WO2008071180A2 - Photovoltaik-vorrichtung mit holografischer struktur zum umlenken einfallender sonnenstrahlung, sowie herstellverfahren hierfür - Google Patents

Photovoltaik-vorrichtung mit holografischer struktur zum umlenken einfallender sonnenstrahlung, sowie herstellverfahren hierfür Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic device according to the preamble of the appended claim 1, as known from DE 10 2004 031 784 A1.
  • the invention relates to a PV concentrator module for direct conversion of light into electrical energy, in which the incident solar radiation is deflected by means of a hologram structure, wherein a portion of the incident solar radiation is concentrated on a solar cell.
  • the invention relates to a manufacturing method for such a device.
  • a higher efficiency with e.g. Over 30% conversion of solar radiation has in recent years been associated with high power PV cells from higher value semiconductor interconnects (e.g., Ill-V semiconductor material), e.g. GalliumArsenide (GaAs) has been achieved.
  • semiconductor interconnects e.g., Ill-V semiconductor material
  • GaAs GalliumArsenide
  • Such semiconductor-based cells can be built up step by step as tandem or triple or multi-layer cells, thereby exploiting a wider light-frequency spectrum.
  • Micro solar cells made of semiconductor material with a size of less than a few hundred square millimeters are known from DE 103 20 663 A1.
  • the micro-solar cells are applied inside a transparent housing constructed of a plurality of glass panes on the inside of a lower glass pane. Since the efficiency of the micro-solar cell decreases with increasing temperature, the micro-solar cells are each surrounded by a heat sink.
  • the mounting method of all micro-solar cells in a housing leads, despite existing heat sinks around the micro-solar cells to problems in the necessary heat dissipation to the outside and to contamination of the module insides including the sensitive solar cells.
  • the incident sunlight is focused in PV concentrator modules by means of converging lenses on the existing solar cells. Due to aberrations such as aberrations. Color errors, when inserting converging lenses, do not focus the incident light on one point, but in the best case on a line. Consequently, only a portion of the incident light in a particular spectral range can be focused on a given solar cell.
  • the convertible solar radiation has wave frequencies v whose photon energy hv exceeds the energy gap of the solar cells used
  • the part of the incident solar radiation, which is not converted by the solar cells into electricity, is rather long-wave and makes itself felt as heat. This part of the incident radiation is called long-wave radiation in the following.
  • DE 10 2004 031 784 A1 discloses a holographic, preferably arc-shaped, deflecting device, wherein hologram structures, which preferably have diffraction gratings, have different spectral diffraction efficiencies and divert the usable incident solar radiation for different positions of the sun onto a light receiving element.
  • the deflection device has a plurality of hologram layers, each hologram deflecting incident radiation in a given spectral range and at a certain angle of incidence equally to the light-receiving element and transmitting light in another spectral range or angle of incidence.
  • the deflection device is suitable for converting or concentrating diffuse incident light into parallel light.
  • the light receiving element may be a solar cell or a solar absorber.
  • sol-gel processes there are a variety of hydrolysis and
  • Photosensitive gel films are each coated on a silicon dioxide substrate and then exposed to UV light through a mask and then leached in alcohol. Finally, gratings with a period of 2 ⁇ m and a depth of 80 nm are obtained. The absorbency of such GeI films is shifted to the shorter wavelengths below 300 nm. The optical and morphological properties of the grating are examined with FTIR, AFM, SEM, etc. Such diffraction gratings have been found to be acceptable in the manufacture of micro-optic elements such as optical communications holograms and optoelectronics.
  • the invention has for its object to provide a photovoltaic device according to the preamble of the appended claim 1, which has the advantages of PV concentrator technology uses such a way that a high efficiency of the solar cells over a longer time is obtained.
  • it is necessary to build a PV concentrator module so that this can be produced in series with little effort and a high efficiency of the solar cell is obtained over a longer time.
  • the invention proposes a photovoltaic device with the features mentioned in claim 1.
  • Advantageous embodiments can be found in the dependent claims.
  • An advantageous manufacturing method for this is the subject of the independent claim.
  • the photovoltaic device With the photovoltaic device according to the invention, a high efficiency of the solar cells over a long time by avoiding color aberrations and stabilization of the working temperature of the solar cell in a range in which the solar cells can work efficiently obtained.
  • holographic element having a holographic structure
  • focusing the usable light incident at a certain angle onto a smaller-area solar cell opposite the holographic element, which is preferably a micro-solar cell made of semiconductor material, which has a multilayer structure can.
  • Several solar cells can each be applied under or on a transparent light emission body or carrier.
  • a light entrance body has a plurality of holographic elements, each comprising at least one planar hologram layer having a maximum diffraction efficiency in a short-wavelength region of the incident solar radiation and a plurality of hologram structure regions of different holographic nature.
  • the radiation incident at a certain angle can be deflected differently in a given spectral range and at the same point be focused.
  • Other hologram layers can be similarly constructed and superimposed on one another for further spectral ranges.
  • the short-wave solar radiation incident at a certain angle can be focused on the same point in its entire usable spectral range by means of a planar hologram structure, which can thus be easily realized.
  • a possible spectral decomposition of the incident usable solar radiation in a direction perpendicular to a solar cell direction can be canceled.
  • the area of the solar cells used can be reduced and their efficiency can be increased.
  • the reduction in the necessary area of the solar cells brings about a reduction in the cost of the solar cells, which are very high, particularly in the case of multilayer solar cells made of semiconductor material.
  • the at least one holographic element on a side facing the sun on second hologram structure in particular in the form of one or more uppermost holographic layers, which deflects the long-wave incident radiation at an obtuse angle (> 90 °), in particular reflected, and the usable short-wave Light through.
  • an increase in the working temperature of the solar cell (s) can be avoided and be achieved by the fact that the solar cell (s) longer working efficiently (working).
  • a plurality of solar cells are on the back of a carrier body applied in the form of a transparent light exit body. So you just get to the solar cells for contacting and heat dissipation zoom.
  • a planar heat conductor, absorber body for solar thermal purposes or without problems three-dimensional heat dissipation devices, as in electronic
  • High performance devices are known, for example, rib structures.
  • the at least one holographic element on the side facing the sun having at least one preferably arranged at the top hologram, Deutschenlast the short-wave radiation and long-wave radiation from the surface of the solar cell and deflects long-wave target areas of a heat conductor plate or an absorber body , These long-wave target areas are each below the space between two adjacent solar cells and the area of none of the solar cells overlap.
  • Heat dissipation device flows, use thermally.
  • a heat plate is connected to the sun-facing side of the carrier, the incident heat radiation and heat generated during operation of the solar cells can be efficiently transported to the outside environment.
  • the heat conductor plate serves as a heat sink for the solar cells.
  • the absorber body may have a selective absorber, which also converts short-wave solar radiation into heat radiation.
  • the hologram structures of one, several or all of the holographic elements may each have further regions-referred to below as passages-which respectively transmit the short-wave and long-wave incident radiation.
  • the passbands adjoin the hologram regions respectively focusing the short-wavelength radiation on the opposite solar cell and positioned above the space between two adjacent solar cells so as not to overlap the surface of the solar cells.
  • a larger proportion of the incident radiation can be converted into heat by the absorber body without heat radiation being radiated back from the selective absorber or absorber body to the solar cells or into their immediate surroundings.
  • diffraction gratings are used as hologram layers.
  • the hologram structure is so easy to implement.
  • grating structures are used which are produced in a gel film produced in the sol-gel process. So it is possible to redirect incoming solar radiation very accurately.
  • the working temperature can be set to control the solar cells more easily.
  • the efficiency of solar cells decreases with each increase in temperature. The less heat radiation strikes the solar cells, the lower the likelihood that the solar cells will be heated, and consequently, these can then be used more efficiently for longer.
  • the holographic elements By forming the holographic elements from a plurality of planar superimposed hologram layers with a maximum diffraction efficiency in the usable range of incident radiation and several areas with different holographic properties, the short-wave incident radiation at a certain angle can be deflected differently and in a given spectral range Point - in particular a point-shaped short-wave target area on each solar cell - focus.
  • a possible spectral decomposition which occurs in the case of the PV concentrator modules commonly used Fresnel lenses, can be avoided.
  • the active area of the solar cells is reduced, which, given the solar cell area, results in greater photoraduction tracking tolerance of photovoltaic devices employing such holographic elements. This will be a
  • Plane holographic structures are also technically simpler and can be realized with less material input than curved structures.
  • Such flat holographic elements are light and space-saving and allow their reduced weight easier tracking to the sun.
  • a support body load the heat generated during operation of the solar cells or the incident long-wave radiation easier to handle, for. B. by means of a heat conductor plate, which is connected to the side facing away from the sun of the carrier and can be used as a heat sink for the solar cells.
  • a heat conductor plate which can also be supplemented or replaced by an absorber body for solar thermal purposes, a heat dissipation device be connected to exploit the incident long-wave radiation and heat generated during operation of the solar cell. The resulting heat is then fed by means of a heat transfer medium for thermal utilization.
  • each of the short-wave radiation through and additionally or alternatively to a return line or
  • Fig. 1 is a perspective view of a photovoltaic device in
  • Fig. 2 is a sectional view through a photovoltaic device of FIG
  • top hologram layer deflecting long wavelength radiation at an obtuse angle
  • Fig. 3 is a sectional view through a photovoltaic device of FIG.
  • Fig. 4 is a sectional view through a photovoltaic device of FIG.
  • top hologram layer having different regions which either redirect or transmit long wavelength radiation at an obtuse angle, heat conductor plate and heat dissipation device
  • Fig. 5 is a sectional view through a photovoltaic device of FIG.
  • Fig. 6 is a sectional view through a photovoltaic device of FIG.
  • topmost hologram layer having various regions which either redirect or transmit longwave radiation, heat conduction plate and heat dissipation device
  • Fig. 7 is a sectional view through a photovoltaic device of FIG.
  • topmost hologram layer having different regions that either redirect or transmit longwave radiation, other hologram layers having regions that transmit longwave and shortwave radiation, absorber body and heat dissipation device;
  • FIG. 1 shows a photovoltaic device 10 in the form of a PV concentrator module with a plurality of individual photovoltaic devices 11 in the form of concentrator units, each with at least one solar cell 5 in the form of a microsolar cell.
  • the solar cells 5 of the photovoltaic devices 11 are held by a light-emitting body in the form of a transparent carrier 50, which is arranged at a certain distance from a light inlet body 1.
  • holographic elements 3 each having a first hologram structure 30 and a second hologram structure, are used here on the light entry body 1.
  • the first hologram structure is formed of a plurality of planar hologram layers 34, 36.
  • To form the second hologram structure there is at least one upper hologram layer 32 which receives incident longwave radiation 25 (radiation with a Photon energy below the energy gap of the photovoltaically active materials used in the micro solar cell 5) deflects at an obtuse angle and the remaining, in particular short-wave radiation 20 passes.
  • the hologram layers 34, 36 of the first hologram structure 30 focus incident shortwave radiation 20 (radiation convertible into current in the microsolar cell) to the opposing solar cell 5.
  • incident shortwave radiation 20 radiation convertible into current in the microsolar cell
  • hologram structure regions 40, 42 of different hologram nature in the same planar hologram layer 34, 36 which deflect the vertically incident shortwave radiation differently in a given spectral range and transmit radiation in a different spectral range, a strong focusing of radiation in a given spectral range can be achieved. If a plurality of such hologram layers 34, 36 overlap, incident shortwave radiation 20 of different spectral regions can be focused on the same point.
  • the efficiency of the solar cells can be increased because with such a first hologram structure 30, the color error usually occurring in lens systems is avoided.
  • the second hologram structure having the upper hologram layers 32, which in the first embodiment redirects or redirects the incident long-wavelength light 25 as shown in Figs. 1 and 2 at an obtuse angle between incident and deflected beams.
  • the solar cells 5 can be mounted under the transparent support 50, which also serves as a common carrier and on its side facing away from the sun conductors (not shown) for contacting the solar cell 5 has.
  • a (eg, adhesive) transparent insulating layer 60 may be applied.
  • This mounting method of the solar cells 5 is special advantageous because the solar cells between the side facing away from the sun of the support body 50 and the insulating layer 60 are better protected against environmental influences.
  • a heat conductor layer 70 is mounted on this and on the underside of the solar cells 5.
  • the thermal conductivity of the heat conductor layer 70 can be changed directly by the use of particularly conductive material and / or different thickness of the material directly or even later by the additional application of conductive material layers. Due to the presence of the heat conductor plate 70, the heat generated during operation of the solar cells 5 can be better transported from the solar cells to the environment.
  • a third embodiment shown in FIG. 4 has holographic elements 3, each with a second hologram structure in the form of at least one top hologram layer 32 positioned on the side facing the sun, with juxtaposed different hologram structure regions 301, 302 with different hologram properties ,
  • the long-wave incident radiation is deflected back or deflected at an obtuse angle by a first hologram structure region 301 of the second hologram structure positioned above a solar cell 5 in each case.
  • a heat dissipation device having a piping system 80 for a heat transfer medium.
  • long-wavelength radiation from the first hologram structure regions 301 located above the solar cell 5 can be obtained. be redirected back to the outside environment.
  • long-wavelength radiation is transmitted by the adjacent second hologram structure regions 302 and impinges on the heat conductor plate 70.
  • incident heat radiation and heat generated during operation of the solar cells can be dissipated to the standing in contact with the heat conductor plate 70 heat dissipation device and heat a heat transfer medium flowing through the piping 80.
  • the heated heat transfer medium can then be used for thermal utilization.
  • both incident long-wave radiation 25 which makes itself felt as heat radiation, as well as during operation of the solar cell 5 resulting heat from the environment of the solar cell 5 transported away to avoid an increase in the operating temperature of the solar cell 5.
  • a fourth embodiment shown in FIG. 5 has an absorber body 75 instead of the heat conductor layer 70 for solar thermal purposes.
  • the superimposed hologram layers 34, 36 for deflecting shortwave radiation 20 may have passbands 46 each positioned above the space between two adjacent solar cells 5 so as not to overlap the surface of the solar cells 5 and transmitting the shortwave incident radiation.
  • incident short-wave radiation 20 is absorbed by the absorber body 75.
  • the absorber body 75 has a glass plate (if possible from solar glass) on a side of an absorber facing the sun. The incident through the glass plate solar radiation impinges on the absorber. This short-wave, high-energy radiation is converted into thermal radiation.
  • the released heat must not be lost, which is why the absorber body should be thermally insulated on all sides. Heat that is not directly absorbed by the absorber or emitted by it as an emission is reflected back through the glass. It is thus trapped in the absorber body 75.
  • the absorber should absorb direct and diffused radiation as well as possible and into heat convert (absorption). At the same time, it should emit as little heat as possible in the form of radiation (emission). He should behave selectively.
  • the heated absorber transfers the heat to the flowing in the fixedly connected to the absorber body 75 piping 80
  • Heat transfer fluid This transports the collected heat energy to a consumer or a heat storage.
  • a fifth embodiment shown in FIG. 6 has a second hologram structure in the form of an upper hologram layer 32, which has different hologram structure regions 311, 302 with different hologram properties.
  • the long-wave incident radiation 25 is irradiated by a third hologram structure region 311 of the uppermost hologram layer 32 positioned above a solar cell 5 on long-wave target regions 702 of FIG.
  • Redirected heat conductor plate which are not directly under the solar cell 5 and the solar cell areas 711 of the heat plate 70, which are each located directly below a solar cell 5, adjacent.
  • the long-wavelength incident radiation 25 is transmitted by a second hologram structure region 302 of the topmost hologram layer 32 adjoining the region 311, which is located over the interspace of two adjacent solar cells 5, and impinges on the long-wave target regions 702 of the heat conductor layer 70.
  • a heat dissipation device (not shown) having a piping system 80 may abut the heat conduction plate 70.
  • a sixth embodiment shown in FIG. 7 has an absorber body 75 for solar thermal purposes, which has a selective absorber.
  • the superimposed hologram layers 34, 36 for deflecting short-wave radiation 20 Have transmission regions 46 which are positioned over the space between adjacent solar cells 5, the solar cells 5 do not overlap and let through short-wave incident radiation 20.
  • incident short-wave radiation 20 can be converted by the absorber body 75 into thermal radiation and fed to a thermal utilization.
  • Deflection angle 46 passage area in the first hologram structure serving for deflecting short-wave radiation, which passage area transmits the short-wave radiation 50 transparent carrier (light exit body) 60 insulating layer 70 heat conductor plate 75 absorber body 80 piping system 301 First hologram structure area of the top hologram layer (s) for Redirecting longwave radiation at an obtuse angle, which is positioned immediately above a solar cell. 302 Second hologram structure area of the uppermost one Hologram layer (s), each of which is not directly above a solar cell and transmits long-wave radiation Immediately above a solar cell positioned area of the top
  • Hologram layer (s) for redirecting long-wave radiation into a region which is in each case immediately below the space between two adjacent solar cells.
  • Area of the heat conductor plate or the absorber body immediately under the solar cell (long-wave target area)
  • Area of the heat conductor plate or of the absorber body under the space between adjacent solar cells solar cell area

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung (10) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit einem Lichteintrittskörper (1) mit einer Vielzahl von holografischen Elementen (3), die jeweils eine Hologrammstruktur (30) mit mehreren überlagerten Hologrammschichten (32, 34) mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten aufweisen, die die unter einem bestimmten Winkel einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung jeweils auf denselben Bereich einer gegenüberliegenden, gegenüber der Lichteintrittsfläche eines entsprechenden holografischen Elements (3) kleinflächigeren Solarzelle (5) bündeln, wobei jedes holografische Element (3) mindestens eine oberste Hologrammschicht (32) aufweist, die die kurzwellige einfallende Strahlung durchlässt und die einfallende langwellige Sonnenstrahlung unter einem stumpfen Winkel umlenkt oder von der gegenüberliegenden Solarzelle (5) in einem zwischen der gegenüberliegenden Solarzelle (5) und einer benachbarten Solarzelle (5) auf der dem Licht abgewandten Seite der Solarzellen (5) vorhandenen Bereich weglenkt.

Description

PHOTOVOLTAIK-VORRICHTUNG MIT HOLOGRAFISCHER STRUKTUR
ZUM UMLENKEN EINFALLENDER SONNENSTRAHLUNG, SOWIE
HERSTELLVERFAHREN HIERFÜR
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 , wie sie aus der DE 10 2004 031 784 A1 bekannt ist. Die Erfindung betrifft insbesondere ein PV-Konzentratormodul zum direkten Umwandeln von Licht in elektrische Energie, bei dem die einfallende Sonnenstrahlung mittels einer Hologrammstruktur umgelenkt wird, wobei ein Teil der einfallenden Sonnenstrahlung auf eine Solarzelle konzentriert wird. Schließlich betrifft die Erfindung ein Herstellverfahren für eine solche Vorrichtung.
Im Bereich der Nutzung der Solarenergie ist ca. seit 50 Jahren bekannt, dass Sonnenenergie durch Silizium in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Bei den heute üblichen Solarzellen wird meist mono- oder multikristallines Silizium verwendet. Die Leistung dieser Solarzellen ist allerdings relativ gering, da sie nur ein begrenztes Spektrum der auftreffenden Strahlung in elektrischen Strom umwandeln.
Eine höhere Effizienz mit z.B. über 30 % Umwandlung der Solarstrahlung ist in den letzten Jahren mit Hochleistungs-PV-Zellen aus höherwertigen Halbleiterverbindungen (zum Beispiel Ill-V-Halbleitermaterial) wie z.B. GalliumArsenid (GaAs) erzielt worden.0 Solche Zellen auf Halbleitermaterialbasis können stufenartig als Tandem- oder Tripel- oder Mehrschichtzellen aufgebaut werden und nutzen dadurch ein breiteres Licht- Frequenzspektrum.
Die großflächige Produktion solcher Zellen ist jedoch sehr kostenintensiv. Es wurde daher der Ansatz gewählt, das einfallende Sonnenlicht auf eine sehr kleine Fläche solcher Solarzellen von z.B. unter 1 mm2 zu konzentrieren. Nur für diese kleine Fläche ist dann eine Mikrosolarzelle notwendig. Der Materialeinsatz kann dann bei unter 1 % gegenüber dem flächigem Einsatz solcher Zellen liegen. Durch die Konzentration lässt sich die hohe Lichtausbeute von Hochleistungs-PV-Zellen von zum Beispiel etwa 36 % nutzen. Da nur die Verbindung mehrerer Solar-Einheiten einen wirtschaftlichen Einsatz eines solchen PV-Systems ermöglicht, werden diese vorzugsweise zu einem PV-Konzentratormodul zusammengefasst.
Mikrosolarzellen aus Halbleitermaterial mit einer Größe von unter einigen hundert Quadratmillimetern sind aus der DE 103 20 663 A1 bekannt. Gemäß der DE 103 20 663 A1 werden die Mikrosolarzellen innerhalb eines aus mehreren Glasscheiben aufgebauten transparenten Gehäuses auf der Innenseite einer unteren Glasscheibe aufgebracht. Da der Wirkungsgrad der Mikrosolarzelle mit zunehmender Temperatur sinkt, sind die Mikrosolarzellen jeweils von einem Kühlkörper umgeben. Die Anbringungsart aller Mikrosolarzellen in einem Gehäuse führt trotz vorhandenen Kühlkörpern um die Mikrosolarzellen zu Problemen bei der notwendigen Wärmeabführung nach außen sowie zu Verunreinigungen der Modulinnenseiten einschließlich der empfindlichen Solarzellen.
Üblicherweise wird das einfallende Sonnenlicht in PV-Konzentratormodulen mittels Sammellinsen auf die vorhandenen Solarzellen fokussiert. Wegen Abbildungsfehlern wie z.B. Farbfehlern wird beim Einsetzen von Sammellinsen das einfallende Licht nicht auf einen Punkt konzentriert, sondern im besten Fall auf eine Linie. Folglich kann nur ein Teil des einfallenden Lichts in einem bestimmten Spektralbereich auf eine gegebene Solarzelle fokussiert werden.
Üblicherweise kann von den eingesetzten Solarzellen nur ein Teil der einfallenden Strahlung in Strom umgewandelt werden. Die umwandelbare Sonnenstrahlung weist Wellenfrequenzen v auf, deren Photonenenergie hv über der Energielücke der in den Solarzellen eingesetzten
Halbleitermaterialien liegt. Dieser von den Solarzellen nutzbare Teil der Strahlung ist eher kurzwellig und wird im Folgenden kurzwellige Strahlung genannt.
Der Teil der einfallenden Sonnenstrahlung, der von der Solarzellen nicht in Strom umgewandelt wird, ist eher langwellig und macht sich als Wärme bemerkbar. Dieser Teil der einfallenden Strahlung wird im Folgenden langwellige Strahlung genannt.
Die bisher üblicherweise eingesetzten Linsensysteme haben ein hohes Gewicht, was zu einer erschwerten Nachführung und zu erhöhten Herstellungskosten wegen der großen eingesetzten Materialmengen führt. Weiterhin ist es bekannt, dass der Wirkungsgrad von Solarzellen mit einer Erhöhung der Temperatur absinkt. Ein Nachteil, der beim Betrieb der Solarzellen existiert, ist, dass die Arbeitstemperatur der Solarzellen wegen der großen Wärmemengen, die während des Betriebs eines PV- Konzentratormoduls oder wegen der auf die Solarzellen oder in deren
Umgebung auftreffenden einfallenden langwelligen Strahlung entstehen, stark erhöht wird. Es ist bekannt, Wärme, die beim Betrieb der Solarzellen entsteht oder durch die einfallende Wärmestrahlung verursacht wird, an die Umgebung direkt mittels Luftkühlung oder über Kühlkörper abzuleiten.
Aus DE 10 2004 031 784 A1 ist eine holografische vorzugsweise bogenförmige Ablenkvorrichtung bekannt, wobei Hologrammstrukturen, die vorzugsweise Beugungsgitter aufweisen, unterschiedliche spektrale Beugungseffizienzen aufweisen und das nutzbare einfallende Sonnenstrahlung für unterschiedliche Positionen der Sonne auf ein Lichtempfangselement umlenken. Die Ablenkvorrichtung weist mehrere Hologrammschichten auf, wobei jedes Hologramm einfallende Strahlung in einem gegebenen Spektralbereich und unter einem bestimmten Einfallswinkel in gleicher Weise auf das Lichtempfangselement umlenkt und Licht in einem sonstigen Spektralbereich oder Einfallswinkel durchlässt. Mehrere
Hologrammschichten werden überlagert und so gewählt, dass sich eine konstante Beugungseffizienz über den gesamten Spektralbereich der einfallenden Sonnenstrahlung ergibt. Die Ablenkvorrichtung eignet sich dazu, auch diffus einfallendes Licht in paralleles Licht umzuwandeln oder zu konzentrieren. Das Lichtempfangselement kann eine Solarzelle oder ein Solarabsorber sein.
Aus dem Artikel „Fabrication of relief gratings on high photosensitive SiO2/ZrO2 gel film by UV exposure" von XuXiang, ZhouBin, LiuChunze, XuChao, WuGuangming, NiXingyuan, ShenJun, Key laboratory of waves and microstructure materials, Pohl Institute of Solid State Physics, Tongji University, Shanghai, China, 200092 ist ein ZrO2-GeI-FiIm bekannt, der mit Benzoyl-Aceton chemisch verändert wird und in einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt wird.
Im Sol-Gel-Prozess können sehr dünne Beschichtungen realisiert werden. Bei Sol-Gel-Prozessen kommt es zu einer Vielzahl von Hydrolyse- und
Polymerisationsreaktionen, die die Herausbildung einer kolloidalen Lösung zur Folge haben. Partikel, die einen geringen Durchmesser von wenigen hundert Nanometern aufweisen und vorher in einer Flüssigkeit gelöst wurden, kondensieren daraufhin zu einem Gel.
Photosensitive Gel-Filme werden jeweils auf einem Siliziumdioxidsubstrat überzogen und dann mit UV-Licht jeweils durch eine Maske belichtet und dann in Alkohol ausgelaugt. Letztendlich werden Gitter mit einer Periode von 2 μm und einer Tiefe von 80 nm erhalten. Das Absorptionsvermögen solcher GeI- Filme wird zu den kürzeren Wellenlängen unter 300 nm verschoben. Die optischen und morphologischen Eigenschaften des Gitters werden mit FTIR, AFM, SEM, usw. untersucht. Solche Beugungsgitter haben sich als zulässig bei der Herstellung von mikrooptischen Elementen wie Hologrammen für optische Kommunikation und für Optoelektronik erwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Photovoltaik-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruches 1 , die die Vorteile der PV-Konzentratortechnologie nutzt, so aufzubauen, dass ein hoher Wirkungsgrad der Solarzellen über eine längere Zeit erhalten wird. Insbesondere gilt es, ein PV-Konzentratormodul so aufzubauen, dass sich dieses mit geringem Aufwand in Serie herstellen lässt und ein hoher Wirkungsgrad der Solarzellen über eine längere Zeit erhalten wird.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Photovoltaik-Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Ein vorteilhaftes Herstellverfahren hierfür ist Gegenstand des Nebenanspruchs.
Mit der erfindungsgemäßen Photovoltaikvorrichtung wird ein hoher Wirkungsgrad der Solarzellen über eine längere Zeit durch eine Vermeidung von Farbfehlern und eine Stabilisierung der Arbeitstemperatur der Solarzellen in einem Bereich, in dem die Solarzellen effizient arbeiten können, erhalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt mittels wenigstens eines holografischen Elements, das eine holografische Struktur aufweist, eine Fokussierung des unter einem bestimmten Winkel einfallenden nutzbaren Lichts jeweils auf eine dem holografischen Element gegenüberliegende, kleinflächigere Solarzelle, die vorzugsweise eine Mikrosolarzelle aus Halbleitermaterial ist, die mehrschichtig aufgebaut sein kann. Mehrere Solarzellen können jeweils unter oder auf einem transparenten Lichtaustrittskörper bzw. Träger aufgebracht werden.
Vorzugsweise ein Lichteintrittskörper weist mehrere holografische Elemente auf, die jeweils mindestens eine ebene Hologrammschicht mit einer maximalen Beugungseffizienz in einem kurzwelligen Bereich der einfallenden Sonnenstrahlung und mehrere Hologrammstruktur-Bereiche mit unterschiedlicher holografischer Beschaffenheit umfassen. Dadurch kann die unter einem bestimmten Winkel einfallende Strahlung in einem gegebenen Spektralbereich unterschiedlich umgelenkt werden und auf denselben Punkt fokussiert werden. Andere Hologrammschichten können für weitere Spektralbereiche ähnlich aufgebaut und aufeinander überlagert werden.
Dadurch kann die unter einem bestimmten Winkel einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung in ihrem gesamten nutzbaren Spektralbereich mittels einer ebenen und dadurch einfach realisierbaren Hologrammstruktur auf denselben Punkt fokussiert werden. So kann eine mögliche Spektralzerlegung der einfallenden nutzbaren Sonnenstrahlung in einer jeweils zu einer Solarzelle senkrechten Richtung aufgehoben werden.
Dadurch kann die Fläche der eingesetzten Solarzellen verringert werden und deren Effizienz erhöht werden. Die Verringerung der notwendigen Fläche der Solarzellen bewirkt eine Kostensenkung der Solarzellen, die insbesondere bei mehrschichtigen Solarzellen aus Halbleitermaterial sehr hoch sind.
Durch diese sehr genaue Fokussierung wird die aktive Fläche auf einer Solarzelle, auf die fokussiertes Licht auftrifft, sehr gering und deswegen kann bei der Nachführung zur Sonne einer Photovoltaik- Vorrichtung, bei der eine solch starke Fokussierung erfolgt, zur Sonne eine größere Toleranz vorgesehen werden. Folglich sinken auch die Stromerzeugungskosten von solchen Photovoltaik-Vorrichtungen.
Vorzugsweise weist das wenigstens eine holografischen Element auf einer der Sonne zugewandten Seite zweite Hologrammstruktur, insbesondere in Form einer oder mehrerer oberster holografische Schichten auf, die die langwellige einfallende Strahlung unter einem stumpfen Winkel (> 90°) umlenkt, insbesondere reflektiert, und das nutzbare kurzwellige Licht durchläset. So kann eine Erhöhung der Arbeitstemperatur der Solarzelle(n) vermieden werden und dadurch erreicht werden, dass die Solarzelle(n) länger effizient arbeitet (arbeiten).
Vorzugsweise sind mehrere Solarzellen auf die Rückseite eines Trägerkörpers in Form eines transparenten Lichtaustrittskörpers aufgebracht. So kommt man einfach an die Solarzellen zwecks Kontaktierung und Wärmeabführung heran. Man könnte so einen flächigen Wärmeleiter, Absorberkörper für Solarthermiezwecke oder auch ohne Probleme dreidimensionale Wärmeableitungsvorrichtungen vorsehen, wie sie bei elektronischen
Hochleistungsbauelementen bekannt sind, zum Beispiel Rippenstrukturen.
Insbesondere kann das wenigstens eine holografische Element auf der der Sonne zugewandten Seite die zweite Hologrammstruktur mit mindestens einer vorzugsweise zuoberst angeordneter, Hologrammschicht aufweisen, die kurzwellige Strahlung durchlast und langwellige Strahlung von der Fläche der Solarzelle weglenkt und auf Langwellen-Zielbereiche einer Wärmeleiterplatte oder eines Absorberkörpers umlenkt, wobei diese Langwellen-Zielbereiche jeweils unter dem Raum zwischen zwei benachbarten Solarzellen vorhanden sind und die Fläche keiner der Solarzellen überlappen.
Man könnte so eine Erhöhung der Solarzellentemperatur während des Betriebs vermeiden und die einfallende langwellige Strahlung und während des Betriebs der Solarzellen entstehende Wärme mittels eines Wärmeträgermediums, das durch eine vorhandene dreidimensionale
Wärmeableitungsvorrichtung fließt, thermisch nutzen. Wenn eine Wärmeplatte mit der der Sonne abgewandten Seite des Trägers verbunden ist, kann die einfallende Wärmestrahlung und im Betrieb der Solarzellen entstehende Wärme effizient an die Außenumgebung transportiert werden. In diesem Fall dient die Wärmeleiterplatte als Kühlkörper für die Solarzellen.
Vorzugsweise kann der Absorberkörper einen selektiven Absorber aufweisen, welcher auch kurzwellige Sonnenstrahlung in Wärmestrahlung umwandelt. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass die Hologrammstrukturen eines, mehrerer oder aller holografischen Elemente jeweils weitere Bereiche - im Folgenden Durchlassbereiche genannt - aufweisen, die jeweils die kurzwellige und langwellige einfallende Strahlung durchlassen. Um den Betrieb der Solarzellen nicht zu beeinträchtigen, ist bevorzugt, dass die Durchlassbereiche an die Hologrammbereiche angrenzen, die jeweils die kurzwellige Strahlung auf die gegenüberliegenden Solarzelle fokussieren, und über dem Raum zwischen zwei benachbarten Solarzellen positioniert sind, und zwar so, dass sie die Fläche der Solarzellen nicht überlappen. So kann durch den Absorberkörper ein größerer Anteil der einfallenden Strahlung in Wärme umgewandelt werden, ohne dass Wärmestrahlung von dem selektiven Absorber bzw. Absorberkörpers an die Solarzellen oder in deren unmittelbaren Umgebung zurückgestrahlt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Beugungsgitter als Hologrammschichten eingesetzt. Die Hologrammstruktur ist so einfach realisierbar.
In einer weiteren Ausführungsform werden Gitterstrukturen verwendet, die in einem im Sol-Gel-Prozess hergestellten Gel-Film erzeugt werden. So ist es möglich einfallende Sonnenstrahlung sehr genau umzulenken.
Vorteile der Erfindung oder deren bevorzugten Ausgestaltungen sind:
• Durch das Vorhandensein einer zweiten Hologrammstruktur, beispielsweise mit mindestens einer obersten Hologrammschicht auf der der Sonne zugewandten Seite eines jedes holografischen Elements, welche zweite Hologrammstruktur jeweils die kurzwellige Strahlung durchläset und die langwellige Strahlung unter einem stumpfen Winkel zurück- oder umlenkt, lässt sich die Arbeitstemperatur der Solarzellen leichter kontrollieren. Der Wirkungsgrad der Solarzellen sinkt mit jeder Erhöhung der Temperatur. Je weniger Wärmestrahlung auf die Solarzellen auftrifft, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Solarzellen erwärmt werden und folglich können diese dann länger effizient eingesetzt werden. • Durch die Ausbildung der holografischen Elemente aus jeweils mehreren ebenen überlagerten Hologrammschichten mit einer maximalen Beugungseffizienz im nutzbaren Bereich der einfallenden Strahlung und mehreren Bereichen mit unterschiedlichen holografischen Beschaffenheiten, lässt sich die unter einem bestimmten Winkel kurzwellige einfallende Strahlung in einem gegebenen Spektralbereich unterschiedlich umlenken und auf denselben Punkt - insbesondere einen punktförmigen Kurzwellen- Zielbereich auf jeder Solarzelle - fokussieren. So kann eine mögliche Spektralzerlegung, die bei den bei PV-Konzentratormodulen üblich eingesetzten Fresnel-Linsen auftritt, vermieden werden. Folglich wird die aktive Fläche der Solarzellen reduziert, was - bei gegebener Solarzellenfläche - eine größere Toleranz bei der Nachführung an die Sonne von Photovoltaik-Vorrichtungen, bei dem solche holografische Elemente eingesetzt werden, mit sich zieht. Dadurch wird eine
Kostensenkung der Stromerzeugungskosten für solche Photovoltaik- Vorrichtungen erzielt.
• Ebene holografische Strukturen sind außerdem technisch einfacher und mit weniger Materialeinsatz als gebogene Strukturen realisierbar.
Solche ebene holografische Elemente sind leicht und platzsparend und ermöglichen durch ihr reduziertes Gewicht eine leichtere Nachführung an die Sonne.
• Durch die Anbringung der Solarzellen auf der der Sonne abgewandten
Seite eines Trägerkörpers last sich die im Betrieb der Solarzellen entstehende Wärme oder die einfallende langwellige Strahlung leichter handhaben, z. B. mittels einer Wärmeleiterplatte, die mit der der Sonne abgewandten Seite des Trägers verbunden ist und als Kühlkörper für die Solarzellen eingesetzt werden kann. Mit der Wärmeleiterplatte, die auch durch einen Absorberkörper für Solarthermiezwecke ergänzt oder ersetzt werden kann, kann eine Wärmeableitungsvorrichtung verbunden werden, um die einfallende langwellige Strahlung und im Betrieb der Solarzellen entstehenden Wärme auszunutzen. Die entstehende Wärme wird dann mittels eines Wärmeträgermedium zu einer thermischen Nutzung zugeleitet.
• Sieht man eine auf langwellige Strahlung sensitive zweite Hologrammstruktur, beispielsweise mit mindestens einer obersten Hogrammschicht auf der der Sonne zugewandten Seite eines jedes holografischen Elements, vor, die jeweils die kurzwellige Strahlung durchläset und zusätzlich oder alternativ zu einer Rückleitung oder
Reflektion langwelliger Strahlung, langwellige Strahlung auf Langwellen-Zielbereiche der Wärmeleiterplatte bzw. des Absorberkörpers umlenkt, die jeweils unter dem Raum zwischen zwei benachbarten Solarzellen mit seitlichem Abstand zu solchen benachbarten Solarzellen positioniert sind, lässt sich mehr von der einfallenden Wärmestrahlung für Solarthermiezwecke ausnutzen. Durch die Positionierung der oben genannten Langwellen-Zielbereiche wird einfallende Wärmestrahlung aus der unmittelbaren Umgebung der Solarzelle weggelenkt und so wird eine Erhöhung der Arbeitstemperatur der Solarzellen vermieden.
• Durch die Ausbildung von mindestens einer der Hologrammstrukturen oder Hologrammschichten mittels eines photosensitiven Gel-Films in einem Sol-Gel-Verfahren, lassen sich sehr genau und kostengünstig Beugungsgitter mit unterschiedlichen Gitterstrukturen in der gleichen
Hologrammschicht erzeugen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Photovoltaik-Vorrichtung in
Form eines PV-Konzentratormoduls mit einer Vielzahl von einzelnen Photovoltaik-Einrichtungen (auch Konzentratoreinheit genannt), die jeweils zur direkten Umwandlung von auf eine kleinflächige Solarzelle konzentrierten Sonnenlichts in elektrische Energie dienen, sowie eine schematische Detailansicht des allgemeinen Aufbaus einer ersten Ausführungsform der
Photovoltaik-Einrichtungen;
Fig. 2 eine Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung von Figur
1 gemäß einer ersten Ausführungsform (mit oberster Hologrammschicht, die langwellige Strahlung unter einem stumpfen Winkel umlenkt);
Fig. 3 eine Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung von Figur
1 gemäß einer zweiten Ausführungsform (mit oberster Hologrammschicht, die langwellige Strahlung unter einem stumpfen Winkel umlenkt und mit Wärmeleiterplatte);
Fig. 4 eine Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung von Figur
1 gemäß einer dritten Ausführungsform (mit oberster Hologrammschicht, die verschiedene Bereiche aufweist, die langwellige Strahlung entweder unter einem stumpfen Winkel umlenken oder durchlassen, Wärmeleiterplatte und Wärmeableitungsvorrichtung);
Fig. 5 eine Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung von Figur
1 gemäß einer vierten Ausführungsform (mit oberster Hologrammschicht, die verschiedene Bereiche aufweist, die langwellige Strahlung entweder unter einem stumpfen Winkel umlenken oder durchlassen, weitere Hologrammschichten, die Bereiche aufweisen, die langwellige und kurzwellige Strahlung durchlassen, Absorberkörper und Wärmeableitungsvorrichtung); Fig. 6 eine Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung von Figur
1 gemäß einer fünften Ausführungsform (mit oberster Hologrammschicht, die verschiedene Bereiche aufweist, die langwellige Strahlung entweder umlenken oder durchlassen, Wärmeleiterplatte und Wärmeableitungsvorrichtung);
Fig. 7 eine Schnittansicht durch eine Photovoltaik-Vorrichtung von Figur
1 gemäß einer sechsten Ausführungsform (mit oberster Hologrammschicht, die verschiedene Bereiche aufweist, die langwellige Strahlung entweder umlenken oder durchlassen, weitere Hologrammschichten, die Bereiche aufweisen, die langwellige und kurzwellige Strahlung durchlassen, Absorberkörper und Wärmeableitungsvorrichtung);
Bei der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen werden für entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
In Figur 1 ist eine Photovoltaik-Vorrichtung 10 in Form eines PV- Konzentratormoduls mit einer Vielzahl von einzelnen Photovoltaik- Einrichtungen 11 in Form von Konzentratoreinheiten mit je wenigstens einer Solarzelle 5 in Form einer Mikrosolarzelle dargestellt. Die Solarzellen 5 der Photovoltaik-Einrichtungen 11 werden von einem Lichtaustrittskörper in Form eines transparenten Trägers 50 gehalten, der in bestimmten Abstand von einem Lichteintrittskörper 1 angeordnet ist.
Bei einer in Figur 2 dargestellten ersten Ausführungsform der Photovoltaik- Vorrichtung 10 werden - hier an dem Lichteintrittskörper 1 - holografische Elemente 3 mit je einer ersten Hologrammstruktur 30 und einer zweiten Hologrammstruktur eingesetzt. Die erste Hologrammstruktur ist aus mehreren ebenen Hologrammschichten 34, 36 gebildet. Zum Bilden der zweiten Hologrammstruktur ist mindestens eine obere Hologrammschicht 32 vorhanden, die einfallende langwellige Strahlung 25 (Strahlung mit einer Photonenenergie unterhalb der Energielücke der in der Mikrosolarzelle 5 eingesetzten photovoltaisch aktiven Materialien) unter einem stumpfen Winkel umlenkt und die restliche, insbesondere kurzwellige Strahlung 20 durchlässt.
Die Hologrammschichten 34, 36 der ersten Hologrammstruktur 30 fokussieren einfallende kurzwellige Strahlung 20 (in der Mikrosolarzelle in Strom umwandelbare Strahlung) auf die gegenüberliegende Solarzelle 5. Durch das Vorhandensein von Hologrammstruktur-Bereichen 40, 42 mit unterschiedlicher Hologrammbeschaffenheit in der gleichen ebenen Hologrammschicht 34, 36, die die senkrecht einfallende kurzwellige Strahlung in einem gegebenen Spektralbereich unterschiedlich umlenken und Strahlung in einem anderen Spektralbereich durchlassen, kann eine starke Fokussierung von Strahlung in einem gegebenen Spektralbereich erreicht werden. Wenn mehrere solche Hologrammschichten 34, 36 sich überlagern, kann einfallende kurzwellige Strahlung 20 unterschiedlicher Spektralbereiche auf denselben Punkt fokussiert werden.
Die Effizienz der Solarzellen kann erhöht werden, da mit so einer ersten Hologrammstruktur 30 der bei Linsensystemen üblicherweise auftretende Farbfehler vermieden wird.
Eine Überhitzung der Solarzelle 5 wird vermieden durch die zweite Hologrammstruktur mit den oberen Hologrammschichten 32, die in dem ersten Ausführungsbeispiel das einfallende langwellige Licht 25 wie in Fig. 1 und 2 dargestellt unter einem stumpfen Winkel zwischen einfallendem und umgelenktem Strahl zurück- oder umlenken. Die Solarzellen 5 können unter dem transparenten Träger 50 angebracht werden, der auch als gemeinsamer Träger dient und auf seiner der Sonne abgewandten Seite Leiterbahnen (nicht dargestellt) zur Kontaktierung der Solarzellen 5 aufweist.
Zusätzlich kann eine (z. B. klebende) transparente Isolierschicht 60 aufgetragen werden. Diese Anbringungsart der Solarzellen 5 ist besonders vorteilhaft, da die Solarzellen zwischen der der Sonne abgewandten Seite des Trägerkörpers 50 und der Isolierschicht 60 vor Umwelteinflüssen besser geschützt werden.
Bei einer in Figur 3 dargestellten zweiten Ausführungsform wird zusätzlich zu der (klebenden) Isolierschicht 60 auf diese und auf die Unterseite der Solarzellen 5 eine Wärmeleiterschicht 70 montiert. Die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleiterschicht 70 kann gezielt durch die Verwendung von besonders leitfähigem Material und/oder unterschiedlicher Stärke des Materials direkt bzw. auch später noch durch die zusätzliche Aufbringung von leitenden Materialschichten verändert werden. Durch das Vorhandensein der Wärmeleiterplatte 70 kann die im Betrieb der Solarzellen 5 entstehende Wärme besser von den Solarzellen an die Umgebung transportiert werden.
Im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform weist eine in Figur 4 dargestellte dritte Ausführungsform holografische Elemente 3 mit je einer zweiten Hologrammstruktur in Form wenigstens einer auf der der Sonne zugewandten Seite positionierter, oberster Hologrammschicht 32 mit nebeneinanderliegenden unterschiedlichen Hologrammstruktur-Bereiche 301 , 302 mit unterschiedlicher Hologrammbeschaffenheit auf. Die langwellige einfallende Strahlung wird von einem jeweils über einer Solarzelle 5 positionierten ersten Hologrammstruktur-Bereich 301 der zweiten Hologrammstruktur unter einem stumpfen Winkel zurück- oder umlenkt. Ein zu diesem ersten Hologrammstruktur-Bereich 301 benachbarter zweiter Hologrammstruktur-Bereich 302, der über dem Zwischenraum von zwei benachbarten Solarzellen 5 positioniert ist, lässt die langwellige Strahlung 25 durch. Zusätzlich ist unter der Wärmeleiterschicht 70 eine Wärmeableitvorrichtung vorhanden, die ein Rohrleitungssystem 80 für ein Wärmeträgermedium aufweist.
Durch diese Anordnung kann langwellige Strahlung von den ersten Hologrammstruktur-Bereichen 301 , die sich über den Solarzellen 5 befinden, zurück in die Außenumgebung umgelenkt werden. Langwellige Strahlung wird jedoch von den benachbarten zweiten Hologrammstruktur-Bereichen 302 durchgelassen und trifft auf die Wärmeleiterplatte 70 auf. Durch die Wärmeleiterplatte 70 kann dann einfallende Wärmestrahlung und im Betrieb der Solarzellen entstehende Wärme an die mit der Wärmeleiterplatte 70 in Kontakt stehende Wärmeableitungsvorrichtung abgeführt werden und ein Wärmeträgermedium erwärmen, das durch das Rohrleitungssystem 80 fließt. Das erwärmte Wärmeträgermedium kann dann für eine thermische Nutzung eingesetzt werden. Ebenfalls wird sowohl einfallende langwellige Strahlung 25, die sich als Wärmestrahlung bemerkbar macht, als auch im Betrieb der Solarzellen 5 entstehende Wärme aus der Umgebung der Solarzellen 5 abtransportiert, um eine Erhöhung der Betriebstemperatur der Solarzellen 5 zu vermeiden.
Im Unterschied zu der dritten Ausführungsform weist eine in Figur 5 dargestellte vierte Ausführungsform anstelle der Wärmeleiterschicht 70 einen Absorberkörper 75 für Solarthermiezwecke auf. Zusätzlich können die überlagerten Hologrammschichten 34, 36 zum Umlenken kurzwelliger Strahlung 20 Durchlass-Bereiche 46 aufweisen, die jeweils über dem Raum zwischen zwei benachbarten Solarzellen 5 so positioniert sind, dass sie die Fläche der Solarzellen 5 nicht überlappen, und die kurzwellige einfallende Strahlung durchlassen. So wird einfallende kurzwellige Strahlung 20 von dem Absorberkörper 75 aufgenommen. Der Absorberkörper 75 weist auf einer der Sonne zugewandten Seite eines Absorbers eine Glasplatte (möglichst aus Solarglas) auf. Die durch die Glasplatte einfallende Sonnenstrahlung trifft auf den Absorber auf. Dabei wird kurzwellige, energiereiche Strahlung in Wärmestrahlung umgewandelt. Die dabei freiwerdende Wärme darf nicht verloren gehen, weshalb der Absorberkörper allseitig wärmegedämmt sein sollte. Wärme, die nicht direkt vom Absorber aufgenommen oder von diesem als Emission wieder abgestrahlt wird, wird durch die Glasscheibe zurück reflektiert. Sie ist somit im Absorberkörper 75 gefangen. Der Absorber soll direkte und diffuse Strahlung möglichst gut auffangen und in Wärme umwandeln (Absorption). Zugleich soll er möglichst wenig Wärme wieder in Form von Strahlung abgeben (Emission). Er soll sich selektiv verhalten.
Der erhitzte Absorber überträgt die Wärme auf die in dem fest mit dem Absorberkörper 75 verbundenen Rohrleitungssystem 80 fließende
Wärmeträgerflüssigkeit. Diese transportiert die gesammelte Wärmeenergie zu einem Verbraucher oder einem Wärmespeicher.
Eine in Figur 6 dargestellte fünfte Ausführungsform weist im Unterschied zu der dritten Ausführungsform eine zweite Hologrammstruktur in Form einer oberen Hologrammschicht 32 auf, die unterschiedliche Hologrammstruktur- Bereiche 311 , 302 mit unterschiedlichen Hologrammbeschaffenheit aufweist. Die langwellige einfallende Strahlung 25 wird von einem jeweils über einer Solarzelle 5 positionierten dritten Hologrammstruktur-Bereich 311 der obersten Hologrammschicht 32 auf Langwellen-Zielbereiche 702 der
Wärmeleiterplatte umgelenkt, die sich nicht unmittelbar unter der Solarzellen 5 befinden und an die Solarzellen-Bereiche 711 der Wärmeplatte 70, die sich jeweils unmittelbar unter einer Solarzelle 5 befinden, angrenzen.
Die langwellige einfallende Strahlung 25 wird von einem an den Bereich 311 angrenzenden zweiten Hologrammstruktur-Bereich 302 der obersten Hologrammschicht 32, der sich über den Zwischenraum von zwei benachbarten Solarzellen 5 befindet, durchgelassen und tritt auf die Langwellen-Zielbereiche 702 der Wärmeleiterschicht 70 auf. Hier kann an die Wärmeleiterplatte 70 eine Wärmeableitungsvorrichtung (nicht dargestellt), die ein Rohrleitungssystem 80 aufweist, angrenzen.
Im Unterschied zu der fünften Ausführungsform, weist eine in Figur 7 dargestellten sechste Ausführungsform anstelle der Wärmeleiterschicht 70 aus Figur 4 einen Absorberkörper 75 für Solarthermiezwecke, der einen selektiven Absorber aufweist, auf. Zusätzlich können die überlagerten Hologrammschichten 34, 36 zum Umlenken kurzwelliger Strahlung 20 Durchlass-Bereiche 46 aufweisen, die über dem Raum zwischen benachbarten Solarzellen 5 positioniert sind, die Solarzellen 5 nicht überlappen und kurzwellige einfallende Strahlung 20 durchlassen. So kann einfallende kurzwellige Strahlung 20 von dem Absorberkörper 75 in Wärmestrahlung umgewandelt und einer thermischen Nutzung zugeleitet werden.
Bezugszeichenliste
I Lichteintrittskörper
3 holografisches Element 5 Solarzelle
10 Photovoltaik-Vorrichtung
I 1 Photovoltaik-Einrichtung
20 einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung 25 einfallende langwellige Sonnenstrahlung 30 erste Hologrammstruktur (holografische Struktur)
32 oberste Hologrammschicht zum Umlenken von langwelliger Strahlung (zweite Hologrammstruktur)
34 Hologrammschicht zum Umlenken von kurzwelliger Strahlung in einem ersten Spektralbereich 36 Hologrammschicht zum Umlenken von kurzwelliger Strahlung in einem weiteren Spektralbereich 40 Erster Hologrammstruktur-Bereich der ersten Hologrammstruktur zum
Umlenken von kurzwelliger Strahlung unter einem ersten Umlenkwinkel 42 Zweiter Hologrammstruktur-Bereich der ersten Hologrammstruktur zum Umlenken von kurzwelliger Strahlung unter einem weiteren
Umlenkwinkel 46 Durchlass-Bereich in der zum Umlenken von kurzwelliger Strahlung dienenden ersten Hologrammstruktur, welcher Durchlass-Bereich die kurzwellige Strahlung durchlässt 50 transparenter Träger (Lichtaustrittskörper) 60 Isolierschicht 70 Wärmeleiterplatte 75 Absorberkörper 80 Rohrleitungssystem 301 Erster Hologrammstruktur-Bereich der obersten Hologrammschicht(en) zum Umlenken langwelliger Strahlung unter einem stumpfen Winkel, der jeweils unmittelbar über einer Solarzelle positioniert ist 302 Zweiter Hologrammstruktur-Bereich der obersten Hologrammschicht(en), der jeweils nicht direkt über einer Solarzelle angeordnet ist und langwellige Strahlung durchlässt Unmittelbar über einer Solarzelle positionierter Bereich der obersten
Hologrammschicht(en) zum Umlenken langwelliger Strahlung in einen Bereich, der jeweils unmittelbar unter dem Raum zwischen zwei benachbarten Solarzellen vorhanden ist Bereich der Wärmeleiterplatte bzw. des Absorberkörpers unmittelbar unter der Solarzelle (Langwellen-Zielbereich) Bereich der Wärmeleiterplatte bzw. des Absorberkörpers unter dem Raum zwischen benachbarten Solarzellen (Solarzellen-Bereich)

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Photovoltaik-Vorrichtung (10) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit wenigstens einer Solarzelle (5) und wenigstens einem der Solarzelle (5) zugeordneten holografischen Element (3), das eine erste Hologrammstruktur (3) aufweist, welche einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung, die aus Strahlung aus wenigstens einem durch die Solarzelle (5) in Strom umwandelbaren Spektralbereich besteht, auf einen Kurzwellen-Zielbereich auf einer gegenüber der Lichteintrittsfläche des holografischen Elements (3) kleinflächigeren Solarzelle (5) bündelt, dadurch gekennzeichnet, dass das holografische Element (3) eine zweite Hologrammstruktur (32) aufweist, die kurzwellige Strahlung (20), die aus Strahlung in einem durch die Solarzelle (5) nutzbaren Spektralbereich besteht, durchlässt, jedoch langwellige Strahlung, die aus Strahlung aus einem von der Solarzelle (5) nicht nutzbaren Spektralbereich besteht, von der Solarzelle (5) weg ablenkt.
2. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Solarzellen (5) aufweist, wobei jeder Solarzelle (5) wenigstens eines der holografischen Elemente (3), deren Lichteintrittsfläche wesentlich größer als die als die Fläche der Solarzelle (5) ist, zum Bündeln kurzwelliger Sonnenstrahlung (20) aus dem nutzbaren Spektralbereich auf die Solarzellenfläche zugeordnet ist.
3. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren holografischen Elemente (3) an einem gemeinsamen Lichteintrittskörper (1 ) ausgebildet sind.
4. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hologrammstruktur (30) zum Bündeln nutzbarer kurzwelliger Strahlung mehrere überlagerte Hologrammschichten (32, 34) mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten aufweist, die die unter einem bestimmten Winkel einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung jeweils auf denselben Kurzwellen-Zielbereich der zugeordneten Solarzelle bündeln.
5. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hologrammstruktur durch mindestens eine oberste Hologrammschicht (32) gebildet ist.
6. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hologrammstruktur einfallende langwellige Strahlung unter einem, vorzugsweise stumpfen, Winkel umlenkt, insbesondere reflektiert.
7. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hologrammstruktur einfallende langwellige Strahlung von einer ersten Solarzelle (5) weg in einen zwischen der ersten Solarzelle (5) und einer benachbarten zweiten Solarzelle (5) vorhandenen Langwellen- Zielbereich weglenkt.
8. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hologrammstruktur (30) eben ist.
9. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene erste Hologrammstruktur mehrere in der ebenen Hologrammstruktur nebeneinander ausgebildete Hologrammstruktur-Bereiche (40, 42) unterschiedlicher holografischer Beschaffenheit zum Ablenken der in den jeweiligen Bereich einfallenden kurzwelligen Strahlung unter entsprechend unterschiedlichen Winkeln auf einen gemeinsamen punktförmigen Kurzwellen-Zielbereich auf der Solarzellenfläche aufweist.
I
10. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 9 und nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hologrammstruktur (30) mit mehreren überlagerten Hologrammschichten (34, 36) eben ist und jede Hologrammschicht (34, 36) die mehreren Hologrammstruktur-Bereiche (40, 42) mit unterschiedlicher holografischer Beschaffenheit aufweist, die das einfallende kurzwellige Licht aus einem pro Hologrammschicht (34, 36) jeweils gegebenen Spektralbereich unterschiedlich umlenken, wobei die unterschiedlichen Hologrammstruktur- Bereiche (40, 42) verschiedener Hologrammschichten die einfallende kurzwellige Strahlung unabhängig vom jeweils sensitiven Spektralbereich auf denselben punktförmigen Kurzwellen-Zielbereich auf der zugeordneten Solarzelle (5) fokussieren.
11. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder nach einem der vorangehenden Ansprüche, soweit auf Anspruch 2 zurückbezogen, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (5) auf einem gemeinsamen transparenten Träger (50) insbesondere auf dessen der Sonne abgewandten Seite angebracht sind.
12. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Solarzellen (5) und der der Sonne abgewandten Seite des Trägers (50) eine Isolierschicht (60) aus transparenten Material aufgetragen ist.
13. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12 und nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hologrammstruktur (32) einfallende langwellige Sonnenstrahlung von der ersten Solarzelle (5) in einen zwischen der ersten Solarzelle (5) und einer benachbarten zweiten Solarzelle (5) unmittelbar unter dem Träger (50), insbesondere unmittelbar unter der Isolierschicht (60), vorhandenen Langwellen-Zielbereich weglenkt.
14. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleiterplatte (70) mit der der Sonne abgewandten Seite des Trägerkörpers (50) verbunden ist.
15. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absorberkörper (75) für Solarthermiezwecke mit der der Sonne abgewandten Seite des Trägerkörpers (50) verbunden ist.
16. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (75 ) einen selektiven Absorber aufweist, welcher kurzwellige Sonnenstrahlung in Wärmestrahlung umwandelt.
17. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hologrammstruktur (32) einfallende langwellige Strahlung jeweils auf Langwellen-Zielbereiche (712) der Wärmeleiterplatte (70) oder des Absorberkörpers (75) umlenken, die jeweils unter einem Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Solarzellen (5) positioniert sind und sich nicht mit jeweils unmittelbar unter den Solarzellen (5) befindlichen Solarzellen- Bereichen (701) der Wärmeleiterplatte (70) oder des Absorberkörpers (75) überlappen.
18. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrleitungssystem (80) auf der der Sonne abgewandten Seite der Wärmeleiterplatte (70) oder des Absorberkörpers (75) angebracht ist und zum Ableiten von in der Photovoltaikvorrichtung (10) durch Sonnenstrahlung oder während des Betriebs der Solarzellen (5) entstehender Wärme mittels eines Wärmeträgermediums und zum Zuleiten des so erwärmten Wärmeträgermediums zu einer thermischen Nutzung dient.
19. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine holografische Element (3) und/oder ein das wenigstens eine holografische Element (3) aufweisender Lichteintrittskörper (1) angrenzend zu den kurzwellige Strahlung fokussierenden ersten Hologrammstrukturen (30) in wenigstens einem Zwischenbereich, der nicht unmittelbar über einer Solarzelle (5) angeordnet ist, wenigstens einen Durchlass-Bereich (46) aufweisen, der sowohl die kurzwellige als auch die langwellige einfallende Strahlung auf einen solarzellenfreien Zielbereich (702) durch lässt.
20. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Solarzelle (5) eine Mikrosolarzelle ist, insbesondere mit einer Flächenausdehnung von gleich oder weniger als ca. 100 mm2.
21. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Solarzelle (5) eine Mehrschichtzelle aus Halbleiterverbindungen, insbesondere Tandem oder Triplezellen aus IM-V- Halbleiterverbindungen, ist.
22. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Hologrammstruktur (30, 32)
Hologrammschichten (32, 34, 36) mit Beugungsgittern aufweisen.
23. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindesten eine der Hologrammschichten (32, 34r 36) jeweils mindestens einen photosensitiven Gel-Film mit mindestens einem Beugungsgitter mit einer gegebenen Periode und Tiefe umfasst.
24. Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch eine beliebige Reihenfolge der folgenden Schritte: a1) Vorsehen eines Lichteintrittskörpers (1), der eine Vielzahl von holografischen Elementen (3) aufweist, die jeweils eine erste
Hologrammstruktur (30) mit mehreren überlagerten Hologrammschichten (34, 36) mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten aufweist, die jeweils die unter einem bestimmten Winkel einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung auf denselben Kurzwellen-Zielbereich bündeln, der jeweils eine kleinere Fläche als ein entsprechendes holografisches Element (3) aufweist und diesem (3) auf der sonnenabgewandten Seite gegenüberliegt, b) Versehen eines transparenten Trägers (50) mit einer Vielzahl von Solarzellen (5) jeweils in dem gegenüber einer Solarzelle (5) kleinflächigeren Kurzwellen-Zielbereich, auf den das einfallende kurzwellige Strahlung von dem entsprechenden, gegenüberliegenden holografischen Element (3) gebündelt wird, c) Anbringen mindestens einer obersten Hologrammschicht (32) auf der der Sonne zuzuwendenden Seite der ersten Hologrammstruktur (30) eines jeden holografischen Elements (3), wobei die oberste Hologrammschicht (32) derart ausgebildet wird, dass sie die einfallende kurzwellige Strahlung durchlässt und die einfallende langwellige Sonnenstrahlung unter einem stumpfen Winkel insbesondere reflektierend umlenkt oder von dem Ort, an dem die zugeordnete Solarzelle (5) anzuordnen ist, in einem solarzellenfreien Langwellen-Zielbereich weglenkt, der zwischen benachbarten Solarzellen (5) auf einer dem Licht abgewandten Seite der Solarzellen (5), die Fläche der Solarzellen nicht überlappend anzuordnen ist.
25. Verfahren nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch den vor dem Schritt a1) durchzuführenden Schritt: a) Herstellen je eines holografischen Elements (3) aus mehreren ebenen überlagerten Hologrammschichten (34, 36) mit jeweils mehreren Hologrammstruktur-Bereichen (42, 46) mit unterschiedlicher holografischer Beschaffenheit, die das einfallende kurzwellige Licht in einem gegebenen Spektralbereich unterschiedlich umlenken und unabhängig vom Spektralbereich auf denselben punktförmigen Kurzwellen-Zielbereich, der auf einer zuzuordnenden Solarzelle (5) anzuordnen ist, fokussieren.
26. Verfahren nach einem der Ansprüchen 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet dass Schritt b) umfasst:
Aufbringen der Solarzellen (5) auf der der Sonne abgewandten Seite des transparenten Trägers (50).
27. Verfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch nach dem Schritt b) auszuführenden Schritt: b1 ) Auftragen eines transparenten Materials auf die der Sonne abgewandten Seite des Trägers (50) zur schützenden Umhüllung der Solarzellen (5).
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, gekennzeichnet dadurch dass Schritt c) umfasst: Ausbilden der obersten Hologrammschicht (32) derart, dass der Langwellen- Zielbereich unmittelbar unter dem Träger (50), insbesondere unmittelbar unter der Isolierschicht (60) vorhandenen Bereich zu liegen kommt.
29. Verfahren nach einem der Ansprüchen 24 bis 28, gekennzeichnet durch den vor oder nach dem Schritt c) durchzuführenden Schritt: d) Aufbringen einer Wärmeleiterplatte (70) auf die der Sonne abgewandten Seite des Trägers (50).
30. Verfahren nach einem der Ansprüchen 24 bis 29, gekennzeichnet durch den vor oder nach dem Schritt c) durchzuführenden Schritt: e1) Anbringen eines Absorberkörpers (75) für Solarthermiezwecke auf die der Sonne abgewandten Seite des Trägers (50).
31. Verfahren nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch den vor dem Schritt e1) auszuführenden Schritt e) Herstellen oder Auswählen eines Absorberkörpers (75) mit einem selektiven Absorber, welcher die kurzwellige Strahlung in Wärmestrahlung umwandelt.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31 , gekennzeichnet durch den nach dem Schritt d) oder e) durchzuführenden Schritt: f) Anbringen eines Rohrleitungssystems (80) auf der der Sonne abgewandten Seite der Wärmeleiterplatte (70) oder des Absorberkörpers (75), das zum Ableiten von in der Photovoltaikvorrichtung (10) durch einfallende Sonnenstrahlung oder während des Betriebs der Solarzellen (5) entstehender Wärme mittels eines Wärmeträgermediums und zum Zuleiten des so erwärmten Wärmeträgermediums zu einer thermischen Nutzung dient.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) oder a1) umfasst: Herstellen der Hologrammschichten (34, 36) eines jeden holografischen Elements (3) derart, dass am Lichteintrittskörper (1) angrenzend an die kurzwellige Strahlung fokussierende erste Hologrammstruktur zusätzliche Durchlass-Bereiche (46) ausgebildet sind, die die kurzwellige und die langwellige einfallende Strahlung durchlassen.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) oder a1) umfasst:
Herstellen von Beugungsgittern zum Ausbilden der Hologrammschichten (34, 36) eines jeden holografischen Elements (3) mit einer geeigneten holografischen Beschaffenheit.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) umfasst:
Herstellen von Beugungsgittern zum Ausbilden der mindestens einen obersten Hologrammschicht (32) eines jeden holografischen Elements (3) mit einer geeigneten holografischen Beschaffenheit.
36. Verfahren nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet dass die Beugungsgitter mindestens einer der Hologrammschichten (32, 24, 26) eines jeden holografischen Elements (3) durch folgende Schritte hergestellt werden: g) Herstellen mindestens eines photosensitiven Gel-Films im SoI-GeI- Verfahren und Überziehen eines Substrats mit dem mindestens einen Gel- Film, h) Anbringen einer Maske mit einem Gitter oder eine Folge von Gittern mit einer gegebenen Periode und Tiefe jeweils auf den mindestens einen Gel- Film, i) Belichten des jeweils einen Gel-Films durch die Maske mit Licht und Erzeugen insbesondere mittels Auslaugens eines oder mehreren gegenüber des Gitters oder der mehreren Gitter der Maske negativen Beugungsgitter in dem jeweils einem Gel-Film.
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