WO2013001373A2 - Nanoteilchen für eine solartechnische anlage sowie eine solarzelle mit solchen nachteilchen - Google Patents

Nanoteilchen für eine solartechnische anlage sowie eine solarzelle mit solchen nachteilchen Download PDF

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    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells

Definitions

  • the present invention relates to nanoparticles for a solar technology system for increasing the use of light, with a core selected from materials consisting of metals, metal alloys, semiconductors, electrically conductive non-metals, electrically conductive compounds and mixtures thereof and a solar cell with at least one such nanoparticle.
  • a photovoltaic module with at least one solar cell is known, in which nanoparticles are incorporated for light amplification. These nanoparticles may have a certain geometry and arrangement to enhance incident light.
  • the object of the present invention is therefore to develop a nanoparticle for a solar power plant of the type mentioned in such a way that they lead in a solar system or solar cell to a better light amplification than in the prior art.
  • the object is achieved in that is arranged around the core at least a first shell.
  • the core / shell principle applied to nanoparticles for a solar power plant gives the person skilled in the art a multitude of possibilities for physically and chemically manipulating nanoparticles in such a way that optimum light intensifications are achieved, depending on the application.
  • a further advantage of the present invention is that at least one second sheath is arranged around the core at a greater distance from the core than one of the at least one first sheath.
  • a first shell surrounds a core and then an arbitrary sequence of first and second shells are arranged.
  • a first bonding layer is disposed between the core and the first shell. With the first bonding layer is achieved that between the core and the first shell good adhesion is generated.
  • a second connection layer is arranged between the first sheath and the second sheath. With the second connection layer is achieved that between the first shell and the second shell each good adhesion is generated.
  • Another advantage of the present invention with respect to a solar cell is that a plurality of nanoparticles are arranged in a semiconductor layer.
  • the nanoparticles need not only be dispersed in the semiconductor layer but, in certain embodiments, also densely packed so as to form the semiconductor layer when one of the first and second shells is a semiconductor layer.
  • gaps between the nanoparticles are filled with semiconductor material.
  • the gaps between the nanoparticles are filled with other materials, e.g. As dielectric material or conductive material.
  • Such a dense packing advantageously results from the fact that the plurality of nanoparticles is arranged such that at least some of the nanoparticles contact one another with the first or second shell and the contacting first or second shells of the nanoparticles form the semiconductor layer.
  • FIG. 1 is a schematic circular nanoparticle having a core and having first and second shells according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic nanoparticle having a core, a first interconnect layer, a first shell and a second shell according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic nanoparticle having a core and first and second shells according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a schematic nanoparticle with a core, a first interconnection layer, a first shell, a second interconnection layer and a second shell according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a nanoparticle as in FIG. 1, but in an ellipsoidal shape
  • FIG. 6 shows a nanoparticle as in FIG. 2, but in an ellipsoidal shape
  • FIG. 7 shows a nanoparticle as in FIG. 3, but in an ellipsoidal shape
  • FIG. 8 shows a nanoparticle as in FIG. 4 but in an ellipsoidal shape
  • FIG. 9 shows a schematic partial view of a solar cell with nanoparticles according to FIG. 1;
  • FIG. 10 shows a schematic solar cell with nanoparticles according to FIG. 5 but in different sizes
  • FIG. 11 is a schematic solar cell with nanoparticles according to FIG. 4.
  • Fig. 12 is a schematic solar cell with nanoparticles according to FIG. 1, sorted by size.
  • FIG. 1 shows a schematic nanoparticle 1 which has a core 3, a first shell 5 enclosing the core 3 and a second shell 7 enclosing the first shell 5.
  • first sheath 5 directly adjoin the core 3 and the second sheath 7 directly adjoin the first sheath 5.
  • Fig. 2 the same nanoparticles 1 is basically shown, but in a second embodiment between the core 3 and the first shell 5 has a first connection layer 9.
  • FIG. 3 shows, in a third embodiment, a nanoparticle 1 which resembles the nanoparticle 1 from FIG. 1 in its construction.
  • the only difference is the property of the second shell 7.
  • the first shell in FIG. 3 is usually a dielectric.
  • the second shell 7 in Fig. 3 is usually made of another material, for example a photoactive Semiconductors, such as CIGS or Si.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of a nanoparticle 1.
  • a second connection layer 11 is also formed between the first sheath 5 and the second sheath 7.
  • the nanoparticle in FIG. 4 thus has a core 3, a first connection layer 9, a second enclosure 5, a second connection layer 11 and a second enclosure 7.
  • the first shell in Fig. 4 is usually a dielectric.
  • the second shell 7 in Fig. 4 is usually made of another material, for example, a photoactive semiconductor such as CIGS or Si.
  • Fig. 5 shows a nanoparticle 1 in a variant of the first embodiment.
  • the nanoparticle 1 is ellipsoid in this variant.
  • FIG. 6 shows a variant of the second embodiment in FIG. 2.
  • the nanoparticle 1 in FIG. 6 is also ellipsoidal.
  • the nanoparticle 1 in FIG. 7 is an ellipsoid variant of the third embodiment of the nanoparticle 1 from FIG. 3.
  • the nanoparticle 1 in FIG. 8 is likewise an ellipsoid variant of the nanoparticle 1 from FIG. 4.
  • the core 3 is optionally made of metals, transition metals, semi-metals, conductive or semiconducting non-metal compounds, mixtures, alloys, and compounds of the foregoing materials.
  • the production of cores is not the subject of the present invention.
  • the person skilled in the art can produce the cores 3 for the application in question at will.
  • the shape and size of the cores 3 of the nanoparticles 1 according to the present invention are either spherical or ellipsoidal, cylindrical or rod-shaped with and without rounded end pieces, conical or pyramidal, cubic or cuboidal, irregular or in the micro, nano or subnanometer scale variable in size.
  • At least one first shell 5 should be added to the core according to the present invention.
  • the at least one first shell 5 is intended to have certain chemical or physical properties which, in conjunction with the core 3 in a solar technology plant, provide amplification of light.
  • first shell 5 should be present.
  • the provision of a second shell 7 is optional and serves to optimize the properties of the nanoparticle 1 in the respective application.
  • the shape and size of the first shell 5 or second shell 7 is preferably such that the first shell 5 adjacent to the core 3 lies fairly regularly around it.
  • other forms are conceivable in other embodiments, for. B. pyramidal core in a ball shell.
  • the thickness of the first sheath 5 and the second sheath 7 may vary from one atomic layer down to the micrometer range.
  • the first sheath 5 and / or the second sheath 7 may be identical or different and may be connected directly to each other or to the core 3, or via one of the first bonding layer 9 and the second bonding layer 11.
  • the first and / or second Shell 5, 7 thus consists either of nonconducting substances, for example halides, preferably for example fluorides, such as CaF 2 or MgF 2, chalcogenides, preferably oxides, etc.
  • the first shell 5 and / or the second shell 7 can also be made of semiconducting materials Materials made of conductive materials (for example, TCO variants, translucent materials, light-absorbing and / or light-converting materials, for example, CIGS, CdTe, Si, organic semiconductors, etc.) and inorganic or organic substances.
  • first sheath 5 and / or the second sheath 7 may also have special chemical and / or physical properties which cause the nanoparticles 1 to be arranged in a predetermined manner (to each other or to the surface in a local environment). This can lead to a dense or loosened monolayer or to a compact nanoparticle layer which is made up of a pure variety or a mixture of species.
  • various interactions may be responsible, for example chemical or physical interactions, for example van der Waals, adhesion, ion forces or electrostatic or electromagnetic interactions.
  • first connection layer 9 is provided between the core 3 and the first sheath 5 and the second connection layer 11 is provided between the first sheath 5 and the second sheath 7.
  • first and second bonding layers 9, 11 are preferably made of organic or inorganic substances that mediate between the chemical and physical properties of sheath and core (first bonding layer 9) and between two adjacent sheaths (second bonding layer 11).
  • Such organics may be organic compounds bearing various functional groups to allow adhesion to either side (core / shell, first shell / second shell, etc.).
  • the first and second bonding layers 9, 11 are preferably as thin as possible.
  • the outermost shell of a nanoparticle 1 is the second shell 7 in all figures and is shown schematically in a dashed line in FIGS. 1, 2, 5 and 6. In other embodiments, the outermost shell may also be the first enclosure 5. That depends entirely on the chosen alternation.
  • FIG. 9 schematically shows a part of a solar cell 100 in which a plurality of nanoparticles 1 are arranged according to the first embodiment shown in FIG.
  • FIG. 10 schematically shows a part of a solar cell in a variant in which the nanoparticles 1 shown in FIG. 5 have a different size.
  • FIG. 11 shows schematically a part of a solar cell 100 in which nanoparticles 1 according to the fourth embodiment (FIG. 4) are arranged.
  • FIG. 12 shows schematically a part of a solar cell 100 in which nanoparticles 1 according to the first embodiment (FIG. 1) are sorted in size.
  • FIG. 12 shows schematically a part of a solar cell 100 in which nanoparticles 1 according to the first embodiment (FIG. 1) are sorted in size.
  • different frequency ranges of the incident light can be optimally converted or amplified at respective penetration depths.
  • shortwave light can interact optimally with the surface of possibly smaller nanoparticles 1
  • long-wavelength, deeper penetrating light can optimally interact with possibly larger nanoparticles 1.
  • the light is incident from the left side.
  • the illustration in FIG. 12 can on the one hand represent a single solar cell whose active semiconductor contains a plurality of layers of nanoparticles 1, or on the other hand represent a multi-junction cell, which are arranged in stacks.
  • the frequency ranges of the "light" acting on a solar cell 100 are not critical
  • the present invention can be used in conjunction with all electromagnetic radiation, e.g., infrared / thermal radiation (e.g., thermo-photovoltaic), microwaves, etc.
  • Nanoparticles 1 are applied in the production of one of the solar cells 100 in any desired variants, for example by spin coating, dipping, self-assembly, wet-chemical deposition, sol-gel method, segregation / aggregation, physical methods (for example distribution by electromagnetic properties or electrostatic properties and potentials), vapor deposition, printing techniques e.g. B. similar to ink jet printing, direct contact transfer, spray method. Nanoparticles can be generated and deposited completely or partially on or near the surface. This is usually done by wet chemical processes or physical production processes (for example, vapor deposition, plasma processes, etc.).
  • the nanoparticles 1 may be applied between layers of the "embedding” material to be deposited separately.
  • the layers are then located “above” and “below” and may have to be doped as an embedding material for the nanoparticles 1 Dielectrics, semiconductors, TCOs, where possible doping is required, and the respective encapsulant material may also fill the spaces between the nanoparticles 1.
  • the outer shell has the sole purpose of organizing the distribution and / or adhesion of the nanoparticles 1 in the local environment, it might be possible and / or useful to chemically or physically remove the unnecessary parts of this shell. Outer sheaths can merge by targeted reaction. Such a fusion process improves the embedding of, in particular, the cores in a relatively homogeneous or uniform environment. If the outer shell consists of a photoactive semiconductor, a fusion of these shells could lead to at least larger contact areas eventually to the formation of a complete semiconductor layer. Thus, by reducing interfaces and the larger possible paths, the conductivity for generated electron-hole pairs is significantly improved.
  • optimization parameters for the first sheath 5 and / or the second sheath 7 are, for example, the individual properties of the core 3 and the first sheath 5 and / or second sheath 7 result in the sum of macroscopic properties which are completely different from the core 3, the first shell 5 or the second shell 7 alone.
  • An optical property is, for example, that the first shell 5 or the second shell 7 has a higher refractive index than surrounding layers. At oblique incidence of light, the light passes through the shell and interacts several times with the nanoparticles. 1
  • the nanoparticles 1 in addition to the dielectric sheath also have a conductive sheath, which makes the conductive contact between the layers and allows the conduction of the charge carriers.
  • a conductive sheath which makes the conductive contact between the layers and allows the conduction of the charge carriers.
  • the nanoparticles 1 are surrounded by a photoactive semiconductor layer in which the charge carriers are generated. To ensure the technical function, they must be quickly trimmed and drained so that they do not recombine. This could be done by pulling in a TCO layer underneath the semiconductor layer and transferring the charge carriers over the inside of the nanoparticles 1 are derived.
  • the TCO layers may also be arranged outside the semiconductor. In this case, the charges can be discharged outside. It is important that the doping, the conductivities and the pn-transitions are set correctly. Such adjustment is familiar to the person skilled in the art and not part of the invention.
  • additional electrical contacts may be created to direct the electrons outward of the TCO layer.

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Abstract

Nanoteilchen für eine solartechnische Anlage zur Steigerung der Lichtnutzung, mit einem Kern ausgewählt aus Materialien bestehend aus Metallen, Metalllegierungen, Halbleitern, elektrisch leitenden Nichtmetallen, elektrisch leitenden Verbindungen und Mischungen daraus, wobei um den Kern wenigstens eine erste Hülle angeordnet ist.

Description

Nanoteilchen für eine solartechnische Anlage sowie eine Solarzelle mit
solchen Nanoteilchen
Die vorliegende Erfindung betrifft Nanoteilchen für eine solartechnische Anlage zur Steigerung der Lichtnutzung, mit einem Kern ausgewählt aus Materialien bestehend aus Metallen, Metalllegierungen, Halbleitern, elektrisch leitenden Nichtmetallen, elektrisch leitenden Verbindungen und Mischungen daraus sowie eine Solarzelle mit wenigstens einem solchen Nanoteilchen.
Aus WO 2009/043340 ist ein Fotovoltaik-Modul mit wenigstens einer Solarzelle bekannt, in die Nanopartikel zur Lichtverstärkung eingebaut sind. Diese Nanopartikel können eine bestimmte Geometrie und Anordnung haben, um einfallendes Licht zu verstärken.
Es hat sich aber gezeigt, dass alleine die Geometrie und Anordnung von Nanoteilchen in einem Fotovoltaik-Modul nicht zu optimalen Ergebnissen führen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Nanoteilchen für eine solartechnische Anlage der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass diese in einer solartechnischen Anlage oder Solarzelle zu einer besseren Lichtverstärkung führen als im Stand der Technik.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass um den Kern wenigstens eine erste Hülle angeordnet ist.
Das Kern/Hülle-Prinzip in Anwendung auf Nanoteilchen für eine solartechnische Anlage gibt dem Fachmann eine Vielzahl von Möglichkeiten, Nanoteilchen physikalisch und chemisch so zu manipulieren, dass je nach Anwendung optimale Verstärkungen von Licht erreicht werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass um den Kern wenigstens eine zweite Hülle in einem größeren Abstand zum Kern als eine der wenigstens einen ersten Hülle angeordnet ist.
Durch die Bereitstellung einer zweiten Hülle können weitere Kombinationen von physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Nanoteilchens erzeugt werden. Mit der vorliegenden Erfindung ist gemeint, dass immer eine erste Hülle einen Kern umgibt und dann eine beliebige Folge von ersten und zweiten Hüllen angeordnet sind. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass zwischen dem Kern und der ersten Hülle eine erste Verbindungsschicht angeordnet ist. Mit der ersten Verbindungsschicht wird erreicht, dass zwischen dem Kern und der ersten Hülle eine gute Haftung erzeugt wird.
Ebenso ist es von Vorteil, dass zwischen der ersten Hülle und der zweiten Hülle eine zweite Verbindungsschicht angeordnet ist. Mit der zweiten Verbindungsschicht wird erreicht, dass zwischen der ersten Hülle und der zweiten Hülle jeweils eine gute Haftung erzeugt wird.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung in Bezug auf das Nanoteilchen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung in Bezug auf eine Solarzelle ist, dass eine Mehrzahl von Nanoteilchen in einer Halbleiterschicht angeordnet ist. Dadurch wird es möglich, dass die Nanoteilchen nicht nur verstreut in der Halbleiterschicht vorliegen müssen, sondern in bestimmten Ausführungsformen auch so dicht gepackt sind, dass sie die Halbleiterschicht bilden, wenn einer der ersten und zweiten Hüllen eine Halbleiterschicht ist. Dabei ist es in einigen Ausführungsformen auch vorteilhaft, wenn Lücken zwischen den Nanoteilchen mit Halbleitermaterial gefüllt sind. In anderen Ausführungsformen ergibt sich ein Vorteil, wenn die Lücken zwischen den Nanoteilchen mit anderen Materialien gefüllt sind, z. B. dielektrischem Material oder leitendem Material.
Eine solche dichte Packung ergibt sich vorteilhaft daraus, dass die Mehrzahl von Nanoteilchen so angeordnet ist, dass sich wenigstens einige der Nanoteilchen einander mit der ersten oder zweiten Hülle berühren und die sich berührenden ersten oder zweiten Hüllen der Nanoteilchen die Halbleiterschicht bilden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches rundes Nanoteilchen mit einem Kern und mit einer ersten und zweiten Hülle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegender Erfindung;
Fig. 2 ein schematisches Nanoteilchen mit einem Kern, einer ersten Verbindungsschicht, einer ersten Hülle und einer zweiten Hülle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 ein schematisches Nanoteilchen mit einem Kern und einer ersten und zweiten Hülle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein schematisches Nanoteilchen mit einem Kern, einer ersten Verbindungsschicht, einer ersten Hülle, einer zweiten Verbindungsschicht und einer zweiten Hülle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein Nanoteilchen wie in Fig. 1 , aber in einer ellipsoiden Form;
Fig. 6 ein Nanoteilchen wie in Fig. 2, aber in einer ellipsoiden Form;
Fig. 7 ein Nanoteilchen wie in Fig. 3, aber in einer ellipsoiden Form;
Fig. 8 ein Nanoteilchen wie in Fig. 4, aber in einer ellipsoiden Form;
Fig. 9 eine schematische Teilansicht einer Solarzelle mit Nanoteilchen gemäß Fig. 1 ;
Fig. 10 eine schematische Solarzelle mit Nanoteilchen gemäß Fig. 5 aber in unterschiedlicher Größe; und
Fig. 1 1 eine schematische Solarzelle mit Nanoteilchen gemäß Fig. 4.
Fig. 12 eine schematische Solarzelle mit Nanoteilchen gemäß Fig. 1 , größenmäßig sortiert.
In Fig. 1 ist ein schematisches Nanoteilchen 1 dargestellt, das einen Kern 3, eine den Kern 3 umschließende erste Hülle 5 und eine die erste Hülle 5 umschließende zweite Hülle 7 aufweist. In dieser ersten Ausführungsform grenzen die erste Hülle 5 unmittelbar an den Kern 3 und die zweite Hülle 7 unmittelbar an die erste Hülle 5.
In Fig. 2 ist im Grunde das gleiche Nanoteilchen 1 dargestellt, das aber in einer zweiten Ausführungsform zwischen dem Kern 3 und der ersten Hülle 5 eine erste Verbindungsschicht 9 aufweist.
In Fig. 3 ist in einer dritten Ausführungsform ein Nanoteilchen 1 dargestellt, das dem Nanoteilchen 1 aus Fig. 1 in seinem Aufbau gleicht. Unterschiedlich ist nur die Eigenschaft der zweiten Hülle 7. Die erste Hülle in Fig. 3 ist üblicherweise ein Dielektrikum. Die zweite Hülle 7 in Fig. 3 ist üblicherweise aus einem anderen Material, zum Beispiel aus einem fotoaktiven Halbleiter, wie zum Beispiel CIGS oder Si.
In Fig. 4 ist eine vierte Ausführungsform eines Nanoteilchens 1 dargestellt. In dieser vierten Ausführungsform ist auch zwischen der ersten Hülle 5 und der zweiten Hülle 7 eine zweite Verbindungsschicht 11 ausgebildet. Das Nanoteilchen in Fig. 4 weist somit einen Kern 3, eine erste Verbindungsschicht 9, eine zweite Hülle 5, eine zweite Verbindungsschicht 11 und eine zweite Hülle 7 auf. Die erste Hülle in Fig. 4 ist üblicherweise ein Dielektrikum. Die zweite Hülle 7 in Fig. 4 ist üblicherweise aus einem anderen Material, zum Beispiel aus einem fotoaktiven Halbleiter, wie zum Beispiel CIGS oder Si.
Fig. 5 zeigt ein Nanoteilchen 1 in einer Variante der ersten Ausführungsform. Das Nanoteilchen 1 ist in dieser Variante ellipsoid.
In Fig. 6 ist eine Variante der zweiten Ausführungsform in Fig. 2. Auch das Nanoteilchen 1 in Fig. 6 ist ellipsoid. Das Nanoteilchen 1 in Fig. 7 ist eine ellipsoide Variante der dritten Ausführungsform des Nanoteilchens 1 aus Fig. 3. Das Nanoteilchen 1 in Fig. 8 ist ebenfalls eine ellipsoide Variante des Nanoteilchens 1 aus Fig. 4.
In allen Ausführungsformen ist der Kern 3 wahlfrei aus Metallen, Übergangsmetallen, Halbmetallen, leitfähigen oder halbleitenden Nicht-Metallverbindungen, aus Gemischen, Legierungen und Verbindungen aus den vorgenannten Materialien hergestellt. Die Herstellung von Kernen ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann kann die Kerne 3 für die betreffende Anwendung wahlfrei herstellen. Die Form und Größe der Kerne 3 der Nanoteilchen 1 gemäß vorliegender Erfindung sind entweder sphärisch oder ellipsoid, zylinder- oder stäbchenförmig mit und ohne abgerundeten Endstücken, kegelförmig oder pyramidal, kubisch oder quaderförmig, unregelmäßig oder im Mikro-, Nano- bzw. Subnanometer- Maßstab in ihrer Größe variabel.
Für die Verwendung in solartechnischen Anlagen soll dem Kern gemäß vorliegender Erfindung wenigstens eine erste Hülle 5 hinzugefügt sein. Die wenigstens eine erste Hülle 5 soll bestimmte chemische oder physikalische Eigenschaften haben, die in Verbindung mit dem Kern 3 in einer solartechnischen Anlage für eine Verstärkung von Licht sorgt.
Obwohl in den Figuren immer zwei Hüllen darstellt sind, soll gemäß vorliegender Erfindung wenigstens eine erste Hülle 5 vorhanden sein. Die Bereitstellung einer zweiten Hülle 7 ist optional und dient zur Optimierung der Eigenschaften des Nanoteilchens 1 im jeweiligen Anwendungsfall. Die Form und Größe der ersten Hülle 5 oder zweiten Hülle 7 ist vorzugsweise so, dass die an den Kern 3 angrenzende erste Hülle 5 ziemlich regelmäßig um diesen herum liegt. Es sind aber in anderen Ausführungsformen auch andere Formen denkbar, z. B. pyramidaler Kern in Kugelhülle. Die Dicke der ersten Hülle 5 und der zweiten Hülle 7 kann von einer Atomlage bis in den Mikrometerbereich hin variieren.
Die erste Hülle 5 und/oder die zweite Hülle 7 können gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein und direkt mit einander bzw. mit dem Kern 3 verbunden sein oder aber über eine jeweils die erste Verbindungsschicht 9 oder die zweite Verbindungsschicht 11. Die erste und/oder zweite Hülle 5, 7 besteht somit entweder aus nichtleitenden Stoffen, zum Beispiel Halogeni- den, vorzugsweise zum Beispiel Fluoriden, wie CaF2 oder MgF2, Chalkogenide, vorzugsweise zum Beispiel Oxide etc. Die erste Hülle 5 und/oder die zweite Hülle 7 können auch aus halbleitenden Materialien, aus leitfähigen Materialien (zum Beispiel TCO-Varianten, aus lichtdurchlässigen Materialien, lichtabsorbierenden und/oder lichtumwandelnden Materialien, zum Beispiel CIGS, CdTe, Si, organische Halbleiter etc.) sowie anorganischen oder organischen Stoffe bestehen. Schließlich können die erste Hülle 5 und/oder die zweite Hülle 7 auch spezielle chemische und/oder physikalische Eigenschaften haben, die dafür sorgen, dass sich die Nanoteilchen 1 in einer vorgegebenen Weise anordnen (zueinander oder zur Oberfläche in einer lokalen Umgebung). Dies kann zu einer dichten oder aufgelockerten Monola- ge oder zu einer kompakten Nanoteilchenschicht führen, die aus einer reinen Sorte oder einer Sortenmischung aufgebaut ist. Für die Ausbildung der Anordnung von Nanoteilchen können verschiedene Wechselwirkungen verantwortlich sein, zum Beispiel chemische oder physikalische Wechselwirkungen, zum Beispiel van der Waals-, Adhäsions-, Ionen-Kräfte oder elektrostatische oder elektromagnetische Wechselwirkungen.
In den zweiten und vierten Ausführungsform gemäß Fig. 2 und Fig. 4 sind die erste Verbindungsschicht 9 zwischen dem Kern 3 und der ersten Hülle 5 und die zweite Verbindungsschicht 11 zwischen der ersten Hülle 5 und der zweiten Hülle 7 vorgesehen. Solche ersten und zweiten Verbindungsschichten 9, 11 bestehen vorzugsweise aus organischen oder anorganischen Stoffen, die zwischen den chemischen und physikalischen Eigenschaften von Hülle und Kern (erste Verbindungsschicht 9) bzw. zwischen zwei benachbarten Hüllen (zweite Verbindungsschicht 11) vermitteln.
Solche organischen Stoffe können organische Verbindungen sein, die verschiedene funktionelle Gruppen tragen, um die Haftung jeweils zu beiden Seiten (Kern/Hülle, erste Hülle/zweite Hülle etc.) zu ermöglichen. Die ersten und zweiten Verbindungsschichten 9, 11 sind vorzugsweise so dünn wie möglich. Die äußerste Hülle eines Nanoteilchens 1 ist in allen Figuren die zweite Hülle 7 und in Fig. 1 , Fig. 2, Fig. 5 und Fig. 6 schematisch in einer gestrichelten Linie dargestellt. In anderen Ausführungsformen kann die äußerste Hülle auch die erste Hülle 5 sein. Das hängt ganz von der gewählten Wechselfolge ab.
In Fig. 9 ist schematisch ein Teil einer Solarzelle 100 dargestellt, in der mehrere Nanoteil- chen 1 gemäß der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform angeordnet sind.
In Fig. 10 ist schematisch ein Teil einer Solarzelle in einer Variante darstellt, in der die in Fig. 5 wiedergegebenen Nanoteilchen 1 eine unterschiedliche Größe haben.
In Fig. 11 ist schematisch ein Teil einer Solarzelle 100 dargestellt, in der Nanoteilchen 1 gemäß der vierten Ausführungsform (Fig. 4) angeordnet sind.
In Fig. 12 ist schematisch ein Teil einer Solarzelle 100 dargestellt, in der Nanoteilchen 1 gemäß der ersten Ausführungsform (Fig. 1 ) größenmäßig sortiert angeordnet sind. Dadurch können unterschiedliche Frequenzbereiche des einfallenden Lichts an jeweiligen Eindringtiefen optimal umgesetzt bzw. verstärkt werden. Z. B. kann kurzwelliges Licht oberflächennah mit möglicherweise kleineren Nanoteilchen 1 optimal wechselwirken und langwelliges, tiefer eindringendes Licht mit möglicherweise größeren Nanoteilchen 1 optimal wechselwirken. In Fig. 12 fällt das Licht von der linken Seite ein. Die Darstellung in Fig. 12 kann einerseits eine einzige Solarzelle darstellen, deren aktiver Halbleiter mehrere Schichten von Nanoteilchen 1 enthält, oder aber andererseits eine Multijunction-Zelle darstellen, die stapelweise angeordnet sind. Für die vorliegende Erfindung sind die Frequenzbereiche des auf eine Solarzelle 100 einwirkenden„Lichts" nicht kritisch. Die vorliegende Erfindung kann in Verbindung mit allen elektromagnetischen Strahlen verwendet werden, z.B. auch lnfrarot-/Wärmestrahlung (z. B. Thermophotovoltaik), Mikrowellen etc.
Bei der Herstellung einer der Solarzellen 100 in beliebigen Varianten werden Nanoteilchen 1 aufgebracht, zum Beispiel durch SpinCoating, Dipping, SelfAssembling, nasschemische De- position, Sol-Gel-Verfahren, Seggregation/Aggregation, physikalische Methoden (z. B. Verteilung durch elektromagnetische Eigenschaften oder elektrostatische Eigenschaften und Potentiale), Gasphasenabscheidung, Drucktechniken z. B. ähnlich Tintenstrahldruck, Direktkontaktübertragung, Sprühmethode. Nanoteilchen können komplett oder in Teilen auf der Oberfläche oder in der Nähe erzeugt und abgeschieden werden. Das erfolgt üblicherweise durch nasschemische Verfahren oder physikalische Herstellungsverfahren (zum Beispiel Gasphasenabscheidung, Plasmaverfahren etc.). Schließlich ist es auch möglich, dass die Nanoteilchen 1 zwischen gesondert aufzubringenden Schichten des "Einbettungs'-Materials aufgebracht werden. Die Schichten befinden sich dann„oben" und„unten" und müssen gegebenenfalls dotiert werden. Als Einbettungsmaterial für die Nanoteilchen 1 sind je nach Anwendungszweck Dielektrika, Halbleiter, TCO vorgesehen, wobei eventuell eine Dotierung erforderlich ist. Das jeweilige Enbettungsmaterial kann auch die Räume zwischen den Nanoteilchen 1 ausfüllen.
Wenn die äußere Hülle lediglich den Zweck hat, die Verteilung und/oder die Haftung der Nanoteilchen 1 in der lokalen Umgebung zu organisieren, könnte es möglich und/oder sinnvoll sein, die nicht mehr erforderlichen Teile dieser Hülle chemisch oder physikalisch zu entfernen. Äußere Hüllen können durch gezielte Reaktionsführung verschmelzen. Durch einen solchen Verschmelzungsprozess wird die Einbettung insbesondere der Kerne in eine relativ homogene oder einheitliche Umgebung verbessert. Wenn die äußere Hülle aus einem fotoaktiven Halbleiter besteht, könnte eine Verschmelzung dieser Hüllen mindestens zu größeren Kontaktflächen eventuell bis zur Ausbildung einer kompletten Halbleiterschicht führen. Somit wird durch die Reduzierung von Grenzflächen und die größeren möglichen Wege die Leitfähigkeit für erzeugte Elektron-Loch-Paare deutlich verbessert.
Optimierungsparameter für die erste Hülle 5 und/oder die zweite Hülle 7 sind zum Beispiel aus den Einzeleigenschaften von dem Kern 3 und erster Hülle 5 und/oder zweiter Hülle 7 ergeben sich in der Summe makroskopische Eigenschaften, die völlig anders aussehen als der Kern 3, die erste Hülle 5 oder die zweite Hülle 7 alleine. Eine optische Eigenschaft ist zum Beispiel, dass die erste Hülle 5 oder die zweite Hülle 7 einen höheren Brechungsindex hat als umgebende Schichten. Bei schrägem Lichteinfall wandert das Licht durch die Hülle und wechselwirkt dabei mehrfach mit den Nanoteilchen 1.
Schließlich können Veränderungen in Form und Größe unterschiedliche Frequenzbereiche bevorzugt verstärken.
In anderen Ausführungsformen besitzen die Nanoteilchen 1 neben der dielektrischen Hülle auch eine leitfähige Hülle, die den leitfähigen Kontakt zwischen den Schichten herstellt und die Leitung der Ladungsträger erlaubt. Das ist insbesondere dann interessant, wenn die Nanoteilchen 1 mit einer photoaktiven Halbleiterschicht umgeben sind, in der die Ladungsträger erzeugt werden. Zur Sicherstellung der technischen Funktion müssen diese schnell getrent und abgeleitet werden, damit sie nicht rekombinieren. Das könnte geschehen, indem unterhalb der Halbleiterschicht eine TCO-Schicht eingezogen wird und die Ladungsträger über die Innenseite der Nanoteilchen 1 abgeleitet werden. Alternativ oder zusätzlich können die TCO Schichten auch außen um den Halbleiter herum angebracht sein. In diesem Fall können die Ladungen außen herum abgeführt werden. Wichtig ist, dass die Dotierungen, die Leitfähigkeiten und die pn-Übergänge richtig eingestellt sind. Ein solches Einstellen ist dem Fachmann geläufig und nicht Teil der Erfindung.
In Ausführungsformen, in denen die TCO-Schicht unterhalb des Halbleiters liegt, können zusätzliche elektrische Kontakte geschaffen werden, um die Elektronen von der TCO-Schicht nach außen zu leiten.
Wenn die äußerste Hülle eines Nanoteilchens 1 für den Betrieb einer Solarzelle nicht notwendig ist, z. B. nur zur Anordnung derselben mittels Haftwirkung dient, kann diese Hülle nach erfolgter Anordnung der Nanoteilchen 1 wieder beseitigt werden.
Bezugszeichenliste
1 Nanoteilchen
3 Kern
5 erste Hülle
7 zweite Hülle
9 erste Verbindungsschicht
10 zweite Verbindungsschicht 100 Solarzelle

Claims

Patentansprüche
1. Nanoteilchen für eine solartechnische Anlage zur Steigerung der Lichtnutzung, mit einem Kern ausgewählt aus Materialien bestehend aus Metallen, Metalllegierungen, Halbleitern, elektrisch leitenden Nichtmetallen, elektrisch leitenden Verbindungen und Mischungen daraus,
dadurch gekennzeichnet,
dass um den Kern (3) wenigstens eine erste Hülle (5) angeordnet ist.
2. Nanoteilchen nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass um den Kern (3) wenigstens eine zweite Hülle (7) in einem größeren Abstand zum Kern (3) als eine der wenigstens einen ersten Hülle (5) angeordnet ist.
3. Nanoteilchen nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen dem Kern (3) und der ersten Hülle (5) eine erste Verbindungsschicht (9) angeordnet ist.
4. Nanoteilchen nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der ersten Hülle (5) und der zweiten Hülle (7) eine zweite Verbindungsschicht (11 ) angeordnet ist.
5. Nanoteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine erste Hülle (5) eine dielektrische Hülle ist.
6. Nanoteilchen nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine zweite Hülle (7) eine dielektrische Hülle ist.
7. Nanoteilchen nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine zweite Hülle (7) eine leitende Hülle ist.
8. Nanoteilchen nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine zweite Hülle (7) eine halbleitende Hülle ist.
9. Nanoteilchen nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine zweite Hülle (7) ein aktiver Halbleiter, wie zum Beispiel CIGS, ist.
10. Nanoteilchen nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens eine zweite Hülle (7) eine Haftwirkung zur Anhaftung an einer Umgebung aufweist.
11. Solarzelle mit wenigstens einem Nanoteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Solarzelle nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Mehrzahl von Nanoteilchen (1 ) in einer Halbleiterschicht angeordnet ist.
13. Solarzelle nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mehrzahl von Nanoteilchen (1 ) so angeordnet sind, dass sich wenigstens einige der Nanoteilchen (1 ) einander mit der ersten oder zweiten Hülle (5; 7) berühren.
14. Solarzelle nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die sich berührenden ersten oder zweiten Hüllen (5; 7) der Nanoteilchen (1) die Halbleiterschicht bilden.
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