JP2021522697A - 切替え可能な吸収素子及び太陽電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、切替え可能な吸収素子及びそれに基づく太陽電池に関する。本発明に係る切替え可能な吸収素子は、吸収層を有する。吸収素子は、さらに、少なくとも１つの表面側反射層と少なくとも１つの裏面側反射層を有し、吸収層は、表面側反射層と裏面側反射層の間に配置され、表面側反射層と裏面側反射層の間の光路長は、少なくとも電池に垂直に入射する光に対して４００ｎｍより小さい。本発明に係る吸収素子は、反射層の少なくとも１つは、切替え可能な反射率を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、切替え可能な吸収素子及びそれに基づく太陽電池に関する。
遮光システムは、多くの領域で、例えば、大きな窓ファサードを有する高層ビルで、使用されている。その目的で、既知のシステムは、ローラーシャッターや日よけのような、機械式遮光に依存している。しかしながら、多くの可動部品により、機械式遮光システムは、故障しがちで、保守集約型である。温度上昇又は照明に応じて独立して遮光する、又は、ユーザが、例えば、電気的に可変に暗くでき、それにより、機械式遮光に依存する必要のない窓が、既に存在する。
夏は、この型のビルディングは典型的には、非常に温度が上がり、従って、常に、遮光の必要性が高い時にも同様に、環境制御に多くのエネルギーを必要とする。特に、遮光に対する必要性が高い時機に、非常に大量のエネルギーを生成することが、きわめて有利であろう。
電気エネルギーは、太陽（ソーラー）電池とも呼ばれる、太陽（フォウトウヴォルテイク）電池を用いて、電池に入射する光から発生することができる。この目的のために、太陽電池は、自由電荷キャリアを電磁放射の形式のエネルギーの供給により生成することができる、吸収素子を有する。
既知の遮光システムは、しかしながら、反射又は単純な吸収のいずれかにより、光を遮り、それにより遮られた光のエネルギーを使用することはない。一般的に、能動的遮光に応答して、熱又は電気を発生する、２つのシステムがあるが、それらは、すでに上述した欠点を有する、太陽熱又は太陽光発電と、従来の機械式遮光部品の組み合わせに基づいている。太陽電池が電気的に切替え可能な吸収体又はミラーと結合された、理論的に存在するアプローチは、全表面の小部分のみが太陽電池を装備しているという欠点を有しており、これも切替え可能な遮光の動作のためのエネルギーを生成する目的のみに役立ち、そして、同時に、光の放射に応答して自動切替えを提供する。太陽電池が設けられた表面は、それぞれ、光不透過であるか、又は静的な遮光部を有している。さらに、動的に遮られる光からのエネルギーは失われる。
太陽電池は、独国特許出願ＤＥ１０ ２０１３ ２１７ ６５３ Ａ１から知られており、表面側電極と裏面側電極、及び、表面側電極と裏面側電極の間に配置され、少なくとも３０質量パーセントのゲルマニウムを含有する、光電的活性吸収層を有する。吸収層は、４０ｎｍより少ない厚みを有し、太陽電池は表面側反射層と裏面側反射層を有し、吸収層は表面側反射層と裏面側反射層の間に配置され、表面側反射層と裏面側反射層の間の光路長は、吸収層のバンドギャップに対応する経路長の半分よりも小さい。それにより、光路長は、屈折率と幾何学的経路長の積から計算される。この太陽電池は、吸収層の厚みが既知の太陽電池と比較して減少され、吸収容量はわずかにのみ減少するという、利点を有する。
本発明の目的は、可能な限り長く、及び、最大可能なストロークで可逆的に切替えられることが可能な吸収素子を提供することであり、ストロークは、以下で、最小吸収率／最大透過率と、最大吸収率／最小透過率の間の差として理解される。本発明の更なる目的は、可能な限り長く、及び、可逆的な方法で、最大可能なストロークで、切替えられることが可能な吸収素子を有する太陽電池を提供することである。
本発明により、この目的は、独立請求項１の特徴を有する吸収素子により、解決される。吸収素子の有利なさらなる展開は、従属請求項２から１０から得られる。この目的は、請求項１１に記載の太陽電池によりさらに解決される。太陽電池の有利な実施形態は、従属請求項１２から１４から得られる。
本発明に係る切替え可能な吸収素子は、吸収層を有する。吸収素子はさらに、少なくとも１つの表面側反射層と少なくとも１つの裏面側反射層を有し、吸収層は表面側反射層と裏面側反射層の間に配置されており、表面側反射層と裏面側反射層の間の光路長は、少なくとも電池に垂直に入射する光に対して、４００ｎｍよりも小さい。以後、用語「表面側」は、それにより、例えば、太陽のような光源に面する吸収素子の側を参照し、一方、以後、用語「裏面側」は、光源から離れた側に面する吸収素子の側を参照する。光路長は、屈折率と幾何学的な層厚の積から計算することができる。本発明に係る吸収素子は、反射層の少なくとも１つが切替え可能な反射率を有することを特徴とする。
部分的にあるいは完全にそれぞれ反射する少なくとも２つの反射層の間に位置する薄い吸収層は、１回通過するときに入射光の５０％よりも少ない光を有意に吸収する。共振又は定在波又は多重反射は、それぞれ、所定の条件下で、反射層の間で生成される。層の単純な通過と比べると、これは、乗じられた吸収率となる。このタイプの吸収要素は、例えば、ゲルマニウムを含むことができる。吸収層が、表面側反射層と裏面側反射層の間の光路長が少なくとも電池に垂直に入射する光に対して４００ｎｍよりも小さいような寸法の厚みを有するという条件で、表面側反射層と裏面側反射層の間で広帯域光共振を形成し、この結果、吸収層の吸収率が、有意に増加する。反射層の少なくとも１つが、切替え可能な反射率を有する場合、入射光は大部分が透過され得るか又は、他の切替え状態で、共振により大部分が吸収され得るかのいずれかであり、例えば、熱及び／又は電気エネルギーを生成するために使用されることが可能である。反射層の少なくとも１つの反射率がオフにされたときには、共振効果はほぼ完全に消滅し、その結果、この光は吸収層を１回のみ通過し、大部分が透過される。対照的に、反射層の反射率がともにオンにされた場合には、それぞれ、共振又は定在波により、吸収層が繰り返し通過され、これは、高吸収率を導き、これにより、高ストロークを導き、僅かな光しか透過されず、これにより遮光効果が発生する。切替え可能な吸収素子の発明の配置は、さらに、切替え可能な吸収素子が、電荷キャリア選択性電極と、少なくとも１つの表面側電極と少なくとも１つの裏面側電極と、表面側電極と裏面側電極の間に配置された吸収層とを、さらに有する太陽電池に集積されたときに、効率的な電荷キャリア再生と高電気エネルギーの生成を導き、吸収層が光電的に活性であるように設計されている。
それらの材料又は材料の組み合わせは、それぞれ、一度通過するときに、切替え可能な反射層の少なくとも１つによる反射モードで反射される光に対し、少なくとも約５％の、好ましくは少なくとも約１０％の、及び、最大約３０％の、好ましくは最大約２０％の、吸収率をすでに確保しており、吸収層のための、材料又は材料の組み合わせとして、それぞれ、有利であることが判明した。少なくとも１つの切替え可能な反射層それ自身の反射モードの表面側反射層と裏面側反射層の間で形成する、多重反射による吸収層の高い吸収率を達成するために、吸収層は、それ自身が切替え可能でないという条件で、一度通過するときに、ある最小吸収率をすでに必要とする。この最小吸収率は非常に小さくすべきなので、吸収層を一度通過するときに、少なくとも１つの切替え可能な反射層の透過モードで、僅かな光しか吸収されず、一方で、少なくとも１つの切替え可能な反射層の反射モードでは、例えば、吸収層を１０回、実効的に通過する結果として共振により、高吸収率が達成される。１回通過するときには、その値は、吸収層の材料と厚みの関数であるが反射層の切替え状態の関数ではない。
一方で、切替え可能な吸収素子の透過モードで、できる限り無彩色な、カラーを確保するために、他方で、遮断モードの最大可能な広帯域吸収を確保するために、吸収層が設けられた表面側反射層と裏面側反射層の間の光路長は、可能な限り小さくなければならない。好ましい実施形態では、表面側反射層と裏面側反射層の間の光路長は、従って、少なくとも電池に垂直に入射する光に対して、２００ｎｍよりも小さい。
特に好ましい実施形態では、表面側反射層と裏面側反射層の間の光路長は、少なくとも電池に垂直に入射する光に対して、１００ｎｍよりも小さい。
有利な実施形態では、吸収層と表面側反射層の間の境界面は、少なくとも１０％の反射率を有する。
吸収層が、アモルファスゲルマニウム及び／又はそれに基づく合金を有するときに、有利であることが、さらに分かった。
他の実施形態では、吸収層は、遷移金属ジカルコゲナイド（ＴＭＤＣｓ）及び／又は、例えば、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳｅ２、ＳｎＳｘ、ＭｏＯｘのような、他の金属ベースの半導体材料を有する。
さらに好ましい実施形態では、吸収層それ自身が、切替え可能な吸収率を有し、その結果、切替え可能なストロークがさらに増加する。
記載された有利な実施形態は、とりわけ、切替え可能な吸収素子が、光電的に活性であるように実施されているときに、エネルギー生成の最適化をもたらす。
発明の太陽電池は、太陽電池が発明の吸収素子を有し、太陽電池がさらに電荷キャリア選択性電極と、少なくとも１つの表面側電極と少なくとも１つの裏面側電極を有することを特徴とする。光電的に活性であるように設計された吸収層は、表面側電極と裏面側電極の間に配置されている。
太陽電池は、生成された電流を除去する更なる電極を有する場合に、有利であることが、判明した。
太陽電池のさらに有利な実施形態は、吸収層の、表面側反射層の、及び／又は、裏面側反射層の中の層のうちの少なくとも１つが、３次元に構造化されていることを特徴とする。薄層太陽電池の場合には、太陽電池の個々のセルストリップの電気的直列接続を達成するために、つまり、高電流の代わりに高電圧を発生するために、例えば、レーザ線により、異なる層の構造化が起こり得る。
少なくとも１つの切替え可能な反射層は、エレクトロクロミック、ガソクロミック、サーモクロミック、又は、フォトクロミックな材料に基づくことが可能である。液晶又はキラル材料も、主成分として可能である。少なくとも１つの切替え可能な反射層は、特に、多層スタックを有すことができ、層は１つ又は幾つかの上述の切替え可能な材料を含み、選択的に、追加の触媒層により補完され、エレクトロクロミック材料の場合には、例えばＩＴＯ層の、電極層により補完される。しかしながら、どのくらい正確に少なくとも１つの切替え可能な反射層が構成されるかは、一般的には重要でない。
好ましい実施形態では、反射層の少なくとも１つが、エレクトロクロミック材料に基づいており、この反射層は、太陽電池と共通電極を有する。それにより電極が節約できる。
本発明のさらなる利点、特徴、及び有利なさらなる展開は、従属請求項から得られ、及び、図面に基づく好ましい例示の実施形態の以下の記載から得られる。
本発明に係る吸収素子の一般的な構成を示す。 ゲルマニウム吸収層を含む本発明に係る吸収素子の例示的実施形態を示す。 表面側反射層の一部としてｎ−層を含む切替え可能な裏面側反射層を含む本発明に係る吸収素子の例示的実施形態を示す。
図１は、本発明に係る吸収素子１の一般的な構成を示す。３つの幅広の矢印により示されているように、光が吸収素子１へ実質的に垂直に入射する。吸収素子１は、表面側反射層５と裏面側反射層６を有する。吸収層４は、少なくとも電池に垂直に入射する光に対して、表面側反射層５と裏面側反射層６の間の光路長が４００ｎｍよりも小さいような寸法の厚みを有している。そして、広帯域共振又は定在波又は多重反射は、それぞれ、表面側反射層５と裏面側反射層６の間で形成される。層の単純な通過と比べると、これは、乗じられた吸収率となる。吸収層４は、従って、共振器８を形成する。吸収層４は、それにより、単層又は異なる層の層スタックで構成されることが可能である。反射層（表面側反射層５及び／又は裏面側反射層６）の少なくとも１つは、切替え可能な反射率を有する。
図２は、ゲルマニウムの吸収層４を含む本発明に係る吸収素子１の例示的実施形態を示す。表面側反射層５は、特に銀の、金属グリッド構造として成形され、この金属は吸収素子１の表面の、例えば１０％の、小部分のみを覆い、一方、ＴＣＯ（透明導電性酸化物）の、特に、材料ＺｎＯ：Ａｌ（ＡＺＯ）、ＳｎＯ２：Ｆ（ＦＴＯ）、Ｉｎ２Ｏ３：Ｆ（ＩＴＯ）の１つの、更なる層が、両方の層を合わせて、少なくとも８０％の吸収素子１を覆うように、この金属グリッドの表面側上に成形される。両材料が高反射率を有するということにより、例えば、アモルファス又は微結晶シリコンに対する境界面で、ともに、それらは、表面側電極２を形成すると同時に、この場合には、例えば、８０ｎｍの厚みの、表面側反射層５を形成する。この表面側反射層５は、主に約２の屈折率を有する。
吸収層４は、アモルファス又は、微結晶ゲルマニウム層として形成される。吸収層４は、それにより、約１０ｎｍの厚みの、アモルファス、ｎ−ドープシリコン合金の光入射側に、第１層４ａを含む層スタックで構成される。層の厚みが約３から３０ｎｍのアモルファス真性ゲルマニウム合金の第２層４ｂが、第１層４ａに続く。最後の第３層４ｃは、層の厚みが約１０ｎｍの微結晶ｐ−ドープシリコン合金を有する。この層スタックは、約３．５から４．５の屈折率を有する共振器８を形成する。
吸収素子４は、平坦に形成された、切替え可能な裏面側反射層６により、完成する。
この実施形態では、第ｎ−層が、その屈折率が吸収層の隣接する第２層４ｂの屈折率と本質的に同様であるという点で、共振器８の内部の部分として形成される。
図３は、表面側反射層５の一部としてｎ−層を含む切替え可能な吸収素子１を示す。構成は、従って、前に示した例示的実施形態の構成に対応するが、第ｎ−層は、吸収層４の、つまり、共振器８の第１層４ａではなく、表面側反射層５の第２層５ｂであり、表面側反射層の第２層５ｂの屈折率は、吸収層の第２層４ｂの屈折率とは有意に異なるという相違を有する。ここで、共振器８は、層の厚みが約３から３０ｎｍのアモルファス真性ゲルマニウム合金の第２層４ｂと、層の厚みが約１０ｎｍの微結晶ｐ−ドープシリコン合金を有する最後の層４ｃからのみ構成される。この層スタックは、約３．５から４．５の屈折率を有する共振器８を形成する。この実施形態では、表面側反射層５は、ＴＣＯ（透明導電性酸化物）の、特にＩＴＯの、第１層５ａから構成される。表面側反射層５は、さらに、約１０ｎｍの厚みの、アモルファス、ｎ−ドープシリコン合金の第２層５ｂを含む。表面側反射層５の約の２の屈折率と共振器の約３．５から４．５の屈折率は、この変更より影響されない。
ここで示された実施形態は、本発明の例を示すだけであり、従って、限定するものと理解されるべきではない。当業者により考慮される他の実施形態は、本発明の保護の範囲に同様に含まれる。
１ 吸収素子
２ 表面側電極
３ 裏面側電極
４ 吸収層
４ａ 第１層
４ｂ 第２層
４ｃ 第３層
５ 表面側反射層
５ａ 第１層
５ｂ 第２層
６ 裏面側反射層
７ 太陽電池
８ 共振器

Claims (14)

  1. 切替え可能な吸収素子（１）であって、
    吸収層（４）を含み、
    前記切替え可能な吸収素子（１）は、少なくとも１つの表面側反射層（５）と少なくとも１つの裏面側反射層（６）を有し、前記吸収層（４）は、表面側反射層（５）と裏面側反射層（６）の間に配置され、表面側反射層（５）と裏面側反射層（６）の間の前記光路長は、少なくとも前記電池に垂直に入射する光に対して４００ｎｍより小さく、
    前記反射層（５，６）のうち少なくとも１つは、切替え可能な反射率を有する、ことを特徴とする、切替え可能な吸収素子（１）。
  2. 表面側反射層（５）と裏面側反射層（６）の間の前記光路長は、少なくとも前記電池に垂直に入射する光に対して２００ｎｍより小さい、ことを特徴とする、請求項１に記載の切替え可能な吸収素子（１）。
  3. 表面側反射層（５）と裏面側反射層（６）の間の前記光路長は、少なくとも前記電池に垂直に入射する光に対して１００ｎｍより小さい、ことを特徴とする、請求項１に記載の切替え可能な吸収素子（１）。
  4. 前記反射層（５、６）の少なくとも１つにより反射される前記波長範囲において、前記吸収層（４）は、一度通過するときに少なくとも５％の吸収率を有する、ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の切替え可能な吸収素子（１）。
  5. 前記反射層（５、６）の少なくとも１つにより反射される前記波長範囲において、前記吸収層（４）は、一度通過するときに少なくとも１０％の吸収率を有する、ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の切替え可能な吸収素子（１）。
  6. 前記反射層（５、６）の少なくとも１つにより反射される前記波長範囲において、前記吸収層（４）は、一度通過するときに、最大３０％、好ましくは最大２０％の吸収率を有する、ことを特徴とする、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の切替え可能な吸収素子（１）。
  7. 吸収層（４）と表面側反射層（５）の間の前記境界面は、少なくとも１０％の反射率を有する、ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の切替え可能な吸収素子（１）。
  8. 前記吸収層（４）は、アモルファスゲルマニウム及び／又は、それに基づく合金を有する、ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の切替え可能な吸収素子（１）。
  9. 前記吸収層（４）は、遷移金属ジカルコゲナイド（ＴＭＤＣｓ）及び／又は、他の金属ベースの半導体材料を有する、ことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の切替え可能な吸収素子（１）。
  10. 前記吸収層（４）は、切替え可能な吸収率を有する、ことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の切替え可能な吸収素子（１）。
  11. 太陽電池（７）であって、
    前記太陽電池（７）は、請求項１から１０のいずれか一項に記載の切替え可能な吸収素子（１）を有し、前記太陽電池（７）は、さらに、電荷キャリア選択性電極と、少なくとも１つの表面側電極（２）と、少なくとも１つの裏面側電極（３）と、表面側電極（２）と裏面側電極（３）の間に配置された前記吸収層（４）とを有し、前記吸収層（４）は、光電的に活性であるように設計された、ことを特徴とする、太陽電池（７）。
  12. 前記太陽電池（７）は、前記生成された電流を除去するさらなる電極を有する、ことを特徴とする、請求項１１に記載の太陽電池（７）。
  13. 前記層（４、５，６）の少なくとも１つは、３次元に構造化されている、ことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の太陽電池（７）。
  14. 前記反射層（５，６）の少なくとも１つは、エレクトロクロミック材料に基づいており、この反射層（５、６）は前記太陽電池（７）と共通電極を有する、ことを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の太陽電池（７）。
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