WO2008145111A2 - Photovoltaic device comprising ultra-thin optical elements, and corresponding method of production - Google Patents

Photovoltaic device comprising ultra-thin optical elements, and corresponding method of production Download PDF

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WO2008145111A2
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Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic device according to the preamble of the appended claim 1, as known from the document DE 40 16 665 A1.
  • the invention also relates to a manufacturing method for such a photovoltaic device (solar module) with at least one solar cell for direct conversion of light into electrical energy.
  • thin-film solar cells are also used to convert solar radiation into electricity.
  • High efficiency with over 39% conversion of solar radiation can be achieved through the use of high power PV cells from higher value semiconductor (IH-V) semiconductor materials such as silicon dioxide.
  • IH-V semiconductor
  • GaAs GalliumArsenide
  • Such cells based on semiconductor material can be constructed stepwise as single, tandem, triple or multi-stack cells and thereby use solar radiation with a broader frequency spectrum.
  • the large-scale production of such cells is very expensive. It was therefore chosen the approach, the incident solar radiation on a very small area of, for example, under a few hundred square millimeters or even of less than one square millimeter. Only for this small area then a solar cell is necessary.
  • the material input can then be less than 1% compared to the large-scale use of such cells.
  • the concentration makes it possible to use the high luminous efficacy of high-performance PV cells of currently over 39%.
  • a PV device for concentrating solar radiation (hundred to a thousandfold concentration) on micro solar cells made of semiconductor material has a closed housing, in the interior of which at least one optical device and at least one associated microsolar cell are arranged.
  • the at least one optical device concentrates the incident light more than 100 times each on an associated micro-solar cell with a smaller area than a few hundred square millimeters.
  • the at least one optical device can be moved independently of the associated micro-solar cell and of the stationary housing and thus tracked to the sun.
  • the unit of a micro solar cell and an optical device can be moved independently of the surrounding housing to track the sun. Since the efficiency of the micro solar cell with increasing
  • the micro-solar cell used therein is in each case surrounded by a heat sink, which is to dissipate the heat generated by the associated microsolar cell.
  • the type of mounting of the micro-solar cells in the interior of a housing, despite existing heat sinks around the micro-solar cells leads to problems in the necessary heat dissipation, which remains trapped in the case, as well as contamination of the inside of the PV device and the sensitive micro-solar cells.
  • micro-solar cells are very sensitive to environmental influences, even dust particles and small particles of dirt or moisture can impair their function. Since in principle only the connection of several photovoltaic devices allows economical use of such a photovoltaic device, these are preferably combined to form a solar system.
  • the lens systems usually used have a high weight, which leads to a difficult tracking to the sun and increased production costs because of the large amounts of material used.
  • the convertible solar radiation has wave frequencies v whose photon energy hv is above the energy gap of the semiconductor materials used in the solar cells. This usable by the solar cell part of the radiation is rather shortwave.
  • 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. Since the efficiency of solar cells decreases with an increase in temperature, in such solar modules, the working temperature of the solar cells due to the large amounts of heat that arise during their operation, or because of the incident heat radiation (IR radiation), difficult to keep in a range, in which the solar cells can work effectively.
  • heat that is caused during operation of the solar cells or by the incident heat radiation is dissipated to the environment by means of air cooling or via heat sinks. It is also known, for example from document DE 40166665 A1, to avoid high concentrations of the incident solar radiation in order to avoid overheating of the solar cells used therein.
  • Document DE 4016665 A1 discloses a photocell arrangement in which two transparent carrier plates are arranged parallel to one another and spaced apart from one another and connected to one another by means of carrying elements.
  • the sun facing plate is provided on its side facing away from the sun with six trapezoidal holograms, which are assembled into a hexagonal ring.
  • the ring composed of the trapezoidal holograms holds a hexagonal surface.
  • the plate facing away from the sun serves as a support for the photocells.
  • These cover on the back of this plate a hexagonal area, which corresponds to the vertical projection of the surface bounded by the holograms on the facing away from the sun plate.
  • the holograms have such a characteristic that they redirect the vertically incident light to the surface of the photocells. The light incident on the area of the plate facing the sun, which is enclosed by the holograms, falls directly onto the existing photocells.
  • the object of the invention is to design a photovoltaic device with the features of the preamble of claim 1 such that an increase in the efficiency of the photovoltaic device according to the invention is achieved.
  • a corresponding method for producing the photovoltaic device according to the invention forms the subject of the independent claim.
  • the photovoltaic device for the direct conversion of solar energy into electrical energy has at least one solar cell and at least one of the at least one solar cell associated optical element for deflecting the vertically incident solar radiation on the associated and opposite this spaced solar cell.
  • the projection of the surface of the optical element in the plane of the solar cell adjoins the surface of the at least one solar cell.
  • the optical element is formed at least from a part, in particular a peripheral part of a preferably ultrathin converging lens, in particular a Fresnel lens, which may have a thickness which is less than a few hundred micrometers, in particular less than 100 micrometers.
  • the ultra-thin collecting lenses can be incorporated in a film whose thickness does not exceed the thickness of the incorporated converging lenses and is below a few hundred micrometers, in particular below 100 micrometers.
  • the at least one optical element is separated from such a prefabricated film and then spaced from at least one associated solar cell of the photovoltaic device according to the invention mounted on the side facing the sun.
  • the separation and in particular the attachment of the at least one optical element can be particularly simple and very accurate in an automated process. Due to the method of attachment of the at least one optical element, the solar radiation incident on the vertical projection surface of the at least one solar cell in the plane of the optical element can directly reach the at least one solar cell. For the solar radiation, which impinges directly on the solar cell, then no transmission losses occur. Thus, the total transmission losses that occur when crossing transparent layers or optical elements can be reduced. Thus, a larger proportion of the incident solar radiation can reach the solar cells used. Consequently, the solar cells work more efficiently.
  • the solar radiation incident directly on the optical element can be deflected onto the solar cell in addition to the solar radiation directly incident on the solar cell.
  • This increases the concentration of solar radiation that hits the solar cell, and the solar cell generates more electricity.
  • the Concentration of the solar radiation incident on the solar cell can be kept in a range in which the heat generation is relatively low and the temperature of the solar cell does not affect the efficiency of the solar cell. The closer the solar cell is to the focus of the optical element, the greater the concentration of solar radiation impinging on the solar cell.
  • optical elements may be present.
  • higher concentrations of solar radiation incident on the solar cell can also be achieved.
  • the at least one solar cell is a large-area solar cell, preferably made of silicon, in particular a large-area thin-film solar cell. Since the optical elements are particularly lightweight, can also be large-area
  • Solar cells are used, which have a surface which is comparable to the surface of the associated optical elements, without the weight of the photovoltaic device is substantially increased by the weight of the ultrathin optical elements used. Since such optical elements are inexpensive, the production or purchase costs remain limited even in their large-scale use. This eliminates the construction effort that occurs when using very small-scale solar cells, since the positioning of large-scale solar cells is much easier to carry out. Thus, a particularly efficient photovoltaic device according to the invention can be realized cost-effectively, which can be tracked in particular uniaxial.
  • the photovoltaic device according to the invention comprises at least one solar cell whose surface is a rectangle with a much greater length than its width. Their length can be more than 10 times, in particular more than 100 times their width.
  • Such a photovoltaic device requires a simple, uniaxial Tracking and the material cost of the solar cells used is smaller here than in large-scale solar cells, which are generously dimensioned in all directions.
  • the tracking system In the case of uniaxial tracking, the tracking system will change its elevation angle by a maximum of 270 ° and track the sun horizontally. In the case of biaxial tracking, the tracking system will also change its angle formed by the vertical axis by a maximum of 90 °.
  • optical elements may be attached to a common transparent light entry plate.
  • a mounting method of the optical elements facilitates their positioning relative to the solar cells.
  • the heat incident on the optical elements can be uniformly distributed in the light entry body. As a result, overheating and consequently damage to the ultra-thin optical elements can be avoided.
  • a plurality of, preferably all solar cells are connected to the side facing away from the sun with a heat conductor plate.
  • the incident and the heat generated during operation of the solar cells can be quickly transported to the outside environment. This avoids overheating of the solar cells.
  • the at least one optical element is assigned to its side facing the sun a first, in particular, flat hologram structure, which detects the incident solar radiation emitted by the at least a solar cell is not convertible into electricity, redirects back to the outside environment and lets other solar radiation through.
  • the rather long-wave incident solar radiation including heat radiation will not reach the ultra-thin optical elements and thus will not overheat.
  • the first hologram structure also extends over the surface of the at least one solar cell, the longer-wave solar radiation does not reach the solar cell either. Thus, overheating of the at least one solar cell is avoided.
  • the combination of the hologram structure for selectively filtering solar cell-utilizable radiation with a portion of an ultrathin converging lens having a thickness less than a few hundred microns, more preferably less than 100 microns, provides particular advantages and is particularly preferred.
  • a first, in particular planar optical structure for reflecting and in particular deflecting the solar radiation deflected by the at least one optical element onto this first optical structure is at an obtuse angle compared to the normal at the level of the solar cell.
  • a second, in particular planar optical structure is also preferably present in the region of the plane of the at least one optical element, which deflects the solar radiation reflected or deflected by the first optical structure onto the at least one solar cell.
  • the surface of the second optical structure preferably covers the surface of the at least one optical element and / or the projection surface of the at least one associated solar cell in the plane of the at least one optical element.
  • the first optical structure reflects or deflects the radiation deflected by the at least one first optical element, which does not affect the at least a solar cell hits, level with the first optical element.
  • the solar radiation deflected by the first optical structure strikes the second optical structure attached to the side of the at least one optical element facing away from the sun and is deflected by the latter onto the solar cell.
  • the concentration of the solar radiation impinging on the solar cell is increased. Consequently, the efficiency of the solar cell increases.
  • the first optical structure can be realized simply and inexpensively by means of a second hologram structure which reflects the solar radiation deflected therefrom by the at least one optical element or deflects it at an obtuse angle with respect to the straight line perpendicular to the plane with the solar cell.
  • the second leaves are arranged simply and inexpensively by means of a second hologram structure which reflects the solar radiation deflected therefrom by the at least one optical element or deflects it at an obtuse angle with respect to the straight line perpendicular to the plane with the solar cell.
  • the second leaves which reflects the solar radiation deflected therefrom by the at least one optical element or deflects it at an obtuse angle with respect to the straight line perpendicular to the plane with the solar cell.
  • Hologram structure solar radiation through which is not convertible by the solar cell into electricity.
  • overheating of the at least one solar cell is avoided since heat radiation and solar radiation, which would convert the at least one solar cell into heat, can not impinge on the surface thereof after being deflected by the second optical structure.
  • the second optical structure is realized simply and inexpensively by means of a third hologram structure, which reflects or deflects only solar radiation that can be converted into electricity by the solar cell.
  • the third hologram structure allows other radiation to pass undirected and deflects only the solar radiation deflected from the first optical structure onto the solar cell, which can be converted into electricity by the solar cell.
  • the second optical structure can also have a semitransparent mirror, which reads through the solar radiation impinging on its side facing the sun and which points away from it on the sun Side reflected by the first optical structure deflected solar radiation and this so the solar cell feeds.
  • photovoltaic devices according to the invention are used in a system that always tracks the sun, in particular uniaxially.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of an inventive
  • FIG. 2 is a schematic plan view of another invention
  • the photovoltaic device partly shown in FIG. 1 has a plurality of solar cells 20 - only one shown by way of example - to which two ultrathin optical elements 30 are assigned.
  • the two optical elements 30 together form an ultra-thin Fresnel lens and each represent one half of this Fresnel lens.
  • the two optical elements 30 are spaced apart from each other and mounted on a straight surface on the side facing away from the sun of a common light entrance body 40.
  • the solar cell 20 is mounted on the side of a support body 60 facing the sun so that its projection surface in the plane adjoins the optical elements 30 with the optical elements 30.
  • a first hologram structure 70 is attached, the solar radiation 37, which can not be converted into electricity by the solar cell 20, deflected back to the outside environment and other radiation 36 passes.
  • a first optical structure 80 Adjacent to the solar cell 20 and on the sun-facing side of the carrier body 60, a first optical structure 80 is here in the form of a second hologram structure 80, the solar radiation 36, which is convertible from the solar cell 20 into electricity, back towards the optical Deflects elements 30 and transmits other radiation 37.
  • the second optical structure 90 is mounted here in the form of a semitransparent mirror 90, which transmits the solar radiation 35, 36 impinging on the sun-facing side of the semitransparent mirror 90 without deflection and those on the side facing away from the sun Side of the semitransparent mirror 90 from the first optical structure 80 deflected solar radiation 36 is reflected and so the solar cell 20 passes.
  • the surface of the semitransparent mirror 90 covers the surface of the optical elements 30 and the projection surface of the solar cell 20 in the plane with the optical elements 30.
  • Device has a plurality of rectangular solar cells 20, each having a length which is each significantly larger than the width thereof.
  • the mounting method of the ultra-thin optical elements 30 with respect to the associated solar cell 20 is illustrated.
  • the optical elements 30 are mounted together on a light entrance body 40. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention relates to a photovoltaic device for the direct conversion of solar energy to electrical energy. Said device comprises at least one solar cell (20) and at least one optical elment (30), associated with the at least one solar cell (20), for deflecting the perpendicularly incident solar radiation (35) to the associated solar cell (20) arranged at a distance thereto, the projection of the surface of the optical element (30) on to the plane comprising the solar cell (20) adjoining the surface of the latter. The optical element (30) has a thickness of less than a few hundreds of micrometers especially less than 100 micrometers. The invention also relates to a corresponding method of production.

Description

PHOTOVOLTAIK-VORRICHTUNG MIT ULTRADÜNNEN OPTISCHEN ELEMENTEN UND HERSTELLVERFAHREN HIERFÜR PHOTOVOLTAIC DEVICE WITH ULTRADOUND OPTICAL ELEMENTS AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR
Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 , wie sie aus dem Dokument DE 40 16 665 A1 bekannt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Herstellverfahren für eine solche photovoltaische Vorrichtung (Solarmodul) mit mindestens einer Solarzelle zum direkten Umwandeln von Licht in elektrische Energie.The invention relates to a photovoltaic device according to the preamble of the appended claim 1, as known from the document DE 40 16 665 A1. The invention also relates to a manufacturing method for such a photovoltaic device (solar module) with at least one solar cell for direct conversion of light into electrical energy.
Im Bereich der Nutzung der Solarenergie ist seit ca. 50 Jahren bekannt, dass Sonnenenergie durch Silizium auch direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Bei den heute üblichen Solarzellen wird meist mono- oder multikristallines Silizium verwendet. Diese Solarzellen aus Silizium wandeln nur einen Teil des Spektrums der auftreffenden Strahlung in elektrischen Strom um.In the field of solar energy use, it has been known for some 50 years that solar energy can also be converted directly into electricity by silicon. Monocrystalline or multicrystalline silicon is usually used in the solar cells customary today. These silicon solar cells convert only part of the spectrum of the incident radiation into electrical current.
Häufig werden auch Dünnschichtsolarzellen zur Umwandlung der Sonnenstrahlung in elektrischen Strom verwendet.Frequently, thin-film solar cells are also used to convert solar radiation into electricity.
Eine höhere Effizienz mit über 39 % Umwandlung der Solarstrahlung kann durch den Einsatz von Hochleistungs-PV-Zellen aus höherwertigen Halbleiterverbindungen (IH-V- Halbleitermaterial) wie z.B. GalliumArsenid (GaAs) erzielt werden.Higher efficiency with over 39% conversion of solar radiation can be achieved through the use of high power PV cells from higher value semiconductor (IH-V) semiconductor materials such as silicon dioxide. GalliumArsenide (GaAs) can be achieved.
Solche Zellen auf Halbleitermaterialbasis können stufenartig als Single-, Tandem-, Tripeizellen oder Mehrfach-Stapelzellen aufgebaut werden und nutzen dadurch Sonnenstrahlung mit einem breiteren Frequenzspektrum. Die großflächige Produktion solcher Zellen ist jedoch sehr kostenintensiv. Es wurde daher der Ansatz gewählt, die einfallende Sonnenstrahlung auf eine sehr kleine Fläche von z.B. unter einige hundert Quadratmillimeter oder sogar von unter einem Quadratmillimeter zu konzentrieren. Nur für diese kleine Fläche ist dann eine Solarzelle notwendig. Der Materialeinsatz kann dann bei unter 1 % gegenüber dem großflächigen Einsatz solcher Zellen liegen. Durch die Konzentration lässt sich die hohe Lichtausbeute von Hochleistungs-PV-Zellen von zur Zeit über 39 % nutzen.Such cells based on semiconductor material can be constructed stepwise as single, tandem, triple or multi-stack cells and thereby use solar radiation with a broader frequency spectrum. However, the large-scale production of such cells is very expensive. It was therefore chosen the approach, the incident solar radiation on a very small area of, for example, under a few hundred square millimeters or even of less than one square millimeter. Only for this small area then a solar cell is necessary. The material input can then be less than 1% compared to the large-scale use of such cells. The concentration makes it possible to use the high luminous efficacy of high-performance PV cells of currently over 39%.
Aus dem Dokument DE 103 20 663 A1 ist eine PV-Vorrichtung zum Konzentrieren von Sonnenstrahlung (hundert bis tausendfache Konzentration) auf Mikrosolarzellen aus Halbleitermaterial bekannt. Die PV-Vorrichtung weist ein geschlossenes Gehäuse auf, in dessen Inneren mindestens eine optische Einrichtung und mindestens eine zugeordnete Mikrosolarzelle angeordnet sind. Die mindestens eine optische Einrichtung konzentriert das einfallende Licht über das 100-fache jeweils auf eine zugeordnete Mikrosolarzelle mit einer kleinere Fläche als einigen hundert Quadratmillimetern. Zur Nachführung an dem Sonnenstand kann die mindestens eine optische Einrichtung unabhängig von der zugeordneten Mikrosolarzelle und von dem ortsfesten Gehäuse bewegt und so an die Sonne nachgeführt werden. Auch kann die Einheit aus einer Mikrosolarzelle und einer optischer Einrichtung unabhängig von dem umgebenden Gehäuse bewegt und so der Sonne nachgeführt werden. Da der Wirkungsgrad der Mikrosolarzelle mit zunehmenderFrom the document DE 103 20 663 A1, a PV device for concentrating solar radiation (hundred to a thousandfold concentration) on micro solar cells made of semiconductor material is known. The PV device has a closed housing, in the interior of which at least one optical device and at least one associated microsolar cell are arranged. The at least one optical device concentrates the incident light more than 100 times each on an associated micro-solar cell with a smaller area than a few hundred square millimeters. For tracking on the position of the sun, the at least one optical device can be moved independently of the associated micro-solar cell and of the stationary housing and thus tracked to the sun. Also, the unit of a micro solar cell and an optical device can be moved independently of the surrounding housing to track the sun. Since the efficiency of the micro solar cell with increasing
Temperatur sinkt, ist die darin verwendete Mikrosolarzelle jeweils mit einem Kühlkörper umgeben, der die anfallende Wärme von der zugeordneten Mikrosolarzelle abführen soll. Die Anbringungsart der Mikrosolarzellen in Inneren eines Gehäuses führt trotz vorhandenen Kühlkörpern um die Mikrosolarzellen zu Problemen bei der notwendigen Wärmeabführung, die dabei im Gehäuse gefangen bleibt, sowie zu Verunreinigungen der Innenseite der PV-Vorrichtung und der empfindlichen Mikrosolarzellen.Temperature decreases, the micro-solar cell used therein is in each case surrounded by a heat sink, which is to dissipate the heat generated by the associated microsolar cell. The type of mounting of the micro-solar cells in the interior of a housing, despite existing heat sinks around the micro-solar cells leads to problems in the necessary heat dissipation, which remains trapped in the case, as well as contamination of the inside of the PV device and the sensitive micro-solar cells.
Solche Mikrosolarzellen sind sehr empfindlich gegen Umwelteinflüsse, bereits Staubkörner und kleine Schmutzpartikel oder Feuchtigkeit können ihre Funktion beeinträchtigen. Da grundsätzlich nur die Verbindung mehrerer Photovoltaik-Vorrichtungen einen wirtschaftlichen Einsatz einer solchen Photovoltaik-Vorrichtung ermöglicht, werden diese vorzugsweise zu einer Solaranlage zusammengefasst.Such micro-solar cells are very sensitive to environmental influences, even dust particles and small particles of dirt or moisture can impair their function. Since in principle only the connection of several photovoltaic devices allows economical use of such a photovoltaic device, these are preferably combined to form a solar system.
Nachteilig ist bei bekannten Solarmodulen insbesondere bei Photovoltaik- Konzentratormodulen, dass die darin verwendeten Solarzellen jeweils sehr genau auf der optischen Achse und/oder in dem Fokus des zugeordneten konzentrierenden optischen Elements positioniert werden müssen, welches die einfallende Sonnenstrahlung auf die kleinere Fläche dieser konzentriert. Die dabei üblicherweise eingesetzten Linsensysteme haben ein hohes Gewicht, was zu einer erschwerten Nachführung an die Sonne und zu erhöhten Herstellungskosten wegen der großen eingesetzten Materialmengen führt.A disadvantage of known solar modules, especially in photovoltaic concentrator modules, that the solar cells used therein each have to be positioned very accurately on the optical axis and / or in the focus of the associated concentrating optical element, which concentrates the incident solar radiation on the smaller area of this. The lens systems usually used have a high weight, which leads to a difficult tracking to the sun and increased production costs because of the large amounts of material used.
Üblicherweise kann von den verwendeten 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.Usually, only a part of the incident radiation can be converted into electricity by the solar cells used. The convertible solar radiation has wave frequencies v whose photon energy hv is above the energy gap of the semiconductor materials used in the solar cells. This usable by the solar cell part of the radiation is rather shortwave.
Der Teil der einfallenden Sonnenstrahlung, der von der Solarzellen nicht in Strom umgewandelt wird, ist eher langwellig und macht sich als Wärme bemerkbar. Da der Wirkungsgrad von Solarzellen mit einer Erhöhung der Temperatur absinkt, ist bei solchen Solarmodulen die Arbeitstemperatur der Solarzellen wegen der großen Wärmemengen, die während ihres Betriebs entstehen, oder wegen der einfallenden Wärmestrahlung (IR-Strahlung) entstehen, schwer in einem Bereich zu halten, in dem die Solarzellen effektiv arbeiten können. Üblicherweise wird Wärme, die beim Betrieb der Solarzellen oder durch die einfallende Wärmestrahlung verursacht wird, an die Umgebung mittels Luftkühlung oder über Kühlkörper abgeleitet. Bekannt ist es auch, wie z.B. aus dem Dokument DE 40166665 A1 hohe Konzentrationen der einfallenden Sonnenstrahlung zu vermeiden, um eine Überhitzung der darin verwendeten Solarzellen zu umgehen.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. Since the efficiency of solar cells decreases with an increase in temperature, in such solar modules, the working temperature of the solar cells due to the large amounts of heat that arise during their operation, or because of the incident heat radiation (IR radiation), difficult to keep in a range, in which the solar cells can work effectively. Usually, heat that is caused during operation of the solar cells or by the incident heat radiation is dissipated to the environment by means of air cooling or via heat sinks. It is also known, for example from document DE 40166665 A1, to avoid high concentrations of the incident solar radiation in order to avoid overheating of the solar cells used therein.
Im Dokument DE 4016665 A1 ist eine Fotozellenanordnung offenbart, bei der zwei transparente Trägerplatten parallel und beabstandet zueinander angeordnet und mittels Trageelemente miteinander verbunden sind. Die der Sonne zugewandte Platte ist auf ihrer der Sonne abgewandten Seite mit sechs trapezförmigen Hologrammen versehen, die zu einem sechseckigen Ring zusammengesetzt sind. Der aus den trapezförmigen Hologrammen zusammengesetzte Ring fasst eine sechseckige Fläche ein. Die der Sonne abgewandte Platte dient als Träger für die Fotozellen. Diese bedecken auf der Rückseite dieser Platte eine sechseckige Fläche, die der senkrechten Projektion der von den Hologrammen eingefassten Fläche auf die der Sonne abgewandte Platte entspricht. Die Hologrammen haben eine derartige Charakteristik, dass sie das senkrecht einfallende Licht auf die Fläche der Fotozellen umlenken. Das auf die von den Hologrammen eingefasste Fläche der der Sonne zugewandten Platte einfallende Licht fällt direkt auf die vorhandenen Fotozellen ein.Document DE 4016665 A1 discloses a photocell arrangement in which two transparent carrier plates are arranged parallel to one another and spaced apart from one another and connected to one another by means of carrying elements. The sun facing plate is provided on its side facing away from the sun with six trapezoidal holograms, which are assembled into a hexagonal ring. The ring composed of the trapezoidal holograms holds a hexagonal surface. The plate facing away from the sun serves as a support for the photocells. These cover on the back of this plate a hexagonal area, which corresponds to the vertical projection of the surface bounded by the holograms on the facing away from the sun plate. The holograms have such a characteristic that they redirect the vertically incident light to the surface of the photocells. The light incident on the area of the plate facing the sun, which is enclosed by the holograms, falls directly onto the existing photocells.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Photovoltaik-Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1 derart auszubilden, dass eine Erhöhung der Effizienz der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erzielt wird.The object of the invention is to design a photovoltaic device with the features of the preamble of claim 1 such that an increase in the efficiency of the photovoltaic device according to the invention is achieved.
Diese Aufgabe wird durch eine Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a photovoltaic device according to claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of Dependent claims.
Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung bildet den Gegenstand des Nebenanspruchs.A corresponding method for producing the photovoltaic device according to the invention forms the subject of the independent claim.
Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie weist mindestens eine Solarzelle und mindestens ein der mindestens einen Solarzelle zugeordnetes optisches Element zum Umlenken der senkrecht einfallenden Sonnenstrahlung auf die zugeordnete und gegenüber diesem im Abstand angeordnete Solarzelle auf. Dabei grenzt die Projektion der Fläche des optischen Elements in der Ebene der Solarzelle an die Fläche der mindestens einen Solarzelle an. Das optische Element ist zumindest aus einem Teil, insbesondere einem Randteil einer vorzugsweise ultradünnen Sammellinse, insbesondere einer Fresnellinse, ausgebildet, die eine Dicke aufweisen kann, die unter ein paar Hundert Mikrometern insbesondere unter 100 Mikrometern liegt.The photovoltaic device according to the invention for the direct conversion of solar energy into electrical energy has at least one solar cell and at least one of the at least one solar cell associated optical element for deflecting the vertically incident solar radiation on the associated and opposite this spaced solar cell. In this case, the projection of the surface of the optical element in the plane of the solar cell adjoins the surface of the at least one solar cell. The optical element is formed at least from a part, in particular a peripheral part of a preferably ultrathin converging lens, in particular a Fresnel lens, which may have a thickness which is less than a few hundred micrometers, in particular less than 100 micrometers.
Die ultradünnen Sammellinsen können in einer Folie eingearbeitet sein, deren Dicke die Dicke der eingearbeiteten Sammellinsen nicht überschreitet und unter ein paar Hundert Mikrometern insbesondere unter 100 Mikrometern liegt.The ultra-thin collecting lenses can be incorporated in a film whose thickness does not exceed the thickness of the incorporated converging lenses and is below a few hundred micrometers, in particular below 100 micrometers.
Solche Folien mit eingearbeiteten optischen Elementen sind serienmäßig einfach und kostengünstig realisierbar. In einem erheblich vereinfachten und dadurch auch kostengünstigen Verfahren wird das mindestens eine optische Element aus einer solchen vorgefertigten Folie abtrennt und dann beabstandet von mindestens einer zugeordneten Solarzelle der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung auf derer der Sonne zugewandten Seite angebracht. Die Abtrennung und insbesondere die Anbringung des mindestens einen optischen Elements können besonders einfach und sehr genau in einem automatisierten Prozess erfolgen. Durch die Anbringungsart des mindestens einen optischen Elements kann die auf die senkrechte Projektionsfläche der mindestens einen Solarzelle in der Ebene des optischen Elements eintreffende Sonnenstrahlung die mindestens eine Solarzelle direkt erreichen. Für die Sonnenstrahlung, die direkt auf die Solarzelle auftrifft, kommen dann keine Transmissionsverluste vor. So können die Gesamttransmissionsverluste reduziert werden, die beim Durchqueren von transparenten Schichten oder optischen Elementen auftreten. So kann ein größerer Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung die eingesetzten Solarzellen erreichen. Folglich arbeiten die Solarzellen effizienter.Such films with incorporated optical elements are standard simple and inexpensive to implement. In a considerably simplified and therefore cost-effective method, the at least one optical element is separated from such a prefabricated film and then spaced from at least one associated solar cell of the photovoltaic device according to the invention mounted on the side facing the sun. The separation and in particular the attachment of the at least one optical element can be particularly simple and very accurate in an automated process. Due to the method of attachment of the at least one optical element, the solar radiation incident on the vertical projection surface of the at least one solar cell in the plane of the optical element can directly reach the at least one solar cell. For the solar radiation, which impinges directly on the solar cell, then no transmission losses occur. Thus, the total transmission losses that occur when crossing transparent layers or optical elements can be reduced. Thus, a larger proportion of the incident solar radiation can reach the solar cells used. Consequently, the solar cells work more efficiently.
Durch den Einsatz von solchen ultradünnen optischen Elementen mit einer Dicke, die unter ein paar Hundert Mikrometern insbesondere unter 100 Mikrometern liegt, wird eine Reduzierung des Gewichtes der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erreicht, die zu einer erheblichen Verringerung der verbrauchten Strommenge bei der Nachführung an dieThe use of such ultra-thin optical elements with a thickness of less than a few hundred micrometers, in particular less than 100 micrometers, a reduction in the weight of the photovoltaic device according to the invention is achieved, resulting in a significant reduction in the amount of electricity consumed in the tracking of the
Sonne führt. Auch werden dabei die Transmissionsverluste beim Durchqueren der eingesetzten optischen Elemente reduziert, da der optische Weg der einfallenden Sonnenstrahlung durch solche ultradünne optische Elemente sehr kurz ist. Dadurch wird eine höhere Effizienz der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erreicht, da die an den Verbraucher lieferbare Strommenge größer ist. Auch sind Folien mit solchen optischen Elementen serienmäßig einfach und kostengünstig realisierbar.Sun leads. Also, the transmission losses are reduced while traversing the optical elements used, since the optical path of the incident solar radiation is very short by such ultrathin optical elements. As a result, a higher efficiency of the photovoltaic device according to the invention is achieved because the amount of electricity available to the consumer is greater. Also, films with such optical elements as standard are easy and inexpensive to implement.
Durch die Anbringungsart des optischen Elements, kann neben der auf die Solarzelle direkt einfallenden Sonnenstrahlung auch mindestens ein Teil der auf das optische Element senkrecht einfallenden Sonnenstrahlung auf die Solarzelle umgelenkt werden. Dadurch erhöht sich die Konzentration der Sonnenstrahlen, die auf die Solarzelle auftrifft, und die Solarzelle erzeugt mehr Strom. Auch kann durch die Wahl des Abstandes zwischen dem optischen Element und der Solarzelle die Konzentration der auf die Solarzelle auftreffenden Sonnenstrahlung kontrolliert werden und so auch die Wärmemenge, die im Betrieb der Solarzelle entsteht. So kann die Konzentration der auf die Solarzelle einfallenden Sonnenstrahlung in einem Bereich gehalten werden, in dem die Wärmeentwicklung relativ gering ist und die Temperatur der Solarzelle den Wirkungsgrad der Solarzelle nicht beeinträchtigt. Je näher die Solarzelle dem Fokus des optischen Elements angebracht ist, desto größer ist die Konzentration der auf die Solarzelle auftreffenden Sonnenstrahlung.Due to the method of attachment of the optical element, at least part of the solar radiation incident directly on the optical element can be deflected onto the solar cell in addition to the solar radiation directly incident on the solar cell. This increases the concentration of solar radiation that hits the solar cell, and the solar cell generates more electricity. Also can be controlled by the choice of the distance between the optical element and the solar cell, the concentration of the solar radiation impinging on the solar cell and so also the amount of heat that arises during operation of the solar cell. So can the Concentration of the solar radiation incident on the solar cell can be kept in a range in which the heat generation is relatively low and the temperature of the solar cell does not affect the efficiency of the solar cell. The closer the solar cell is to the focus of the optical element, the greater the concentration of solar radiation impinging on the solar cell.
Insbesondere können mehrere solche optischen Elemente vorhanden sein. Dadurch können auch höhere Konzentrationen der auf die Solarzelle einfallenden Sonnenstrahlung erreicht werden.In particular, several such optical elements may be present. As a result, higher concentrations of solar radiation incident on the solar cell can also be achieved.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Solarzelle eine großflächige Solarzelle vorzugsweise aus Silizium, insbesondere eine großflächige Dünnschichtsolarzelle. Da die optischen Elemente besonders leichtgewichtig sind, können auch großflächigeIn a particular embodiment of the invention, the at least one solar cell is a large-area solar cell, preferably made of silicon, in particular a large-area thin-film solar cell. Since the optical elements are particularly lightweight, can also be large-area
Solarzellen eingesetzt werden, die ein Fläche aufweisen, die mit der Fläche der zugeordneten optischen Elementen vergleichbar ist, ohne dass das Gewicht der Photovoltaik-Vorrichtung durch das Gewicht der eingesetzten ultradünnen optischen Elementen wesentlich erhöht wird. Da solche optische Elemente kostengünstig sind, bleiben auch bei ihrem großflächigen Einsatz die Herstellungs- bzw. Einkaufskosten in Grenzen. Dabei entfällt der Aufbauaufwand, der beim Einsatz von sehr kleinflächigen Solarzellen auftritt, da die Positionierung von großflächigen Solarzellen erheblich leichter durchführbar ist. So kann kostengünstig eine besonders effiziente erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung realisiert werden, die insbesondere einachsig nachgeführt werden kann.Solar cells are used, which have a surface which is comparable to the surface of the associated optical elements, without the weight of the photovoltaic device is substantially increased by the weight of the ultrathin optical elements used. Since such optical elements are inexpensive, the production or purchase costs remain limited even in their large-scale use. This eliminates the construction effort that occurs when using very small-scale solar cells, since the positioning of large-scale solar cells is much easier to carry out. Thus, a particularly efficient photovoltaic device according to the invention can be realized cost-effectively, which can be tracked in particular uniaxial.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung mindestens eine Solarzelle auf, deren Fläche ein Rechteck mit einer viel größeren Länge als seine Breite ist. Ihre Länge kann dabei mehr als das 10fache insbesondere mehr als das 100fache ihrer Breite betragen. Eine solche Photovoltaik-Vorrichtung bedarf einer einfachen, einachsigen Nachführung und der Materialaufwand bei den eingesetzten Solarzellen ist hier kleiner als bei großflächigen Solarzellen, die in allen Richtungen großzügig dimensioniert sind.Preferably, the photovoltaic device according to the invention comprises at least one solar cell whose surface is a rectangle with a much greater length than its width. Their length can be more than 10 times, in particular more than 100 times their width. Such a photovoltaic device requires a simple, uniaxial Tracking and the material cost of the solar cells used is smaller here than in large-scale solar cells, which are generously dimensioned in all directions.
Bei einer einachsigen Nachführung wird das Nachführsystem seinen Elevationswinkel maximal um 270° ändern und der Sonne horizontal nachgeführt. Bei einer zweiachsigen Nachführung wird das Nachführsystem zusätzlich auch seinen mit der vertikalen Achse gebildeten Winkel um maximal 90° ändern.In the case of uniaxial tracking, the tracking system will change its elevation angle by a maximum of 270 ° and track the sun horizontally. In the case of biaxial tracking, the tracking system will also change its angle formed by the vertical axis by a maximum of 90 °.
Bei einer einachsigen Nachführung ist der Stromverbrauch bei der Nachführung geringer als bei einer zweiachsigen Nachführung. Dadurch erhöht sich die Effizienz einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik- Vorrichtung.With a uniaxial tracking the power consumption during tracking is lower than with a biaxial tracking. This increases the efficiency of such a photovoltaic device according to the invention.
Auch können mehrere oder auch insbesondere alle optische Elemente an einer gemeinsamen transparenten Lichteintrittsplatte angebracht sein. Solch eine Anbringungsart der optischen Elemente erleichtert deren Positionierung relativ zu den Solarzellen. Außerdem kann sich die auf die optischen Elemente einfallende Wärme in dem Lichteintrittskörper gleichmäßig verteilen. Dadurch kann eine Überhitzung und folglich eine Beschädigung der Ultra dünnen optischen Elemente vermieden werden.Also, several or in particular all optical elements may be attached to a common transparent light entry plate. Such a mounting method of the optical elements facilitates their positioning relative to the solar cells. In addition, the heat incident on the optical elements can be uniformly distributed in the light entry body. As a result, overheating and consequently damage to the ultra-thin optical elements can be avoided.
Insbesondere sind mehrere, vorzugsweise alle Solarzellen an derer der Sonne abgewandten Seite mit einer Wärmeleiterplatte verbunden. So kann die einfallende und die im Betrieb der Solarzellen entstehende Wärme schnell in die Außenumgebung transportiert werden. So wird eine Überhitzung der Solarzellen vermieden.In particular, a plurality of, preferably all solar cells are connected to the side facing away from the sun with a heat conductor plate. Thus, the incident and the heat generated during operation of the solar cells can be quickly transported to the outside environment. This avoids overheating of the solar cells.
Vorzugsweise ist dem mindestens einen optischen Element auf dessen der Sonne zugewandten Seite eine erste insbesondere ebene Hologrammstruktur zugeordnet, die die einfallende Sonnenstrahlung, die von der mindestens einer Solarzelle nicht in elektrischen Strom umwandelbar ist, zurück in die Außenumgebung umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt. So wird die eher langwellige einfallende Sonnenstrahlung samt Wärmestrahlung die ultradünnen optischen Elemente nicht erreichen und diese dadurch auch nicht überhitzen. Wenn sich die erste Hologrammstruktur auch über die Fläche der mindestens einen Solarzelle ausdehnt, erreicht die langwelligere Sonnenstrahlung auch die Solarzelle nicht. So wird auch eine Überhitzung der mindestens einen Solarzelle vermieden.Preferably, the at least one optical element is assigned to its side facing the sun a first, in particular, flat hologram structure, which detects the incident solar radiation emitted by the at least a solar cell is not convertible into electricity, redirects back to the outside environment and lets other solar radiation through. Thus, the rather long-wave incident solar radiation including heat radiation will not reach the ultra-thin optical elements and thus will not overheat. If the first hologram structure also extends over the surface of the at least one solar cell, the longer-wave solar radiation does not reach the solar cell either. Thus, overheating of the at least one solar cell is avoided.
Die Kombination der Hologrammstruktur zum selektiven Filtern von durch die Solarzelle verwertbarer Strahlung mit einem Teil einer ultradünnen Sammellinse mit einer Dicke unter ein paar Hundert Mikrometern insbesondere unter 100 Mikrometern bringt besondere Vorteile und ist besonders bevorzugt.The combination of the hologram structure for selectively filtering solar cell-utilizable radiation with a portion of an ultrathin converging lens having a thickness less than a few hundred microns, more preferably less than 100 microns, provides particular advantages and is particularly preferred.
Vorzugsweise ist in der Ebene der mindestens einen Solarzelle und dort auf der Projektionsfläche des mindestens einen zugeordneten optischen Elements eine erste insbesondere ebene optische Struktur zum Reflektieren und insbesondere zum Umlenken der von dem mindestens einen optischen Element auf diese erste optische Struktur umgelenkten Sonnenstrahlung unter einem stumpfen Winkel gegenüber der Normalen auf der Ebene der Solarzelle vorhanden. Dabei ist weiter vorzugsweise im Bereich der Ebene des mindestens einen optischen Elements auch eine zweite insbesondere ebene optische Struktur vorhanden, die die von der ersten optischen Struktur reflektierte oder umgelenkte Sonnenstrahlung auf die mindestens eine Solarzelle umlenkt. Die Fläche der zweiten optischen Struktur bedeckt vorzugsweise die Fläche des mindestens einen optischen Elements und/oder die Projektionsfläche der mindestens einen zugeordneten Solarzelle in der Ebene des mindestens einen optischen Elements.Preferably, in the plane of the at least one solar cell and there on the projection surface of the at least one associated optical element, a first, in particular planar optical structure for reflecting and in particular deflecting the solar radiation deflected by the at least one optical element onto this first optical structure is at an obtuse angle compared to the normal at the level of the solar cell. In this case, a second, in particular planar optical structure is also preferably present in the region of the plane of the at least one optical element, which deflects the solar radiation reflected or deflected by the first optical structure onto the at least one solar cell. The surface of the second optical structure preferably covers the surface of the at least one optical element and / or the projection surface of the at least one associated solar cell in the plane of the at least one optical element.
Die erste optische Struktur reflektiert oder lenkt die von dem mindestens einen ersten optischen Element umgelenkte Strahlung, die nicht auf die mindestens eine Solarzelle auftrifft, auf die Ebene mit dem ersten optischen Element um. Die von der ersten optischen Struktur umgelenkte Sonnenstrahlung trifft dabei auf die an der der Sonne abgewandten Seite des mindestens einen optischen Elements angebrachte zweite optische Struktur auf und wird von dieser auf die Solarzelle umgelenkt.The first optical structure reflects or deflects the radiation deflected by the at least one first optical element, which does not affect the at least a solar cell hits, level with the first optical element. The solar radiation deflected by the first optical structure strikes the second optical structure attached to the side of the at least one optical element facing away from the sun and is deflected by the latter onto the solar cell.
Mittels der ersten und der zweiten optischen Strukturen wird die Konzentration der auf die Solarzelle auftreffenden Sonnenstrahlung erhöht. Folglich steigt die Effizienz der Solarzelle.By means of the first and the second optical structures, the concentration of the solar radiation impinging on the solar cell is increased. Consequently, the efficiency of the solar cell increases.
Insbesondere ist die erste optische Struktur einfach und kostengünstig mittels einer zweiten Hologrammstruktur realisierbar, die die von dem mindestens einen optischen Element auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert oder unter einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die Ebene mit der Solarzelle senkrechten Gerade umlenkt. Insbesondere lässt die zweiteIn particular, the first optical structure can be realized simply and inexpensively by means of a second hologram structure which reflects the solar radiation deflected therefrom by the at least one optical element or deflects it at an obtuse angle with respect to the straight line perpendicular to the plane with the solar cell. In particular, the second leaves
Hologrammstruktur Sonnenstrahlung durch, die von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbar ist. So wird eine Überhitzung der mindestens einen Solarzelle vermieden, da Wärmestrahlung und Sonnenstrahlung, die die mindestens eine Solarzelle in Wärme umwandeln würde, auf die Fläche dieser nach Umlenkung durch die zweite optische Struktur nicht auftreffen kann.Hologram structure solar radiation through, which is not convertible by the solar cell into electricity. Thus, overheating of the at least one solar cell is avoided since heat radiation and solar radiation, which would convert the at least one solar cell into heat, can not impinge on the surface thereof after being deflected by the second optical structure.
Vorzugsweise wird die zweite optische Struktur einfach und kostengünstig mittels einer dritten Hologrammstruktur realisiert, die nur Sonnenstrahlung reflektiert oder umlenkt, die von der Solarzelle in Strom umwandelbar ist. Dabei lässt die dritte Hologrammstruktur sonstige Strahlung unabgelenkt durch und lenkt nur die von der ersten optischen Struktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung auf die Solarzelle um, die von der Solarzelle in Strom umwandelbar ist.Preferably, the second optical structure is realized simply and inexpensively by means of a third hologram structure, which reflects or deflects only solar radiation that can be converted into electricity by the solar cell. In this case, the third hologram structure allows other radiation to pass undirected and deflects only the solar radiation deflected from the first optical structure onto the solar cell, which can be converted into electricity by the solar cell.
Auch kann die zweite optische Struktur einen halbdurchlässigen Spiegel aufweisen, der die auf dessen der Sonne zugewandten Seite auftreffende Sonnenstrahlung durchläset und die auf dessen der Sonne abgewandten Seite von der ersten optischen Struktur umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert und diese so der Solarzelle zuleitet.The second optical structure can also have a semitransparent mirror, which reads through the solar radiation impinging on its side facing the sun and which points away from it on the sun Side reflected by the first optical structure deflected solar radiation and this so the solar cell feeds.
Vorzugsweise werden mehrere der erfindungsgemäßen Photovoltaik- Vorrichtungen in eine der Sonne stets insbesondere einachsig nachgeführten Anlage eingesetzt.Preferably, several of the photovoltaic devices according to the invention are used in a system that always tracks the sun, in particular uniaxially.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:Some embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßenFig. 1 is a schematic sectional view of an inventive
Photovoltaik-Vorrichtung; Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßenPhotovoltaic device; Fig. 2 is a schematic plan view of another invention
Photovoltaik-Vorrichtung.Photovoltaic device.
Die in Figur 1 zum Teil dargestellte Photovoltaik-Vorrichtung weist eine Vielzahl von Solarzellen 20 - nur eine beispielhaft dargestellt - auf, denen jeweils zwei ultradünne optische Elemente 30 zugeordnet sind. Die zwei optischen Elemente 30 bilden zusammen eine ultradünne Fresnellinse und stellen jeweils eine Hälfte dieser Fresnellinse dar.The photovoltaic device partly shown in FIG. 1 has a plurality of solar cells 20 - only one shown by way of example - to which two ultrathin optical elements 30 are assigned. The two optical elements 30 together form an ultra-thin Fresnel lens and each represent one half of this Fresnel lens.
Die zwei optischen Elemente 30 sind zueinander beabstandet und auf einer geraden Fläche an der der Sonne abgewandten Seite eines gemeinsamen Lichteintrittskörper 40 angebracht. Gegenüber der der Sonne abgewandten Seite des Lichteintrittskörpers 40 ist die Solarzelle 20 auf der der Sonne zugewandten Seite eines Trägerkörpers 60 so angebracht, dass ihre Projektionsfläche in der Ebene mit den optischen Elementen 30 an die optischen Elemente 30 angrenzt.The two optical elements 30 are spaced apart from each other and mounted on a straight surface on the side facing away from the sun of a common light entrance body 40. Opposite the side of the light entry body 40 facing away from the sun, the solar cell 20 is mounted on the side of a support body 60 facing the sun so that its projection surface in the plane adjoins the optical elements 30 with the optical elements 30.
Auf der der Sonne zugewandten Seite des Lichteintrittskörpers 40 über der Solarzelle 20 ist eine erste Hologrammstruktur 70 angebracht, die Sonnenstrahlung 37, die von der Solarzelle 20 nicht in Strom umwandelbar ist, zurück an die Außenumgebung umlenkt und sonstige Strahlung 36 durchlässt.On the side of the light entry body 40 above the solar cell 20, facing toward the sun, a first hologram structure 70 is attached, the solar radiation 37, which can not be converted into electricity by the solar cell 20, deflected back to the outside environment and other radiation 36 passes.
Angrenzend an die Solarzelle 20 und auf der der Sonne zugewandten Seite des Trägerkörpers 60 ist eine erste optische Struktur 80 hier in Form einer zweite Hologrammstruktur 80 angebracht, die die Sonnenstrahlung 36, die von der Solarzelle 20 in Strom umwandelbar ist, zurück in Richtung der optischen Elemente 30 umlenkt und sonstige Strahlung 37 durchlässt.Adjacent to the solar cell 20 and on the sun-facing side of the carrier body 60, a first optical structure 80 is here in the form of a second hologram structure 80, the solar radiation 36, which is convertible from the solar cell 20 into electricity, back towards the optical Deflects elements 30 and transmits other radiation 37.
Auf der der Sonne abgewandten Seite der optischen Elemente 30 ist die zweite optische Struktur 90 hier in Form eines halbdurchlässigen Spiegels 90 angebracht, die die auf der Sonne zugewandten Seite des halbdurchlässigen Spiegels 90 auftreffende Sonnenstrahlung 35, 36 unabgelenkt durchlässt und die auf der der Sonne abgewandten Seite des halbdurchlässigen Spiegels 90 von der ersten optischen Struktur 80 umgelenkte Sonnenstrahlung 36 reflektiert und so der Solarzelle 20 zuleitet. Die Fläche des halbdurchlässigen Spiegels 90 bedeckt dabei die Fläche der optischen Elemente 30 und die Projektionsfläche der Solarzelle 20 in der Ebene mit den optischen Elementen 30.On the side of the optical elements 30 facing away from the sun, the second optical structure 90 is mounted here in the form of a semitransparent mirror 90, which transmits the solar radiation 35, 36 impinging on the sun-facing side of the semitransparent mirror 90 without deflection and those on the side facing away from the sun Side of the semitransparent mirror 90 from the first optical structure 80 deflected solar radiation 36 is reflected and so the solar cell 20 passes. The surface of the semitransparent mirror 90 covers the surface of the optical elements 30 and the projection surface of the solar cell 20 in the plane with the optical elements 30.
Die in Figur 2 zum Teil dargestellte erfindungsgemäße Photovoltaik-The photovoltaic according to the invention shown in part in FIG.
Vorrichtung weist mehrere rechteckige Solarzellen 20 auf, die jeweils eine Länge aufweisen, die jeweils deutlich größer als deren Breite ist. Bei der in Figur 2 dargestellten Draufsicht der erfindungsgemäßen Photovoltaik- Vorrichtung wird unter anderen die Anbringungsart der ultradünnen optischen Elementen 30 gegenüber der zugeordneten Solarzellen 20 verdeutlicht. Die optischen Elemente 30 sind gemeinsam an einem Lichteintrittskörper 40 angebracht. BezugszeichenlisteDevice has a plurality of rectangular solar cells 20, each having a length which is each significantly larger than the width thereof. In the plan view of the photovoltaic device according to the invention shown in Figure 2, among other things, the mounting method of the ultra-thin optical elements 30 with respect to the associated solar cell 20 is illustrated. The optical elements 30 are mounted together on a light entrance body 40. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Photovoltaik-Vorrichtung10 photovoltaic device
20 Solarzelle 30 optisches Element20 solar cell 30 optical element
35 einfallende Sonnenstrahlung35 incident solar radiation
36 von der Solarzelle in Strom umwandelbare Sonnenstrahlung36 from the solar cell into electricity convertible solar radiation
37 von der Solarzelle nicht umwandelbare Sonnenstrahlung 40 Lichteintrittskörper 60 Trägerkörper37 solar radiation that can not be converted by the solar cell 40 light inlet body 60 carrier body
70 erste Hologrammstruktur70 first hologram structure
80 erste optische Struktur als zweite Hologrammstruktur80 first optical structure as a second hologram structure
90 zweite optische Struktur als halbdurchlässiger Spiegel 90 second optical structure as a semitransparent mirror

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Photovoltaik-Vorrichtung (10) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit mindestens einer Solarzelle (20) und mindestens einem der mindestens einen Solarzelle zugeordneten optischen Element (30) zum Umlenken der senkrecht einfallenden Sonnenstrahlung auf die zugeordnete und gegenüber diesem im Abstand angeordnete Solarzelle (20), wobei die Projektion der Fläche des optischen Elements (30) auf die Ebene mit der Solarzelle (20) an der Fläche dieser Solarzelle (20) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (30) zumindest ein Teil einer Fresnellinse mit einer Dicke von unter 100 Mikrometern ist.Photovoltaic device (10) for the direct conversion of solar energy into electrical energy with at least one solar cell (20) and at least one of the at least one solar cell associated optical element (30) for deflecting the vertically incident solar radiation on the associated and opposite to this at a distance arranged solar cell (20), wherein the projection of the surface of the optical element (30) adjacent to the plane with the solar cell (20) on the surface of this solar cell (20), characterized in that the optical element (30) at least a part of a Fresnel lens with a thickness of less than 100 microns is.
2. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (30) ein Randteil einer Fresnellinse ist.2. Photovoltaic device according to claim 1, characterized in that the optical element (30) is an edge part of a Fresnel lens.
3. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen Solarzelle (20) mehrere optische Elemente (30) zugeordnet sind.3. Photovoltaic device according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one solar cell (20) are associated with a plurality of optical elements (30).
4. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle (20) eine großflächige Solarzelle aus Silizium, insbesondere eine Dünnschichtsolarzelle, ist.4. Photovoltaic device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one solar cell (20) is a large-area solar cell made of silicon, in particular a thin-film solar cell.
5. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der mindestens einen Solarzelle (20) ein Rechteck, insbesondere mit einer viel größeren Länge als Breite ist. 5. Photovoltaic device according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the at least one solar cell (20) is a rectangle, in particular with a much greater length than width.
6. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere alle, optische Elemente (30) an einer gemeinsamen transparenten Lichteintrittsplatte (40) angebracht sind.6. Photovoltaic device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality, in particular all, optical elements (30) are mounted on a common transparent light entry plate (40).
7. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, insbesondere alle, Solarzellen (20) an ihrer der Sonne abgewandten Seite mit einer Wärmeleiterplatte verbunden sind.7. Photovoltaic device according to one of the preceding claims, characterized in that several, in particular all, solar cells (20) are connected at their side facing away from the sun with a heat conductor plate.
8. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen optischen Element (30) auf dessen der Sonne zugewandten Seite eine erste Hologrammstruktur (70) zugeordnet ist, die einen Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung (37), der von der mindestens einen Solarzelle (20) nicht in elektrischen Strom umwandelbar ist, zurück in die Außenumgebung umlenkt und einen von der Solarzelle (20) in Strom umwandelbaren Anteil der Sonnenstrahlung (36) durchlässt.8. Photovoltaic device according to one of the preceding claims, characterized in that associated with the at least one optical element (30) on its side facing the sun, a first hologram structure (70), a portion of the incident solar radiation (37) of the at least one solar cell (20) can not be converted into electrical current, deflects back into the external environment and transmits a portion of the solar radiation (36) which can be converted into electricity by the solar cell (20).
9. Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hologrammstruktur (70) die Fläche des mindestens einen optischen Elements (30) und/oder die Projektion der Fläche der mindestens einen Solarzelle (20) in der Ebene mit dem mindestens einen ersten optischen Element (30) bedeckt.9. Photovoltaic device according to claim 8, characterized in that the first hologram structure (70) the surface of the at least one optical element (30) and / or the projection of the surface of the at least one solar cell (20) in the plane with the at least one covered first optical element (30).
10. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ebene mit der mindestens einen Solarzelle (20) auf der Projektionsfläche des mindestens einen zugeordneten optischen Elements (30) eine erste insbesondere ebene optische Struktur (80) zum Umlenken oder Reflektieren der von dem mindestens einen optischen Element (30) auf die erste optische Struktur umgelenkten Sonnenstrahlung (35) vorhanden ist und dass im Nahbereich des mindestens einen optischen Elements (30) auf seiner der Sonne abgewandten Seite eine zweite insbesondere ebene optische Struktur (90) vorhanden ist, die die einen von der Solarzelle (20) in Strom umwandelbaren (36) und von der ersten optischen Struktur (80) reflektierten oder umgelenkten Anteil der Sonnenstrahlung auf die mindestens eine Solarzelle (20) umlenkt und einen durch die Solarzelle nicht in Strom umwandelbaren Anteil der Sonnenstrahlung (37) durchlässt, wobei die Fläche der zweiten optischen Struktur (90) die Fläche des mindestens einen optischen Elements (30) und/oder die Projektionsfläche der mindestens einen zugeordneten Solarzelle (20) in der Ebene mit dem mindestens einem optischen Element (30) bedeckt.10. Photovoltaic device according to one of the preceding claims, characterized in that in the plane with the at least one solar cell (20) on the projection surface of the at least one associated optical element (30), a first, in particular planar optical structure (80) for deflecting or Reflecting of the at least one optical element (30) the first optical structure deflected solar radiation (35) is present and that in the vicinity of the at least one optical element (30) on its side facing away from the sun, a second particular planar optical structure (90) is present, the one of the solar cell (20) into current convertible (36) and of the first optical structure (80) reflected or deflected portion of the solar radiation to the at least one solar cell (20) deflects and transmits a non-current through the solar cell portion of the solar radiation (37), wherein the surface the second optical structure (90) covers the surface of the at least one optical element (30) and / or the projection surface of the at least one associated solar cell (20) in the plane with the at least one optical element (30).
11. Photovoltaik- Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Struktur (80) eine zweite Hologrammstruktur (80) aufweist, die die den von der Solarzelle (20) in Strom umwandelbaren und von dem mindestens einen optischen Element (30) in Richtung der Solarzelle (20) umgelenkte Sonnenstrahlung (36) reflektiert oder auf die zweite optische Struktur umlenkt und von der Solarzelle (20) nicht in Strom umwandelbare Sonnenstrahlung (37) durchlässt.11. Photovoltaic device according to claim 10, characterized in that the first optical structure (80) has a second hologram structure (80), which converts the current from the solar cell (20) into electricity and from the at least one optical element (30). in the direction of the solar cell (20) deflected solar radiation (36) reflected or deflected to the second optical structure and by the solar cell (20) can not be converted into current solar radiation (37).
12. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Struktur (90) eine dritte Hologrammstruktur aufweist, die den von der Solarzelle (20) in Strom umwandelbaren und von der ersten optischen Struktur (80) auf die zweite optische Struktur (90) umgelenkten Anteil der Sonnenstrahlung (36) auf die Solarzelle (20) umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung (35, 36) durchlässt.12. Photovoltaic device according to one of claims 10 to 11, characterized in that the second optical structure (90) has a third hologram structure which converts the of the solar cell (20) into electricity and of the first optical structure (80) the second optical structure (90) diverts deflected portion of the solar radiation (36) to the solar cell (20) and transmits other solar radiation (35, 36).
13. Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Struktur (90) einen halbdurchlässigen Spiegel (90) aufweist, die den von der Solarzelle (20) in Strom umwandelbaren und von der ersten optischen Struktur (80) auf die der Sonne abgewandten Seite des halbdurchlässigen Spiegel (90) umgelenkten Anteil der Sonnenstrahlung (36) reflektiert und der Solarzelle (20) zuleitet und die auf die der Sonne zugewandten Seite des halbdurchlässigen Spiegel (90) auftreffende Sonnenstrahlung (35, 36) durchlässt.13. Photovoltaic device according to one of claims 10 to 11, characterized in that the second optical structure (90) comprises a semitransparent mirror (90) which converts the side of the semipermeable mirror (90) facing away from the sun from the first solar cell (20) into electricity and from the first optical structure (80) ) deflected portion of the solar radiation (36) and the solar cell (20) feeds and on the sun-facing side of the semitransparent mirror (90) incident solar radiation (35, 36) passes.
14. Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaik-Vorrichtung (10) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit mindestens einer Solarzelle (20) und mindestens einem der mindestens einen Solarzelle (20) zugeordneten optischen Elements (30) zum Umlenken senkrecht einfallender Sonnenstrahlung (35) auf die zugeordnete und gegenüber diesem im Abstand angeordnete Solarzelle (20), wobei die Projektion der Fläche des optischen Elements (30) auf die Ebene mit der Solarzelle (20) an der Fläche dieser angrenzt, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Abtrennen mindestens eines Teils einer Fresnellinse aus einer vorgefertigten Folie mit mehreren eingearbeiteten Fresnellinsen mit einer14. A method for producing a photovoltaic device (10) for direct conversion of solar energy into electrical energy with at least one solar cell (20) and at least one of the at least one solar cell (20) associated optical element (30) for deflecting vertically incident solar radiation (35 to the associated and spaced apart solar cell (20), the projection of the surface of the optical element (30) onto the plane adjacent to the solar cell (20) at the surface thereof, characterized by the steps of: a) separating at least a portion of a Fresnel lens of a prefabricated film with several incorporated Fresnel lenses with a
Dicke, die die Dicke der eingearbeiteten Fresnelllinsen nicht überschreitet und unter 100 Hundert Mikrometern liegt, b) Anbringen mindestens eines abgetrennten Teils mindestens einer der in der Folie eingearbeiteten Fresnellinsen (30) in dem für das mindestens eine optische Element (30) vorgesehenen Bereich.Thickness, which does not exceed the thickness of the incorporated Fresnel lenses and is less than 100 hundred microns, b) attaching at least one separated part of at least one incorporated in the film Fresnel lenses (30) in the area provided for the at least one optical element (30).
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Teil der Fresnellinse als einen Randteil der Fresnellinse ausgewählt wird.15. The method according to claim 14, characterized in that the at least one part of the Fresnel lens is selected as an edge part of the Fresnel lens.
16. Solaranlage, insbesondere einachsig nachgeführte Solaranlage, mit mehreren, insbesondere mit mehreren vereinzelten, Photovoltaik- Vorrichtungen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13. 16. solar system, in particular uniaxially tracked solar system, with a plurality, in particular with a plurality of isolated, photovoltaic devices (10) according to one of claims 1 to 13.
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