drei Teilzellen umfasst und zumindest eine Teilzelle eine zwischen einer Emitterschicht und einer Basisschicht angeordnete Schicht aufweist, die eine Bandlücke aufweist, welche größer gegenüber der Bandlücke der Emitterschicht und der Basisschicht ist. Durch diese Verfahren kann zwar die Strahlungshärte der Solarzelle erhöht werden. Allerdings kann hierdurch keine Erwärmung der Mehrfachsolarzelle verhindert werden. Insbesondere in die Mehrfachsolarzelle eintretende Strahlung, welche durch die Teilzellen nicht absorbiert werden kann, kann durch parasitäre Absorption innerhalb der Mehrfachsolarzelle zu einer signifikanten Erwärmung dieser führen, welche insbesondere bei Weltraumanwendun- gen auf Grund der fehlenden Konvektion zu deutlichen Leistungsverlusten führen kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Mehrfachsolarzelle anzugeben, welche eine hohe Absorption im relevanten spektralen Bereich erlaubt und gleichzeitig eine Erwärmung der Mehrfachsolarzelle reduziert bei gleichzeitiger kostengünstiger Herstellung.
Gelöst wird diese Aufgabe und weitere Aufgaben durch eine Mehrfachsolarzelle gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Mehrfachsolarzelle gemäß Anspruch 2. Zudem wird die Aufgabe gelöst durch eine Verwendung der Mehrfachsolarzelle gemäß Anspruch 23. Vorteilhafte Ausgestaltungen für die Mehrfachsolarzelle finden sich in den abhängigen Ansprüchen 3 bis 22.
Die erfindungsgemäße Mehrfachsolarzelle umfasst zumindest zwei Teilzellen, wobei zumindest eine Teilzelle aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, mit einer Licht zugewandten oberen Teilzelle, einer Licht abgewandten unteren Teilzelle und einer auf der Licht abgewandten Seite der unteren Teilzelle angeordneten Zwischenschicht. Eine obere Bandlücke der oberen Teilzelle ist hierbei größer als eine untere Bandlücke der unteren Teilzelle. Die obere Teilzelle ist somit bei typischer Benutzungskonfiguration dem einfallenden Licht zugewandt und die untere Teilzelle entsprechend mittelbar oder unmittelbar auf der dem einfallenden Licht abgewandten Seite der oberen Teilzelle angeordnet.
Wesentlich ist, dass auf einer Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht ein optisches Element umfassend ein unteres Spiegelelement angeordnet ist, wobei das optische Element ein Teilelement mit mehreren Strukturelementen umfasst, welche unmittelbar oder mittelbar an der Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht in einer lateralen Richtung angeordnet sind. Weiter sind das Teilelement und das untere Spiegelelement aus einem gleichen Material ausgebildet, wobei die Strukturelemente einen mittleren Abstand kleiner oder gleich dem 1 ,3-fachen eines Abstandswerts aufweisen, welcher Abstandswert sich aus einem Verhältnis aus einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge zu einem Brechungsindex, insbesondere dessen Realteil, der unteren Teilzelle ergibt. Durch das optische Element und die integrale Ausbildung des Teilelements mit dem unteren Spiegelelement wird die Möglichkeit geschaffen, dass Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge an dem strukturierten Teilelement nicht mehr gebeugt und/oder gestreut wird, sondern im Wesentlichen zurück reflektiert wird. Durch die Wahl des mittleren Abstands kleiner oder gleich dem 1 ,3-fachen des Abstandswerts kann selektiv eingeschränkt werden, ab welcher Wellenlänge der Strahlung oder in welchen bestimmten Bereich eine nahezu vollständige Reflexion erfolgt. Insbesondere wird hierdurch ermöglicht, dass niederenergetische Strahlung unmittelbar an dem unteren Spiegelelement reflektiert und gerade nicht mehr in dem lateralen Bereich der Teilzellen gebeugt und/oder gestreut wird. Der niederenergetische Bereich des Spektrums kann somit wieder auf der dem Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle austreten.
Als Abstandswert wird insbesondere der über die Anzahl der Strukturelemente gemittelte Wert des Abstands von Mittelpunkt oder der Mittellinie eines Strukturelementes zum Mittelpunkt oder der Mittellinie eines benachbart nächstliegenden Strukturelementes gesehen. Insbesondere ist der Abstandswert bei regelmäßigen Strukturen mit regelmäßig angeordneten Strukturelementen, insbesondere Gittern, durch die Gitterperiode beispielsweise bei Punktgittern oder bei Liniengittern beziehungsweise durch den Netzebenenabstand bei hexagonalen Gittern gegeben.
Die weitere erfindungsgemäße Mehrfachsolarzelle umfasst zumindest zwei Teilzellen, wobei zumindest eine Teilzelle aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, mit einer Licht zugewandten oberen Teilzelle, mit einer Licht abgewandten unteren Teilzelle und einer auf der Licht abgewandten Seite der unteren Teilzelle angeordneten Zwischenschicht. Eine obere Bandlücke der oberen Teilzelle ist hierbei größer als eine untere Bandlücke der unteren Teilzelle.
Wesentlich für diese weitere Lösung ist, dass auf einer Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht ein optisches Element umfassend ein unteres Spiegelelement angeordnet ist, wobei das optische Element ein Teilelement mit mehreren Strukturelementen umfasst, welche unmittelbar oder mittelbar an der Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht in einer lateralen Richtung angeordnet sind. Weiter ist das untere Spiegelelement als ein planer Spiegel mit einer Rauigkeit mit einem Effektivwert kleiner 50 nm, bevorzugt kleiner 20 nm ausgebil- det, wobei zwischen dem Teilelement und dem unteren Spiegelelement zumindest eine Trennschicht ausgebildet ist.
Auch durch die Ausbildung des unteren Spiegelelements als planer Spiegel mit einem sehr geringen Effektivwert der Rauigkeit wird es ermöglicht, dass die Strahlung bei geringer parasitärer Absorption am unteren Spiegelelement im Wesentlichen unmittelbar zurück reflektiert wird. Weiter kann durch die Verwendung einer Trennschicht niederenergetische Strahlung eine deutlich geringere Beeinflussung an dem Teilelement erfahren, sodass auch bei der weiterenn Variante der Mehrfachsolarzelle ein Großteil der niederenergetischen Strahlung, insbesondere Strahlung mit einer Energie in einem Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zu einem spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums, die Mehrfachsolarzelle an der Licht zugewandten Seite unmittelbar oder mittelbar verlassen kann.
Das spektrale Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums entspricht einer Energie bzw. einer der Energie zugeordneten Wellenlänge, bei welcher 90%, bevorzugt 95%, besonders bevorzugt 98% der eingestrahlten Strahlung des gesamten relevanten Spektrums erreicht ist. Für ein solares Spektrum als relevantes eingestrahltes Spektrum ergibt sich somit beispielsweise das spektrale Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums im Bereich des Endes des nahen Infrarot, insbesondere bei einer Wellenlänge von etwa 2,5 pm.
Die laterale Richtung ergibt sich als eine Ebene senkrecht zur Dicke der Mehrfachsolarzelle. Die Dicke einer Teilzelle ist im Wesentlichen geringer als deren laterale Abmessungen (Breite, Länge und/oder Durchmesser).
Die Trennschicht ist bevorzugt aus einem niederbrechenden Material ausgebildet, wobei ein Realteil des Brechungsindex des niederbrechenden Materials kleiner oder gleich 1 ,5 beträgt.
Die obere und untere Teilzelle weisen zumindest jeweils einen pn-Übergang auf, wobei vorzugsweise zwischen der oberen Teilzelle und der unteren Teilzelle zumindest eine Tunneldiode ausgebildet ist, deren Dicke bevorzugt in Dickenrichtung gegenüber der Dicke einer Teilzelle wesentlich geringer ist. Die Bandlücke eines Halbleitermaterials als eine Energiedifferenz zwischen Valenzband und Leitungsband eines Halbleiters ist eine grundlegende Eigenschaft des Materials an sich, welche u.a. von der Temperatur beeinflusst ist. Die Bestimmung der Bandlücke eines bestimmten Halbleitermaterials kann insbesondere auf Basis der spektralen Quantenausbeute erfolgen wie dies in Helmers et al., Bandgap determination based on electrical quantum efficiency, Applied Physics Letters 103, 032108 (2013) dargelegt ist.
Das Teilelement des optischen Elements bildet durch die Strukturelemente eine optische Struktur aus, an welcher auf das Teilelement treffend Strahlung entsprechend gebeugt, gestreut und/oder reflektiert wird.
Die Verwendung von „transparent“ für die Charakterisierung eines Materials setzt nicht voraus, dass dieses Material über das gesamte Spektrum transparente Eigenschaften aufweist. Insbesondere können transparente Eigenschaften eines Materials nur in einem Teil-Spektrum, beispielsweise im Bereich des solaren Spektrums von 100 nm bis 2500 nm vorliegen, oder auch nur in einem Unterbereich eines Teil-Spektrums.
Vorzugsweise ist zumindest eine, bevorzugt alle Teilzellen, aus einem Material aus der Gruppe der 11 l-V- H albleiter ausgebildet. Insbesondere sind die Teilzellen im Wesentlichen auf Basis von binären, ternären, quaternären und/oder quinternären Verbindungen aus der Gruppe der 11 l-V- H albleiter gebildet. Diese Halbleitermaterialien ermöglichen es in einem sehr breiten Energiebereich, welcher insbesondere auf den relevanten Spektralbereich, beispielsweise den solaren Spektralbereich, angepasst werden kann, eine möglichst hohe Absorption zu ermöglichen. Zudem handelt es sich bei den Materialien aus der Gruppe der III- V-Halbleiter um direkte Halbleiter, welche auch schon bei geringen Schichtdicken eine hohe Absorption im entsprechend relevanten spektralen Bereich aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die untere Teilzelle eine Dicke kleiner 1200 nm, bevorzugt kleiner 750 nm, besonders bevorzugt kleiner 500 nm auf. Durch die entsprechende Ausgestaltung des optischen Elements kann die Dicke der unteren Teilzelle entsprechend reduziert werden, wodurch insbesondere auch die Herstellkosten der Mehrfachsolarzelle verringert und der Produk- tionsvorgang beschleunigt werden. Zudem wird durch eine geringe Dicke der Einfluss von Defekten in den Teilzellen, welche auch durch hochenergetische Protonen- und Elektronenstrahlung erzeugt werden können, reduziert.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet aus, dass zwischen der oberen und unteren Teilzelle zumindest eine weitere Teilzelle angeordnet ist, deren Bandlücke zwischen der oberen und unteren Bandlücke liegt. Durch die zumindest eine weitere Teilzelle kann die Absorption der Mehrfachsolarzelle entsprechend an das für den Anwendungsbereich der Mehrfachsolarzelle relevante eingestrahlte Spektrum, insbesondere das solare Spektrum angepasst werden, sodass eine verbesserte Ausbeute und somit eine höhere Leistung der Mehrfachsolarzelle ermöglicht wird. Insbesondere kann die Mehrfachsolarzelle insgesamt drei oder vier oder fünf oder auch sechs Teilzellen umfassen.
Vorzugsweise ist das untere Spiegelelement aus einem Metall, insbesondere aus Silber oder Gold, gebildet. Edelmetalle, wie beispielsweise Silber oder Gold, lassen sich einfach auf die hergestellten Halbleiterstrukturen aufbringen, insbesondere aufdampfen, wobei die Schichten eine hohe Güte aufweisen und mit einer geringen Rauigkeit aufgebracht werden können. Insbesondere lässt sich hierdurch ein Effektivwert der Rauigkeit kleiner 50 nm, bevorzugt kleiner 20 nm erzielen. Zudem kann ein metallisches Spiegelelement auch für eine Kontaktierung der Mehrfachsolarzelle genutzt werden.
Alternativ kann das untere Spiegelelement auch als ein Bragg-Spiegel ausgebildet sein, welcher vorzugsweise unmittelbar nach Herstellung der Teilzellen in einem weiteren Prozessschritt aufgebracht wird. Ein Bragg-Spiegel als unteres Spiegelelement ermöglicht es, dass das untere Spiegelelement ebenfalls mit einer sehr hohen Reflektivität ausgebildet werden kann.
Alternativ oder vorzugsweise in Kombination ist die Zwischenschicht aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus einem Material aus der Gruppe der lll-V- Halbleiter gebildet. Insbesondere kann diese Zwischenschicht unmittelbar im Anschluss an die Herstellung der unteren Teilzelle auf diese aufgebracht werden. Die Bandlücke der Zwischenschicht ist vorzugsweise größer als die untere Bandlücke der unteren Teilzelle. Vorzugsweise weist das untere Spiegelelement eine Dicke von 50 nm bis 4 pm, bevorzugt von 100 nm bis 2 pm auf. Durch die entsprechende Dicke des unteren Spiegelelementes wird sichergestellt, dass auf der Rückseite der Mehrfachsolarzelle kein Licht mehr transmittiert wird.
Alternativ kann das untere Spiegelelement auch als Träger der Mehrfachsolarzelle dienen, wobei die Dicke des unteren Spiegelelementes in diesem Falle bevorzugt im Bereich von 5 pm bis 50 pm liegt.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet aus, dass das optische Teilelement als Quadratgitter, Kreuzgitter, hexagonales Gitter oder Punktgitter ausgebildet ist. Alternativ oder bevorzugt ergänzend kann das optische Teilelement als maßgeschneiderte, ungeordnete (tailored disorder) Struktur ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in Hauser et al., Tailored disorder: a self-organized photonic contact for light trapping in silicon-based tandem solar cells, Opt. Express 28, 10909 (2020) dargelegt ist. Durch die Ausbildung des Teilelements mit seinen Strukturelementen als ein entsprechendes Gitter oder als ungeordnete Struktur wird Strahlung in einem bestimmten spektralen Bereich des eingestrahlten relevanten Spektrums am Teilelement entsprechend gebeugt und/oder gestreut, sodass diese spektralen Bereiche nicht unmittelbar zurück reflektiert werden. Durch die Ausgestaltung des optischen Teilelements als entsprechendes Gitter wird zudem ermöglicht, dass niederenergetische Strahlung oder zumindest ein Bereich dieser Strahlung, welche nicht durch die Teilzellen absorbiert werden kann, nicht gebeugt und/oder gestreut und somit durch das untere Spiegelelement entsprechend zurück reflektiert wird. Insbesondere kann durch die Wahl des mittleren Abstandswerts selektiv eingestellt werden, ab welcher Energie der Strahlung keine Beugung und/oder Streuung mehr erfolgt, da z.B. keine höheren Beugungsordnungen mehr existieren.
Bei der Ausbildung der Gitterstruktur als Kreuzgitter können die Gitterlinien rechtwinklig oder auch gerade nicht rechtwinklig zueinander ausgebildet sein.
Bevorzugt sind die Strukturelemente des Teilelements regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet. Durch die entsprechende Anordnung der Strukturelemente können die Eigenschaften des optischen Teilelements entsprechend beeinflusst werden. Insbesondere kann hierbei die Energie, ab welcher in die Mehr- fachsolarzelle eintretende Strahlung nicht mehr gebeugt und/oder gestreut wird, eingestellt werden oder ein gewisser Übergangsbereich definiert werden.
Insbesondere können die Strukturelemente regelmäßig angeordnet sein, wobei der mittlere Abstand sich bei einer regelmäßigen Anordnung der Strukturelemente insbesondere aus dem Abstand der Mittelpunkte von nächstliegenden Strukturelementen ergibt. Alternativ können die Strukturelemente auch unregelmäßig angeordnet sein, wobei sich der mittlere Abstand aus dem Mittel des Abstands von zwei benachbart nächstliegenden Strukturelementen über die Vielzahl von Strukturelementen ergibt.
Die Strukturelemente können insbesondere als Quader, Würfel oder Zylinder mit einer rechteckigen, quadratischen bzw. runden oder ovalen Grundfläche ausgebildet sein. Alternativ oder insbesondere ergänzend können die Strukturelemente auch als Pyramide, Kegel, Pyramiden- oder Kegelstumpf oder einer abgewandelten Form hiervon ausgebildet sein und insbesondere eine unregelmäßige Grundfläche aufweisen.
Alternativ oder vorzugsweise in Kombination weisen die Strukturelemente eine Dicke zwischen 50 nm und 400 nm, bevorzugt zwischen 100 nm und 300 nm auf. Das Einbringen der Strukturelemente erfolgt beispielsweise über selektive trockenchemische oder nasschemische Ätzprozesse oder dem Aufbringen von inversen Strukturen, zwischen welchen die eigentlichen Strukturelemente schließlich ausgebildet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform zeichnet aus, dass die Strukturelemente als Quadrate, Gitterlinien, Gitterpunkte und/oder als Streuzentrum, insbesondere als Nanopartikel, ausgebildet sind. Durch die Strukturelemente wird somit das Teilelement beziehungsweise die Gitterstruktur ausgebildet.
Die Verwendung von Nanopartikeln als Streuzentren ermöglicht es, dass diese auf die untere Teilzelle aufgebracht werden und eine zufällige Verteilung in lateraler Richtung unmittelbar oder mittelbar entlang der Zwischenschicht erfolgt. Über die Größe und die Anzahl der Nanopartikel kann deren Einfluss bzw. der Einfluss des Teilelements mit seinen Strukturelementen auf die in die Mehrfachsolarzelle eintretende Strahlung entsprechend eingestellt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Mehrfachsolarzelle zeichnet sich dadurch aus, dass auf einer Licht zugewandten Seite oberhalb der oberen Teilzelle zumindest eine optische Komponente, insbesondere ein Glas und/oder eine Anti- Reflexionsschicht und/oder ein oberes Spiegelelement, angeordnet ist. Durch die optische Komponente oberhalb der oberen Teilzelle wird ermöglicht, dass Strahlung außerhalb des für die Mehrfachsolarzelle relevanten Spektralbereichs zumindest teilweise reflektiert wird und somit gar nicht erst in die Mehrfachsolarzelle eindringen kann. Zudem schützt die optische Komponente die darunterliegenden Teilzellen vor äußeren Einflüssen, welche den Wirkungsgrad der Teilzellen reduzieren könnte. Insbesondere können die optischen Komponenten für bestimmte spektrale Bereich eine hohe Absorption und/oder eine hohe Emission aufweisen.
Das obere Spiegelelement als optische Komponente ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieses im für die Mehrfachsolarzelle relevanten eingestrahlten Spektralbereich, insbesondere für Strahlung mit einer Energie größer der unteren Bandlücke, welche im Wesentlichen senkrecht auf das obere Spiegelelement auftritt, transmittiert, jedoch für in die Mehrfachsolarzelle eingetretene und vom unteren Spiegelelement reflektierte Strahlung, welche meist in einem Winkel auf das obere Spiegelelement auftritt, eine hohe Reflexion in Richtung des unteren Spiegelelements aufweist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Mehrfachsolarzelle weist die optische Komponente eine mit der Photonenzahl der Strahlung gewichtete Transmission für Strahlung mit einer Energie größer oder gleich der unteren Bandlücke von zumindest 85%, bevorzugt von zumindest 90%, besonders bevorzugt von zumindest 93% auf. Hierdurch kann von den Teilzellen absorbierbare Strahlung durch die optischen Komponenten in die Mehrfachsolarzelle hinein transmittiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Mehrfachsolarzelle weist die zumindest eine optische Komponente eine mit der Energie der Strahlung gewichtete Absorption für Strahlung mit einer Energie im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum einem spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums kleiner 15%, bevorzugt kleiner 10% auf. Durch die geringe Ab- sorption für Strahlung, welche außerhalb des Absorptionsbereichs der Teilzellen der Mehrfachsolarzelle bis zum spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums liegt, kann Strahlung im vorgenannten Bereich zwar durch die optischen Komponenten transmittiert werden, andererseits wird aber auch gewährleistet, dass diese Strahlung in den optischen Komponenten nicht absorbiert wird und auch aus der Mehrfachsolarzelle wieder austreten kann. Hierdurch kann insbesondere eine Erwärmung der Mehrfachsolarzelle durch die Absorption von Strahlung im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums vermieden werden. Beispielsweise kann es sich für ein solares Spektrum wie AMO oder AM1.5 als relevantes eingestrahltes Spektrum bei dem spektralen Ende um das spektrale Ende des nahen Infrarot handeln, welches bei einer Wellenlänge von etwa 2,5 pm liegt.
Besonders vorteilhaft weisen neben der optischen Komponente alle Komponenten der Mehrfachsolarzelle die Eigenschaft auf, dass diese eine mit der Energie gewichtete Absorption für Strahlung im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zu einem spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums kleiner 15%, bevorzugt kleiner 10% aufweisen. Die Strahlung aus dem vorgenannten Bereich zwischen unterer Bandlücke und dem spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums kann zwar somit die Mehrfachsolarzelle durchdringen, jedoch erfolgt durch die geringe Absorption nur eine geringe Erwärmung der Mehrfachsolarzelle durch die Strahlung aus diesem Bereich.
In einer nochmals weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Mehrfachsolarzelle weist die optische Komponente eine Emission von Strahlung im Bereich des mittleren Infrarot, insbesondere für Strahlung mit einer Wellenlänge größer 3 pm, bevorzugt größer 5 pm, von größer 90%, bevorzugt von größer 95%, besonders bevorzugt größer 98% auf. Insbesondere weist neben den optischen Komponenten die Mehrfachsolarzelle insgesamt Komponente eine Emission von Strahlung im Bereich des mittleren Infrarot, insbesondere für Strahlung mit einer Wellenlänge größer 3 pm, bevorzugt größer 5 pm, von größer 90%, bevorzugt von größer 95%, besonders bevorzugt größer 98% auf. Gerade durch eine hohe Emission von Strahlung mit einer Wellenlänge größer 3 pm kann effektiv eine radiative Kühlung der Mehrfachsolarzelle erfolgen. Insbesondere kann die optische Komponente und/oder die Mehrfachsolarzelle insgesamt eine Emission von Strahlung bis in den Bereich einer Wellenlänge von etwa 60 pm aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optische Komponente und/oder die gesamte Mehrfachsolarzelle derart ausgebildet, dass diese eine hohe Emission von Strahlung zumindest in einem Bereich um das Maximum der spektralen spezifischen Ausstrahlung nach dem Planckschen Strahlungsgesetzes aufweist.
Vorzugsweise erfolgt die Kontaktierung der Teilzellen über Kontakte an der Licht abgewandten Seite der Mehrfachsolarzelle, insbesondere mittels metal wrap through Technologie (MWT). Durch Kontakte auf der Rückseite der Mehrfachsolarzelle kann eine Bedeckung der Vorderseite und somit der Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle vermieden werden, wodurch der Wirkungsgrad der Mehrfachsolarzelle erhöht werden kann.
Alternativ können aber auch auf der Vorderseite der Mehrfachsolarzelle und somit auf der dem Licht zugewandten Seite Kontakte ausgebildet sein.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltungsform sind das optische Teilelement und das untere Spiegelelement aus einem transparenten, leitfähigen Oxid, beispielsweise Indiumzinnoxid, gebildet.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltungsform ist der mittlere Abstand der Strukturelemente kleiner oder gleich dem 1 ,2-fachen des Abstandswerts und/oder größer oder gleich dem 0,8-fachen, bevorzugt dem 0,9-fachen des Abstandswerts. Durch die entsprechende Wahl des mittleren Abstands der Strukturelemente wird erreicht, dass die auftreffende Strahlung entsprechend selektiv gestreut und/oder gebeugt wird oder gerade keine weitere Beeinflussung erfolgt, sodass die Strahlung lediglich zurück reflektiert wird.
Vorzugsweise beträgt der mittlere Abstand zwischen 230 nm und 450 nm, bevorzugt zwischen 250 nm und 400 nm. Für diesen mittleren Abstand der Strukturelemente kann insbesondere für Teilzellen auf Basis von 11 l-V- H albleitern eine Beeinflussung der Strahlung bis zu einer Energie, welche der unteren Bandlücke entspricht, erzielt werden. Zudem wird Strahlung mit einer Energie kleiner der unteren Bandlücke im Wesentlichen an dem optischen Element ohne Beeinflussung reflektiert, wodurch diese an der Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle insbesondere wieder austreten kann. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform zeichnet aus, dass ein Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen durch ein dielektrisches Material ausgefüllt ist, wobei das dielektrische Material vorzugsweise transparent bzw. nicht absorbierend ausgebildet ist, wodurch eine Erwärmung durch Absorption von Strahlung vermieden werden kann. Bei dem dielektrischen Material kann es sich insbesondere um Siliziumoxid (SiO), Titanoxid (TiO), Siliziumnitrid (SiN), Indiumzinnoxid (ITO), oder Indiumzinkoxid (IZO) oder Aluminiumzinkoxid (AZO), den Fotolack SU-8 oder Polymere wie beispielsweise Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polyimid handeln. Alternativ kann es sich beim Material im Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen um ein Gas, insbesondere um Luft, oder Vakuum handeln.
Alternativ oder vorzugsweise ergänzend ist ein Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen durch einen Lack, insbesondere einem Fotolack, ausgefüllt. Insbesondere kann der verwendete Lack zu einer Strukturierung an der Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht verwendet werden, wobei die Strukturierung der späteren Ausbildung der Strukturelemente dient. So ist es beispielsweise möglich, dass mittels UV-Nanoprägelithografie (NIL) eine entsprechende Struktur mit den entsprechenden Strukturelementen ausgebildet wird. Ein beispielhafter Prozess zur Strukturierung ist beispielsweise in Cariou et al., 111— V-on-si I icon solar cells reaching 33% photoconversion efficiency in two-terminal configuration, Nature Energy 3, 326-333 (2018) oder in Chen et al., A 19.9%-efficient ultrathin 205nm-thick GaAs Solar Cell with a Silver Nanostructured Back Mirror, Nature Energy 4, 761-767 (2019) dargelegt.
Weiter alternativ oder vorzugsweise ergänzend ist ein Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen durch ein Halbleitermaterial ausgefüllt, dessen Bandlücke vorzugsweise größer der unteren Bandlücke ist. Bevorzugt handelt es sich hierbei um Gallium-Indium-Phosphid (GalnP), Aluminium-Gallium- Aarsenid (AIGaAs), Gallium-Indium-Arsen-Phosphid (GalnAsP), Aluminium- Gallium-Indium-Arsen-Phosphid (AIGalnAsP). Das für den Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen verwendete Halbleitermaterial kann insbesondere schon bei der Epitaxie der Zwischenschicht hergestellt oder unmittelbar nach Ausbildung der Zwischenschicht auf diese aufgebracht und mittels trockenchemischer oder nasschemischer Ätzprozesse strukturiert werden. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind das optische Teilelement und die Zwischenschicht aus einem gleichen Material, insbesondere aus einem gleichen Halbleitermaterial, ausgebildet. Das Teilelement wird in diesem Falle über einen Ätzprozess ausgebildet, bei welchem zunächst die Zwischenschicht mit einer größeren Dicke vollflächig auf die untere Teilzelle aufgebracht wird und anschließend ein selektiver Ätzprozess zur Ausbildung der entsprechenden Struktur erfolgt. Für einen selektiven Ätzprozess kann es wiederum erforderlich sein, dass ein Lack auf die vollflächige Zwischenschicht aufgebracht, dieser zur Ausbildung einer Äztmaske strukturiert wird, beispielsweise mittels Nanoprägelithographie (NIL), und anschließend ein oder mehrere Ätzprozesse zur Ausbildung der Strukturelemente erfolgen, wobei nach erfolgter Ausbildung der Strukturelemente des Teilelements aus dem Halbleitermaterial der Lack ggf. vollständig entfernt wird.
Alternativ oder vorzugsweise in Kombination wird das Teilelement durch einen Lack, insbesondere einen Fotolack, gebildet. Der Lack kann hierbei selektiv, insbesondere zur entsprechenden Erzeugung der Struktur oder ebenfalls zunächst vollflächig auf die Zwischenschicht aufgebracht werden, wobei anschließend insbesondere über Nanoprägelithographie-Prozess und einem selektiven Ätzprozess zur Restlackentfernung eine entsprechende Struktur im Lack selbst und gerade nicht in der Zwischenschicht erzeugt wird, wie dies wie vorgenannt in Cariou et al. oder Chen et al. dargelegt ist. Dies ermöglicht insbesondere eine einfachere Prozessführung, da lediglich eine Strukturierung mit dem Lack erfolgt und keine Strukturierung der Zwischenschicht erforderlich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen durch die Trennschicht ausgefüllt. Durch die Trennschicht wird somit erreicht, dass die Zwischenbereiche zwischen den Strukturelementen ausgefüllt werden und ein entsprechend planer Spiegel als unteres Spiegelelement aufgebracht werden kann. Insbesondere dient die Trennschicht dazu, dass eine möglichst glatte und ebene Oberfläche unterhalb der Strukturelemente ausgebildet wird, wodurch insbesondere die Ausbildung eines planen Spiegels mit einem geringen Effektivwert der Rauigkeit ermöglicht wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform der Mehrfachsolarzelle zeichnet aus, dass die Strukturelemente einen mittleren Abstand kleiner einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge aufweisen oder einen mittleren Abstand kleiner oder gleich dem 1 ,3-fachen eines Abstandswerts aufweisen, wobei sich der Abstandswert aus einem Verhältnis aus einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge zu einem Brechungsindex, insbesondere dessen Realteil, der unteren Teilzelle ergibt. Durch diesen mittleren Abstand wird erreicht, dass Strahlung mit einer Energie größer oder gleich der unteren Bandlücke an dem optischen Teilelement entsprechend derart gebeugt und/oder gestreut wird, sodass diese zumindest die untere Teilzelle zumindest zweimal, bevorzugt zumindest dreimal, besonders bevorzugt zumindest viermal durchläuft.
Es kann zwar auch eine Beugung und/oder Streuung von Strahlung mit einer Energie kleiner der unteren Bandlücke an diesen Strukturelementen mit dem mittleren Abstand kleiner einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge erfolgen, jedoch wird diese durch den planen Spiegel im Wesentlichen in Richtung der dem Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle reflektiert und kann die Mehrfachsolarzellen im Wesentlichen ohne Absorption verlassen.
Insbesondere ist die Mehrfachsolarzelle insgesamt derart ausgebildet, dass eine parasitäre Absorption von Strahlung mit einer Energie im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums pro Interaktion mit dem unteren Spiegelelement im Bereich kleiner 5%, bevorzugt kleiner 2% liegt. Besonders bevorzugt liegt die parasitäre Absorption von Strahlung mit einer Energie im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums in der Mehrfachsolarzelle insgesamt bei kleiner 25%, bevorzugt bei kleiner 20%.
In vorteilhafter Weise ist die Trennschicht leitfähig oder es sind zur Kontaktierung der Zwischenschicht zwischen der Zwischenschicht und dem unteren Spiegelelement in der Trennschicht Punktkontakte ausgebildet. Durch eine leitfähige Trennschicht erfolgt automatisch eine Kontaktierung der Zwischenschicht, ohne dass weitere Prozessschritte notwendig sind. Das Ausbilden von Punktkontakten in der Trennschicht kann über an sich bekannte Prozesse erfolgen. Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet aus, dass die Trennschicht aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise amorphes Silizium oder einem Titanoxid, bevorzugt Titandioxid, oder einem vorzugweise transparent leitfähigen Oxid, beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO) oder Indiumzinkoxid (IZO) oder Aluminiumzinkoxid (AZO), gebildet ist. Die vorzugweise transparent leitfähigen Oxide weisen eine ausreichende Leitfähigkeit auf, sodass keine Punktkontakte zur Kontaktierung der Mehrfachsolarzelle, insbesondere der Zwischenschicht, notwendig sind.
Durch die Ausbildung der Trennschicht aus einem Halbleitermaterial wie amorphem Silizium oder Titandioxid wird auch erzielt, dass an der Grenzfläche zwischen der Trennschicht und dem optischen Teilelement eine starke Streuung und/oder Beugung zumindest für Strahlung mit einer Energie größer der unteren Bandlücke erfolgt. Zudem kann das Aufbringen dieser Materialien auf die Mehrfachsolarzelle prozesstechnisch einfach erfolgen.
Alternativ oder vorzugsweise in Kombination ist die Trennschicht aus einem vorzugsweise transparenten dielektrischen Material, beispielsweise Siliziumdioxid, gebildet. Durch das vorzugsweise transparente dielektrische Material wird insbesondere eine Leitfähigkeit zwischen der Zwischenschicht und dem unteren Spiegelelement vermieden und eine Kontaktierung erfolgt alleine über die Ausbildung von Punktkontakten in der Trennschicht.
Vorzugsweise ist zwischen der Trennschicht und dem unteren Spiegelelement eine Planarisierungsschicht angeordnet, wobei die Planarisierungsschicht vorzugsweise aus einem Polymer, beispielsweise aus SU-8, PMMA, PS, Polyimid, oder aus einem Dielektrikum, beispielsweise SiO, TiO, SiN oder Zinksulfid (ZnS) oder einem SolGel-basierten Material, oder einem vorzugsweise transparent leitfähigen Oxid gebildet ist. Insbesondere kann die Planarisierungsschicht aus Indiumzinnoxid (ITO), oder Indiumzinkoxid (IZO) oder Aluminiumzinkoxid (AZO) gebildet sein. Die Planarisierungsschicht ermöglicht einerseits wiederum die Ausbildung des unteren Spiegelelements als planer Spiegel mit einem Effektivwert der Rauigkeit kleiner 50 nm, bevorzugt kleiner 20 nm, wobei mittels der Planarisierungsschicht auch Einflüsse wie Welligkeiten oder ähnliches zwischen der Trennschicht und dem unteren Spiegelelement ausgleichbar sind. Insbesondere ist eine Planarisierungsschicht dann von Vorteil, wenn die Trennschicht nicht in der entsprechenden Güte und mit entsprechend geringer Rauigkeit an der Grenzfläche zum unteren Spiegelelement ausgebildet werden kann. Zudem erlaubt die Planarisierungsschicht, dass die Trennschicht aus einem hochbrechenden Material gebildet werden kann, sodass eine entsprechende Brechung, Beugung und/oder Streuung an den Strukturelementen, insbesondere für Strahlung mit einer Energie größer der unteren Bandlücke, erzielt werden kann.
Die Planarisierungsschicht ist vorzugsweise aus einem niedrigbrechenden Material gebildet, wobei die Trennschicht in diesem Fall bevorzugt aus einem Material mit einem zur Planarisierungsschicht unterschiedlichen Realteil des Brechungsindex, insbesondere aus einem hochbrechenden Material gebildet ist. Als hochbrechend ist vorliegend ein Material bezeichnet, dessen Realteil des Brechungsindex größer 1 ,5 bevorzugt größer 2, besonders bevorzugt größer 2,5 beträgt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform der Mehrfachsolarzelle zeichnet aus, dass die Trennschicht und/oder die Planarisierungsschicht eine Dicke zwischen 100 nm und 300 nm, bevorzugt um 200 nm, aufweist, wobei für die Trennschicht sich die Dicke aus einem Abstand zwischen einem dem Licht abgewandten Ende des Strukturelements und dem unteren Spiegelelement oder der Planarisierungsschicht ergibt. Durch die entsprechende Dicke zwischen dem unteren Spiegelelement und den Strukturelementen kann eine ausreichend glatte Oberfläche durch die Planarisierungsschicht erzielt werden, sodass ein planer Spiegel als unteres Spiegelelement in entsprechender hoher Güte mit einem geringen Effektivwert der Rauigkeit aufgebracht werden kann.
Weiterhin betrifft die vorliegende Anmeldung die Verwendung einer Mehrfachsolarzelle gemäß einer Ausgestaltungform oder bevorzugten Form hiervon wie vorstehend ausgeführt in extraterrestrischen Systemen und/oder in terrestrischen Konzentratorsystemen und/oder Flugobjekten und/oder Fahrzeugen und/oder in der Thermophotovoltaik. Insbesondere finden die Mehrfachsolarzellen in Satelliten oder anderen Weltraumobjekten Verwendung. Als Flugobjekte kommen vorzugsweise unbemannte Systeme wie Pseudo-Satelliten oder Drohnen wie auch bemannte Flugsysteme wie Flugzeuge in Betracht. Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
Figur 2 eine weitere Ausführungsform einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
Figur 3 eine Ausführungsform einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
Figur 4 eine weitere Ausführungsform einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
Figur 5 eine nochmals weitere Ausführungsform einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
Figur 6 eine nochmals weitere Ausführungsform einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
Figur 7 eine nochmals weitere Ausführungsform einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Mehrfachsolarzelle;
Figur 8a eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des Teilelements;
Figur 8b eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Teilelements; und
Figur 8c eine Draufsicht auf eine nochmals weitere Ausführungsform des Teilelements.
In den Figuren 1 bis 8c bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Elemente.
Figur 1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung durch eine erste Variante einer Mehrfachsolarzelle 1. Die Mehrfachsolarzelle 1 umfasst eine dem Licht zugewandte obere Teilzelle 2 sowie eine in Dickenrichtung 14 nachfolgend angeordnete untere Teilzelle 3, welche eine voneinander verschiedene Bandlücke aufweisen. Die obere Bandlücke der oberen Teilzelle 2 ist hierbei größer als die untere Bandlücke der unteren Teilzelle 3. In Dickenrichtung 14 unterhalb der unteren Teilzelle 3 ist weiterhin eine Zwischenschicht 4 angeordnet, an welche sich unmittelbar das optische Element 5 anschließt. Das optische Element 5 umfasst ein unteres Spiegelelement 6 sowie ein Teilelement 7, welches aus mehreren Strukturelementen 8 aufgebaut ist.
Bei der oberen Teilzelle 2 wie auch der unteren Teilzelle 3 sowie der Zwischenschicht 4 handelt es sich vorliegend um direkte Halbleiter, welche aus einem Material aus der Gruppe der 11 I-V-Halbleiter aufgebaut sind. Die obere Teilzelle 2 besteht im Wesentlichen aus Gallium-Indium-Phosphid (GalnP), dessen obere Bandlücke im Bereich von etwa 1 ,9 eV liegt. Die Dicke der oberen Teilzelle 2 beträgt etwa 500 nm.
Die untere Teilzelle 3 ist in der vorliegenden Ausführungsform aus Galliumar- senid (GaAs) ausgebildet, dessen untere Bandlücke im Bereich von etwa 1 ,4 eV liegt. Die der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge beträgt etwa 870 nm. Die Dicke der unteren Teilzelle 3 in Dickenrichtung 14 beträgt vorliegend etwa 450 nm bis 800 nm, wobei die Dicke dieser Teilzelle 3 insbesondere vom Absorptionsverhalten abhängt. So kann die Dicke der unteren Teilzelle 3 in Abhängigkeit von Reflexion, Absorption und Transmission des in Dickenrichtung 14 unterhalb der unteren Teilzelle 3 angeordneten optischen Elements 5 auch in einem Bereich kleiner 500 nm liegen. Die an die untere Teilzelle 3 anschließende Zwischenschicht 4 besteht aus dem Material Aluminium-Gallium-Arsenid (Al- GaAs), dessen Bandlücke bei etwa 1 ,7 eV liegt, was einer dieser Bandlücke zugeordneten Wellenlänge von etwa 730 nm entspricht. Im Verhältnis zur oberen Teilzelle 2 und unteren Teilzelle 3 weist die Zwischenschicht 4 eine Dicke im Bereich von 200 bis 500 nm auf.
Die obere und untere Teilzelle 2, 3 weisen zumindest jeweils einen pn-Übergang auf, wobei zwischen der oberen Teilzelle 2 und der unteren Teilzelle 3 zumindest eine Tunneldiode ausgebildet ist, deren Dicke in Dickenrichtung 14 kleiner 200 nm beträgt.
Das optische Teilelement 7 mit seinen Strukturelementen 8, welche wie in Figur 1 dargestellt in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind, ist aus dem gleichen Material wie das untere Spiegelelement 6 ausgebildet. Vorliegend wurde sowohl für das untere Spiegelelement 6 als auch das optische Teilele- ment 7 das Material Silber verwendet. Auch die Verwendung von Gold als Material für das untere Spiegelelement 6 wie das Teilelement 7 ist ebenfalls möglich.
Die regelmäßig angeordneten Strukturelemente 8 des Teilelements 7 weisen einen mittleren Abstand X auf, der im Bereich von 270 bis 300 nm liegt. Der Abstand zwischen zwei Strukturelementen 8 ergibt sich aus dem Abstand der jeweiligen Mittelpunkte der Strukturelemente 8. Der mittlere Abstand X wird aus dem Mittel über alle Abstände zwischen zwei benachbarten Strukturelementen 8 des Teilelement 7 gebildet. Bei einer regelmäßigen Anordnung der Strukturelement 8 entspricht der Abstand von benachbarten Strukturelementen 8 dem mittleren Abstand X der Strukturelement 8 des Teilelements 7.
Die Wahl des mittleren Abstands X für die vorliegende Mehrfachsolarzelle 1 ist von besonderer Bedeutung, da der mittlere Abstand X die Streuung und/oder Beugung von am optischen Element 5 ankommenden Licht an dem Teilelement 7 wesentlich beeinflusst. Durch die Größe und die Anordnung der Strukturelemente 8 des Teilelements 7 in einem bestimmten mittleren Abstand X kann das Teilelement 7 so ausgebildet werden, dass Strahlung kleiner einer bestimmten Energie am optischen Teilelement 7 nicht mehr gebeugt und/oder gestreut wird, sondern im Wesentlichen am optischen Element 5 reflektiert wird.
Die Bestimmung eines geeigneten mittleren Abstands X der Strukturelemente 8 hängt von einem Abstandswert A ab, welcher sich aus den gewählten Materialien für die untere Teilzelle 3 ergibt. Der Abstandswert A ergibt sich hierbei aus dem Verhältnis der der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge zu dem Realteil des Brechungsindex der unteren Teilzelle 3. Der Realteil des Brechungsindex von Galliumarsenid, welches in der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform als Material für die untere Teilzelle 3 verwendet wird, liegt bei einem Wert von etwa 3,5. Bei einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge Bandlücke von 870 nm ergibt sich somit für diese Materialkombination ein Abstandswert A von etwa 250 nm.
Durch die Wahl des mittleren Abstands X der Strukturelemente 8 des optischen Teilelements 7 kleiner oder gleich dem 1 ,3-fachen des Abstandswertes, somit kleiner oder gleich 325 nm, wird es ermöglicht, dass Strahlung mit einer Energie im Bereich der unteren Bandlücke am optischen Element 5 ohne Beugung oder Streuung direkt reflektiert wird (direkter Reflex).
Das optische Element 5 weist insgesamt eine Reflexion für Strahlung mit einer Energie zumindest im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums, hier bei dem solaren Spektrum AMO als relevantes Spektrum bis zum spektralen Bereichs des nahen Infrarot bei etwa 2,5 pm von größer 90% auf. Hierdurch wird nicht von der Mehrfachsolarzelle 1 absorbierte Strahlung, die außerhalb des Absorptionsbereichs der Teilzellen 2, 3 liegt, unmittelbar am optischen Element 5 zurück reflektiert, so dass diese die Mehrfachsolarzelle 1 an der dem Licht zugewandten Seite wiederum im Wesentlichen unmittelbar verlassen kann. Durch die direkte Reflexion kann eine Erwärmung der Mehrfachsolarzelle 1 durch Absorption von in den Teilzellen 2, 3 nicht nutzbarer Strahlung, beispielsweise an Defekten der Mehrfachsolarzelle 1 , vermieden werden. Die unmittelbare Reflexion solcher Strahlung am optischen Element 5 und das Austreten dieser Strahlung an der, dem Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle 1 ermöglicht, dass die Mehrfachsolarzelle 1 zumindest indirekt eine Kühlung erfährt.
Auf der dem Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle 1 in Dickenrichtung 14 oberhalb der Teilzelle 2 angeordnet sind optische Komponenten wie ein Glas 11 , eine Antireflexionsschicht 12 oder ein oberes Spiegelelement 13 ausgebildet.
Die optischen Komponenten 11 , 12, 13 weisen eine mit der Photonenzahl der Strahlung gewichtete Transmission für Strahlung mit einer Energie größer oder gleich der unteren Bandlücke von zumindest 90 % auf. Es wird hierdurch sichergestellt, dass durch die Mehrfachsolarzelle 1 nutzbare Strahlung des relevanten eingestrahlten Spektrums, insbesondere die Strahlung mit einer Energie größer oder gleich der unteren Bandlücke, in die Mehrfachsolarzelle 1 eintreten kann.
Zudem weisen die optischen Komponenten 11 , 12, 13 eine mit der Energie der Strahlung gewichtete Absorption für Strahlung mit einer Energie im Bereich kleiner der unteren Bandlücke, welche vorliegend bei etwa 1 ,4 eV liegt, bis zum spektralen Ende des nahen Infrarots für das solare Spektrum als relevantes Spektrum, welches bei etwa 0,5 eV liegt, auf, welche kleiner 10 % beträgt. Der durch die Teilzellen 2, 3 nicht nutzbare Spektralbereich kann zwar in die Mehrfachsolarzelle 1 eintreten, kann aber auch gleichzeitig nach Reflexion am optischen Element 5 ohne wesentliche Absorption aus der Mehrfachsolarzelle 1 wieder austreten. Durch eine geringe parasitäre Absorption wird insbesondere eine Erwärmung der Mehrfachsolarzelle 1 durch die Teilzellen 2, 3 nicht absorbierbare Strahlung verhindert.
Zur Verhinderung einer weiteren Erwärmung der Mehrfachsolarzelle 1 ist die zumindest eine optische Komponente 11 , 12, 13 so ausgebildet, dass diese eine Emission von Strahlung im Bereich des mittleren Infrarots für Strahlung mit einer Wellenlänge größer 5 pm von größer 90 % aufweist. Die Strahlung des mittleren Infrarots wird somit durch die optische Komponente 11 , 12, 13 einerseits zwar absorbiert, aber andererseits durch die hohe Emission wiederum abgestrahlt. Hierdurch kann ebenfalls eine Erwärmung der Mehrfachsolarzelle 1 vermieden werden. Neben den optischen Komponenten 11 , 12 13 ist die Mehrfachsolarzelle 1 insgesamt so ausgebildet, dass Strahlung im Bereich des mittleren Infrarots im Wesentlichen absorbiert wird und gleichzeitig für die Strahlung in diesem Bereich eine hohe Emission aufweist.
Wie in Figur 1 dargestellt ist der Bereich zwischen den Strukturelementen 8 des Teilelements 7 durch ein von den Strukturelementen 8 verschiedenes Material ausgefüllt. Bei dem zwischen den Strukturelementen 8 angeordneten Material handelt es sich vorliegend um den Fotolack SU-8 der Firma Microchem Corp. In der Herstellung der Mehrfachsolarzelle 1 wird der Fotolack nach Ausbildung der Zwischenschicht 4 vollflächig auf diese ausgebracht und mittels UV- Nanoprägelithografie (NIL) eine entsprechende Struktur ausgebildet wird, wobei eine Restlackentfernung mittels eines O2-Plasmaätzschritt oder Piranha- Ätzschritt erfolgt. Durch Aufdampfen eines Metalls wie hier vorliegend Silber erfolgt schließlich die Ausbildung der Strukturelemente 8 bzw. des optischen Teilelements 7 sowie der gesamten optischen Komponente 5, umfassend auch das untere Spiegelelement 6. Neben der Verwendung des Fotolackes SU-8 können auch andere Materialien, insbesondere Lacke, Verwendung finden, welche mittels eines ähnlichen Prozessvorganges die Ausbildung einer entsprechenden Struktur auf der dem Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht 4 ermöglichen. Insbesondere muss der Abstand zwischen den Strukturelementen 8 nicht zwangsläufig durch ein festes Material gefüllt sein. So ist es auch möglich, dass der Abstand mit einem Gas als Material, insbesondere Luft, ausgefüllt ist oder im Abstandsbereich zwischen den Strukturelementen 8 ein Vakuum herrscht.
Die Strukturelemente 8 des Teilelements 7 sind in Figur 1 regelmäßig angeordnet und bilden somit einzelne Gitterpunkte eines Punktgitters auf der dem Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht 4 aus. Die einzelnen Gitterpunkte als Strukturelemente 8 weisen eine regelmäßige, rechteckige oder quadratische Grundfläche auf. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Strukturelemente 8 des Teilelements 7 insgesamt als Quader, Würfel oder Pyramidenstümpfe ausgebildet. Der mittlere Abstand X ergibt sich bei einer regelmäßigen Anordnung der Strukturelemente 8 aus dem Abstand der Mittelpunkte von benachbarten Strukturelementen 8 als nächstliegende Nachbarn.
Alternativ können die Strukturelemente 8 auch als Pyramide, Kegel, Pyramidenoder Kegelstumpf ausgebildet sein und insbesondere auch eine unregelmäßige Grundfläche aufweisen.
In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform der Mehrfachsolarzelle 1 nach der ersten Variante dargestellt, bei welcher die Strukturelemente 8 des Teilelements 7 wiederum einen mittleren Abstand X kleiner oder gleich dem 1 ,3-fachen eines Abstandswerts aufweisen. Ein Unterschied zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform liegt in der Anordnung und Ausbildung der Strukturelemente 8 des optischen Teilelements 7.
Wie in Figur 2 dargestellt sind die Strukturelemente 8 nicht regelmäßig angeordnet und weisen auch keine einheitliche Größe in lateraler Richtung 15 wie auch eine unterschiedliche Dicke in Dickenrichtung 14 auf. Der Abstand zwischen den Strukturelementen 8 für eine Reflexion für Strahlung mit einer Energie im Wesentlichen kleiner der unteren Bandlücke ist gegenüber der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform in einem bestimmten Bereich variiert, wobei der mittlere Abstand X der Strukturelemente 8 des Teilelements 7 ebenfalls in der Größenordnung von 270 nm bis 300 nm liegt. Der mittlere Abstand X ergibt sich wiederum aus dem errechneten Mittel über die Abstände zwischen zwei benachbarten Strukturelementen 8 über die vollständige Mehrfachsolarzelle 1. Zur Erzeugung des entsprechenden Teilelements 7 werden zunächst Nanopartikel aus einer Lösung auf der dem Licht abgewandte Seite der Zwischenschicht 4 aufgebracht, welche sich auf dieser Seite zufällig verteilen. Die Nanopartikel bestehen aus einem dielektrischen Material, deren Größe im Bereich von 100 nm bis 200 nm liegt. Nach Verdampfen der Lösung sind die Nanopartikel jeweils ortsfest auf der dem Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht 4 angeordnet, sodass die Ausbildung der Strukturelemente 8 des optischen Teilelements 7 und des optischen Elements 5 insgesamt durch Aufdampfen eines Metalls erzielt wird. Alternativ kann auch ein transparentes leitfähiges Oxid anstatt des Metalls aufgebracht werden.
In einem alternativen Herstellungsprozess für das Teilelement 7 mit einer nichtregelmäßigen Struktur kann ebenfalls ein Selbstorganisationsprozess ausgehend von einer Mischung verschiedener Polymere wie beispielsweise PMMA und PS genutzt werden, wobei nach Aufbringen einer Schicht aus der Mischung auf die dem Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht 4 ein Polymer wiederum gelöst oder geätzt wird, wodurch sich eine entsprechende, selbstorganisierte Struktur ausbildet. Wiederum durch Aufdampfen eines Metalls oder eines transparent leitfähigen Oxids werden die Strukturelemente 8 des optischen Teilelements 7 sowie entsprechend die optische Komponente 5 ausgebildet.
Neben einer unregelmäßigen, zufälligen Anordnung der Strukturelemente 8 ist auch deren Form nicht regelmäßig ausgebildet. So wird durch die zufällige Anordnung der Nanopartikel oder durch die Selbstorganisation die Ausgestaltung Strukturelemente 8 mit unterschiedlichen Formen ermöglicht. Die Breite der einzelnen Strukturelemente 8, welche sich in lateraler Richtung 15 ausdehnt, liegt vorliegend im Bereich zwischen 100 nm bis 300 nm. Die Breite wird dabei im Wesentlichen durch die im Abstand zwischen den Strukturelementen 8 ausgefüllten Bereiche bestimmt, welche prozesstechnisch in der in den Figuren 1 und 2 dargestellten ersten Variante der Mehrfachsolarzelle 1 vor Ausbildung der Strukturelemente 8 auf die dem Licht abgewandte Seite der Zwischenschicht 4 aufgebracht werden.
Eine Kontaktierung der Mehrfachsolarzelle 1 erfolgt über deren Unterseite.
Durch die Ausbildung des Teilelements 7 sowie des unteren Spiegelelements 6 aus Metall erfolgt direkt eine Kontaktierung der Zwischenschicht 4 der Mehr- fachsolarzelle 1 , so dass keine weiteren Elemente zur Kontaktierung der Zwischenschicht 4, insbesondere keine Punktkontakte, notwendig sind.
Die Kontaktierung der Teilzellen 2, 3 erfolgt über die dem Licht zugewandte Seite der oberen Teilzelle 2. Weiter besteht noch die Möglichkeit, dass eine Kontaktierung der Teilzellen 2, 3 ebenfalls über die dem Licht abgewandte Seite der Mehrfachsolarzelle 1 mittels Metal Warp Through Kontakte erfolgt wie dies beispielsweise in dem Dokument Salvetat et. al., Ill-V multi-junction solar cell using metal wrap through contacts, AIP conference proceedings 1766, 060004 (2016) dargelegt ist. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Mehrfachsolarzelle 1 weiter erhöht werden.
In Figur 3 ist eine erste Ausführungsform der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 dargestellt. Der in Figur 3 dargestellte Aufbau der Mehrfachsolarzelle 1 ähnelt dem strukturellen Aufbau wie in Figur 1 oder 2 dargestellt, wobei Unterschiede im optischen Element 5 und dessen Aufbau bestehen, welche jedoch die gleiche Aufgabe und Zweck erfüllen.
Das optische Element 5 umfasst ein optisches Teilelement 7 mit mehreren Strukturelementen 8 sowie ein unteres Spiegelelement 6, wobei das untere Spiegelelement 6 als ein planer Spiegel mit einer Rauigkeit mit einem Effektivwert kleiner 50 nm ausgebildet ist. Weiterhin ist zwischen der Zwischenschicht 4 und dem planen Spiegel als unteres Spiegelelement 6 eine Trennschicht 9 ausgebildet, welche einerseits die zwischen den Strukturelementen 8 ausbildenden Bereiche und Abstände ausfüllt und gleichzeitig noch einen Abstand in Dickenrichtung 14 zwischen den Strukturelementen 8 und dem unteren Spiegelelement 6 ausbildet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Trennschicht 9 aus dem Material Indiumzinnoxid (ITO) gebildet, welches ein transparent leitfähiges Oxid ist. Die Verwendung von transparent leitfähigen Oxiden wie Indiumzinnoxid oder alternativ auch Indiumzinkoxid (IZO) oder Aluminiumzinkoxid (AZO) hat den Vorteil, dass über die Trennschicht 9 gleichzeitig eine Kontaktierung der Zwischenschicht 4 erfolgt. Zudem lassen sich transparent leitfähige Oxide in einer hohen Qualität ausbringen, insbesondere mit einer Oberfläche mit geringer Rauigkeit, sodass ein entsprechend planer Spiegel als unteres Spiegelelement 6 mit einem Effektivwert der Rauigkeit kleiner 50 nm auf der dem Licht abgewandten Seite der Trennschicht 9 entsprechend aufgebracht werden kann. Die Trennschicht 9 ist hierbei aus einem niedrigbrechenden Material ausgebildet. Das untere Spiegelelement 6 ist wiederum aus Silber gebildet, wobei dessen Dicke zumindest 200 nm beträgt, sodass eine Transmission von Licht verhindert wird. Alternativ kann das untere Spiegelelement 6 auch aus einem Bragg-Spiegel gebildet sein.
Die Strukturelemente 8 des optischen Teilelements 7 sind in der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform durch das gleiche Material AIGaAs wie die Zwischenschicht 4 ausgebildet. Zur Herstellung der Strukturelemente 8 wird prozesstechnisch hierbei zunächst eine deutlich dickere Zwischenschicht 4 aufgebracht, in welche über Lithographie-Verfahren sowie nasschemische oder trockenchemische Ätzprozesse die entsprechenden Strukturelemente 8 eingebracht werden. Wie in Figur 3 dargestellt, weisen die optischen Strukturelemente 8 wiederum eine regelmäßige Anordnung auf, wobei deren mittlerer Abstand im Bereich zwischen 270 nm und 500 nm liegt. Die Dicke in Dickenrichtung 14 der Strukturelemente 8 liegt im Bereich zwischen 150 nm bis 300 nm.
Der mittlere Abstand X der Strukturelemente 8 ist in der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 , wie in Figur 3 dargestellt, deutlich größer gegenüber dem mittleren Abstand X der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Mehrfachsolarzelle 1. Durch den deutlich größeren mittleren Abstand X zwischen den Strukturelementen 8 erfolgt zwar auch für Strahlung mit einer Energie kleiner der unteren Bandlücke zumindest teilweise eine Beugung und/oder Streuung an dem optischen Teilelement 7, wobei durch den planen Spiegel als unteres Spiegelelement 6 eine Reflexion für diese Strahlung von über 98% sichergestellt wird. Somit wird Strahlung, welche in die Mehrfachsolarzelle 1 eintritt, optimal an der Fläche des planen Spiegels als unteres Spiegelelement 6 reflektiert. Durch die Beugung und/oder Streuung am Teilelement 7 sowie die Reflektion am planen Spiegel als unteres Spiegelelement 6 wird für die Strahlung eine deutliche Wegverlängerung innerhalb der Mehrfachsolarzelle 1 erzielt. Hierdurch kann die untere Teilzelle 3 mit einer geringeren Dicke ausgebildet werden, da durch die Wegverlängerung eine ausreichend große Absorptionsstrecke für eine vollständige Absorption der durch die untere Teilzelle 3 nutzbaren Strahlung erzielt wird. Neben einem geringen Effektivwert der Rauigkeit des unteren Spiegelelements 6 für eine entsprechende Reflexion weisen auch die anderen Bestandteile der Mehrfachsolarzelle 1 eine hohe Güte auf, so dass die parasitäre Absorption für Strahlung mit einer Energie in einem Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum spektralen Ende des nahen infrarot für das solare Spektrum als relevantes eingestrahltes Spektrum in der gesamten Mehrfachsolarzelle 1 gering ist. Die parasitäre Absorption pro Interaktion der Strahlung mit dem unteren Spiegelelement 6 durch die qualitativ hochwertigen Schichten liegt in einem Bereich kleiner 5%, sodass auch bei vielfacher Reflexion von nicht durch die Teilzellen 2, 3 absorbierbare Strahlung keine Absorption dieser Strahlung an Defekten o- der anderen Absorptionszentren der Mehrfachsolarzelle 1 erfolgt. Insbesondere liegt die parasitäre Absorption für diese Strahlung für die gesamte Mehrfachsolarzelle bei kleiner 20%. Diese Strahlung kann an der dem Licht zugewandten Seite der Mehrfachsolarzelle 1 wieder abgestrahlt werden und aus der Mehrfachsolarzelle 1 austreten. Somit wird auch durch ein optisches Element 5 umfassend ein Teilelement 7, eine Trennschicht 9 und einen planen Spiegel als unteres Spiegelelement 6 insgesamt eine Erwärmung durch nicht-verwertbare Strahlung in der Mehrfachsolarzelle 1 ebenfalls vermieden.
In Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 dargestellt. Vom Aufbau her ähnelt diese wiederum dem Aufbau wie in Figur 3 dargestellt, mit den Unterschieden, dass die Trennschicht 9 als nichtleitfähiges Material ausgebildet ist und die Strukturelemente 8 als kegelförmige Elemente ausgebildet sind, deren Spitze in Richtung des unteren Spiegelelementes 6 gerichtet ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird für die Trennschicht 9 das Material Siliziumdioxid (SiC>2) verwendet, auf dessen dem Licht abgewandten Seite wiederum ein planer Spiegel aus Silber als unteres Spiegelelement 6 aufgebracht ist.
Die Trennschicht 9 aus Siliziumdioxid füllt den Bereich zwischen den Strukturelementen 8 des optischen Teilelements 7 aus und weist darüber hinaus eine weitere Dicke in Dickenrichtung 14 von etwa 200 nm auf, welche den Abstand zwischen der dem Licht abgewandten Oberfläche der Strukturelemente 8 und dem planen Spiegel als unteres Spiegelelement 6 entspricht. Eine Kontaktierung der Zwischenschicht 4 erfolgt auf Grund der mangelnden Leitfähigkeit der Trennschicht 9 über Punktkontakte 16. Die Punktkontakte 16 können hierbei mittels Lithographie oder Laser zunächst ausgebildet und anschließend über einen Metallisierungs-Schritt fertiggestellt werden.
Der mittlere Abstand X der Strukturelemente 8 des optischen Teilelements 7 beträgt in der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform etwa 800 nm bis 850 nm und liegt somit im Bereich der der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge.
Neben einer regelmäßigen Anordnung der Strukturelemente 8 im optischen Element 5 können die Strukturelemente 8 auch in der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 unregelmäßig an der dem Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht 4 in lateraler Richtung 15 ausgebildet sein, wie dies in Figur 5 dargestellt ist. Daneben besitzen die Strukturelemente 8 wiederum eine unterschiedliche Dicke in Dickenrichtung 14.
Zur Ausbildung einer unregelmäßigen Struktur wird zunächst die Zwischenschicht 4 mit entsprechender Dicke auf der Unterseite der unteren Teilzelle 3 aufgebracht, anschließend Nanopartikel oder andere Materialien zu einer Strukturdefinition auf die Zwischenschicht 4 aufgebracht, welche in einem anschließenden nasschemischen oder trockenchemischen Ätzprozess als Maske zur Ausbildung der Strukturelemente 8 und entsprechend des optischen Teilelements 7 dienen.
Alternativ kann die unregelmäßige Struktur durch die Anwendung der Phasentrennung von zwei nicht mischbaren Polymeren wie Polystyrol und Polymethyl- methacrylat erfolgen, wodurch sich eine stochastische Anordnung von Polystyrol Elementen ergibt, wie dies in Hauser et al. dargelegt ist. Diese stochastische Anordnung kann gegebenenfalls gleich metallisiert werden.
Über die Trennschicht 9 werden die Abstände zwischen den Strukturelementen 8 ausgefüllt, eine über die Dicke der Strukturelemente 8 hinausgehende Schicht ausgebildet und anschließend ein planer Spiegel als unteres Spiegelelement 6 mit einem Effektivwert für Rauigkeit kleiner 50 nm aus Gold oder Silber aufgedampft. In Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 dargestellt. Im Unterschied zu den vorgenannten Ausführungsformen der weiteren Variante in den Figuren 3 bis 5 sind die Strukturelemente 8 in der nun in Figur 6 dargestellten Ausführungsform nicht durch das Halbleitermaterial der Zwischenschicht 4 gebildet, sondern durch ein Dielektrikum. Die Ausbildung der Strukturelemente 8 erfolgt dabei, wie analog auch bereits vorstehend dargelegt, durch vollflächiges Aufträgen einer die Zwischenschicht 4 vollständig bedeckenden Schicht mittels Fotolack, einer entsprechenden Strukturierung der Schicht, beispielsweise mittels UV-Nanoprägelithographie, und einem anschließenden nasschemischen oder trockenchemischen Ätzprozess.
Die Strukturelemente 8 sind, wie in Figur 6 dargestellt, in die Trennschicht 9 eingebettet, welche vorliegend durch niedrig dotiertes amorphes Silizium gebildet ist. Die Verwendung von amorphem Silizium als Trennschicht 9 bietet den Vorteil, dass dieses Material einen sehr hohen Brechungsindex aufweist und somit gerade für Strahlung mit einer Energie größer der unteren Bandlücke eine starke Streuung oder Beugung ermöglicht, sodass diese Strahlung eine möglichst große Wegverlängerung zumindest in der unteren Teilzelle 3 erfährt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass durch die Teilzelle 2, 3 absorbierbare Strahlung auch in den Teilzellen 2, 3 absorbiert wird, obwohl zumindest die untere Teilzelle 3 nur eine geringe Dicke von etwa 1000 nm aufweist. Alternativ kann die Trennschicht 9 auch aus einem Titanoxid ausgebildet werden.
Weiterhin ist in der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform zwischen der Trennschicht 9 und dem unteren Spiegelelement 6 eine Planarisierungsschicht 10 ausgebildet. Die Planarisierungsschicht 10 ist vorliegend aus einem Polymer gebildet und ermöglicht, dass das untere Spiegelelement 6 als planer Spiegel mit einer sehr geringen Rauigkeit, insbesondere mit einem Effektivwert der Rauigkeit kleiner 20 nm, ausgebildet wird. Mittels der Planarisierungsschicht 10 werden somit die Voraussetzungen für die Abscheidung eines planen Spiegels als unteres Spiegelelement 6 geschaffen, insbesondere für den Fall, dass die Trennschicht 9 nicht mit einer entsprechenden Oberfläche zwischen der Trennschicht 9 um den planen Spiegel ausgebildet werden kann, sodass der plane Spiegel eine geringe Rauigkeit aufweist. Die Planarisierungsschicht 10 ist hierbei aus einem niedrigbrechenden Material gebildet, wohingegen die Trennschicht 9 aus einem hochbrechenden Material gebildet ist.
Um eine Kontaktierung der Zwischenschicht 4 zu ermöglichen weist auf Grund von mangelnder Leitfähigkeit der Trennschicht 9 und/oder der Planarisierungsschicht 10 die Mehrfachsolarzelle 1 wiederum Punktkontakte 16 auf, welche zwischen dem unteren Spiegelelement 6 und der Zwischenschicht 4 ausgebildet sind.
In Figur 7 ist eine nochmals weitere Ausführungsform der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 dargestellt, welche sich dadurch unterscheidet, dass die Trennschicht 9 und die Planarisierungsschicht 10 gegenüber der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform aus dem gleichen Material ausgebildet sind und dieses Material eine intrinsische Leitfähigkeit aufweist, sodass auf die Ausbildung von Punktkontakten 16 zur Kontaktierung der Zwischenschicht 4 verzichtet werden kann. Weiterhin sind die Strukturelemente 8 im Wesentlichen als Halbkugeln ausgebildet, deren Grundflächen unmittelbar an der Zwischenschicht 4 angeordnet sind. Halbkugelförmige Strukturelemente können durch die Verwendung von Nanopartikel für die Strukturierung des Teilelements 7 verwendet werden oder auch, wie dies beispielsweise in Hauser et al., Tailored disorder: a self-organized photonic contact for light trapping in silicon-based tandem solar cells, Opt. Express 28, 10909 (2020) dargelegt ist, ausgebildet werden.
Die Strukturelemente 8 sind in dieser Ausführungsform aus amorphem Silizium oder Titanoxid-Kügelchen gebildet, welche aus der Nassphase auf der dem Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht 4 aufgebracht werden. Das Ausfüllen der Abstände zwischen den Strukturelementen 8 erfolgt durch Aufbringung eines leitfähigen Oxids, mittels welchem einerseits die Kontaktierung der Zwischenschicht 4 ermöglicht wird und andererseits eine Planarisierung erreicht wird, sodass das untere Spiegelelement 6 als planer Spiegel mit einer geringen Rauigkeit aufgebracht werden kann.
Die Kontaktierung der oberen und unteren Teilzelle 2, 3 erfolgt wiederum Kontakte auf und unterhalb der Solarzelle. Alternativ besteht auch hier die Möglichkeit, dass die Kontakte über die dem Licht abgewandte Seite der Mehrfachsolar- zelle 1 über metal wrap through Kontakte durch die obere und Teilzelle 2,3 erfolgt.
Wie auch bei der ersten Variante der Mehrfachsolarzelle 1 weisen auch die in den Figuren 3 bis 7 dargestellten Ausführungsformen der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 zumindest eine optische Komponente 11 , 12, 13 auf der dem Licht zugewandten Seite oberhalb der oberen Teilzelle 2 der Mehrfachsolarzelle auf. Hierbei handelt es sich wiederum um ein Glas 11 , eine Anti- Reflexionsschicht 12 oder ein oberes Spiegelelement 13. Unabhängig von der Variante der Mehrfachsolarzelle 1 weisen die optischen Komponenten 11 , 12, 13 für die weitere Variante der Mehrfachsolarzelle gleiche Eigenschaften auf, sodass auf die vorgenannten Ausführungsformen entsprechend verwiesen wird.
Alternativ kann die Mehrfachsolarzelle 1 auch keine optische Komponente 11 , 12, 13 aufweisen.
Die Strukturelemente 8 sind unabhängig von einer Variante der Mehrfachsolarzelle 1 nicht auf eine bestimmte Form begrenzt. In den Figuren 8a, 8b und 8c sind Ausschnitte verschiedener Ausführungsformen des Teilelements 7 mit den Strukturelementen 8 in einer Draufsicht dargestellt. In Figur 8a sind die Strukturelemente 8 des Teilelements 7 mit einer rechteckigen Grundfläche ausgebildet und bilden in Dickenrichtung 14, welche aus der Zeichenebene heraus verläuft, quaderförmige Strukturelemente 8 aus. Der Bereich des Abstands zwischen den Strukturelementen 8 kann abhängig von der Variante der Ausführungsform der Mehrfachsolarzelle 1 durch einen Fotolack, ein Halbleitermaterial, ein Dielektrikum oder durch ein Gas wie Luft ausgefüllt sein und Teil des optischen Elements 5 bilden. Insbesondere in der weiteren Variante der Mehrfachsolarzelle 1 entspricht wird der Bereich des Abstands zwischen den Strukturelementen 8durch die Trennschicht 9 ausgefüllt. Die Strukturelemente 8 sind somit in das optische Element 5 eingebettet. Alternativ kann in diesem Bereich des Abstands zwischen den Strukturelemente 8 auch ein Vakuum herrschen.
Der mittlere Abstand X ergibt sich in diesem Fall auf Grund der regemäßigen Anordnung der Strukturelemente 8 aus dem Abstand der Mittelpunkte der Strukturelemente 8. So können diese insbesondere als Punkte eines Punktgitters ausgebildet sein, welche eine quaderförmige, würfelartige oder halbrunde Form aufweisen.
Bei der halbrunden Form der Strukturelemente 8 liegt die kreisförmige Grundfläche unmittelbar an der Zwischenschicht 4 an wie dies in Figur 8c dargestellt ist, und die Rundung ist in Richtung des unteren Spiegelelements 6 ausgebildet.
Die Strukturelemente 8 mit der runden Grundfläche sind hierbei regelmäßig in Reihen ausgebildet, wobei die benachbarte Reihe versetzt ausgebildet ist, so dass diese ein hexagonales Gitter ausbilden. Der mittlere Abstand X ergibt sich in diesem Fall der Anordnung der Strukturelemente 8 in einem hexagonalen Gitter aus dem Netzebenenabstand des Gitters, wie dies in der Figur 8c dargestellt.
Auch können die Strukturelemente 8, wie in Figur 8b dargestellt eine trapezförmige Grundfläche aufweisen, die sich durch die spezielle Ausprägung der Zwischenbereiche zwischen den Strukturelementen 8 ergibt. Auch können die Strukturelemente 8 als kegelförmige oder pyramidenförmige Elemente, deren Spitze in Richtung des unteren Spiegelelements 6 gerichtet ist, oder stumpfförmigen Varianten hiervon ausgebildet sein. Die genaue Ausgestaltungsform der Strukturelemente 8 hängt im Wesentlichen von den verwendeten Materialien für die obere und untere Teilzelle 2, 3 sowie der Zwischenschicht 4 und den Materialien des optischen Elements 5 ab. Für die spezielle Form der Strukturelemente 8 ist insbesondere auch der Herstellprozess von großem Einfluss.
Auch können die Strukturelemente 8 ein Liniengitter oder hexagonales Gitter ausbilden. Bei einem Liniengitter errechnet sich der Abstand zwischen zwei benachbarten Strukturelementen 8 aus dem Abstand der Mittellinien der benachbarten Strukturelemente 8. Bei unregelmäßigen Liniengittern erfolgt die Berechnung des mittleren Abstands X über das Mittel aller Abstände zwischen den Strukturelementen 8 der gesamten Mehrfachsolarzelle 1.
Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert. Bezugszeichenliste:
1 Mehrfachsolarzelle
2 Teilzelle (obere)
3 Teilzelle (untere)
4 Zwischenschicht
5 optisches Element
6 unteres Spiegelelement
7 Teilelement
8 Strukturelement
9 Trennschicht
10 Planarisierungsschicht
11 Glas
12 Anti-Reflexionsschicht
13 oberer Spiegelelement
14 Dickenrichtung
15 laterale Richtung
16 Punktkontakt
X mittlerer Abstand

Claims

Ansprüche
1. Mehrfachsolarzelle (1) mit zumindest zwei Teilzellen (2, 3), wobei zumindest eine Teilzelle (2, 3) aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, mit einer Licht zugewandten oberen Teilzelle (2) und einer Licht abgewandten unteren Teilzelle (3), wobei eine obere Bandlücke der oberen Teilzelle (2) größer als eine untere Bandlücke der unteren Teilzelle (3) ist, und wobei auf der Licht abgewandten Seite der unteren Teilzelle (3) eine Zwischenschicht (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht (4) ein optisches Element (5) umfassend ein unteres Spiegelelement (6) angeordnet ist, wobei das optische Element (5) ein Teilelement (7) mit mehreren Strukturelementen (8) umfasst, welche unmittelbar oder mittelbar an der Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht (4) in einer lateralen Richtung (15) angeordnet sind, und dass das Teilelement (7) und das untere Spiegelelement (6) aus einem gleichen Material ausgebildet sind und die Strukturelemente (8) einen mittleren Abstand (X) kleiner oder gleich dem 1 ,3-fachen eines Abstandswerts (A) aufweisen, wobei sich der Abstandswert (A) aus einem Verhältnis aus einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge zu einem Brechungsindex der unteren Teilzelle (3) ergibt.
2. Mehrfachsolarzelle (1) mit zumindest zwei Teilzellen (2, 3), wobei zumindest eine Teilzelle (2, 3) aus einem direkten Halbleiter gebildet ist, mit einer Licht zugewandten oberen Teilzelle (2) und einer Licht abgewandten unteren Teilzelle (3), wobei eine obere Bandlücke der oberen Teilzelle (2) größer als eine untere Bandlücke der unteren Teilzelle (3) ist, und wobei auf der Licht abgewandten Seite der unteren Teilzelle (3) eine Zwischenschicht (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht (4) ein optisches Element (5) umfassend ein unteres Spiegelelement (6) angeordnet ist, wobei das optische Element (5) ein Teilelement (7) mit mehreren Strukturelementen (8) umfasst, welche unmittelbar oder mittelbar an der
34 Licht abgewandten Seite der Zwischenschicht (4) in einer lateralen Richtung (15) angeordnet sind, und dass das untere Spiegelelement (6) als ein planer Spiegel mit einer Rauigkeit mit einem Effektivwert kleiner 50 nm, bevorzugt kleiner 20 nm ausgebildet ist, wobei zwischen dem Teilelement (7) und dem unteren Spiegelelement (6) zumindest eine Trennschicht (9) ausgebildet ist.
3. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine, bevorzugt alle Teilzellen (2, 3) aus einem Material aus der Gruppe der 11 l-V- H albleiter, insbesondere im Wesentlichen auf Basis von binären, ternären, quaternären und/oder quinternären Verbindungen gebildet ist.
4. Mehrfachsolarzelle (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Teilzelle (3) eine Dicke kleiner 1200 nm, bevorzugt kleiner 750 nm, besonders bevorzugt kleiner 500 nm aufweist.
5. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der oberen und unteren Teilzelle (2, 3) zumindest eine weitere Teilzelle angeordnet ist, deren Bandlücke zwischen der oberen und unteren Bandlücke liegt.
6. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Spiegelelement (6) aus einem Metall, insbesondere Silber oder Gold, gebildet ist und/oder dass die Zwischenschicht (4) aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus einem Material aus der Gruppe der 111- V-H al bleiter, gebildet ist, wobei vorzugsweise die Bandlücke der Zwischenschicht (4) größer der unteren Bandlücke ist.
7. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
35 dass das Teilelement (7) als Quadratgitter, Kreuzgitter, hexagonales Gitter, Punktgitter oder als maßgeschneiderte, ungeordnete (tailored disorder) Struktur ausgebildet ist.
8. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (8) regelmäßig oder unregelmäßig angeordnet sind und/oder dass die Strukturelemente (8) eine Dicke in einer Dickenrichtung (14) zwischen 50 nm und 400 nm, bevorzugt zwischen 100 nm und 300 nm aufweisen.
9. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (8) als Quadraten, Gitterlinien und/oder Gitterpunkte und/oder als Streuzentren, insbesondere als Nanopartikel, ausgebildet sind.
10. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Licht zugewandten Seite oberhalb der oberen Teilzelle (3) zumindest eine optische Komponente, insbesondere ein Glas (11) und/oder eine Anti-Reflexionsschicht (12) und/oder ein oberes Spiegelelement (13), angeordnet ist.
11. Mehrfachsolarzelle (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (11 , 12, 13) eine mit der Photonenzahl der Strahlung gewichtete Transmission für Strahlung mit einer Energie größer oder gleich der unteren Bandlücke von zumindest 85%, bevorzugt von zumindest 90%, besonders bevorzugt von zumindest 93% aufweist, und/oder dass die optische Komponente (11 , 12, 13) eine mit der Energie der Strahlung gewichtete Absorption für Strahlung mit einer Energie im Bereich kleiner der unteren Bandlücke bis zum einem spektralen Ende des relevanten eingestrahlten Spektrums kleiner 15%, bevorzugt kleiner 10% aufweist, und/oder dass die optische Komponente (11 , 12, 13) eine Emission von Strahlung im Bereich des mittleren Infrarot, insbesondere für Strahlung mit einer Wellenlänge größer 3 pm, bevorzugt größer 5pm, von größer 90%, bevorzugt von größer 95%, besonders bevorzugt von größer 98% aufweist.
12. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung der Teilzellen (2, 3) über Kontakte an der lichtabgewandten Seite erfolgt, insbesondere mittels metal wrap through Technologie.
13. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand (X) der Strukturelemente (8) kleiner oder gleich dem 1 ,2-fachen des Abstandswerts (A) und/oder größer oder gleich dem 0,8-fachen, bevorzugt dem 0,9-fachen des Abstandswerts (A) ist.
14. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittlere Abstand (X) zwischen 230 nm und 450 nm, bevorzugt zwischen 250 nm und 400 nm beträgt.
15. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen (8) durch ein dielektrisches Material und/oder ein Halbleitermaterial, insbesondere mit einer Bandlücke größer der unteren Bandlücke, und/oder durch einen Lack, insbesondere einen Fotolack, ausgefüllt ist.
16. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilelement (7) und die Zwischenschicht (4) aus dem gleichen Material ausbildet sind und/oder dass das Teilelement (7) durch einen Lack, insbesondere einen Fotolack, gebildet wird.
17. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich des Abstandes zwischen den Strukturelementen (8) durch die Trennschicht (9) ausgefüllt ist.
18. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12 oder 16 bis
17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (8) einen mittleren Abstand (X) kleiner einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge aufweisen, bevorzugt einen mittleren Abstand (X) kleiner oder gleich dem 1 ,3-fachen eines Abstandswerts (A) aufweisen, wobei sich der Abstandswert (A) aus einem Verhältnis aus einer der unteren Bandlücke zugeordneten Wellenlänge zu einem Brechungsindex der unteren Teilzelle (3) ergibt.
19. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12 oder 16 bis
18, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (9) leitfähig ist oder dass zur Kontaktierung der Zwischenschicht (4) zwischen der Zwischenschicht (4) und dem unteren Spiegelelement (6) Punktkontakte (16) ausgebildet sind.
20. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12 oder 16 bis
19, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (9) aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise amorphes Silizium oder einem Titanoxid, bevorzugt Titandioxid, oder einem vorzugsweise transparent leitfähigen Oxid, beispielsweise Indiumzinnoxid oder Indiumzinkoxid oder Aluminiumzinkoxid, gebildet ist, oder dass die Trennschicht (9) aus einem vorzugsweise transparenten dielektrischen Material, beispielsweise SiÜ2, gebildet ist.
21. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12 oder 16 bis
20, dadurch gekennzeichnet,
38 dass zwischen der Trennschicht (9) und dem unteren Spiegelelement (6) eine Planarisierungsschicht (10) angeordnet ist, wobei die Planarisierungsschicht (10) vorzugsweise aus einem Polymer oder aus einem Dielektrikum oder einem transparent leitfähigen Oxid gebildet ist. Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12 oder 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (9) und/oder die Planarisierungsschicht (10) eine Dicke zwischen 100 nm und 300 nm, bevorzugt um 200 nm aufweisen, wobei für die Trennschicht (9) sich die Dicke aus einem Abstand zwischen einem Licht abgewandten Ende des Strukturelements (8) und dem unteren Spiegelelement (6) oder der Planarisierungsschicht (10) ergibt. Verwendung einer Mehrfachsolarzelle (1) nach einem der vorhergehen- den Ansprüche 1 bis 22 in extraterrestrischen Systemen und/oder in terrestrischen Konzentratorsystemen und/oder Flugobjekten und/oder Fahrzeugen und/oder Thermophotovoltaik.
39
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