WO2003017376A1 - Thermophotovoltaik-vorrichtung - Google Patents

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WO2003017376A1
WO2003017376A1 PCT/CH2002/000383 CH0200383W WO03017376A1 WO 2003017376 A1 WO2003017376 A1 WO 2003017376A1 CH 0200383 W CH0200383 W CH 0200383W WO 03017376 A1 WO03017376 A1 WO 03017376A1
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WO
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photovoltaic element
carrier
radiation
layer
thin
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Application number
PCT/CH2002/000383
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Bitnar
Wilhelm Durisch
Günther PALFINGER
Original Assignee
Paul Scherrer Institut
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • H02S10/30—Thermophotovoltaic systems
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a thermophotovoltaic device, a Therrnophotovoltaik generator and a corresponding method according to the preamble of the independent claims.
  • Thermophotovoltaic is a technique for converting heat into electricity.
  • a heat source eg. As a gas burner, is itself emitter or heats a radiation emitter.
  • the emitted electromagnetic radiation is converted into electricity by photocells.
  • the radiation emitter should emit at the highest possible temperatures, eg. 1500 ° C, since the amount of emitted radiation energy is proportional to the fourth power of the temperature (Stef- Boltzmann's law).
  • the conversion of radiation into electrical energy in the photocells is based on semiconductor effects.
  • the operating temperature of photocells are therefore rather low, z. B. ⁇ 100 ° C. Since they can also contain temperature-sensitive materials, an efficient cooling system is required. Accordingly, a TPV device involves the complex task of combining technical difficulties of efficient heat-current conversion with simple, compact plant design and the avoidance of radiation losses with economic values such as low manufacturing and material costs.
  • TPV devices are for example in the heating industry.
  • a TPV generator z. B. combined with a gas heating, generate electricity in addition to the desired heat.
  • a equipped with thermal photovoltaic heating can be operated electrically autonomous. The electricity that it needs is generated by itself, whereby such a heating system is not affected by power outages.
  • TPV generators operate on commercial silicon or GaSb photocells, either laboriously cooled by water-cooled metal blocks or, less effectively, by water filters.
  • the monocrystalline photocells and their assembly contribute significantly to the system cost.
  • the connection of small, flat photocells to a z. B. cylindrical system also leads to significant radiation losses in the gaps and at the edges of the individual cells.
  • the inflexible photocells can not be optimally applied to curved surfaces.
  • thermo-photovoltaic device and generator and a method for converting radiation into electrical energy using thin-film photovoltaic elements, which overcomes disadvantages of previous photovoltaic devices and generators or methods with conventional crystalline photocells , Furthermore, it is an object of the invention to provide a radiation and cooling technology optimized thin-film thermophotovoltaic device or generator.
  • thermophotovoltaic (TPV) device and method for converting the radiant energy emitted by a radiation emitter into electrical energy, wherein a photovoltaic element is on or on a carrier is attached and has thin-film photocells.
  • the device includes an outer element, which forms a cavity with the support, which includes a cooling and the photovoltaic element cools very directly.
  • the thermal photovoltaic device or generator according to the invention preferably has additional functional thin layers, which are designed, for example, as protective, insulating, contact and / or filter layers.
  • a significant advantage of the inventive TPV device is the use of thin-film photovoltaic elements.
  • thin-film elements In contrast to z. As crystalline, inflexible solar cells, thin-film elements have a thickness of less than one to a hundred micrometers, typically 10 microns, and can be applied in principle to any shaped substrates, for. B. deposited, or bent. Particularly interesting in this regard are flexible or curved surfaces, for. B. of heat-resistant glass tubes. From their spectral sensitivity forth are thin-film cell materials, eg. As CuInSe 2 (CIS) or CuIn x Ga y Se 2 (CIGS), also suitable for TPV as conventional crystalline silicon photocells.
  • CIS CuInSe 2
  • CGS CuIn x Ga y Se 2
  • CIS CuInSe 2
  • CuIn x Ga y Se 2 CGS
  • HgCdTe HgCdTe
  • PbCdTe PbCdTe
  • the materials or elements may be applied to a substrate, e.g. As glass, foil, sheet metal, etc., are applied.
  • Such techniques include, for example, gas phase depositions such as chemical or physical gas phase deposition, CVD or PVD, or molecular beam epitaxy (MBE), sputtering, electrodeposition, laser evaporation, and many more.
  • gas phase depositions such as chemical or physical gas phase deposition, CVD or PVD, or molecular beam epitaxy (MBE), sputtering, electrodeposition, laser evaporation, and many more.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • the thickness of thin-film PV elements is about 0.1-100 .mu.m, wherein it is preferably in a range of 0.3-25 .mu.m, for example 3 .mu.m.
  • microcrystalline silicon cells or dye solar cells are also suitable as thin-film PV elements.
  • the thin-film photovoltaic elements are preferably provided with further layers, for. B. functional layers such as protective or filter layers, surrounded or coated. These functional layers are typically made by the same methods as the photovoltaic elements, but their thickness is preferably in the range of 1 nm to 3 ⁇ m, typically between 10 nm-1 ⁇ m, e.g. B. 30-300 nm. Thin-film photovoltaic elements are then preferably on or mounted on one or more such thin layers on a support. To a side facing the radiation emitter, ie inside the chamber, is preferably a layer, the z. B. can serve as a heat protection filter, antireflection coating or contact layer. This layer takes over one or more of the mentioned functions.
  • the current generated in the thin-film PV element can be derived directly in the contact layer and, for example, connected directly to a load or stored in an energy storage, such as battery, accumulator.
  • An example of a functional layer that includes several of the mentioned functions are so-called transparent electrically conductive layers, e.g. B. transparent conductive oxide layers (TCO) such as indium tin oxide (ITO), SnO 2 or ZnO. It is quite possible to switch several layers between the emitter and the thin-film PV element, whereby the individual layers can be optimized for single or multiple functions.
  • a contact layer may additionally be provided with electrically conductive materials, for example so-called finger contacts. This is advantageous if the electrical conductivity of the contact or other layers is too low. Finger contacts are preferably thin wire meshes, typically about 10 ⁇ m thick nets, or metal ridges typically made of silver, aluminum or copper. They are for example applied as a braid or strip on a support or a layer, or applied thereto by means of a screen printing method. A contact layer may also consist exclusively of a finger contact, for example a silver wire mesh. If a photocell is applied to an electrically conductive carrier, for example a metal tube or a metal foil, then the contact layer or a possible finger contact can also be omitted.
  • an electrically conductive carrier for example a metal tube or a metal foil
  • a layer which contains the photovoltaic element in the Essentially in front of the environment eg. B. a cooling medium, protects and is electrically insulating.
  • a cooling medium protects and is electrically insulating.
  • a provided with an insulating protective layer thin-film PV element has the distinct advantage that it directly with a cooling medium, for. As water, can be brought into contact. The thin-film PV element is thus directly cooled over its entire surface. Since the thickness of the thin film element is very small, it can be cooled very effectively because of its small thermal conductivity. This in turn allows a close positioning of the elements to an emitter, so that z. B.
  • a thin-film TPV generator can be built very compact. Efficient photovoltaic element cooling enables smaller distances between the emitter and the photovoltaic element to be realized than is possible with conventional crystalline photocell designs. This means that very slim systems with small diameters can be produced. Axial radiation losses are minimized and costs saved.
  • Thin-film PV elements and additional functional layers are preferably produced in one working step or applied to a substrate, for.
  • a substrate for.
  • an area -eben, wavy or curved or a flexible film applied is applied. This happens, for example, by successive sputtering or deposition on the same base in the same system, eg. B. a vacuum system.
  • thin-film PV elements and layers deposited directly on a supporting part of a TVP device, z. B. on a support or an outer element, such as a quartz, glass, metal or plastic tube so simplifies the assembly, since fewer items must be assembled. If the thin-film PV element, including any additional layers, is also located between the carrier and the outer element, the PV element can not be damaged during assembly.
  • Radiation emitters for the thin-film TPV generator according to the invention are generally known radiation emitters, some of which are already used for conventional TPV generators. Examples are radiation emitters, a heating source, for. B. a gas burner as described in document US 5'312'521, surrounded. Emitters are typically made of metal, ceramic material or fabrics. It is important that the material is resistant to high temperatures and thermal shock. For example, special material structures, eg. B. Keramikfasem used. Especially important is the wavelength range emitted by the radiator.
  • a TPV generator preferably includes one or more reflecting units, e.g. B. reflection layers, so that the non-convertible by the PV elements radiation component is reflected back to the emitter.
  • the inventive TPV device preferably in combination with an existing radiation emitter and a heat source, for.
  • a gas heater As a gas heater, is used, no limitation to special radiation emitter is required.
  • the device can also be provided with additionally optimized heat transfer devices between emitter and photovoltaic element, for example with a special air flow device, as described for example in document DE 198 15 094. In the following the invention will be described with reference to schematically illustrated embodiments.
  • Fig. 1 shows the plan view of a structure of a thin-film thermo-photovoltaic generator in a cross-sectional drawing and an enlarged section thereof.
  • FIG. 2 shows the generator structure of FIG. 1 with a thin-film photovoltaic element mounted on the interior side.
  • Fig. 3 shows an exemplary photovoltaic element with flexible support.
  • FIG. 1 schematically shows a thermophotovoltaic generator according to the invention with a TPV device according to the invention.
  • a radiation emitter 1 z. B. a broadband emitter or selective emitter.
  • a support 2 for example, a first glass tube made of heat-resistant quartz glass.
  • the carrier 2 forms a, the emitter-containing interior.
  • Applied externally to the first glass tube 2 is a sequence of substantially three functional layers, wherein the middle layer is formed as a thin-film photovoltaic element 6.
  • the first functional layer preferably a combined heat protection filter, antireflection and contact layer 5, z. B. a banner Conduction oxide (TCO) layer or an infrared reflective filter layer, e.g. As an approximately 10 nm to several microns thick SnO 2 - or zinc oxide filter applied ..
  • TCO banner Conduction oxide
  • infrared reflective filter layer e.g. As an approximately 10 nm to several microns thick SnO 2 - or zinc oxide filter applied ..
  • the actual photovoltaic element 6 for example, an approximately 0.2- 15 microns thick polycrystalline CuInSe 2 follows ( CIS) or CuIn x Ga y Se 2 (CIGS) layer, a microcrystalline silicon or dye cell layer. Above this there is another functional layer which protects the photovoltaic element 6 by its electrically insulating properties.
  • This delimiting insulation layer 7, which may also be designed as a reflective layer, is directly connected to the, located in the adjacent cavity 3 coolant z. As water, in contact.
  • the very direct connection between the coolant and the thin-film photocell 6 guarantees optimum cooling of the cell 6 and, moreover, allows a relatively close coalescence of the radiation emitter 1 and the photovoltaic element 6.
  • the outer termination of the TPV device forms the outer element 4.
  • photocells are preferably connected in series, wherein the interconnection can be carried out in the same manner as that in commercially available thin-film solar modules, with e.g. amorphous silicon or CIS, happens.
  • FIG. 1 shows a similar construction of a thermophotovoltaic generator as Figure 1.
  • a radiation emitter 1 a heat-resistant support 20, such as a quartz glass, and, with the support 20 a cavity enclosing outer element 4, z.
  • the photovoltaic element 60 lies on the side of the carrier 20 facing away from the cavity in the interior between the carrier 20 and the radiation emitter 1.
  • the photovoltaic element 60 is applied to the carrier 20 in a sandwich-like structure.
  • a contact layer 50 which serves for the electrical contacting of the photovoltaic element 60.
  • electrically conductive materials such as a wire mesh or metal bars may be introduced, which support the removal of the current generated by the photovoltaic element 60.
  • the photovoltaic element 60 On the other side of the photovoltaic element 60 is preferably located a second functional layer, an insulation, protection and / or filter layer 70, • 60 to protect the photovoltaic element from harmful fumes and excessive thermal radiation in the interior. 8
  • the cavity 3 is designed for guiding a coolant. Since, in this embodiment of the device according to the invention, the photovoltaic element 60 is located somewhat less directly in contact with the coolant, the carrier 20 preferably has a certain thermal conductivity.
  • the contact layer 50 preferably also contributes to good thermal contact of the photovoltaic element 60 to the carrier 20 and thus to the coolant.
  • FIG. 3 shows a thin-film photovoltaic element 63 on an elastic, flexible carrier 23, for example a thin-film carrier.
  • a first functional layer 53 is located between the photovoltaic element 63 and carrier 23.
  • a second functional layer 73 is located on the opposite side of the photovoltaic element 63.
  • the contact layer 53 or the protective layer 73 is reversed or they are preferably designed to be multifunctional, ie the layers are additional heat protection filters or antireflection layers.
  • the layers are additional heat protection filters or antireflection layers.
  • surrounded by layers photovoltaic element 63 is introduced, for example, in a coolant-carrying cavity between two tubes.
  • the thin-film photocell 63 can also be applied or clamped by means of the flexible carrier 23 onto a suitable second possibly inflexible carrier, for example a tube or a surface.
  • the carrier 23 or the contact layer 53 serves as a means for discharging the energy generated.
  • the arrangement of emitter, carrier, layers, photovoltaic element and terminating element may vary apart from the emitter and terminating element.
  • a layer for. As an IR reflector, instead of on the cavity side, also on the interior side of the carrier, for. B. of the glass tube 2, 20, be attached.
  • This has the advantage that the carrier is protected from IR radiation.
  • the reflective filter layer u.U. no longer cooled very efficiently and at the same time is exposed to any existing flue gases between emitter and carrier.
  • thin-film photovoltaic elements on a flexible substrate for.
  • a polymer film on or apply. The film can be stretched on a curved or corrugated surface.
  • This embodiment is particularly recommended when an inelastic, inflexible carrier, which is to carry the photovoltaic element, not or hardly suitable, directly, for. B. in a corresponding coating system to be coated.
  • a photovoltaic element / layer structure may also be located on the cavity side of a termination element. It is important to ensure that the usable radiation emitted by the radiator is not undesirably absorbed by intervening cooling. This also applies if a layer, for. B. applied to a flexible carrier, located in the cavity between the fixed carrier and outer element.
  • An end member is preferably omitted when no cavity is needed for cooling. This is especially the case when no cooling by means of liquid, but a cooling by means of ambient air is used, for example, when using a Peltier element.
  • a carrier or an end element can also be a majority flat surface.
  • the inventive TPV device or the generator has a plate-like structure. Since the attachment of thin-film elements is largely independent of the shape of the pad, the TVP device is in no way limited to a cylindrical or sheet-like structure. In particular, the use of thin film elements in combination with curved surfaces is best suited.
  • thin-film photovoltaic elements materials that are used in the manufacture of IR detectors.
  • materials with small band gaps such.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Thermophotovoltaik (TPV) -Vorrichtung bzw. -Generator und ein Verfahren für die Umwandlung der von einem Strahlungsemitter (1) emittierten Strahlungsenergie in elektrische Energie. Die Umwandlung geschieht mit Hilfe eines Photovoltaikelement (6), das auf bzw. an einem Träger (2) angebracht ist und aus einer Dünnschichtphotozelle (6) besteht. Vorzugsweise beinhaltet die Vorrichtung ein Aussenelement (4), welches mit dem Träger (2) einen Hohlraum (3) bildet, welcher eine Kühlung beinhaltet und das Photovoltaikelement (6) ohne grosse Wärme-Isolationsverluste kühlt. Des weiteren weist die erfindungsgemässe Thermophotovoltaikvorrichtung bzw. -generator vorzugsweise zusätzliche funktionale dünne Schichten (5, 7) auf, die bspw. als Schutz-, Kontakt-, Isolations- und/oder Filterschichten ausgebildet sind.

Description

THERMOPHOTOVOLTAIK- VORRICHTUNG
Die Erfindung betrifft eine Thermophotovoltaik-Vorrichtung, einen Therrnophotovoltaik-Generator sowie ein entsprechendes Verfahren gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Thermophotovoltaik (TPV) ist eine Technik zur Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom. Eine Wärmequelle, z. B. ein Gasbrenner, ist selber Emitter oder heizt einen Strahlungsemitter. Die emittierte elektromagnetische Strahlung wird von Photozellen in Strom umgewandelt. Der Strahlungsemitter sollte bei möglichst hohen Temperaturen emittieren, z. B. 1500°C, da die Menge an abgegebener Strahlungsenergie proportional zur vierten Potenz der Temperatur ist (Stefan- Boltzmann'sches Gesetz). Andererseits beruht die Umwandlung von Strahlung in elektrische Energie in den Photozellen auf Halbleitereffekten. Die Betriebstemperatur von Photozellen sind daher eher niedrig, z. B. <100°C. Da sie zudem temperaturempfindliche Materialien enthalten können, ist ein effizientes Kühlsystem erforderlich. Eine TPV-Vorrichtung beinhaltet dementsprechend die komplexe Aufgabenstellung, technische Schwierigkeiten einer effizienten Wärme- Strom-Konversion mit einfachem, kompaktem Anlagenaufbau und der Vermeidung von Strahlungsverlusten mit ökonomischen Werten, wie geringen Herstellungs- und Materialkosten, zu verbinden.
Technische Anwendungen von TPV-Vorrichtungen liegen beispielsweise im Heizungsbau. Dort kann ein TPV-Generator, z. B. mit einer Gasheizung kombiniert, zusätzlich zur gewünschten Wärme Strom erzeugen. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Gasenergie in Strom eines solchen gekoppelten Wärme-Strom Systems mittels Gasheizung und TPV, liegt bei nahezu 100%: Sämtliche Verluste bei der Stromerzeugung fallen wiederum als Wärme an. Eine mit Thermophotovoltaik bestückte Heizung kann elektrisch autonom betrieben werden. Die Elektrizität, die sie benötigt, wird selbst erzeugt, wobei ein solches Heizsystem nicht von Stromausfällen tangiert wird.
Technische Schwierigkeiten von TPV-Vorrichtungen liegen beispielsweise in der Kühlung der Photozellen und der Vermeidung von Strahlungsverlusten, speziell hervorgerufen durch die Anlagengeometrie. Typischerweise arbeiten TPV- Generatoren mit kommerziellen Silizium- oder GaSb-Photozellen, die entweder aufwändig durch wassergekühlte Metallblöcke oder, weniger effektiv, durch Wasserfilter gekühlt werden müssen. Die monokristallinen Photozellen und deren Montage tragen erheblich zu den Systemkosten bei. Die Verbindung von kleinen, ebenen Photozellen zu einem z. B. zylindrischen System führt zudem zu erheblichen Strahlungsverlusten in den Lücken und an den Kanten der einzelnen Zellen. Die unbiegsamen Photozellen können nicht optimal auf gekrümmte Oberflächen aufgebracht werden.
Eine Möglichkeit, Kosten für Photovoltaikzellen zu sparen, ist, nur wenige davon zu verwenden und dabei ein Reflektorensystem zu konstruieren, das die Strahlung auf die wenigen Zellen fokussiert. Diese, z.B. im Stromgenerator der US-Patentschrift 5'312'521 verwendete Methode, hat nebst dem komplizierten Reflektorensystem die Nachteile, dass nur ein kleiner Anteil der emittierten Strahlung auf die Photovoltaikzellen trifft und der Grossteil der Strahlung wieder auf den Emitter zurückreflektiert wird. Kostenabschätzungen zeigen aber, dass bereits mit der vorhandenen TPV- Technologie z.B. sehr günstige, TPV bestückte Heizungssysteme gebaut werden könnten. Der Kostenfaktor ist jedoch ein wesentlicher wirtschaftlicher Aspekt bei der Durchsetzung von TPV-Generatoren.
Ein grosser Schritt in Richtung Kosteneinsparung für TPV- Vorrichtungen kann durch die Entwicklung von Dünnschicht-Photovoltaikzellen erreicht werden. Im Dokument „Appropriate Materials and Preparation Techniques for Polycrystalline- Thin-Film-Thermovoltaic Cells ", Proc. 3th NREL Conf. On Thermophot. Generation ofElectr. 1997, pp. 423-442 von N. G. Dhere, wird beispielsweise die Verwendung unterschiedlichster Materialien für Dünnschichtphotovoltaikzellen in Betracht gezogen. Allerdings fehlt die Umsetzung von solchen Photovoltaikzellmaterialien in den Aufbau einer funktionierenden und optimierten TPV -Vorrichtung.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine Dünnschicht-Thermophotovoltaik- vorrichtung und -generator und ein Verfahren zur Umwandlung von Strahlungs- in elektrische Energie unter Verwendung von Dünnschicht-Photovoltaikelementen zu schaffen, welche Nachteile bisheriger Photovoltaikvorrichtungen und -generatoren bzw. Verfahren mit herkömmlichen kristallinen Photozellen behebt. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung eine strahlungs- und kühlungstechnisch optimierte Dünnschicht-Thermophotovoltaikvorrichtung bzw. -generator zu schaffen.
Die Aufgaben werden durch die Erfindung gelöst wie sie in den Patentansprüchen definiert ist.
Die Erfindung betrifft eine Thermophotovoltaik (TPV) -Vorrichtung bzw. -Generator und Verfahren für die Umwandlung der von einem Strahlungsemitter emittierten Strahlungsenergie in elektrische Energie, wobei ein Photovoltaikelement auf bzw. an einem Träger angebracht ist und Dünnschichtphotozellen aufweist. Vorzugsweise beinhaltet die Vorrichtung ein Aussenelement, welches mit dem Träger einen Hohlraum, bildet, welcher eine Kühlung beinhaltet und das Photovoltaikelement sehr direkt kühlt. Des weiteren weist die erfindungsgemässe Thermophotovoltaik- voπϊchtung bzw. -generator vorzugsweise zusätzliche funktionale dünne Schichten auf, die bspw. als Schutz-, Isolations-, Kontakt- und/oder Filterschichten ausgebildet sind.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen TPV-Vorrichtung ist die Verwendung von Dünnschicht-Photovoltaikelementen. Im Gegensatz zu z. B. kristallinen, unbiegsamen Solarzellen, besitzen Dünnschichtelemente eine Dicke von unter einem bis hundert Mikrometern, typischerweise 10 μm, und können prinzipiell auf beliebig geformte Substrate aufgebracht, z. B. abgeschieden, oder gebogen werden. Speziell interessant sind diesbezüglich flexible oder gekrümmte Oberflächen, z. B. von hitzebeständigen Glasrohren. Von ihrer spektralen Empfindlichkeit her sind Dünnschichtzellenmaterialien, z. B. CuInSe2 (CIS) oder CuInxGaySe2 (CIGS), ebenso für TPV geeignet wie herkömmliche kristalline Silizium-Photozellen. Ihre Bandlücke, typischerweise zwischen 0.5 und 2 eV, ist vorteilhafterweise kleiner oder gleich der von Silizium, das sich als Photovoltaikmaterial bereits bewährt hat. Die Rohstoff- und Herstellungskosten von Dünnschichtelementen sind aber wesentlich geringer, da nur kleine Materialmengen gebraucht werden. Zudem entfällt das Positionieren von Zellen auf einer Unterlage meist vollständig. Ebenso entfallen Modul- und Verschaltungskosten einzelner kristalliner Zellen. Es gibt entsprechend fast keine Zwischenräume zwischen den einzelnen Zellen und damit keine Strahlungsverluste an Zellengrenzen. Zudem kann die Kühlung der Dünnschichtelemente vereinfacht und verbessert werden, was zusammen mit der geringen Dicke der Elemente, einen kompakteren Systemaufbau als mit herkömmlichen Photovoltaikzellen erlaubt. Für Dünnschicht-PV-Elemente bieten sich vor allem polykristalline Materialverbindungen, z. B. CuInSe2 (CIS), CuInxGaySe2 (CIGS), HgCdTe, PbCdTe, etc. an, wie sie aus der Literatur bekannt sind und fortwährend entwickelt und verbessert werden. Die Materialien oder Elemente können mit herkömmlichen Techniken auf eine Unterlage, z. B. Glas, Folie, Blech etc., aufgebracht werden. Solche Techniken sind beispielsweise Gasphasenabscheidungen, wie chemische oder physikalische Gasphasendeposition, CVD bzw. PVD, oder Molekularstrahlepitaxie (MBE), Materialzerstäubung, Elektrodeposition, Laserverdampfen, u.v.m.. Je nachdem bestimmt die Herstellungsart auch die Dicke von Schichten und die Kristallitgrössen in den Schichten. Die Dicke von Dünnschicht-PV-Elementen liegt bei ca. 0.1-100 μm, wobei sie bevorzugt im einem Bereich von 0.3-25 μm, z.B. 3 μm, liegt. Als Dünnschicht-PV-Elemente bieten sich aber auch mikrokristalline Siliziumzellen oder Farbstoffsolarzellen an.
Die Dünnschicht-Photovoltaikelemente sind vorzugsweise mit weiteren Schichten, z. B. funktionalen Schichten wie Schutz- oder Filterschichten, umgeben bzw. beschichtet. Diese funktionalen Schichten werden typischerweise mit denselben Verfahren hergestellt wie die Photovoltaikelemente, ihre Dicke liegt aber bevorzugt im Bereich von 1 nm bis 3 μm, typischerweise zwischen 10 nm - 1 μm, z. B. 30- 300 nm. Dünnschicht-Photovoltaikelemente werden dann vorzugsweise über eine oder mehrere solcher dünnen Schichten auf einem Träger auf- oder angebracht. Zu einer dem Strahlungsemitter zugewandten Seite hin, d.h. innenraumseitig, befindet sich vorzugsweise eine Schicht, die z. B. als Wärmeschutzfilter, Antireflexschicht oder Kontaktschicht dienen kann. Diese Schicht übernimmt eine oder mehrere der genannten Funktionen. Es ist vorteilhaft, das Dünnschichtelement innenraumseitig, d.h. strahlungsseitig, vor zu hoher thermischer Belastung zu schützen. Dies kann z. B. durch einen wärmeisolierenden Träger und/oder durch eine zusätzliche, wärmeisolierende bzw. reflektierende Schicht, geschehen. Eine Antireflexschicht hat beispielsweise die Aufgabe möglichst wenig der konvertierbaren Strahlung zu reflektieren. Ein Wärmeschutzfilter hingegen hat die Aufgabe, denjenigen Anteil der Strahlung, d. h. denjenigen Wellenlängenbereich, zurück zum Emitter zu reflektieren, der nicht vom PV -Element konvertiert werden kann. Dies betrifft den Strahlungsanteil, der nicht energiereich genug ist, um z. B. die Bandlücke des Materials zu überwinden oder Molekülzustände im einem Farbstoff anzuregen. Eine solche Schicht kann zusätzlich auch als Kontaktschicht ausgebildet sein, falls sie elektrisch leitfähig ist. Damit kann der im Dünnschicht-PV-Element erzeugte Strom direkt in der Kontaktschicht abgeleitet werden und beispielsweise direkt an eine Last angeschlossen oder in einem Energiespeicher, z.B. Batterie, Akkumulator, gespeichert werden. Ein Beispiel für eine funktionale Schicht, die mehrere der erwähnten Funktionen beinhaltet sind sogenannte transparente elektrisch leitfähige Schichten, z. B. transparente leitfähige Oxidschichten (TCO) wie IndiumZinnOxid (ITO), SnO2 oder ZnO. Es ist durchaus möglich, mehrere Schichten zwischen Emitter und Dünnschicht-PV-Element zu schalten, wobei die einzelnen Schichten auf einzelne oder mehrere Funktionen optimiert werden können.
Eine Kontaktschicht kann zusätzlich mit elektrisch leitfähigen Materialien, beispielsweise sogenannten Fingerkontakten, versehen werden. Dies ist dann von Vorteil, wenn die elektrische Leitfähigkeit der Kontakt- oder anderen Schichten zuwenig ausgeprägt ist. Fingerkontakte sind vorzugsweise dünne Drahtgeflechte, typischerweise ca. 10 μm dicke Netze, oder Metallstege, die typischerweise aus Silber, Aluminium oder Kupfer hergestellt sind. Sie werden beispielsweise als Geflecht bzw. Streifen auf einen Träger oder eine Schicht aufgelegt, oder mittels einem siebdruckähnlichen Verfahren darauf aufgebracht. Eine Kontaktschicht kann auch ausschliesslich aus einem Fingerkontakt, beispielsweise einem Silberdrahtnetz bestehen. Wird eine Photozelle auf einem elektrisch leitfähigen Träger, beispielsweise einem Metallrohr oder einer Metallfolie, aufgebracht, so kann die Kontaktschicht oder ein allfälliger Fingerkontakt auch weggelassen werden.
Auf der dem Emitter abgewandten Seite des Dünnschicht-PV-Elements befindet sich in einer Ausführungsform eine Schicht, die das Photovoltaikelement im Wesentlichen vor der Umgebung, z. B. einem Kühlmedium, schützt und elektrisch isolierend ist. Auch hier ist es möglich, statt einer einzigen mehrere Schichten nacheinander an- oder aufzubringen. Ein mit einer isolierenden Schutzschicht versehenes Dünnschicht-PV-Element hat den entscheidenden Vorteil, dass es direkt mit einem Kühlmedium, z. B. Wasser, in Kontakt gebracht werden kann. Das Dünnschicht-PV-Element wird somit auf seiner gesamten Fläche direkt gekühlt. Da die Dicke des Dünnschichtelements sehr klein ist, kann es aufgrund seines kleinen Wärmeleitwiderstands sehr effektiv gekühlt werden. Dies wiederum erlaubt ein nahes Positionieren der Elemente an einem Emitter, so dass z. B. ein Dünnschicht- TPV-Generator sehr kompakt gebaut werden kann. Durch eine effiziente Photovoltaikelementkühlung sind kleinere Abstände zwischen Emitter und Photovoltaikelement zu realisieren als dies bei herkömmlichen Konstruktionen mit kristallinen Photozellen möglich ist. Das heisst, es lassen sich sehr schlanke Systeme mit kleinen Durchmessern herstellen. Dabei werden axiale Strahlungsverluste minimiert und Kosten eingespart.
Dünnschicht-PV-Elemente und zusätzliche funktionale Schichten werden vorzugsweise in einem Arbeitsschritt hergestellt bzw. auf eine Unterlage, z. B. ein Rohr, eine Fläche -eben, gewellt oder gekrümmt- oder eine biegsame Folie, aufgebracht. Dies geschieht beispielsweise durch aufeinanderfolgendes Aufsputtern oder Abscheiden auf die gleiche Unterlage in derselben Anlage, z. B. einem Vakuumsystem. Werden Dünnschicht-PV-elemente und Schichten direkt auf einem tragenden Teil einer TVP-Vorrichtung abgeschieden, z. B. auf einem Träger oder einem Aussenelement, wie beispielsweise einem Quarz-, Glas-, Metall- oder Kunststoffrohr, so vereinfacht sich die Montage, da weniger Einzelteile zusammengesetzt werden müssen. Ist das Dünnschicht-PV-Element inklusive allfälliger zusätzlichen Schichten zudem zwischen Träger und Aussenelement untergebracht, so kann das PV-Element bei der Montage nicht beschädigt werden. Der Hohlraum zwischen Träger und Aussenelement, z. B. zwei konzentrischen Rohren, wird vorzugsweise als Kühlbereich verwendet. Als Strahlungsemitter für den erfindungsgemässen Dünnschicht-TPV-Generator dienen allgemein bekannte Strahlungsemitter, wie sie teilweise auch bereits für herkömmliche TPV-Generatoren verwendet werden. Beispiele sind Strahlungsemitter, die eine Heizquelle, z. B. einen Gasbrenner wie im Dokument US 5'312'521 beschrieben, umgeben. Emitter sind typischerweise aus Metall, keramischem Material oder Geweben hergestellt. Wichtig ist, dass das Material hochtemperatur- und thermoschockbeständig ist. So werden beispielsweise auch spezielle Materialstrukturen, z. B. Keramikfasem, verwendet. Wesentlich ist vor allem der vom Strahler emittierte Wellenlängenbereich. Dieser stimmt vorzugsweise mit der in den Photovoltaikelementen konvertierbaren Strahlung überein, wobei die PV-Elemente als Dünnschichtphotozellen oder als konventionelle Photozellen ausgebildet sind. Um dies zu erreichen, werden selektive Strahler, z. B. seltene Erdeoxide, verwendet. Die Abstrahlleistungen sind relativ gering, dafür wird verhältnismässig wenig Brennmaterial für die Heizquelle benötigt. Eine zweite Art von Strahlern sind sogenannte Breitbandstrahler wie beispielsweise Siliziumkarbid oder Metalle. Diese haben den Vorteil, dass sie sehr hohe Abstrahlleistungen aufweisen. Allerdings ist der Anteil an nicht konvertierbarer Strahlung um einiges höher als bei den selektiven Strahlern. Dementsprechend enthält ein TPV-Generator vorzugsweise eine oder mehrere Reflektiereinheiten, z. B. Reflexionsschichten, so dass der von den PV-Elementen nicht konvertierbare Strahlungsanteil auf den Emitter zurückreflektiert wird.
Da die erfindungsgemässe TPV-Vorrichtung vorzugsweise in Kombination mit einem bestehenden Strahlungsemitter und einer Heizquelle, z. B. einer Gasheizung, verwendet wird, ist keine Einschränkung auf spezielle Strahlungsemitter erforderlich. Die Vorrichtung kann auch mit zusätzlich optimierten Wärmeübergangsvorrichtungen zwischen Emitter und Photovoltaikelement versehen werden, z.B. mit einer speziellen Strömvorrichtung für Luft, wie dies beispielsweise im Dokument DE 198 15 094 beschrieben ist. Im Folgenden wird die Erfindung anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben.
Fig. 1 zeigt die Aufsicht auf einen Aufbau eines Dünnschicht-Thermophotovoltaik- generators in einer Querschnittszeichnung und einem vergrösserten Ausschnitt daraus.
Fig. 2 zeigt den Generatoraufbau aus Figur 1 mit innenraumseitig angebrachtem Dünnschicht-Photovoltaikelement.
Fig. 3 zeigt ein beispielhaftes Photovoltaikelement mit flexiblem Träger.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemässer Thermophotovoltaikgenerator mit einer erfindungsgemässen TPV- Vorrichtung schematisch dargestellt. Auf der linken Seite der Zeichnung befindet sich ein Strahlungsemitter 1, z. B. ein Breitbandemitter oder selektiver Emitter. In einem definierten Abstand, der typischerweise in einem Bereich von 1-100 cm, z. B. 10cm für 10kW Generatoren (thermische Leistung) liegt, befindet sich ein Träger 2, beispielsweise ein erstes Glasrohr aus hitzebeständigem Quarzglas. Der Träger 2 bildet einen, den Emitter enthaltenden Innenraum. Aussen auf das erste Glasrohr 2 aufgebracht, ist eine Abfolge von im Wesentlichen drei funktionalen Schichten, wobei die mittlere Schicht als Dünnschicht-Photovoltaikelement 6 ausgebildet ist. Zwischen den drei Schichten und einem Aussenelement 4, beispielsweise einem zweiten Rohr aus Metall, Kunststoff oder Glas, z. B. einem weiteren Quarzglasrohr, befindet sich ein Hohlraum 3, in dem eine Kühlung untergebracht ist. Im vergrösserten Ausschnitt auf der rechten Seite der Figur 1 ist der Aufbau der Dünnschichtphotozellenregion detaillierter gezeigt. Auf das erste Glasrohr 2 ist die erste funktionale Schicht, vorzugsweise ein kombinierter Wärmeschutzfilter, Antireflex- und Kontaktschicht 5, z. B. eine Transparent Conduction Oxide (TCO)- Schicht oder eine Infrarot reflektierende Filterschicht, z. B. ein ca. 10 nm bis einige μm dicker SnO2- oder Zinkoxid-Filter, aufgebracht.. Auf die Kontakt- und/oder Filterschicht 5 folgt das eigentliche Photovoltaikelement 6, beispielsweise eine ca. 0.2- 15 μm dicke polykristalline CuInSe2 (CIS)- oder CuInxGaySe2 (CIGS) -Schicht, eine aus mikrokristallinem Silizium oder Farbstoffzellen bestehende Schicht. Darüber befindet sich eine weitere funktionale Schicht, die das Photovoltaikelement 6 durch ihre elektrisch isolierenden Eigenschaften schützt. Diese abgrenzende Isolationsschicht 7, die auch als reflektierenden Schicht ausgelegt sein kann, ist direkt mit dem, sich im angrenzenden Hohlraum 3 befindlichen Kühlmittel, z. B. Wasser, in Kontakt. Die sehr direkte Verbindung zwischen Kühlmittel und Dünnschichtphotozelle 6 garantiert eine optimale Kühlung der Zelle 6 und erlaubt zudem ein relativ nahes Beisammensein von Strahlungsemitter 1 und Photovoltaikelement 6. Der äussere Abschluss der TPV- Vorrichtung bildet das Aussenelement 4.
Einzelne Photovoltaikelemente, z. B. Photozellen, werden vorzugsweise seriell verschaltet, wobei die Verschaltung auf die gleiche Weise erfolgen kann, wie das in kommerziell erhältlichen Dünnschicht-Solarmodulen, mit z.B. amorphem Silizium oder CIS, geschieht.
Der kompakte Aufbau von zwei konzentrischen Rohren mit dazwischenliegendem Photovoltaikelement 6 erlaubt eine sehr einfache Montage, bei der das Photovoltaikelement 6 vollständig vor Beschädigung und u. U. auch vor Umwelteinflüssen geschützt ist. Durch das Abscheiden der Dünnschichtphotozelle 6 und zusätzlicher funktioneller bzw. Schutzschichten 5, 7 direkt auf dem Glasrohr 2, fällt die gesamte Strahlung von 360° um den Emitter 1 herum direkt auf das Photovoltaikelement. Strahlungsverluste durch Zwischenräume zwischen einzelnen Zellen können extrem reduziert werden. Zudem beinhaltet das System eine denkbar einfache und höchst effiziente Kühlung. Figur 2 zeigt einen ähnlichen Aufbau eines Thermophotovoltaikgenerators wie Figur 1. Auf der linken Seite der Figur ist wiederum ein Strahlungsemitter 1, ein hitzebeständiger Träger 20, z.B. ein Quarzglas, und ein, mit dem Träger 20 einen Hohlraum einschliessendes Aussenelement 4, z. B. ein zweites Rohr aus beispiels- weise Metall Glas oder Kunststoff, gezeigt. Wie auf der linken Seite der Figur 2 zu sehen ist, liegt das Photovoltaikelement 60 auf der, dem Hohlraum abgewandten Seite des Trägers 20 im Innenraum zwischen Träger 20 und Strahlungsemitter 1. Das Photovoltaikelement 60 ist in einem sandwichartigen Aufbau auf dem Träger 20 aufgebracht. Zwischen Träger 20 und Photovoltaikelement 60 befindet sich eine erste funktionelle Schicht, eine Kontaktschicht 50, die zur elektrischen Kontaktierung des Photovoltaikelements 60 dient. In diese Kontaktschicht 50 können zusätzliche, elektrisch leitenden Materialien, beispielsweise ein Drahtgitter oder Metallstege eingebracht sein, die den Abtransport des vom Photovoltaikelement 60 erzeugten Stromes unterstützen. Auf der anderen Seite des Photovoltaikelements 60 befindet sich vorzugsweise eine zweite funktioneile Schicht, eine Isolations-, Schutz- und/oder Filterschicht 70, • die das Photovoltaikelement 60 vor schädlichen Rauchgasen und zu hoher thermischer Strahlung im Innenraum 8 schützt. Der Hohlraum 3 ist zum Führen eines Kühlmittels ausgelegt. Da sich in dieser Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung das Photovoltaikelement 60 etwas weniger direkt in Kontakt mit dem Kühlmittel befindet, weist der Träger 20 vorzugsweise eine gewisse thermische Leitfähigkeit auf. Die Kontaktschicht 50 trägt vorzugsweise ebenfalls zur guten Wärmekontaktierung des Photovoltaikelements 60 zum Träger 20 und somit zum Kühlmittel bei.
In Figur 3 ist in einer weitere Ausführungsform, ein Dünnschicht-Photo- voltaikelement 63 auf einem elastischen, flexiblen Träger 23, z. B. einer Kunststoff oder Metallfolie, aufgebracht. Zwischen Photovoltaikelement 63 und Träger 23 befindet sich eine erste funktionelle Schicht 53. Auf der gegenüberliegenden Seite des Photovoltaikelements 63 befindet sich eine zweite funktionelle Schicht 73. Die erste Schicht, als Kontaktschicht ausgebildet 53, dient zur Kontaktierung des Photovoltaikelements 63 mit dem Träger 23. Die zweite Schicht ist typischerweise eine Schutz- und Isolierschicht 73, die das Photovoltaikelement 63 vor der Umgebung, z. B. einem Kühlmittel, schützt. Je nachdem von welcher Seite Strahlung auf das Photovoltaikelement 63 einstrahlt, ist die Kontaktschicht 53 oder die Schutzschicht 73 vertauscht bzw. sie sind vorzugsweise multifunktional ausgebildet, d.h. die Schichten sind zusätzliche Wärmeschutzfilter oder Antireflexschichten. Ein solches, von Schichten umgebenes Photovoltaikelement 63 wird beispielsweise in einem mit Kühlmittel durchflossenen Hohlraum zwischen zwei Rohren eingebracht. Die Dünnschichtphotozelle 63 kann auch mittels des flexiblen Trägers 23 auf einen geeigneten zweiten u.U. unflexiblen Träger, z.B. ein Rohr oder eine Fläche, aufgebracht bzw. aufgespannt werden. Je nach Gestaltung des Trägers 23, beispielsweise als metallische Folie oder Blech, dient der Träger 23 oder die Kontaktschicht 53 als Mittel zum Abführen der erzeugten Energie.
Die Anordnung von Emitter, Träger, Schichten, Photovoltaikelement und Abschlusselement kann, abgesehen von Emitter und Abschlusselement variieren. So kann beispielsweise eine Schicht, z. B. ein IR-Reflektor, statt auf der Hohlraumseite, auch auf der Innenraumseite des Trägers, z. B. des Glasrohrs 2, 20, angebracht sein. Dies hat den Vorteil, dass der Träger vor IR Strahlung geschützt ist. Es weist aber den Nachteil auf, dass die reflektierende Filterschicht u.U. nicht mehr sehr effizient gekühlt wird und gleichzeitig auch eventuell vorhandenen Rauchgasen zwischen Emitter und Träger ausgesetzt ist. Es ist weiter auch möglich, wie beispielsweise in Figur 3 gezeigt, Dünnschicht-Photovoltaikelemente auf einem biegsamen Substrat, z. B. einer Polymerfolie, an- bzw. aufzubringen. Die Folie kann auf eine gekrümmte oder gewellte Oberfläche aufgespannt werden. Diese Ausführungsform empfiehlt sich speziell dann, wenn sich ein unelastischer, unflexibler Träger, der das Photovoltaikelement tragen soll, nicht oder nur schwer eignet, direkt, z. B. in einer entsprechenden Beschichtungsanlage, beschichtet zu werden.
Des Weiteren kann sich ein Photovoltaikelement/Schichten-Aufbau auch auf der Hohlraumseite eines Abschlusselements befinden. Dabei ist darauf zu achten, dass die vom Strahler emittierte nutzbare Strahlung von einer dazwischenliegenden Kühlung nicht unerwünschterweise absorbiert wird. Dies gilt auch falls sich eine Schicht, z. B. auf einem flexiblen Träger aufgebracht, im Hohlraum zwischen fixem Träger und Aussenelement befindet.
Ein Abschlusselement wird vorzugsweise dann weggelassen, wenn kein Hohlraum für eine Kühlung gebraucht wird. Dies ist speziell der Fall, wenn keine Kühlung mittels Flüssigkeit, sondern eine Kühlung mittels Umgebungsluft verwendet wird, beispielsweise auch bei Verwendung eines Peltierelements.
Ein Träger oder ein Abschlusselement kann auch eine mehrheitlich ebene Fläche sein. In diesem Fall weist die erfindungsgemässe TPV- Vorrichtung bzw. der Generator einen plattenähnlichen Aufbau auf. Da das Anbringen von Dünnschichtelementen weitestgehend unabhängig von der Form der Unterlage ist, ist die TVP Vorrichtung in keiner Weise auf einen zylinder- oder flächenförmigen Aufbau beschränkt. Im Speziellen ist die Verwendung von Dünnschichtelementen in Kombination mit gekrümmten Oberflächen bestens geeignet.
Des Weiteren ist es möglich, für Dünnschicht-Photovoltaikelemente Materialien zu verwenden, die in der Herstellung von IR Detektoren verwendet werden. So zum Beispiel sind Materialien mit kleinen Bandlücken, wie z. B. HgCdTe oder PbCdTe mit Bandlücken im Bereich von 0.5-0.75 eV interessante Kandidaten.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Thermophotovoltaik- Vorrichtung für die Umwandlung von Strahlungsenergie, welche von einem Strahlungsemitter emittiert wird, in elektrische Energie, beinhaltend ein Photovoltaikelement (6, 60, 63) und einen mechanischen Träger (2, 20, 23) auf oder an dem das Photovoltaikelement (6, 60, 63) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikelement (6, 60, 63) Dünnschichtphotozellen aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Abschlusselement (4), welches so ausgebildet und angeordnet ist, dass zwischen dem
Abschlusselement (4) und dem Träger (2, 20, 23) ein Hohlraum (3) entsteht, und durch Mittel zur Zuführung eines Kühlmittels in den Hohlraum (3).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikelement (6, 63) vom Hohlraum (3) aus gesehen auf der Innenseite auf dem Träger (2, 23) angeordnet ist, dass das Photovoltaikelement hohlraumseitig mit einer isolierenden Schutzschicht (7, 73) beschichtet ist und dass der Träger (2, 23) transparent für thermische Strahlung ist, so dass die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, Strahlung zu verwerten, welche von der vom Hohlraum (3) aus gesehen äusseren Seite des Trägers (2, 23) eingestrahlt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Photovoltaikelement (6, 63) und dem Hohlraum (3) nur die Schutzschicht (7, 73) liegt, und dass diese bspw. höchstens einige 100 μm dick ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Photovoltaikelement (6, 60, 63) und einer strahlungszugewandten Seite des Photovoltaikelements (6, 60, 63), eine Filterschicht (5, 50, 53) als Wärmeschutzfilter befindet, die bspw. auch zur elektrischen und Wärmekontaktierung des Photovoltaikelements (6, 60, 63) dient und/oder noch als Antireflexschicht ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikelement (6, 60, 63) und die Filterschicht (5, 50, 53) durch
Hintereinander aufbringen auf den Träger (2, 20, 23) in derselben Anlage hergestellt sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht (5, 53, 70) eine transparente leitfähige Oxidschicht (TCO) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikelement (60, 63) vom Hohlraum (3) aus gesehen auf der Aussenseite auf dem Träger (20, 23) angeordnet ist, wobei das Photovoltaikelement (60, 63) bspw. zusätzlich noch mit einer Schutzschicht (70, 73) und/oder Filterschicht (50, 53, 73) beschichtet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2, 20) einen Innenraum (8) für den Strahlungsemitter mindestens teilweise umschliesst und dass das Abschlusselement (4) den Träger (2, 20) mindestens teilweise umschliesst, wobei der Träger (2, 20) und das Abschlusselement (4) bspw. mindestens teilweise zylindrisch sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzschicht (7, 70, 53, 73) oder Filterschicht (5, 50, 53, 73) eine multifunktionale Schicht ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2, 20, 23) gekrümmt und/oder flexibel ist und dass das Photovoltaikelement (6, 60, 63) als dünne, auf dem Träger (2, 20, 23) angebrachte Schicht ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (23), das Photovoltaikelement (63) und eventuelle weitere Schichten (53, 73) als flexible Einheit ausgebildet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger mindestens teilweise durch ein starres, transparentes Rohr (2, 20) gebildet wird.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikelement (6, 60, 63) eine Dicke von höchstens 100 μm, vorzugsweise von höchstens 10 μm und bspw. von zwischen 0.1 μm und 5 μm aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikelement (6, 60, 63) Dünnschicht- Photozellen besitzt, die aus Materialien bestehen, welche gemäss dem Stand der Technik für die Herstellung von IR-Detektoren verwendet werden und bspw. HgCdTe oder PbCdTe aufweisen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikelement (6, 60, 63) CuInSe2, CuInxGaySe2, mikrokristallines Silizium oder Farbstoffzellen beinhaltet.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht (5, 50, 53, 73) JR-reflektierendes Zinnoxid, Zinkoxid oder IndiumZinnOxid (ITO) enthält.
18. Thermophotovoltaik-Generator mit einem Strahlungsemitter (1), einer Energiequelle für den Strahlungsemitter (1) und Mitteln zum Erzeugen und Wegtransportieren von elektrischer Energie, gekennzeichnet durch, eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
19. Verfahren zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie, wobei mindestens ein Dünnschicht-Photovoltaikelement (2, 20, 23) mit Strahlungsenergie bestrahlt wird und dabei elektrische Energie erzeugt, und wobei das mindestens eine Dünnschicht-Photovoltaikelement (2, 20, 23) durch direkten Kontakt mit einem Kühlmedium, und höchstens durch eine Schutzschicht mit maximal 100 μm Dicke vom Kühlmedium getrennt, gekühlt wird.
20. Verfahren gemäss Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnschicht-Photovoltaikelement (2, 20, 23) gegen Umgebungseinflüsse wie bspw. gegen zu hohe Strahlung oder Rauchgase geschützt wird.
21. Verfahren gemäss Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte elektrische Energie in einer Schicht mit maximal 3 μm Dicke oder in einer mit einem Fingerkontakt versehenen Schicht von maximal lOμm Dicke abgeführt wird.
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