WO2011006637A2 - Photovoltaikkonzentratorsystem, solarzelle und konzentrator-system mit einem winkelselektiven filter als sekundärkonzentrator - Google Patents

Photovoltaikkonzentratorsystem, solarzelle und konzentrator-system mit einem winkelselektiven filter als sekundärkonzentrator Download PDF

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WO2011006637A2
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solar cell
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concentrator system
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Benedikt BLÄSI
Jan Christoph Goldschmidt
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
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    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • Concentrator system with an angle-selective filter as a secondary concentrator The present invention relates to a
  • Photovoltaic concentrator system with at least one solar cell, at least one concentrated optics and an angle-selective filter.
  • the invention relates to a solar cell or a solar cell module and a concentrator system, which each have angle-selective filters.
  • PV system photovoltaic system
  • an efficiency maximum is achieved if the solar cell receives radiation from the same solid angle range into which it emits. This is done e.g. at maximum concentration when the cell receives radiation from the complete hemisphere.
  • the emission range of the cell is limited to such an extent that the emission only takes place in the region under which the sunlight is incident on the solar cell.
  • thermodynamic limit is theoretically a factor of 46200-fold concentration. This limit is reached when the solar cell receives radiation from the complete half space.
  • Techniques for concentrating light are well known and concentrations up to a factor of about 1000 can be used. In order to achieve very high concentrations, in addition
  • Photovoltaic concentrator system a solar cell and a concentrator system to provide, which in a simple and cost-effective manner to improve the efficiency of the
  • Photovoltaic concentrator system according to claim 1 the solar cell or the solar cell module according to claim 9 and the concentrator system according to claim 12.
  • the dependent claims each show advantageous developments.
  • Photovoltaic concentrator system for the direct conversion of solar energy into electrical energy provided, which at least one solar cell, at least contains at least one concentrating optics with at least one concentrating sub-element to increase the solid angle range of incident sunlight and at least one angle-selective filter as a secondary därelement.
  • the angle-selective filter is designed such that it is transparent to light from a solid angle range, from which concentrated sunlight is incident, and reflects light outside this solid angle range. Incident light outside the solid angle range, which is reflected, contains no or little concentrated light, but mainly scattered light.
  • the angle-selective filter is positioned between the at least one solar cell and the at least one concentrating optic, which are arranged at a distance from one another.
  • the distance between the concentrating optics and the solar cell depends on the structure under consideration and can vary between a few millimeters and a few meters. Preferably, however, the distance between learning to 10 m, in particular between 5 cm and 20 cm or between 1 m and 5 m.
  • the present invention is based on the idea of getting closer to the maximum efficiency of a photovoltaic system by concentrating on one hand on a certain solid angle range and on the other hand, the emission is limited to the same solid angle.
  • the incident Concentrated sunlight, and hence the solid angle from which radiation is incident on the at least one So ⁇ larzelle increased. This reduces the demands on the angle-selective element, since the solid angle range over which the filter must reflect is reduced and the intensity of the incident light is already increased by the concentrating optics, so that the use of currently existing angle-selective elements is already possible.
  • the use of a combination of concentrating optics and angle-selective filter reduces the demand on the concentrating optics since the influence of the concentrating optics on the overall efficiency is supplemented by the effect of the angle-selective filter.
  • the concentrating optics preferably contains no scattering elements. Scattering is crucial only when the light has passed through the angle-selective filter.
  • the scattering (classical scattering but also emission processes, in particular radiant recombination) behind the filter ensures that the filter can do its work.
  • the angle-selective filter acts much like a conventional secondary concentrator.
  • angle-selective filter of the present invention causes an increase in the intensity within the solar cell, but no change in the emitted solar cell surface.
  • Photovoltaic concentrator system is advantageously so positioned between the at least one concentrating optic and the at least one solar cell that it is directly on the solar cell, on an applied to the solar cell intermediate layer, in particular a silicone layer, spaced from the solar cell through an air gap or disposed directly on the Primärkonzentratorsystem ,
  • the air gap is preferably significantly wider than the wavelength of the considered light.
  • the air gap may be at least a few ⁇ m, preferably at least 1 ⁇ m, preferably at least 5 ⁇ m, wide.
  • angle-selective filters can be spaced directly on the solar cell and / or on an intermediate layer applied to the solar cell and / or from the solar cell through an air gap and / or arranged directly on the primary concentrator system.
  • the at least one angle-selective filter is positioned on the side of the solar cell which faces the primary concentrator system and / or the incident sunlight.
  • the angle-selective filter is spaced from the solar cell by an air gap, existing photovoltaic systems with at least one concentrating optics and at least one solar cell can be reconstructed so that independently developed angle-selective systems or filters are integrated between the solar cell and the concentrating optics.
  • the width of the air gap is preferably a few microns. It seems advantageous to use the angle-selective Ven filter near the focal point of the lens and in front of the solar cell to position, as this the surface and thus the price of the angle-selective element can be kept as low as possible.
  • the location of the filter can be chosen arbitrarily between solar cell and concentrating optics. In particular, when taking into account the chromatic aberration, however, it is preferable to choose slightly larger or smaller distances than the focal length of the focusing optics.
  • Photovoltaic concentrator systems can be used as angle-selective filters, for example interference layer filters, which can be designed as rugate and / or edge filters, or 2D or 3D photonic crystals, for example in the form of normal and / or inverted opals.
  • interference layer filters which can be designed as rugate and / or edge filters, or 2D or 3D photonic crystals, for example in the form of normal and / or inverted opals.
  • the at least one angle-selective filter is flat or
  • angle-selective filters are designed so that not only incident light is partly reflected, partly transmitted, but also light reflected from the solar cell is transmitted or reflected depending on the solid angle range, the angle-selective filter also contributes to light trapping. This means that the angle-selective filter prevents light from entering the solar cell from reverberating and also reflects the light generated by recombination in the solar cell, so that it can be utilized by the solar cell.
  • the photovoltaic concentrator system is tracked by means of a tracking system (tracker, technical system that directs the photovoltaic system to the sun).
  • the tracking system is preferably movable such that sunlight at a preferred angle to the vertical of the
  • the tracking system should therefore be as accurate as possible so that the filter can limit this range as far as possible.
  • direct sunlight at an angle in the range of 0 ° to 1 °, in particular from 0 ° to 0.5 °, incident to the vertical in the Photovoltaikkonzentratorsystem, in particular impinges on the angle-selective filter.
  • circumsolar radiation ie a mixture of direct sunlight and diffused light
  • Photovoltaic concentrator system are used as at least one concentrating lens element of the concentrating optics preferably concentrating lenses, which may have the shape of Fresnel lenses, and / or concentrating mirrors, which may be formed as a concave mirror and / or parabolic mirror.
  • the aim is to achieve the highest possible primary concentration through the concentrating optics.
  • the angle-selective filter is a supplement to the concentrating optics to cover the very high angular ranges, which only play a role at over 100Ox concentration. These angular ranges can thus be used alternatively.
  • a photovoltaic concentrator system may also include a plurality of concentrating optics and / or a plurality of angle selective filters. These can then be connected in alternating, blockwise or block-wise alternating sequence in front of one another, behind one another and / or next to each other in front of the at least one solar cell. For example, alternately concentrating optics and angle-selective filters can be connected in series. As a result, it is possible to optimize the efficiency of a system even with less complex focusing optics and angle-selective filters
  • Primary concentrator system is irradiated a larger solar cell area. Due to its expansion and the lower focusing of the incident light, it heats up less strongly, so that the efficiency is also positively influenced by the lower temperature.
  • Solar cell is a mechanism that results in an expansion of the angular characteristics. For the basic efficiency assumptions, this is radiative recombination. All other mechanisms which have a similar effect are also permissible.
  • the present invention also relates to a solar cell or a solar cell module for the direct conversion of solar energy into electrical energy, whose efficiency is improved.
  • a solar cell or a solar cell module contains at least one solar cell and at least one angle-selective filter, which is transparent to light from a spatial angle range from which the concentrated sunlight is incident and reflects light outside this solid angle range.
  • the angle-selective filter is arranged directly on the side of the solar cell facing the incident radiation and / or on one of the at least one intermediate layer applied to the solar cell.
  • suitable intermediate layers are antireflection layers which are combined with the filter. These are layers in the range of about 50 nm to 150 nm, which contain or consist of SiN or SiO. The antireflection kung can be seen as a complementary function of the filter and then in the number of layers can not be separated from this.
  • a coupling with silicone is possible.
  • a silicone layer is preferably about a few microns thick.
  • the at least one angle-selective filter is preferably deposited on the solar cell or on the at least one intermediate layer, for example by CVD (chemical vapor deposition) or PVD (physical vapor deposition) or by means of a suitable material, in particular a colorless adhesive, eg Silicone, glued on.
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD physical vapor deposition
  • a suitable material in particular a colorless adhesive, eg Silicone, glued on.
  • the angle selective filter is preferably an interference layer filter, which may be formed as a rugate and / or edge filter, or a 2D or 3D photonic crystal, which may be in the form of a normal and / or inverted opal.
  • the present invention describes a concentrator system for increasing the efficiency of solar cells with concentrating optics for increasing the solid angle range of incident sunlight and having at least one angle-selective filter, which is transparent to light from a Jardinwinkelbe- area from which the concentrated sunlight is incident, and Reflected light outside this solid angle range.
  • the at least one angle-selective filter is in the concentrator system according to the invention on the side facing away from the incident sunlight side of the concentrating optics, which are composed of different sub-elements can, arranged.
  • concentrating sub-elements for example, concentrating lenses, which may be formed as Fresnel lenses, or concentrating mirror, which may be formed as a hollow and / or parabolic mirror, and the like can be used.
  • the angle-selective filter is preferably arranged directly on the side of the concentrating optic facing away from the incident light, in particular on a partial element of the concentrating optic. If intermediate layers are applied to the concentrating optics in the case of the concentrator system according to the invention, for example, the angle-selective filter can be arranged on these layers.
  • the angle-selective filter is preferably deposited on the concentrating optics, for example deposited by means of CVD or PVD, or glued on with suitable materials, such as silicone.
  • Concentrator system are preferably 2D or 3D photonic crystals, in particular normal and / or inverted opals, or interference layer filters, in particular rugate and / or edge filters, can be used.
  • the present invention is based on the idea of achieving an optically conservative system (ie system without entropy production, ie thermodynamically optimal system) in which both the relevant angle into which is radiated and the angle from which radiation is received , to be influenced.
  • an optically conservative system ie system without entropy production, ie thermodynamically optimal system
  • thermodynamically optimal system both the relevant angle into which is radiated and the angle from which radiation is received , to be influenced.
  • a combined influence of the two angles opens up the possibility to use also less strongly selective filters, what the Use even far less mature systems makes possible and thus makes the use of angle-selective filters in photovoltaics possible.
  • no ideal conservative system will be possible.
  • the invention makes it possible to come closer to the thermodynamic optimum by combining different optical effects.
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • FIG. 1 shows a schematic sketch of an exemplary embodiment.
  • Sunlight emitted by the sun 1 falls on a photovoltaic concentrator system 2.
  • the photovoltaic concentrator system 2 has a first concentrating element, in our case a lens 3, an angle-selective filter 4 and a stacked multijunction solar cell 5.
  • the sunlight which is radiated within a beam cone with an angle ⁇ s of 4.7 mrad, is focused by the lens 3 so that it is a light from a solid angle ⁇ L , where ⁇ L is greater than 4.7 mrad on the angle selective filter 4 and the solar cell 5 impinges.
  • the light emitted by the solar cell 5 occupies a much wider angular range than the incident light. A part of this light, represented by the solid angle ranges 6 and 7, is therefore reflected when hitting the angle-selective filter 4.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Photovoltaikkonzentratorsystem mit mindestens einer Solarzelle, mindestens einer konzentierenden Optik und einem winkelselektiven Filter. Ebenso betrifft die Erfindung eine Solarzelle oder ein Solarzellenmodul und ein Konzentratorsystem, welche jeweils winkelselektive Filter aufweisen.

Description

Photovoltaikkonzentratorsystem, Solarzelle und
Konzentrator-System mit einem winkelselektiven Filter als Sekundärkonzentrator Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Photovoltaikkonzentratorsystem mit mindestens einer Solarzelle, mindestens einer konzentierenden Optik und einem winkelselektiven Filter. Ebenso betrifft die Erfindung eine Solarzelle oder ein Solarzellenmo- dul und ein Konzentratorsystem, welche jeweils winkelselektive Filter aufweisen.
Ein prinzipieller Verlustmechanismus in einem herkömmlichen Photovoltaik-System (PV-System) ist da- durch gegeben, dass von dem PV-System Strahlung in einen Raumwinkelbereich emittiert wird, der größer ist als derjenige, aus welchem Strahlung von dem PV- System absorbiert wird. Dieses Ungleichgewicht führt zu einer Generation von Entropie, welche zu einer Verringerung des prinzipiellen Wirkungsgrades des PV- Systems beiträgt. Dieser Verlust kann durch zwei Strategien eliminiert werden.
Theoretisch wird ein Wirkungsgradmaximum erreicht, wenn die Solarzelle aus dem gleichen Raumwinkelbereich Strahlung erhält, in den sie emittiert. Dies erfolgt z.B. bei maximaler Konzentration, wenn die Zelle Strahlung aus dem kompletten Halbraum erhält. Dies ist aber auch möglich, wenn der Emissionsbereich der Zelle so weit eingeschränkt wird, dass die Emission nur noch in den Bereich erfolgt, unter dem die Sonnenlicht auf die Solarzelle einfällt.
Eine Technik zur Vergrößerung des Raumwinkelberei- ches, aus welchem Strahlung absorbiert wird, ist die Konzentration mit Linsen oder Spiegeln. Das thermody- namische Limit hierbei liegt theoretisch bei einem Faktor von 46200-facher Konzentration. Dieses Limit ist erreicht, wenn die Solarzelle aus dem kompletten Halbraum Strahlung empfängt. Techniken zur Konzentration von Licht sind hinlänglich bekannt und Konzentrationen mit einem Faktor bis etwa 1000-facher Konzentration können eingesetzt werden. Um sehr hohe Konzentrationen zu erreichen, können zusätzlich
Sekundärkonzentratoren eingesetzt werden.
Klassische Konzentratoren (sowohl Primär- als auch Sekundärkonzentratoren) zeichnen sich dadurch aus, dass sie den Raumwinkelbereich vergrößern, unter dem die Solarzelle die Sonne sieht. Eine Konsequenz davon ist eine Verkleinerung der ausgestrahlten Solarzellenfläche und eine erhöhte Intensität des pro Zelle einfallenden Lichtes. Alternativ schlägt die Theorie zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines PV-Systems die Einschränkung des Emissionswinkels des PV-Systems vor. Dadurch kann die Emission von Licht durch die Zelle theoretisch maximal um einen Faktor 46.200 reduziert werden, wenn die Emission der Solarzelle auf denjenigen Raumwinkel eingeschränkt wird, aus welchem die Sonne Strahlung auf die Solarzelle emittiert. Im Stand der Technik werden zu diesem Zweck derzeit Lichtfallen eingesetzt . Mit den heute verfügbaren Materialien ist es technisch sehr schwierig, noch wesentlich höhere Konzentrationen als die genannte 1000-fache zu erreichen.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des beschriebenen Standes der Technik zu überwinden und ein
Photovoltaikkonzentratorsystem, eine Solarzelle sowie ein Konzentrator-System zur Verfügung zu stellen, welche auf einfache und kostengünstige Art und Weise zur Verbesserung des Wirkungsgrades des
Photovoltaiksystems ermöglichen und eine Möglichkeit liefern, näher an das thermodynamische
Winkungsgradlimit heranzukommen als mit bisher bekannten Systemen.
Diese Aufgabe wird durch das
Photovoltaikkonzentratorsystem nach Anspruch 1, die Solarzelle oder das Solarzellenmodul nach Anspruch 9 und das Konzentratorsystem nach Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche zeigen jeweils vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein
Photovoltaikkonzentratorsystem zur direkten Umwand- lung von Sonnenenergie in elektrische Energie bereitgestellt, welches mindestens eine Solarzelle, mindes- tens eine konzentrierende Optik mit mindestens einem konzentrierenden Teilelement zur Vergrößerung des Raumwinkelbereichs von einfallendem Sonnenlicht und mindestens einen winkelselektiven Filter als Sekun- därelement enthält. Der winkelselektive Filter ist dabei derart ausgebildet, dass er für Licht aus einem Raumwinkelbereich, aus welchem konzentriertes Sonnenlicht einfällt, transparent ist und Licht außerhalb dieses Raumwinkelbereichs reflektiert. Einfallendes Licht außerhalb des Raumwinkelbereichs, welches reflektiert wird, enthält kein oder nur wenig konzentriertes Licht, sondern hauptsächlich Streulicht. Erfindungsgemäß ist der winkelselektive Filter dabei zwischen der mindestens einen Solarzelle und der min- destens einen konzentrierenden Optik, welche voneinander beabstandet angeordnet sind, positioniert. Der Abstand zwischen der konzentrierenden Optik und der Solarzelle hängt vom betrachteten Aufbau ab und kann zwischen einigen Millimetern und einigen Metern vari- ieren. Vorzugsweise beträgt der Abstand jedoch zwischen lern bis 10 m, insbesondere zwischen 5 cm und 20 cm oder zwischen 1 m und 5 m.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dem maximalen Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage näher zu kommen, indem zum einen auf einen bestimmten Raumwinkelbereich konzentriert und zum anderen die Emission auf den selben Raumwinkel eingeschränkt wird. Mit der erfindungsgemäßen Kombination kann ein mit herkömmlichen Konzentratoren problemlos erreichbarer Winkel in der Mitte gewählt werden und dann Primär- und Sekundärelement, d.h. konzentrierende Optik und winkelselektiver Filter, beide auf diesen Winkel eingestellt werden.
Durch die konzentrierende Optik wird das einfallende Sonnenlicht konzentriert und somit der Raumwinkelbereich, aus dem Strahlung auf die mindestens eine So¬ larzelle fällt, erhöht. Dadurch verringern sich die Ansprüche an das winkelselektive Element, da der Raumwinkelbereich, über welchen der Filter reflektieren muss, verkleinert wird und die Intensität des einfallenden Lichtes durch die konzentrierende Optik bereits erhöht ist, so dass schon der Einsatz derzeit existierender winkelselektiver Elemente möglich wird. Andererseits wird durch den Einsatz einer Kombination aus konzentrierende Optik und winkelselektivem Filter der Anspruch an die konzentrierende Optik verringert, da der Einfluss der konzentrierenden Optik auf den Gesamtwirkungsgrad um die Wirkung des winkelselekti- ven Filters ergänzt wird.
Die konzentrierende Optik enthält vorzugsweise keine streuenden Elemente. Die Streuung ist erst entscheidend, wenn das Licht den winkelselektiven Filter pas- siert hat. Die Streuung (klassische Streuung aber auch Emissionsprozesse, insbesondere strahlende Rekombination) hinter dem Filter sorgt dafür, dass der Filter seine Wirkung tun kann. Der winkelselektive Filter wirkt ähnlich wie ein herkömmlicher Sekundärkonzentrator . Herkömmliche
Sekundärkonzentratoren bewirken eine zusätzliche Konzentration, welche eine Vergrößerung des Raumwinkels, unter welchem die Solarzelle die Sonne sieht, und da- mit eine Verkleinerung der ausgestrahlten Fläche der Solarzelle, sowie eine Erhöhung der Intensität des konzentrierten Lichtes pro Fläche zur Folge hat. Der winkelselektive Filter der vorliegenden Erfindung bewirkt zwar eine Vergrößerung der Intensität innerhalb der Solarzelle, jedoch keine Veränderung der ausgestrahlten Solarzellenfläche. Der mindestens eine winkelselektive Filter des
Photovoltaikkonzentratorsystems ist vorteilhafterweise so zwischen der mindestens eine konzentrierenden Optik und der mindestens einen Solarzelle positioniert, dass er direkt auf der Solarzelle, auf einer auf die Solarzelle aufgebrachten Zwischenschicht, insbesondere einer Silikonschicht, von der Solarzelle durch einen Luftspalt beabstandet oder direkt auf dem Primärkonzentratorsystem angeordnet ist. Im Falle einer Anordnung, welche zwischen dem winkelselektiven Filter und der Solarzelle einen Luftspalt aufweist, ist der Luftspalt vorzugsweise deutlich breiter als die Wellenlänge des betrachteten Lichtes . Der Luft- spalt kann mindestens einige μm, vorzugsweise mindestens 1 μm, bevorzugt mindestens 5 μm, breit sein.
Zusätzlich können weitere winkelselektive Filter direkt auf der Solarzelle und/oder auf einer auf die Solarzelle aufgebrachten Zwischenschicht und/oder von der Solarzelle durch einen Luftspalt beabstandet und/oder direkt auf dem Primärkonzentratorsystem angeordnet sein. Vorzugsweise ist der mindestens eine winkelselektive Filter auf der Seite der Solarzelle positioniert, welche dem Primärkonzentratorsystem und/oder dem einfallenden Sonnenlicht zugewandt ist.
Ist der winkelselektive Filter durch einen Luftspalt von der Solarzelle beabstandet, so können bestehende Photovoltaiksysteme mit mindestens einer konzentrierenden Optik und mindestens einer Solarzelle so umgebaut werden, dass unabhängig entwickelte winkelselektive Systeme bzw. Filter zwischen die Solarzelle und der konzentrierenden Optik integriert werden. Dabei beträgt die Breite des Luftspalts bevorzugt einige μm. Dabei erscheint es vorteilhaft den winkelselekti- ven Filter in der Nähe des Brennpunktes der Linse und vor der Solarzelle zu positionieren, da hierdurch die Fläche und damit der Preis des winkelselektiven Elementes möglichst gering gehalten werden kann. Der Ort des Filters kann jedoch beliebig zwischen Solarzelle und konzentrierender Optik gewählt werden. Insbesondere bei einer Berücksichtigung der chromatischen Aberration sind jedoch bevorzugt etwas größere oder kleinere Abstände als die Brennweite der konzentrie- renden Optik zu wählen.
In einem erfindungsgemäßen
Photovoltaikkonzentratorsystem können als winkelselektive Filter beispielsweise Interferenzschichtfil- ter, welche als Rugate- und/oder Kantenfilter ausgebildet sein können, oder 2D oder 3D photonische Kristalle, beispielsweise in Form von normalen und/oder invertierten Opale, zum Einsatz kommen. Vorzugsweise kommen jedoch dünne winkelselektive Filter mit einer Schichtdicke von 0.1 μm bis 200 μm, insbesondere von 1 μm bis 20 μm, zum Einsatz. Bevorzugt ist der mindestens eine winkelselektive Filter flächig bzw.
planar ausgebildet. Durch den Einsatz einer primären konzentrierenden Optik ist die Fläche der Solarzelle, auf welche das einfallende gebündelte Sonnenlicht auftrifft, verringert. Nachdem der mindestens eine winkelselektive Filter zwischen der konzentrierenden Optik und der mindestens einen Solarzelle angeordnet ist, verringert sich entsprechend auch die Fläche, durch welche das gebündelte Sonnenlicht zumindest teilweise durch den winkelselektiven Filter durchtritt. Damit können winkelselektive Filter mit geringerer Ausdehnung ein- gesetzt werden, so dass sich der Einsatz teurer und komplexer Filter lohnt . Da winkelselektive Filter so ausgebildet sind, dass nicht nur einfallendes Licht teils reflektiert, teils transmittiert wird, sondern auch von der Solarzelle reflektiertes Licht je nach Raumwinkelbereich transmittiert bzw. reflektiert wird, trägt der winkelselektive Filter auch einen Beitrag zum Light Trapping bei. Dies bedeutet, dass der winkelselektive Filter in die Solarzelle eingetretenes Licht am Wideraus- tritt hindert und außerdem das durch Rekombination in der Solarzelle erzeugte Licht reflektiert, damit es von der Solarzelle ausgenutzt werden kann.
Um eine optimale Einstrahlung des Sonnenlichts zu er- reichen, wird das Photovoltaik-Konzentrator-System mittels eines Trackingsystems (Tracker, technische Anlage, die Photovoltaikanlage nach der Sonne ausrichtet) der Sonne nachgeführt. Das Trackingsystem ist dabei bevorzugt derart bewegbar, dass Sonnenlicht unter einem bevorzugten Winkel zur Senkrechten des
Photovoltaikkonzentratorsystems in dieses einfällt. Das Tracking System sollte deshalb so genau wie möglich sein, damit der Filter diesen Bereich möglichst weit einschränken kann. Insbesondere ist es vorteil- haft, wenn direktes Sonnenlicht unter einem Winkel im Bereich von 0° bis 1°, insbesondere von 0° bis 0,5°, zur Senkrechten in das Photovoltaikkonzentratorsystem einfällt, insbesondere auf den winkelselektiven Filter auftrifft. Betrachtet man Zirkumsolarstrahlung, d.h. eine Mischung aus direktem Sonnenlicht und diffusem Licht, so sollte diese bevorzugt unter einem Winkel im Bereich von 0° bis 10°, insbesondere von 0° bis 5°, bevorzugt von 0° bis 2,5°, zur Senkrechten auf das Photovoltaikkonzentratorsystem, insbesondere auf den Filter, auftrifft. In dem erfindungsgemäßen
Photovoltaikkonzentratorsystem werden als mindestens ein konzentrierendes Teilelement der konzentrierenden Optik bevorzugt konzentrierende Linsen, welche die Form von Fresnellinsen aufweisen können, und/oder konzentrierende Spiegel, welche als Hohlspiegel und/oder Parabolspiegel ausgebildet sein können, eingesetzt . Es wird eine möglichst hohe Primärkonzentration durch die konzentrierende Optik angestrebt. Der winkelselektive Filter ist eine Ergänzung zur konzentrierenden Optik, um die ganz hohen Winkelbereiche abzudecken, die erst bei über 100Ox Konzentration eine RoI- Ie spielen. Diese Winkelbereiche können somit alternativ genutzt werden.
Ein Photovoltaikkonzentratorsystem kann auch eine Vielzahl von konzentrierenden Optiken und/oder eine Vielzahl von winkelselektiven Filtern aufweisen. Diese können dann in alternierender, blockweiser oder blockweise alternierender Reihenfolge voreinander, hintereinander und/oder nebeneinander vor die mindestens eine Solarzelle geschaltet sein. Beispielsweise können alternierend konzentrierende Optiken und winkelselektive Filter hintereinander geschaltet sein. Dadurch lässt sich auch mit wenig komplexen konzentrierenden Optiken und winkelselektiven Filtern eine Optimierung des Wirkungsgrads eines
Photovoltaiksystems erreichen.
Mit dem erfindungsgemäßen System ist es möglich auch zu niedrigeren Konzentrationen zu erreichen, ohne dadurch im Wirkungsgrad zu verlieren. Dies ist z.B. dann ein Vorteil, wenn man das Wärme - Management betrachtet . Aufgrund der geringeren notwendigen Bünde- lung des einfallenden Sonnenlichts durch das
Primärkonzentratorsystem wird eine größere Solarzellenfläche bestrahlt. Diese heizt sich aufgrund ihrer Ausdehnung und der geringeren Fokussierung des ein- fallenden Lichts weniger stark auf, so dass auch aufgrund der geringeren Temperatur der Wirkungsgrad positiv beeinflusst wird.
Das erfindungsgemäße Photovoltaikkonzentratorsystem wirkt sich immer dann vorteilhaft aus, wenn in der
Solarzelle ein Mechanismus vorhanden ist, der in einer Aufweitung der Winkelcharakteristik resultiert. Für die prinzipiellen Wirkungsgradannahmen ist dies die strahlende Rekombination. Alle anderen Mechanis- men, die einen ähnlichen Effekt bewirken sind aber auch zulässig.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine Solarzelle bzw. ein Solarzellenmodul zur direkten Um- Wandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, deren Wirkungsgrad verbessert ist. Eine solche Solarzelle bzw. ein solches Solarzellenmodul enthält mindestens eine Solarzelle und mindestens einen winkelselektiven Filter, welcher für Licht aus einem Raum- winkelbereich, aus welchem das konzentrierte Sonnenlicht einfällt, transparent ist und Licht außerhalb dieses Raumwinkelbereichs reflektiert. Der winkelselektive Filter ist dabei unmittelbar auf der der einfallenden Strahlung zugewandten Seite der Solarzelle und/oder auf einer der mindestens einen auf die Solarzelle aufgebrachten Zwischenschicht angeordnet. Als Zwischenschichten kommen beispielsweise Antire- flexschichten, die mit dem Filter kombiniert sind, in Frage. Dabei handelt es sich um Schichten im Bereich etwa 50 nm bis 150 nm, welche SiN oder SiO enthalten oder daraus bestehen. Dabei kann die Antireflexwir- kung als ergänzende Funktion des Filters gesehen werden und ist dann auch in der Anzahl der Schichten nicht von diesem zu trennen. Alternativ ist auch eine Ankopplung mit Silikon möglich. Eine Silikonschicht ist bevorzugt etwa einige μm dick.
Der mindestens eine winkelselektive Filter ist dabei vorzugsweise auf die Solarzelle oder auf die mindestens eine Zwischenschicht, beispielsweise durch CVD (chemical vapor deposition = Chemische Gasphasenab- scheidung) oder PVD (physical vapor deposition = Physikalische Gasphasenabscheidung) abgeschieden oder mit Hilfe eines geeigneten Materials, insbesondere eines farblosen Klebstoffes, z.B. Silikon, aufge- klebt.
Der winkelselektive Filter ist vorzugsweise ein Interferenzschichtfilter, welcher als ein Rugate- und/oder Kantenfilter ausgebildet sein kann, oder ein 2D oder 3D photonische Kristall, welcher die Form eines normalen und/oder invertierten Opals aufweisen kann.
Außerdem beschreibt die vorliegende Erfindung ein Konzentratorsystem zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Solarzellen mit einer konzentrierenden Optik zur Vergrößerung des Raumwinkelbereichs von einfallendem Sonnenlicht und mit mindestens einem winkelselektiven Filter, welcher für Licht aus einem Raumwinkelbe- reich, aus welchem das konzentrierte Sonnenlicht einfällt, transparent ist und Licht außerhalb dieses Raumwinkelbereichs reflektiert. Der mindestens eine winkelselektive Filter ist in dem erfindungsgemäßen Konzentratorsystem auf der dem einfallenden Sonnen- licht abgewandten Seite der konzentrierenden Optik, welche aus verschiedenen Teilelementen aufgebaut sein kann, angeordnet. Als konzentrierende Teilelemente können beispielsweise konzentrierende Linsen, welche als Fresnellinsen ausgebildet sein können, oder konzentrierende Spiegel, welche als Hohl- und/oder Para- bolspiegel geformt sein können, und ähnliches eingesetzt werden.
Der winkelselektive Filter ist vorzugsweise direkt auf der dem einfallenden Licht abgewandten Seite der konzentrierenden Optik, insbesondere auf einem Teilelement der konzentrierenden Optik, angeordnet. Sind im Falle des erfindungsgemäßen Konzentratorsystems auf der konzentrierenden Optik beispielsweise Zwischenschichten aufgebracht, so kann der winkelselek- tive Filter zum Beispiel auf diesen Schichten angeordnet sein. Bevorzugt ist der winkelselektive Filter auf der konzentrierenden Optik abgeschieden, beispielsweise mittels CVD oder PVD abgeschieden oder mit geeigneten Materialien wie Silikon aufgeklebt.
Als winkelselektiver Filter in einem
Konzentratorsystem sind vorzugsweise 2D oder 3D photonische Kristalle , insbesondere normale und/oder invertierete Opale, oder Interferenzschichtfilter, insbesondere Rugate- und/oder Kantenfilter, einsetzbar.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, ein aus optischer Sicht konservatives System (d.h. System ohne Entropieproduktion, also thermodynamisch optimales System) zu erreichen, in dem sowohl der relevante Winkel, in den abgestrahlt wird und als auch der Winkel, aus welchem Strahlung empfangen wird, beein- flusst werden. Eine kombinierte Beeinflussung der beiden Winkel eröffnet dabei die Möglichkeit zum Einsatz auch weniger stark selektiver Filter, was den Einsatz auch weit weniger ausgereifter Systeme möglich macht und damit den Einsatz von winkelselektiven Filtern in der Photovoltaik möglich macht. In der Praxis wird kein ideal konservatives System möglich sein. Die Erfindung ermöglicht es aber, durch Kombination unterschiedlicher optischer Effekte dem ther- modynamischen Optimum näher zu kommen.
Im Folgenden wird ein Beispiel für ein erfindungsge- mäßes Photovoltaikkonzentratorsystem gegeben. Es zeigt
Figur 1 eine schematische Darstellung eines
Photovoltaikkonzentratorsystem.
Figur 1 zeigt eine schematische Skizze eines Ausführungsbeispiel. Von der Sonne 1 ausgesandtes Sonnenlicht fällt auf ein Photovoltaikkonzentratorsystem 2. Das Photovoltaikkonzentratorsystem 2 weist ein erstes konzentrierendes Element, in unserem Fall eine Linse 3, einen winkelselektiven Filter 4 und eine gestapelte multijunction - Solarzelle 5 auf. Das Sonnenlicht, welches innerhalb eines Strahlkegels mit einem Winkel θs von 4,7 mrad ausgestrahlt wird, wird durch die Linse 3 so fokussiert, dass es als Licht aus einem Raumwinkel ΘL, wobei ΘL größer 4,7 mrad ist, auf den winkelselektiven Filter 4 und die Solarzelle 5 auftrifft. Das von der Solarzelle 5 emittierte Licht nimmt einen wesentlich breiteren Winkelbereich ein als das einfallende Licht. Ein Teil diese Lichtes, dargestellt durch die Raumwinkelbereiche 6 und 7, wird daher beim auftreffen auf den winkelselektiven Filter 4 reflektiert.

Claims

Patentansprüche
1. Photovoltaik-Konzentrator-System zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische
Energie enthaltend mindestens eine Solarzelle, mindestens eine konzentrierende Optik zur Konzentration von einfallendem Sonnenlicht, wobei die konzentrierende Optik mindestens ein kon- zentrierendes Teilelement aufweist, und mindestens einen winkelselektiven Filter, welcher für Licht aus einem Raumwinkelbereich, aus welchem das konzentrierte Sonnenlicht einfällt, transparent ist und Licht außerhalb dieses Raumwinkel- bereichs reflektiert,
wobei der mindestens eine winkelselektive Filter zwischen der mindestens einen Solarzelle und der mindestens einen konzentrierenden Optik, welche voneinander beabstandet angeordnet sind, positioniert ist.
2. Photovoltaik-Konzentrator-System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine winkelselektive Filter direkt auf der Solarzelle und/oder auf einer auf die Solarzelle aufgebrachten Zwischenschicht und/oder von der Solarzelle durch einen Luftspalt beabstandet und/oder direkt auf der konzentrierenden Optik angeordnet ist.
3. Photovoltaik-Konzentrator-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine winkelselektive Filter ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
• Interferenz-Schichtfilter, insbesondere Rugate-Filter oder Kantenfilter;
2D oder 3D photonische Kristalle, insbesondere normale oder invertierte Opale; holographische Filter oder
• eine Kombination hiervon.
4. Photovoltaik-Konzentrator-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der winkelselektive Filter eine
Schichtdicke von 0, 1 μm bis 200 μm, insbesondere von 1 μm bis 20 μm, aufweist.
5. Photovoltaik-Konzentrator-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaik-Konzentrator-System dem Stand der Sonne mittels eines Tracking- System nachführbar ist.
6. Photovoltaik-Konzentrator-System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Tracking-System derart bewegbar ist, dass Sonnenlicht unter einem bevorzugten Winkel zur Senkrechten des Photovoltaik-Konzentrator-
Systems, insbesondere unter einem Winkel im Bereich von 0° bis 7°, insbesondere im Bereich von 0° bis 5°, in das Photovoltaik-Konzentrator- System einfällt.
7. Photovoltaik-Konzentrator-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine konzentrierende Teilelement der konzentrierenden Optik
eine konzentrierende Linse, insbesondere Fresnellinse; und/oder
ein konzentrierender Spiegel, insbesondere ein Hohlspiegel oder ein Parabolspiegel, ist.
8. Photovoltaik-Konzentrator-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere konzentrierende Optiken und/oder mehrere winkelselektive Filter vorei- nander, hintereinander und/oder nebeneinander vor der mindestens einen Solarzelle angeordnet sind.
9. Solarzelle oder Solarzellenmodul zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit verbessertem Wirkungsgrad enthaltend mindestens eine Solarzelle und mindestens einen winkelselektiven Filter, wobei der winkelselektive Filter, welcher für Licht aus einem Raumwinkelbereich, aus welchem das konzentrierte Sonnenlicht einfällt, transparent ist und Licht außerhalb dieses Raumwinkelbereichs reflektiert, unmittelbar auf der Solarzelle und/oder auf einer der mindestens einen auf die Solarzelle aufgebrachten Zwischenschicht angeordnet ist.
10. Solarzelle oder Solarzellenmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der winkelselektive Filter auf die Solarzelle und/oder auf die mindestens eine Zwischenschicht, insbesondere durch CVD oder PVD, abge- schieden oder aufgeklebt ist.
11. Solarzelle oder Solarzellenmodul nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der winkelselektive Filter ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
• Interferenz-Schichtfilter, insbesondere
Rugate-Filter oder Kantenfilter;
• 2D oder 3D photonische Kristalle, insbesondere normale oder invertierte Opale; • holographische Filter oder
• einer Kombination hiervon.
12. Konzentrator-System zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Solarzellen mit mindestens einer kon- zentrierenden Optik zur Konzentration von einfallendem Sonnenlicht, wobei die konzentrierende Optik mindestens ein konzentrierendes Teilelement aufweist, und mit mindestens einem winkelselektiven Filter, welcher für Licht aus einem Raumwinkelbereich, aus welchem das konzentrierte
Sonnenlicht einfällt, transparent ist und Licht außerhalb dieses Raumwinkelbereichs reflektiert, wobei der winkelselektive Filter auf der dem einfallenden Sonnenlicht abgewandten Seite der konzentrierenden Optik angeordnet ist.
13. Konzentrator-System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der winkelselektive Filter direkt auf der dem einfallenden Licht abgewandten Seite der konzentrierenden Op- tik, insbesondere auf einem konzentrierenden
Teilelement der konzentrierenden Optik, angeordnet, bevorzugt darauf abgeschieden oder aufgeklebt, ist.
14. Konzentrator-System nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der winkelselektive Filter ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus
• Interferenz-Schichtfilter, insbesondere
Rugate-Filter oder Kantenfilter;
• 2D oder 3D photonische Kristalle, insbesondere normale oder invertierte Opale;
• holographische Filter oder
• einer Kombination hiervon.
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