JP2012500961A - 太陽光吸収装置のための層システム - Google Patents

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Abstract

少なくとも１つの太陽熱吸収装置（２）と、該太陽熱吸収装置の上に堆積された少なくとも１つの太陽電池層システム（３）とを含む太陽光吸収装置（１）において、
前記太陽電池層システムは、第１の層（１０）と、該第１の層（１０）に直接接触する第２の層（１１）とを含み、
前記第２の層（１１）は、前記太陽熱吸収装置（２）の上に直接的または間接的に平坦に堆積されている、
ことを特徴とする太陽光吸収装置。

Description

本発明は、太陽光吸収装置、このような太陽光吸収装置を含む太陽熱コレクタ、ならびにこのような太陽光吸収装置の製造方法に関する。
近年、太陽エネルギのできるだけ効率的な太陽熱利用は、当分野における著しい開発活動に拍車を掛けている。それ以来、熱の基本原理を使用して如何にして人間社会のために太陽エネルギを使用可能にできるかについて、多数のコンセプトが発展してきた。現在まだ科学的な試験研究段階にある開発や、大規模試験段階では定着できなかった多数の開発以外にも、とりわけ真空管コレクタ、平板コレクタ、ならびに放物面トラフコレクタが、工業使用ならびに家庭使用においても経済的であると判明している。これら全てのアプローチは、太陽光の電磁スペクトルの所定の部分を特別な吸収板を用いて熱エネルギに変換するのに適しており、この熱エネルギは熱流体の加熱に使用される。太陽熱装置で加熱されたこのような熱流体は、その後例えば循環ポンプを用いて熱交換器に供給することができ、熱交換器を介して熱流体に蓄積された熱エネルギが排出され、この熱エネルギは後続のステップにおいて使用可能となる。
このような太陽熱装置の効率は、一連の幾何学的形状による要因の他にも基礎となる熱導体パラメータまたは材料パラメータによって決定される。現在、家庭ならびに工業において使用されている太陽熱装置の効率は、典型的には５０％から９０％の間に達している。しかしながらつまり、太陽熱装置によって収容された熱エネルギの５０％から１０％は未だに使用されずに、再び排熱として放出ないし放射されているということである。
太陽熱装置の効率を向上するために吸収板の種々の改善策が提案された。これらは部分的に図５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄおよび図６でも詳細に図示されている。ここでは主に、太陽放射のための吸収板を特に損失熱放射が低減されるように選択的に構成することに尽力されている。例えば、石英ガラス、ＴｉＮ，ＴｉＯおよびＴｉＯ２の混合物、炭化チタンによる多層コーティングが設けられた高選択性の吸収板が使用され、熱損失はたった１０％にまで低減することができる。
太陽熱装置の全体効率を更に向上させるため、つまり、受け取った太陽放射をより大部分まで使用可能にするために、太陽放射を同時に熱と光起電力に利用するというコンビネーションを可能にする技術開発がさらに提案された。
このようなコンビネーション型装置の一例として、ＤＥ３９２３８２１Ａ１には、熱コレクタと光起電力コレクタとを１つのコレクタユニットに組み合わせる解決手段が開示されている。ここに記載されているコレクタは、熱交換媒体が通流する熱流体システムを、絶縁性のエアロゲルに埋め込まれた熱コレクタの構成部分としている。太陽放射が熱コレクタに衝突する際には、典型的に、太陽放射うち比較的短い波長を備える部分は吸収されず、赤ないし赤外の部分だけが熱に変換されて使用される。太陽放射の入射方向に関して、熱コレクタに後置して光起電力コレクタが配置されており、光起電力コレクタは太陽放射の残りのスペクトル、すなわち可視光およびＵＶ光を、光起電力効果を用いて電流を発生するために使用可能にする。熱コレクタおよび光起電力コレクタは、それぞれ絶縁性のエアロゲルの厚い層によって互いに隔てられている。
ＤＥ３９２３８２１Ａ１に記載された熱コレクタと光起電力コレクタのコンビネーションは、熱コレクタの構造形態ならびに熱コレクタの幾何学的形状に基づき、光起電力コレクタに関して多数の欠点を有している。絶縁性のエアロゲルに空気を含めることにより、一方ではこのコンビネーション型コレクタに入射する太陽光の強力な散乱が生じ、太陽放射、とりわけ赤外放射における大部分が失われてしまう。さらには熱コレクタの熱流体システムの管は、太陽放射の入射方向に関して光起電力コレクタに前置されておりこの光起電力コレクタを遮蔽する配置をしているので、散乱断面積も増加する。したがって太陽放射の一部分は、熱交換器の管によって反射および偏光され、当該放射部分は、光起電力による電流発生のためにはもはや使用不可能となる。つまり光起電力による電流発生の効率は著しく低減されるのである。これに加えてコンビネーション型コレクタの構造的な複雑性も指摘すべきであり、このような複雑性によって一方では製造コストが高くなり、また障害脆弱性や、このような装置の維持管理要求も格段に高まる。
熱コレクタと光起電力コレクタを１つのユニットに組み合わせることに関する別の構造的な努力は、例えばSolarhybrid AG社によってもなされている。Solarhybrid AG社によって製造されたコンビネーション型コレクタは単結晶または多結晶の太陽電池を含んでおり、これらの太陽電池は太陽熱コレクタのガラス製カバープレートの下側に接着される。しかしながらこの構成によれば、太陽電池は動作中に放射入射によって非常に熱くなり、光起電力効率は著しく低下してしまう。さらに付加的に加えられた太陽電池は、例えば遮蔽によって熱獲得のための光入射にも影響を与え得る。
したがって本発明の課題は、上に述べた従来技術の欠点を回避することである。とりわけ本発明の課題は、従来技術から公知の太陽光吸収装置と比べて製造コストが低減されていると同時に、高い全体効率を有する太陽光吸収装置を提供することである。
この課題は、請求項１に記載の太陽光吸収装置、請求項１６に記載の太陽熱コレクタ、ならびに請求項１９に記載のこのような太陽光吸収装置の製造方法によって解決される。
とりわけこの課題は、少なくとも１つの太陽熱吸収装置と、該太陽熱吸収装置の上に堆積された少なくとも１つの太陽電池層システムとを含む太陽光吸収装置において、前記太陽電池層システムは第１の層と、該第１の層に直接接触する第２の層とを含み、前記第２の層は、前記太陽熱吸収装置の上に直接的または間接的に平坦に堆積されている、ことを特徴とする太陽光吸収装置によって解決される。
さらに本発明の課題は、少なくとも１つの太陽熱吸収装置と少なくとも１つの太陽電池層システムと備える、上記記載の少なくとも１つの太陽光吸収装置を含む太陽熱コレクタによって解決される。
さらに本発明の課題は、少なくとも１つの太陽熱吸収装置と少なくとも１つの太陽電池層システムとを備える太陽光吸収装置の製造方法において、少なくとも、太陽熱吸収装置を準備するステップ、第２の層を前記太陽熱吸収装置の上に直接的または間接的に堆積させるステップ、および前記第２の層の上に直接第１の層を堆積させるステップを含むことを特徴とする方法によって解決される。
本発明の本質的な技術思想は、太陽熱コレクタに含まれた太陽光吸収装置が、太陽熱吸収装置と該太陽熱吸収装置の上に堆積された太陽電池層システムとを有することにある。ここでは、太陽電池層システムは、太陽熱吸収装置の上に直接的または間接的に平坦に堆積されており、このようにして熱コレクタおよび光起電力コレクタからなるコンパクトかつ頑強なユニットが設けられる。この太陽熱吸収装置はさらに、通常の太陽熱コレクタに含まれた太陽熱吸収装置とすることができる。さらに太陽熱吸収装置は、特別に調整された表面も有することができ、この表面は、太陽放射の吸収を改善するだけでなく、本発明による太陽電池層システムとの接続をも改善することができる。
本発明の太陽熱吸収装置は、太陽熱吸収装置の表面に太陽放射が衝突する際の、該太陽放射の熱ないし熱放射への変換を保証する。とりわけ太陽熱吸収装置は、表面の調整によって、ないしは１つまたは複数の吸収層の堆積によって、太陽光スペクトルの可視部分の赤および赤外放射を吸収して熱に変換するのに適当である。
太陽熱吸収装置には、太陽光線の入射方向に関して、本発明の太陽電池層システムが前置されている。この太陽電池層システムは、太陽熱吸収装置が効率的に熱ないし熱放射に変換できない太陽光スペクトルの可視放射およびＵＶ放射の吸収を可能にするものである。このために太陽電池層システムは、一方では透過率に関して適当な透過領域を有しており、この透過領域はとりわけ可視の太陽光スペクトルの赤および赤外部分を妨げることなく充分に透過させることができる。太陽電池層システムは太陽熱吸収装置と平坦に接続されているので、とりわけ太陽電池層システムが太陽熱吸収装置の上に直接堆積されている場合には、散乱光の割合も著しく低減することができる。したがって、太陽放射のうち太陽電池層システムに入射してくる部分は、太陽電池層システム自体において吸収により利用可能となるか、または太陽熱吸収装置において、ここでそれぞれ行われる物理的な吸収プロセスによって利用可能となる。
本発明の太陽電池層システムは、第１の層と、該第１の層に直接接触する第２の層とを有する。ここでは第１の層を光起電力システムの光陽極として設け、第２の層を光陰極として設けることができる。しかしながら構成および選択された材料に応じて、第１の層が光陰極の機能を果たし、第２の層が光陽極の機能を果たすようにすることも可能である。
光起電力システムに代えて、本発明の太陽電池層システムを光電気化学層システムとすることも可能である。光電気化学層システムの第１の層は、光陰極または光陽極として構成されており、第２の層は、相応に光陽極または光陰極として構成されている。このようにして太陽放射を、太陽熱を使用する以外にも光電気化学的なガス発生のためにも付加的に利用することによって、太陽光吸収装置を含む太陽熱コレクタの全体効率が向上する。本発明の太陽電池層システムの第２の層を構成するためには、例えばＴｉＯ２，ＳｒＴｉＯ３，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｃｕ２Ｓ，ＧａＡｓ，ＣｄＳ，ＭｏＳ２，ＣｄＳｅＳ，Ｐｂ３Ｏ４，またはＣｄＳｅのグループからなる一連の半導体材料が適当である。さらに工場生産にて比較的低コストで製造可能な二酸化チタン（ＴｉＯ２）は、特に適当であることが判明している。二酸化チタンは非常に種々異なる変更を加えて使用することもでき、この変更により、第２の層が異なる厚さの第２の層を形成することができるだけでなく、巨視的な層構造に所期のように影響を与えることができる。この場合、例えば非常に薄いＴｉＯ２層、ＴｉＯ２フィルム、多結晶ＴｉＯ２、焼結されたＴｉＯ２粉末、ならびに、例えばルチル、アナターゼ、またはブルカイトのような別のＴｉＯ２結晶構造も考えられる。さらに第２の層の半導体は、価電子帯と伝導帯の間のエネルギギャップの所期の調節を可能にする適当なドーピングを有することができる。
第２の層に直接接触する第１の層はさらに、金属から形成することができるか、または第２の層の半導体とは逆のドーピングがなされた半導体から形成することができる。第１の層の半導体材料を形成するために、上に挙げた第２の層の半導体材料を含むことができる。第１の層を形成するために金属を使用する場合には、とりわけ動作中の層の分解を阻止するために、使用する金属が表面的に酸化し難いものであること、すなわち比較的大きな仕事関数を有するものであることに注意すべきである。第１の層を形成するためにとりわけＲｕ，Ｒｈ、Ｐｄ，Ａｇ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｐｄ，Ｔａ，Ｗの元素が適当である。
第１の層のために使用される材料に応じて、第１の層と第２の層の間にｐｎ接合部（半導体材料を使用する場合）が形成されるか、またはショットキーコンタクト（金属を使用する場合に該当）が形成される。
太陽電池層システムの第１の層ならびに第２の層の材料を適当に選択することによって、一方では、太陽放射の太陽熱利用に重要な部分を通過させるために充分な透過率を有する、適当な光起電力システムを構成することができる。さらに第１の層ならびに第２の層の材料を適当に選択することにより、太陽熱による熱発生のために使用される部分に対しても透過性である、適当な光電気化学システムを構成することができる。本発明の太陽光吸収装置が、太陽熱による熱発生と光電気化学によるガス発生とを同時に行うために使用される場合には、太陽電池層システムの周囲を包囲ないし通流する電解質が必要である。光電気化学によるガス発生の原理については、ＤＥ１０２００４０１２３０３を参照されたい。
本発明の別の本質的な技術思想はさらに、太陽電池層システムを太陽熱吸収装置の上に直接的または間接的に堆積させることによって太陽電池層システムを適切に冷却できるということにある。冷却は、太陽電池層システムの厚さを太陽熱吸収装置全体の面積に比べて比較的小さくし、僅かな熱容量しか有さないようにすることによって促進される。とりわけ太陽電池層システムが光起電力システムとして動作する場合には、熱放射ないし熱エネルギの大部分が形成され、これにより典型的な使用条件下では、光起電力による電流発生において大きな効率損失が生じることがある。つまり典型的には、光起電力による電流発生の効率は１℃増加するごとに約０．５％減少する。その点において、太陽電池層システムの充分な冷却は、光起電力による効率を改善するためには非常に重要である。
そこで本発明によれば、太陽電池層システムを太陽熱吸収装置の上に直接的ないし間接的に堆積させることにより、太陽熱吸収装置を介して太陽電池層システムから効率的に熱排出することが可能となる。太陽熱コレクタ内の太陽熱吸収装置は通常、太陽放射の吸収によって発生した有効熱を熱流体システムへと排出するので、同時に、太陽電池層システムにおいて発生した熱も効果的にこの熱流体システムへと排出することが可能である。このようにして一方では太陽熱の収率ないし太陽熱の効率が上昇し、他方では光起電力の電流収率ないし光起電力の効率が改善される。
さらには、本発明の太陽電池層システムを太陽熱吸収装置の上に直接的ないし間接的に堆積させることにより、太陽熱の効率を低下させ得る太陽熱吸収装置の遮蔽が低減される。とりわけ本発明によれば、太陽熱吸収装置および太陽電池層システムを接続する保持部／保持層ないし装置は設けられない。このような機械的要素は遮蔽および光反射ないし光散乱によって太陽熱の効率を低下させるので、本発明のように太陽熱吸収装置の上に太陽電池層システムを配置することは、太陽熱の光収率の低下を充分に阻止する。このような配置はさらに、太陽電池層システムを非常に薄く構成することによっても支持される。
本発明の太陽光収集装置の第１の実施形態においては、太陽電池層システムが、太陽光スペクトルの少なくとも一部分に対して、とりわけ太陽光スペクトルの赤および／または赤外部分に対して透過性である。このようにして、太陽光スペクトルのうち太陽熱使用のために特別重要な波長領域が太陽熱吸収装置に入射し、電磁光エネルギの熱への変換が可能となる。さらには、光スペクトルの可視領域ないしＵＶ領域のうち、光起電力による電流発生ないし光電気化学変換のために重要なスペクトル領域が使用可能となる。さらに、太陽電池層システムの第１の層および第２の層のための材料を適当に選択することによって、ならびにこれらの層の厚さを適当に選択することによって、太陽電池層システムの透過率に有利に影響を与えることができる。
本発明の太陽光吸収装置の別の１つの実施形態においては、太陽電池層システムの厚さは、１０００ｎｍ以下、とりわけ７５０ｎｍ以下、有利には４００ｎｍと６００ｎｍの間、さらに有利には約５００ｎｍである。太陽電池層システムの厚さをこの実施形態に基づいて選択することによって、太陽熱吸収装置による吸収による太陽熱の変換のために供給される太陽放射を充分に透過することが可能となり、太陽電池層システムは、透過されなかった放射部分を荷電分離のために太陽電池層システムへと充分に入射できるようにする。さらには消費すべき材料量、ひいては発生する材料コストは、太陽電池層システム全体の厚さが非常に薄いので比較的僅かであり、ひいてはコスト的に有利である。
別の１つの実施形態においては、太陽電池層システムの第１の層はプラチナを含み、第２の層は二酸化チタンを含む。とりわけ二酸化チタンのための製造コストは僅かであり、プラチナの標準電位（仕事関数）は高い（＋１．２ボルト）ので、これら２つの材料は、太陽電池層システムを製造するために特に適している。さらにプラチナ製の第１の層は、特に有利には、例えば蒸着によって二酸化チタン製の層の上に堆積させることができる。
別の１つの実施形態においては、二酸化チタンを含む第２の層は、ｎドーピングまたはｐドーピングを有する。ｎドーピングによれば、二酸化チタンを含む第２の層は太陽電磁エネルギの照射を受けると光陽極を形成し、該光陽極の表面ではとりわけ電解質溶液に発生する還元剤の光電気化学による酸化が行われる。第２の層にｐドーピングを行う択一的ケースにおいては、第２の層は光陰極を形成し、該光陰極の表面では電解質溶液に発生する酸化剤の還元が行われる。
本発明の太陽光吸収装置の別の１つの実施形態においては、第１の層は、第２の層の所定の領域を露出させる切欠部、とりわけ溝部を有している。とりわけ電解質溶液の分解による光電気化学的なガス発生の場合には、電荷担体の調整のために、光陽極ならびに光陰極が電解質溶液に接触していることが必要である。したがって第１の層に設けられた切欠部によって電解質溶液の一部が第２の層に接触することができ、ここで露出している第２の層の表面において、太陽電池層システムの構成に応じて酸化または還元が行われる。
本発明の太陽光吸収装置の別の１つの実施形態においては、太陽熱吸収装置は、銅および／またはアルミニウムを有する。これら２つの材料は、太陽電池層システムの耐久性のある均一な堆積を保証するために適当な表面構造を有する。さらにこれら２つの材料は太陽熱によって発生した熱を効果的に伝達ないし排出することが可能な良好な熱伝導体である。
本発明の太陽光吸収装置の別の１つの有利な実施形態においては、太陽電池層システムは、とりわけチタン製の第３の層を含み、該第３の層は、第２の層のうち第１の層とは反対の側にて、第２の層に直接接触している。この第３の層は、一方では第２の層の有利な電気接触を可能にし、他方では頑強な導電性の基板を提供する。とりわけ太陽電池層システムの第３の層と第２の層との間には、オーム性抵抗が構成されており、このオーム性抵抗は、太陽電池層システム内の導電特性の決定に関わる。
本発明の太陽光吸収装置の別の実施形態によれば、太陽電池層システムは第４の層、とりわけ絶縁材料を含み、この第４の層は、第２の層に直接接触しているか、または、第２の層のうち第１の層とは反対の側にある第３の層と接触している。第４の層は、太陽熱吸収装置に対する太陽電池層システムの電気絶縁のために特に有利に使用され、太陽電池層システムで発生した電荷は太陽熱吸収装置を介して電気的に流出し得ない。ここでは第４の層は、特に有利には二酸化シリコン層として形成することができ、二酸化シリコン層は、例えば浸漬方法またはゾル・ゲル法によって例えばオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯ）を使用して、簡単に太陽熱吸収装置の上に堆積させことができる。
本発明の太陽光吸収装置の１つの有利な実施形態においては、第１の層の厚さは２５ｎｍ以下、とりわけ１８ｎｍ以下、有利には８ｎｍと１５ｎｍの間、さらに有利には約１３ｎｍである。特にここで実施された実施形態においては、第１の層の厚さは１３ｎｍである。
本発明の太陽光吸収装置の別の１つの実施形態においては、第２の層の厚さは、６５０ｎｍ以下、有利には４５０ｎｍと５５０ｎｍの間、さらに有利には約５００ｎｍである。特にここで実施された実施形態においては、第２の層の厚さは５００ｎｍである。
本発明の太陽光吸収層の別の１つの実施形態においては、第２の層は、多数の個々の粒子を含み、これらの粒子の平均直径は、５０ｎｍ以下、とりわけ３５ｎｍ以下、有利には１５ｎｍと２５ｎｍの間、さらに有利には約２０ｎｍである。有利には、第２の層の多数の個々の粒子は、クラスタ結合として配置されている。したがって太陽電池層システムのナノ構造化された層を形成することができ、この層は、一方では表面積を拡大することができ、他方では、第２の層の材料の典型的な禁止領域内で追加的なエネルギ状態を生じさせることができ、この追加的なエネルギ状態は、利用可能な波長領域をとりわけ低エネルギ状態へと拡張させる。択一的実施形態においては、太陽電池層システムの第１の層も、多数の個々の粒子ないしクラスタとして形成することができる。
本発明の太陽光吸収装置の別の１つの実施形態においては、第３の層の厚さは、５ｎｍから２５ｎｍである。第３の層は、所期の透過率に基づいてできるだけ薄く構成する必要があり、したがって有利には５ｎｍから２５ｎｍ厚である。
さらには、本発明の太陽光吸収装置は、太陽光吸収装置に含まれた太陽熱吸収装置が、互いに電気的に直列に接続された多数の太陽電池層システムを有することを特徴としている。とりわけ光起電力システムとして使用する場合には、個々の太陽電池層システムの電圧が加算され、これによって出力電圧は上昇する。
本発明の太陽光吸収装置の別の１つの実施形態においては、太陽熱吸収装置は、通常の太陽熱コレクタにおいて使用するために設けられている。したがって通常ないし業界標準の太陽熱コレクタは、本発明の実施形態に基づいた１つないし複数の太陽光吸収装置を使用することによって非常にコスト的に有利に改装することができ、この際、実質的に太陽熱コレクタのケーシングは変更せずに維持することができる。太陽電池層システムを光起電力システムとして使用する場合には、太陽熱コレクタのケーシングにおいて少なくとも１つの電線リードスルーが必要なだけである。太陽電池層システムを光電気化学システムとして使用する場合には、太陽熱コレクタのケーシングは、１つまたは複数の供給部によって少なくとも部分的に電解質溶液を充填できるように拡張すべきであり、排出部によって使用済みの電解質溶液を太陽熱コレクタのケーシングから除去することができると同時に、同一の排出部ないし付加的に設けられた排出部によって、電界によって発生したガスを放出することができる。
本発明の太陽熱コレクタの特に有利な実施形態においては、太陽電池層システムは、光起電力による電流発生に適するよう電気的に配線されており、この際太陽熱吸収装置は、太陽熱のエネルギ獲得のためにも同時に適するように熱流体システムと結合されている。したがって動作時には、つまり太陽電磁放射の入射時には、光起電力によって電流を生成することができると同時に、熱流体システムを介して排出された熱を例えば熱交換器によって利用可能にすることができる。
本発明の太陽熱コレクタの択一的実施形態においては、太陽熱コレクタは、電解質溶液、とりわけ水のための少なくとも１つの供給部ならびにガスのための排出部を有しており、太陽電池層システムは光電気化学によるガス発生のために適当なものであり、太陽熱コレクタは、同時に太陽熱によるエネルギ獲得のためにも適するように熱流体システムと結合されている。したがって、本発明の太陽熱コレクタは、光電気化学によって発生するガスと太陽熱によって発生する熱とを同時に発生するために使用することができる。電解質溶液として水を使用する場合には、光電気化学によって発生するガスは水と酸素の混合物である。太陽熱コレクタからの混合ガスが排出された後、この混合ガスは技術的に通常の方法によって分離することができる。とりわけプラチナおよびｎドーピングされた二酸化チタンからなる太陽電池層システムを使用する場合には、第２の層の表面において水分子が酸化され、第１の層の表面において正に荷電された酸素イオンが還元される。別の１つの実施形態においては、光起電力による電流発生、光電気化学によるガス発生、ならびに熱発生のために同時に適当な太陽熱コレクタも考えられる。
本発明による太陽光吸収装置の製造方法の有利な実施形態によれば、第１および／または第２の層は、ゲル被覆方法によって、とりわけゾル・ゲル法、スプレー被覆法、浸漬被覆法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、またはスパッタリング法によって堆積される。上述した全ての方法は、耐久性がありかつ丈夫な層を、コスト的に有利かつ技術的に簡単に実現するよう堆積することができる。
本発明のさらなる実施形態は、従属請求項に記載されている。
以下、本発明を、図面に基づいてより詳細に説明される複数の実施形態に基づいて記載する。
図１は、本発明の太陽光吸収装置の第１の実施形態の斜視図であり、この太陽光吸収装置は、太陽電池層システムと共に太陽熱吸収装置も含む。 図２ａは、本発明の太陽電池層システムのさらなる実施形態の断面図である。 図２ｂは、本発明の太陽電池層システムの実施形態の研磨断面の写真図である。 図３ａは、太陽熱と光起電力による電流とを同時に発生するための、本発明の太陽光吸収装置の１つの実施形態が装備された太陽熱コレクタの部分斜視図である。 図３ｂは、図３ａによる太陽熱コレクタの側断面図である。 図４ａは、太陽熱と光電気化学によるガスを同時に発生するための、本発明の１つの実施形態による太陽光吸収装置が装備された太陽熱コレクタの部分斜視図である。 図４ｂは、図４ａによる太陽熱コレクタの側断面図である。 図５ａは、従来通りにコーティングされた太陽熱吸収装置における太陽エネルギ流の概略図である。 図５ｂは、黒色クロムによってコーティングされた太陽熱コレクタにおける太陽エネルギ流の概略図である。 図５ｃは、高選択性のコーティングによってコーティングされた太陽熱吸収装置における太陽エネルギ流の概略図である。 図６ａは、図５ｃに図示された高選択性のコーティングによってコーティングされた太陽熱吸収装置の概略側断面図である。 図６ｂは、図６ａに図示された高選択性のコーティングによってコーティングされた太陽熱吸収装置のエネルギ流の概略部分図である。
以下、同じないし同じ作用を有する全ての構成部材および特徴には、同一の参照符号を使用する。
図１は、本発明の太陽光吸収装置１の第１の実施形態の斜視図を示す。太陽光吸収装置１は、太陽熱吸収装置２と、該太陽熱吸収装置２の上に堆積された太陽電池層システム３とを含む。図示した太陽熱吸収装置２は平坦に形成された金属層であり、この金属層は例えば銅またはアルミニウムから形成することができるか、または少なくともこれらの金属を合金の形態で含む。この金属製の太陽熱吸収装置２の表面にはまず第４の層１３が堆積されており、この第４の層は、一体的な一続きの層として太陽熱吸収装置２の表面に直接接触している。第４の層１３のうち太陽熱吸収装置２とは反対の側には、４つの、互いに平行に配向されており、かつ等間隔を置かれた第３の層１２が、ストリップの形態で堆積されている。第３の層１２のうち第４の層１３とは反対側の表面には、それぞれ第２の層１１がストリップの形態で堆積されている。第２の層１１は、階段状に構成されて、間隔を置いて隣接する２つの第３の層１２の間の中間空間も充填している。各第２の層１１のうち各第３の層１２とは反対側の表面には、それぞれ第１の層１０がストリップの形態で配置されている。第１の層１０は、階段状に構成されて、隣接する２つの第２の層１１の間の領域を充填している。第１の層１０ならびに第２の層１１ならびに第３の層１３は、互いに平行の配置を有しており、それぞれ互いに隣接して配置される層同士はストリップの形態にて等間隔を有している。このような配置によれば、それぞれ隣接して配置されかつ平行に配向される第１の層１０同士の間には切欠部１５が設けられており、この切欠部１５はそれぞれ第２の層１１に対する表面を露出させている。
互いの個々の層のこのような配置は、図示した太陽光吸収装置が、太陽熱によるエネルギ獲得のためであると同時に光電気化学によるガス発生のためにも使用される場合にとりわけ有利である。このために第１の層１０、第２の層１１、第３の層１２、および第４の層１３を含む太陽電池層システム３の周囲は部分的に電解質溶液が流れており、溝部として構成されている切欠部１５はこの電解質溶液によって充填されている。本実施例の太陽光吸収装置１が光エネルギによって、とりわけ太陽光エネルギによって照射されると、第１の層１０の表面、ならびに第２の層１１の、切欠部１５内で露出している表面にて、電解質溶液の分解ないしは電解質溶液の個々の構成成分の分解が引き起こされる。
有利な実施形態においては、第４の層１３は絶縁層として構成されており、この絶縁層は、特に有利には二酸化ケイ素からなる電気絶縁層から形成される。このような電気絶縁層は、例えば太陽熱吸収装置１の表面にて、浸漬被覆法によって、特にゾル・ゲル法によって形成することができる。本実施形態によれば、第３の層１２は金属製のチタン層として構成されている。この層を第４の層１３の上に堆積させるためには特にＣＶＤ法、ＰＶＤ法、またはスパッタリング法が適当である。第３の層１２の上に堆積される第２の層１１は、本実施形態によれば二酸化チタンから形成されており、同等の方法によって堆積させることができる。終端の第１の層１０自体は別の方法ステップによって堆積され、このステップは、実質的に第３の層１２の堆積のために使用可能な方法を使用することができる。本実施形態によれば、第１の層１０はプラチナからなる。
ここで二酸化チタンからなる第２の層１１がｎドーピングを有する場合、この第２の層では、光入射の際に多数のホール・電子ペアが生成される。自由になった電子は第１の層１０へと移動し、ここで還元反応が推進される。残留するホールは表面的に第２の層１１に集合し、切欠部１５における露出した領域において別の電解質構成成分を酸化させる。電解質溶液が水である場合にはこの酸化により酸素が発生し、プラチナ製の第１の層１０の表面では水素への還元が生じる。ここでは各互いに平坦に設けられた第１の層１０と第２の層１１の間の移行部はショットキーダイオードとして機能する。ショットキーダイオードはｐｎ移行部、すなわち半導体−半導体−移行部を有さず、金属−半導体−移行部を有する。しかしｐｎ移行部を有するダイオードのようにショットキーダイオードも整流作用を有する。それぞれの層列によって形成されたショットキーダイオードは、図面の下方領域において、規格化された電気用図記号を用いて象徴的に再現されている。本実施形態によれば、各層１０，１１，１２は約２０ｍｍのストリップ幅を有する。
第１の層１０、第２の層１１、および第３の層１２から形成される層システムの全体厚さは、本実施例によれば約５６０ｎｍである。
図２ａは、第４の層１３，第３の層１２，第２の層１１および第１の層１０からなる本発明の太陽電池層システムの別の１つの実施形態の断面図を示す。図１に図示された実施形態と同様に、図示した電気絶縁用の第４の層１３が設けられている。第３の層１２は４００ｎｍ厚のチタン層であり、第２の層１１は約１５０ｎｍ厚のｎドーピングされた二酸化チタン層であり、第１の層１０は約１０ｎｍ厚のプラチナ層である。ここでは、太陽光線による照射時における動作中に、第３の層１２と第２の層１１との間に抵抗コンタクト１６が形成される。図示した太陽電池層システム３の光起電力ならびに光電気化学機能のために重要なショットキーコンタクト１７は、第２の層１１と第１の層１０の間の移行領域にて形成される。
図２ｂは、本発明の太陽電池層システムの１つの実施形態による断片および断面研磨の走査型トンネル電子顕微鏡写真図である。とくにここでは、基本的な第３の層１２がチタンから形成されており、第３の層１２は、ｎドーピングされた二酸化チタンからなる第２の層１１に直接接触している。第２の層１１は、プラチナ製の第１の層１０に直接接触している。図示した層厚は、図面の描写を簡単化するために図２に図示した層厚と比べて寸法の点で適合されている。
図３ａは、本発明の太陽熱コレクタの１つの実施形態の部分断面斜視図である。太陽熱コレクタは、本発明の太陽光吸収装置の１つの実施形態を採用することによって、従来の太陽熱コレクタの適合として（この場合、Ｂｕｄｅｒｕｓ ＳＫＳ ４．０の高性能炉である）実施することができる。装備改良によって、改造を実施するためのコストは、新システムを製造する場合と比べて格段に低減される。ここでは、熱流体供給部４１と熱流体排出部４２とを有する熱流体システム４０はさらなる適合を必要としない。
むしろここでは、２重メアンダとして構成された熱流体システム４０は変更することなく維持することができる。太陽熱コレクタの適合のためには本発明の１つの実施形態による太陽光吸収装置１を挿入するだけでよい。光起電力によって形成される電流を取り出すためにはさらに適当な電気配線が必要であり、この電気配線は、ケーシングから電線リードスルー５９を介して案内することができる。電線リードスルー５９は、ファイバガラスから製造されたフレーム５８において、プラスチック射出成形技術により強化用に形成された角領域に設けることができる。さらにここで図示する太陽熱コレクタはガラスカバー５５を含み、ガラスカバー５５は例えば３．２ｍｍ厚の強化ガラスカバーとして形成されている。断熱のためにさらに断熱材料５６の層を設けることができ、この断熱材料は、熱流体システム４０と背壁５７との間に配置される。本実施形態によれば、背壁は０．６ｍｍ厚のアルミニウム−亜鉛−コーティングされた鉄プレートとすることができ、断熱材料は、５５ｍｍ厚のガス放出の無い断熱材料の層とすることができる。従来の太陽熱コレクタと同様に本実施形態の太陽熱コレクタも、端封部６０の近傍にセンサ挿入スリーブ５３を有する。
図３ｂは、図３ａに図示した太陽熱コレクタの側断面図を、電線リードスルー５９の領域にて示す。とりわけここではガラスカバー５５を認識することができる。ガラスカバー５５は、封止部６１ならびに太陽光吸収装置１の面とともに中空空間を画定している。この中空空間には、熱排出の低減の理由から、充填ガス６２、とりわけ希ガスが充填されている。太陽光吸収装置１は熱流体システム４０に直接接触しているので、太陽熱による熱発生時には、太陽光吸収装置１にて発生した熱を直接的に熱流体システム４０に排出することができる。熱流体システム４０を、熱流体排出部４２を介して太陽熱コレクタから排出される熱流体が通流している。熱効率を改善するために背壁５７と熱流体システム４０との間には断熱材料５６が配置されており、この断熱材料が損失放射および太陽熱コレクタの背壁への熱排出を回避する。
図４ａに図示した太陽熱コレクタは、実質的に図３に図示した太陽熱コレクタと同じであり、ここでは図４ａに図示した太陽熱コレクタは、光起電力と太陽熱のコンビネーション型の解決方法としてではなく、光電気化学と太陽熱のコンビネーション型の太陽熱コレクタとして構成されている。
図３に図示した太陽熱コレクタの構成に比べて、図４の太陽熱コレクタは、太陽熱吸収装置２（図示しない）の他にも太陽電池層システム３（ここには図示しない）が装備されている太陽光吸収装置１を含み、この太陽電池層システムは、光電気化学的使用のために適している。図３ａにおける電線リードスルー５９のかわりに、図４に図示した太陽熱コレクタには供給部５０ならびに排出部５２が装備されており、これによって太陽熱コレクタに電解質溶液５１（ここには図示しない）を供給することができる。電解質溶液の使用ないし光電気化学による分解の範囲内で形成されたガスは、これ以上詳細には図示しない開口部を介して除去されるか、または排出部５２を介しても、使用済みの電解質溶液とともに除去される。
図４ｂは、図４ａで変更された太陽熱コレクタの、図３ｂと比較可能に図示された領域を、側断面図にて示す。電解質溶液５１のための詳細には図示しない供給部５０および排出部５２以外に、図４ｂに図示した部分は、図３ｂの充填ガス６２が電解質溶液５１に置き換えられている点で図３ｂに図示した部分と異なっている。
図５ａは、従来通りにコーティングされた太陽熱吸収装置の概略断面図である。最も簡単な図５ａに図示する実施形態においては、金属７０から形成された太陽熱吸収装置の表面に黒色塗料がコーティングされている。このような太陽熱吸収装置は太陽光線の約５０％を熱に変換し、太陽熱のために利用可能にすることができる。この場合は典型的には、太陽光線の５％が、塗布された黒色塗料の表面上で反射され、太陽熱吸収装置にて形成される熱の４５％が再び周囲へと利用不能な形態で放出される。
これに比べて、太陽熱吸収装置に含まれた、黒色クロムによる金属基盤のコーティングは、格段のエネルギ効率の上昇を示す。しかしながら黒色クロムコーティングを使用すると、環境負担は大きいが、典型的には太陽光線の８０％が太陽熱吸収装置によって利用のために吸収される。他方で５％だけが反射され、発生熱の１５％は熱放射として再び周囲に利用不能に放出される。
しかしながら高選択性のコーティングを使用すると、従来の太陽熱吸収装置の効率をさらに格段に上昇させることができる。このような高選択性のコーティング７１によれば、例えば太陽光線の９０％の熱が利用可能となり、高選択性のコーティング７１においては、５％だけが太陽光線の反射によって失われ、ここでは太陽熱吸収装置によって吸収されるエネルギの約５％が熱放射として周囲に再び放出される。
図５ｃに再現した高選択性のコーティング７１の実施形態の１つが、図６ａにて断面図で示されている。ここでは高選択性のコーティング７１は、保護層および抗反射層である石英ガラス（ＳｉＯ２）７２製のカバー層によって保護されている。この層の厚さは典型的には０．１μｍである。石英ガラス７２と金属７０（金属基板）との間には、高選択性の吸収層７１が、拡散バリアとともに配置されている。高選択性の吸収層は、典型的にはＴｉＮ，ＴｉＯ，ＴｉＯ２からなる混合物を含み、厚さは約０．１μｍである。同様に設けられる拡散バリアは、炭化チタンから形成することができる。このコーティングに基づき、有利には太陽スペクトルのうち青色スペクトル領域のより多くの光が、石英ガラスの層７２と高選択性の吸収層７１との間の境界層にて反射され、とりわけ太陽スペクトルのうち赤外線成分は太陽熱吸収装置によって熱の形態で吸収される。この状態は図６ｂに概略的に図示されている。
ここでは上述した全ての特徴部分、とりわけ図面に示した詳細は、それ単体で見ても、また如何なるように組み合わせても、本発明の本質であるとして請求されることに注意されたい。これらの部分の変更は、当業者にはよく知られている。
１ 太陽光吸収装置
２ 太陽熱吸収装置
３ 太陽電池層システム
１０ 第１の層
１１ 第２の層
１２ 第３の層
１３ 第４の層／絶縁材料
１５ 切欠部／溝部
１６ 抵抗コンタクト
１７ ショットキーダイオード
２０ 粒子
３０ 太陽熱コレクタ
４０ 熱流体システム
４１ 熱流体供給部
４２ 熱流体排出部
５０ 供給部（電解質溶液）
５１ 電解質溶液
５２ 排出部（電解質溶液）
５３ センサ挿入スリーブ
５５ ガラスカバー
５６ 断熱材料
５７ 背壁
５８ フレーム
５９ 電線リードスルー
６０ 端封部
６１ 封止部
６２ 充填ガス
７０ 金属
７１ 高選択性のコーティング
７２ 石英ガラス

Claims (16)

  1. 少なくとも１つの太陽熱吸収装置（２）と、該太陽熱吸収装置の上に堆積された少なくとも１つの太陽電池層システム（３）とを含む太陽光吸収装置（１）において、
    前記太陽電池層システムは、第１の層（１０）と、該第１の層（１０）に直接接触する第２の層（１１）とを含み、
    前記第２の層（１１）は、前記太陽熱吸収装置（２）の上に直接的または間接的に平坦に堆積されている、
    ことを特徴とする太陽光吸収装置。
  2. 前記太陽電池層システム（３）は、太陽光スペクトルの少なくとも一部分に対して、とりわけ太陽光スペクトルの赤および／または赤外部分に対して透過性である、
    ことを特徴とする請求項１記載の太陽光吸収装置。
  3. 前記太陽電池層システム（３）の厚さは、１０００ｎｍ以下、とりわけ７５０ｎｍ以下、有利には４００ｎｍと６００ｎｍの間、さらに有利には約５００ｎｍである、
    ことを特徴とする請求項１または２記載の太陽光吸収装置。
  4. 前記太陽電池層システム（３）の前記第１の層（１０）は、貴金属、とりわけパラジウムおよび／またはプラチナを含み、
    前記第２の層（１１）は、二酸化チタンを含む、
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の太陽光吸収装置。
  5. 前記第１の層（１０）は、前記第２の層の所定の領域を露出させる切欠部（１５）、とりわけ溝部（１５）を有している、
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の太陽光吸収装置。
  6. 前記太陽電池層システム（３）は、とりわけチタン製の第３の層（１２）を含み、
    前記第３の層は、前記第２の層（１１）のうち前記第１の層（１０）とは反対の側にて、前記第２の層（１１）に直接接触している、
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の太陽光吸収装置。
  7. 前記太陽電池層システム（３）は、第４の層（１３）、とりわけ絶縁材料（１３）を含み、
    前記第４の層は、前記第２の層（１１）のうち前記第１の層（１０）とは反対の側にある第３の層（１２）に直接接触している、
    ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の太陽光吸収装置。
  8. 前記第１の層（１０）の厚さは、２５ｎｍ以下、とりわけ１８ｎｍ以下、有利には８ｎｍと１５ｎｍの間、さらに有利には約１３ｎｍである、
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の太陽光吸収装置。
  9. 前記第２の層（１１）の厚さは、６５０ｎｍ以下、有利には４５０ｎｍと５５０ｎｍの間、さらに有利には約５００ｎｍである、
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の太陽光吸収装置。
  10. 前記第２の層（１１）は、多数の個々の粒子（２０）を含み、
    前記粒子の平均直径は、５０ｎｍ以下、とりわけ３５ｎｍ以下、有利には１５ｎｍと２５ｎｍの間、さらに有利には約２０ｎｍである、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の太陽光吸収装置。
  11. 前記第３の層（１２）の厚さは、５ｎｍから２５ｎｍである、
    ことを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項記載の太陽光吸収装置。
  12. 前記太陽熱吸収装置（２）は、互いに電気的に直列に接続された複数の太陽電池層システム（３）を有する、
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項記載の太陽光吸収装置。
  13. 少なくとも１つの太陽熱吸収装置（２）と少なくとも１つの太陽電池層システム（３）とを備える、請求項１から１２のいずれか一項記載の少なくとも１つの太陽光吸収装置（１）を含む太陽熱コレクタ。
  14. 前記太陽熱コレクタ（３０）は、電解質溶液（５１）、とりわけ水のための少なくとも１つの供給部（５０）ならびにガスのための排出部（５２）を有しており、
    前記太陽電池層システム（３）は、光電気化学によるガス発生のために適当なものであり、
    前記太陽熱吸収装置（２）は、太陽熱によるエネルギ獲得のためにも同時に適するように熱流体システムと結合されている、
    ことを特徴とする請求項１３記載の太陽熱コレクタ。
  15. 少なくとも１つの太陽熱吸収装置（２）と少なくとも１つの太陽電池層システム（３）とを備える、請求項１から１２のいずれか一項記載の太陽光吸収装置（１）の製造方法において、少なくとも、
    ・太陽熱吸収装置（２）を準備するステップ、
    ・第２の層（１１）を前記太陽熱吸収装置（２）の上に直接的または間接的に堆積させるステップ、
    ・前記第２の層（１１）の上に第１の層（１０）を直接堆積させるステップ
    を含むことを特徴とする製造方法。
  16. 前記第１の層（１０）および／または第２の層（１１）を、ゲル被覆法によって、とりわけゾル・ゲル法、スプレー被覆法、浸漬被覆法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、またはスパッタリング法によって堆積させる、
    ことを特徴とする請求項１５記載の製造方法。
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