WO2014096200A1 - Justagetolerante photovoltaische zelle - Google Patents

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WO2014096200A1
WO2014096200A1 PCT/EP2013/077406 EP2013077406W WO2014096200A1 WO 2014096200 A1 WO2014096200 A1 WO 2014096200A1 EP 2013077406 W EP2013077406 W EP 2013077406W WO 2014096200 A1 WO2014096200 A1 WO 2014096200A1
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WO
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segment
sub
photovoltaic cell
subcell
cells
Prior art date
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PCT/EP2013/077406
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Andreas Bett
Simon PHILIPPS
Kasimir REICHMUTH
Henning HELMERS
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
    • H01L31/0687—Multiple junction or tandem solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials

Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic cell with at least four segment regions, which can be exposed to electromagnetic radiation directly, and at least three sub-segments, to which these segment regions are distributed.
  • the arrangement can be chosen so that the segment areas are arranged only laterally side by side; but it can also be a photovoltaic
  • Multiple cell can be selected, in which the different segment areas in the at least two superimposed sub-cells of the multiple cell are present.
  • the upper part cell has a kind of "recesses", so that the direct exposure to electromagnetic radiation for two separate
  • Sunlight into electrical energy is not only limited to sunlight, but can also be used to convert light or general electromagnetic radiation - from other sources.
  • optical power transmission also known as "power-over-fiber”
  • photovoltaic cells with artificial light or more generally: artificially generated electromagnetic radiation
  • irradiated which is generated for example by means of lasers, LEDs or halogen lamps, for example, to provide small consumers with energy. It can therefore be an energy transfer (more precisely: power transmission) without metal cable and hereby shorts, damage due to overvoltages and the like, can be avoided.
  • the transfer of artificial Electromagnetic radiation to the photovoltaic cell takes place either via the air or by means of dense media such as fiber optic cables.
  • the voltage and the conversion efficiency of solar cells can be increased, as is known, with monolithic multiple solar cells.
  • H several solar sub-cells are stacked on top of each other.
  • the currently best solar cells consist of three pn junctions in different semiconductor materials, which are internally connected in series via tunnel diodes.
  • the next generation of multiple solar cells will contain four or more pn junctions to further increase efficiency.
  • stacks of two sub-cells i.e., tandem cells
  • two pn junctions consisting of a semiconductor material - with a tunnel diode - connected in series. Based on the semiconductor material GaAs, open terminal voltages of 2.4 V were achieved.
  • the interconnection of series-connected pn junctions in multiple cells with stacked sub-cells can be monolithic or mechanical.
  • the pn junctions consist of semiconductor materials with different bandgap, mostly of germanium and / or so-called III-V compound semiconductors, which are material compositions of the elements of III. and V. main group, for example gallium arsenide, gallium indium arsenide or gallium indium phosphide, or other semiconductors, such as Il-VI compound semiconductors.
  • III-V compound semiconductors which are material compositions of the elements of III. and V. main group, for example gallium arsenide, gallium indium arsenide or gallium indium phosphide, or other semiconductors, such as Il-VI compound semiconductors.
  • the bandgap energy of the pn junctions increases from the lowest to the uppermost cell.
  • Multiple solar cells are often realized as monolithic stacks.
  • the different semiconductor layers are thus grown or stacked directly on top of each other.
  • MOVPE metalorganic vapor phase epitaxy
  • LPE Liquid Phase Epitaxy
  • MBE Molecular Beam Epitaxy
  • the back is usually metallized over the entire surface. These metallizations serve as front and
  • metal connectors such as wire bonds or metal bands used.
  • bypass diode is a diode that is connected anti-parallel to the solar cell and opens a further current path next to the solar cell.
  • the relevant solar cell is not loaded (which could destroy it), but the current flows through the bypass diode.
  • the bypass diode will turn off to avoid losses.
  • concentrator modules with high current densities, but also generally in series connection each individual separate solar cell is ideally protected with a bypass diode.
  • Tunnel diodes are highly doped diodes, which are inversely connected to the solar cells. This means that the n-doped layer of the solar cell is followed by the highly doped n-layer (usually written: n ++ ) of the tunnel diode. After the highly doped p-layer (p ++ ) of the tunnel diode, the p-doped layer follows the next solar cell.
  • Typical dopants of the tunnel diodes are in the range of 1 * 10 19 to over 1 * 10 20 1 / cm 3 .
  • the dopings of the solar cells are in the range of 1 * 1 0 15 and 8 * 1 0 18 1 / cm 3 .
  • To the layers of the solar cells and tunnel diodes come additional layers such as
  • WO 1 980US00945 already describes monolithically integrated series-connected photovoltaic cells in which a plurality of photovoltaic single cells or
  • the concentration of light is realized by reflective or refractive optics, such as mirrors or lenses.
  • the light is focused on the solar cell.
  • the concentration factor of light is up to 50-fold in low-concentration systems, 50 to 200-fold in medium concentrations and 1 00 to more than 1 500 times in high-concentration systems. Due to the concentration of light, the solar cell area can be reduced by about the concentration factor. Through the use of cost-effective optics costs can be minimized. At tightly packed
  • Concentrator modules the irradiation is typically approximately homogeneous, ie all sub-cells are then the same size to achieve a current adjustment.
  • photovoltaic cells can - as already mentioned - be used in the optical power transmission.
  • concentrator optics may be inaccurately positioned to the solar cell, shape errors or microstructural defects of the optics may be present, variations due to
  • Power transmission is particularly problematic inaccurate adjustment of the radiation source and / or a radiation transmission medium (for example the use of lasers as a radiation source and glass fibers as a light guide).
  • problems may arise due to the use of secondary optics or obliquely incident light on the photovoltaic cell.
  • the present application is therefore based on the object to overcome the disadvantages of the prior art and to specify a adjustment-tolerant photovoltaic cell with multiple sub-segments.
  • the photovoltaic cell should be current adapted and generate a high voltage.
  • Another object is to provide a photovoltaic cell having a plurality of sub-cells that is tolerant to deviations from the ideal power distribution of the incident light.
  • Another object is to provide a photovoltaic cell with several sub-cells, which is tolerant of temperature fluctuations. At least one of these tasks is governed by the subject matter of the independent
  • Such a photovoltaic cell can be used both for the optical power transmission in the field of power over fiber applications and for applications in which not a laser is used as a radiation source, but any other light source or radiation source, as well as for
  • Concentrator systems are used. The concept can realize its great advantages, in particular, if the photovoltaic cell is manufactured by means of a technology which allows a sequential layer deposition (for example MOVPE, MBE or vapor deposition).
  • a sequential layer deposition for example MOVPE, MBE or vapor deposition.
  • An alignment tolerant photovoltaic cell has a front side, which (in operation) faces the irradiated electromagnetic radiation and a rear side, which faces away from this radiation.
  • the front side further comprises at least three sub-segments, on which the electromagnetic radiation can impinge directly. It goes without saying that the subsegments are each formed of a semiconductor material and (exactly) allow a pn junction.
  • Part segment is arranged more, by which an absorption of the incident electromagnetic radiation could take place.
  • Partial segment or front side which is directly incident or impinged by electromagnetic radiation, that it is the sub-segment, the z. B. in one
  • monolithic arrangement has the spatially furthest above (based on the radiated electromagnetic radiation) arranged pn junction.
  • the front of the photovoltaic cell need not be a flat surface; rather, a stepped arrangement may be present with the front of the photovoltaic cell passing through the front of each element of the steps is formed, so each sub-segment or each as defined below
  • the front side has at least three subsegments; these three subsegments are again in the form of at least four separate ones
  • a sub-segment may be identical to a segment region, because the sub-segment is designed such that full-surface electromagnetic radiation can impinge directly on the front side;
  • the sub-segment can also have two segment regions, which can impinge directly on electromagnetic radiation, between which there is an area of the sub-segment, on which no electromagnetic radiation can impinge directly, for example, because over this area, a further semiconductor layer, the electromagnetic radiation at least partially absorbed , is arranged, for example in the form of an overlying sub-segment.
  • the photovoltaic cell according to the invention is arranged in the form of a first segment type and at least one sub-segment in the form of a second segment type arranged such that at least two separate segment regions are formed for the first and the second segment type, to which electromagnetic radiation can impinge directly.
  • first segment type and at least one sub-segment in the form of a second segment type arranged such that at least two separate segment regions are formed for the first and the second segment type, to which electromagnetic radiation can impinge directly.
  • Embodiments are possible in which the two separate segment areas are not interrupted by an area to which electromagnetic radiation can not impinge directly.
  • the incident electromagnetic radiation has such a low radiation intensity in the "separating region” that it comes close to or substantially equal to an interruption of the segment regions and thus of separate ones
  • Segment areas can be spoken. Such an embodiment is, for example, when - as is usually the case - the maximum intensity of the incident electromagnetic radiation in the region of the geometric center of gravity of the front is irradiated. Due to the frequently existing Gaussian distribution of the radiation intensity, the radiation intensity then decreases sharply starting from the geometric center of gravity, so that only a relatively low radiation intensity is present in the outer regions of the photovoltaic cell, which is for example at most 10% of the maximum intensity.
  • the area which is formed by a concentric circle around the geometric center of gravity, the area of which is 50% of the front side (can directly hit the electromagnetic radiation).
  • the above definition "at least in the area of the geometrical center of gravity of the front two separate segment areas” therefore means that at least in a concentric circle around the geometric center of gravity whose area is 50% of the front, the definition of each other completely separate
  • Segment areas is valid. As mentioned above, the term subsegments links to the electronic
  • At least two sub-segments of the first segment type are connected in parallel to one another and / or two sub-segments are connected to one another via a transition region, via which a lateral current flow
  • a lateral region guaranteeing the lateral current flow is understood to mean that not only a lateral current flow ensuring connection can take place between two segment regions by means of a busbar or the like, but also (for example for process economic reasons due to an etching process) a web of semiconductor material remains between two segment areas, which is formed of the same material as these two segment areas, but in the result electronically fulfills the same or a similar function as a bus-bar.
  • the diameter of this transition region is small compared to the maximum dimensions of the sub-segments.
  • Maximum expansion is the longest distance that can be formed between any two points on the edges of the subsegment (in the case of a circular sector, either the radius or the chord of the circle in the case of a square)
  • the diameter of the transition region is in particular at most 20%, usually at most 10%, for example at most 5% of the maximum extent of one of the two sub-segments connected to the transition region.
  • the photovoltaic cell according to the invention can be present either in a stepped arrangement with sub-segments of the front side (hereinafter often referred to as “stepped embodiment”) in different sub-cells or in an arrangement with laterally juxtaposed sub-segments of the front side (hereinafter often referred to as "lateral embodiment”) ,
  • stepped embodiment sub-segments of the front side
  • lateral embodiment laterally juxtaposed sub-segments of the front side
  • the photovoltaic cell comprises at least a first subcell and a second subcell disposed below the first subcell.
  • the first segment type is then present at least in the first subcell and the second segment type at least in the second subcell.
  • the front side surface of the first subcell is then smaller than the front side surface of the underlying second subcell, thereby forming the stepped arrangement.
  • at least one first subcell is formed, which is formed by the first segment type, under which the second subcell is arranged so that two separate at least in the region of the geometric center of gravity of the front side on the second subcell Segment regions are formed and in which the first subcell interconnected by two parallel and / or a lateral current flow
  • lateral embodiment (with laterally arranged sub-segments) are at least four sub-segments, of which two sub-segments together form the second segment type and are therefore interconnected in parallel and / or interconnected by a lateral current flow ensuring transition area and two other sub-segments form first segment type, which also connected in parallel and / or via a lateral current flow
  • transition region are interconnected.
  • laterally juxtaposed segment regions are present.
  • Segment area groups are interconnected serially). If, for example, a circular photovoltaic cell is used, in which the at least four segment regions are present, a partial shading of subsegments and / or segment regions of the first segment type and subsegments and / or segment segments and / or segment regions of the first segment type and / or segment segments and / or segment segments is always always simultaneously effected during pivoting of a circular light spot arranged congruently over the circular photovoltaic cell. or segment areas of the second segment type. After the segment areas and / or sub-segments of a segment type are always connected in parallel or connected to each other, but then a shaded segment area is always with a not shaded
  • the stepped embodiment brings with it a further advantage: As already explained at the beginning, the current adaptation of the subcells contributes
  • photovoltaic multiple cells in certain irradiations is a major technical challenge.
  • the decisive factor here is first the selection of the semiconductor material used.
  • other material properties, the charge carrier mobility and the lifetime of the semiconductor material are first the selection of the semiconductor material used.
  • nitride-containing layers such as GalnNAs
  • the lower part cell must contain comparatively thick absorber layers in order to be sufficient To produce electricity.
  • the material quality and thus the diffusion length of the charge carriers is low, only charge carriers from a small part of the absorber layers can contribute to the current, so that the lower part cell does not produce enough current.
  • the current adjustment of multiple cells in the prior art must also be designed for a particular operating temperature. Since temperature affects critical material parameters (such as band gap, conductivity, and mobilities), deviating temperatures are not ideal
  • Embodiments of the preceding paragraph thus represent a separate inventive aspect, also independent of the specific embodiment with two separate segment areas in the second subcell and the presence of two sub-segments in the first subcell, in particular what optical applications
  • both in the lateral embodiment and in the stepped embodiment more than one or two sub-cells can be present.
  • two or more (serially interconnected) sub-cells can be arranged one above the other.
  • Embodiment may also be three or more (serially interconnected) sub-cells
  • sub-cell groups for example, the two uppermost sub-cells may have a different surface, which is directly exposed to electromagnetic radiation;
  • at least three sub-cells or sub-cell groups may be formed so that they each occupy a larger area than the overlying sub-cell or sub-cell group and therefore each have segment areas that are directly exposed to electromagnetic radiation.
  • a third subcell is present in a stepped embodiment, then, as is necessary from the electronic definitions, a third segment type is of course also present.
  • first sub-layer or a first sub-segment "on" a second sub-layer is arranged when the first sub-layer or the first sub-segment directly in direct mechanical and / or electrical contact is applied to the second sub-layer or that only an indirect contact is designated, in which further layers and the like between the first sub-layer or the first sub-segment and the second sub-layer are arranged.
  • further layers are, for example, the tunnel diodes described at the beginning or others usually in solar cells and
  • Photovoltaic cells present layers.
  • the photovoltaic cell is a multiple cell (ie a photovoltaic cell with a lateral embodiment, which has at least two subcells or a photovoltaic cell with a stepped embodiment), in which at least two of the (at least two) sub-cells arranged one above the other are made
  • Room temperature (25 ° C) is a maximum of 0.1 eV.
  • the band gap is determined by evaluating the spectral sensitivity of the finished component.
  • This embodiment is particularly useful when monochromatic light of a certain wavelength is to be converted. This can be especially true
  • the band gap of the sub-cells need only be aligned to exactly one wavelength and therefore such an embodiment is advantageous.
  • there are at least two sub-cells of different materials that is, there is at least one subcell formed of a semiconductor material that differs from the material of at least one further subcell such that not more can be said of materials having substantially the same bandgap.
  • a photovoltaic cell according to this embodiment can also be designed such that the energy band gap of the sub-cells decreases from the uppermost completely electromagnetic radiation-exposed subcell to the sub-cells below.
  • Embodiment be realized.
  • an antireflection coating is applied in the stepped arrangement after structuring the steps. If the stack comprises sub-cells of the same materials, the antireflection coating can be optimized according to known methods, simultaneously for all these sub-cells (since the optimization is carried out for a specific semiconductor structure).
  • subcells made of materials of poor material quality are chosen to be wider so that they generate the same currents as subcells of good materials in the stack.
  • partial cell sequences may be present within a photovoltaic cell with a stepped embodiment in which each subcell occupies the same area within a subcell sequence, but in the case of two successive subcell sequences the subcell sequence lying below occupies a larger area than the subcell sequence lying above it.
  • a subcell sequence which in the prior art is usually referred to as a "multiple cell" in its own right
  • the photovoltaic cell is a multiple cell, which is monolithic.
  • Such a photovoltaic cell can be produced by means of the epitaxy method described above.
  • the photovoltaic cell is a multiple cell, in which the sub-cells are connected by means of tunnel diodes.
  • the tunnel diodes are used to change the polarity and conduct the current in both directions with a small voltage drop.
  • the photovoltaic cell or the sub-cells contained therein may be circular, square, rectangular or elliptical or substantially have such a geometry; these embodiments are likely to prove particularly suitable for manufacturing and economic reasons particularly suitable.
  • other geometries such as triangular or polygonal, may also be formed next to it.
  • a homogeneous power distribution of the incident light can be assumed as a first approximation (even if, in reality, the above deviations from the ideal power distribution exist - but these deviations are not or poorly predictable).
  • the irradiation of the photovoltaic cell and thus of the sub-segments At least in applications in the area of concentrator modules, the irradiation of the photovoltaic cell and thus of the sub-segments
  • secondary optics also be approximately homogeneous. From this it follows that the area of the groups of sub-segments of the same segment type which are directly susceptible to electromagnetic radiation should, to a first approximation, be substantially equal.
  • Concentrator modules will be more likely to have point-symmetric radiation, in which the incident radiation often has a power distribution that is in the
  • Segment types that are directly exposed to electromagnetic radiation, in a first approximation, have a substantially equal with radiation directly acted upon surface.
  • the segment regions of the first segment type have an area that is substantially the same size as that of the segment regions of the second segment type (and each further segment type), at least in the area of the geometric center of gravity of the front side.
  • substantially equal here and in the following means that the accumulated area (which can be directly exposed to electromagnetic radiation) of the segment type with the smallest surface area amounts to at least 80% of the cumulative area of the area
  • Segment type with the largest surface area As a rule, the proportion will even be at least 90% and often even at least 95%. If there are only two types of segments, then the accumulated area of the first segment type is between 80 and 125%, usually between 90 and 1 1 1% and often between 95 and 105% of the accumulated area of the segment segments of the second segment type. Especially for power applications, these embodiments do not apply "only" to the entire area of the photovoltaic cell's segment areas, but in particular to the areas lying in the area of the geometric center of gravity of the front side (which is defined above). It goes without saying, however, that the embodiment of the preceding paragraph refers to an irradiation that impinges homogeneously on the photovoltaic cell. In the case of inhomogeneous irradiation, the area must still be weighted with the radiation intensity incident on this area.
  • segment regions of the first segment type and the segment regions of the second segment type alternate at least in the region of the geometric center of gravity of the front side. The same applies if more than two types of segments exist; here too, according to this
  • Embodiment be selected an alternate arrangement, taking particular account of the fact that two segments of a segment type not or only in very small "touch areas" come to lie next to each other.
  • the geometric arrangement has to be made, is known in the art and results, moreover, also for geometric considerations without much action.
  • the alternating arrangement is not necessarily a given geometric structure; in more exotic geometric arrangements of segment areas and sub-segments embodiments are certainly conceivable in which an alternating structure is not unambiguously indicated for these geometric shapes.
  • a light beam with homogeneous light distribution radiates onto the front side of the photovoltaic cell, which forms a circle on the front side with a circular area which is exactly 80% of the total area of the front side is. This is - as always under this application, when it comes to
  • Area ratio of segment areas of the first segment type and the second segment type between 0.95 and 1, 05, in particular between 0.98 and 1, 02 is located.
  • Segment areas selected so that they belong to different segment types.
  • Segment areas belong to the same segment types and in the case of a number of segment areas that can be divided by the number of segment types but not additionally by 2
  • geometric center of gravity of the front is drawn a variety of straight lines. In at least one of these lines, often more of these lines and often also In each of these straight lines, it is the case that the mutually mirror-symmetrical straight sections (the axis of symmetry being the geometric center of gravity) extend through segment areas which, as defined above, belong to different or identical segment types. As with the above embodiments, these geometric conditions apply at least in the area of the geometric
  • Segment segment groups or segment types are at least in the region of the geometric center of gravity of the front side.
  • the segment regions essentially form the shape of a circular sector, a trapezoid, a triangle, a rectangle or a square.
  • “Substantially” means that deviations from the ideal geometry are possible to a certain extent; It goes without saying that the ideal production geometry can never be realized by the chosen production processes and, in addition, deviations from the ideal geometry must be made anyway in the case of transition regions which are intended to ensure a lateral power supply.
  • the photovoltaic cell according to the invention has at least six, in particular at least eight, for example at least twelve separate segment regions.
  • the number of segment areas is also dependent on whether there is a stepped arrangement or a lateral arrangement of the segment areas.
  • the formation of the "stage" is realized, in particular, by etching methods and the like, in which there need be no insulating sections between the areas. For possible etch processes, see the dry etch and wet etch processes as described in H. Helmers et al. in IEEE Transactions on Electron Devices Vol. 57, page 3355 ff (201 0), the relevant disclosure of which is hereby fully incorporated by reference.
  • the selected upper limit is essentially the
  • the photovoltaic cell is a multiple cell with three to six stacked sub-cells. This applies to both the stepped embodiment and the lateral embodiment.
  • the photovoltaic cell is a solar cell, in particular a solar cell, which is preceded by a concentrator optics.
  • the photovoltaic cell is a cell applications for optical power transmission, for example, generated by means of a laser electromagnetic radiation.
  • At least one of the objects according to the invention is also achieved by a power generation arrangement comprising a photovoltaic cell according to at least one of the embodiments described above, wherein besides the
  • Such a means for exposure to radiation may in particular a
  • Light source or general radiation source such as a laser light source to be.
  • the light source can generate monochromatic radiation, in particular
  • Infrared radiation visible light or UV radiation; but it can also contain radiation of larger wavelength ranges or be a radiation approximated to sunlight.
  • the means for applying may comprise a concentrator optics for focusing electromagnetic radiation.
  • This concentrator optics can be particularly useful if the arrangement includes one or more solar cells and sunlight by means of a concentrator on the Solar cell to be focused.
  • the arrangement for generating electricity as a means for applying a light guide which is arranged between the light source and the photovoltaic cell, that a uniform loading of the segmental regions of the photovoltaic cell is possible with light. It goes without saying that the geometric center of gravity of the exit surface of the light guide should come to rest as possible above the geometric center of gravity of the front of the solar cell. According to a further embodiment, in addition to the light guide still another
  • Secondary optics which can serve as a "homogenizer”. This can be for example a microlens array.
  • means are provided in addition to the photovoltaic cell, with which causes the highest radiation intensity, which is generated by the light source or by the concentrator optics on the
  • Front of the photovoltaic cell is applied, approximately incident in the geometric center of gravity of the front.
  • Approximately in the geometric center of gravity here means that the intensity maximum on a straight line between the
  • the invention has the advantage that by segmenting the cell and / or structuring the cell by steps, a tolerance to a misalignment of the photovoltaic Cell and irradiated thereon light can be increased. On the one hand, this can be achieved by designing the surface of the semiconductor regions in a stepped manner, on the other hand by segmenting the cell with sub-segments connected in series, whereby the tolerance to inhomogeneous illumination or misalignment is achieved here by parallel connection of different segment groups.
  • the stepped multiple cell additionally generates the advantage that a very high voltage is achieved. It is crucial that the stepped structure allows a current adjustment even if an adjustment by the partial cell thickness is not possible. In this way, in particular more sub-cells can be stacked and it can be used materials in which an increase in the current by adjusting the thickness is no longer possible (too small diffusion length of the charge carriers).
  • the stepped multiple cell described has the potential to become the standard in power-over-fiber applications.
  • the field of concentrating photovoltaics the
  • Figure 1 shows an embodiment in which sub-segments are arranged laterally to each other, and provides a serial connection of the sub-segments according to the prior art.
  • H here, four square sub-segments 1 of the photovoltaic cell are again arranged in a square.
  • the subsegments are electrical
  • Contact surfaces 3, 3a and 3b are electrically connected via, for example, wire bonds or conductor strips 9. 3a and 3b are electrically isolated from each other.
  • This embodiment also shows a bypass diode 5 with two bypass diode carriers 4 and 6 associated with the two electrical contacts.
  • the photovoltaic cell is here arranged on a substrate 7 and separated from it by an electrical insulation 8.
  • Figure 2 shows a photovoltaic multiple cell according to the prior art. In this case, a plurality of III-V semiconductor layers are provided. There are three sub-cells 1 1, 12, 1 3 on p-doped substrate. Between the sub-cells 1 1, 1 2, 13 tunnel diodes 20 are arranged. The sub-cells 1 1, 1 2, 13 are connected in series with each other by the tunnel diodes 20.
  • a metallization 21 On the front of the cell there is a metallization 21 and an indicated bond wire 22. Between or on the arranged for example in the form of bus bars or over the entire surface on the front metallization may also be formed a dielectric antireflection layer. Finally, a rear-side contact 23 is arranged on the rear side of the solar cell.
  • FIG. 3 shows the simplest arrangement of the photovoltaic cell according to the invention in the case of a circular geometry of the photovoltaic cell.
  • the Sub-segments 1 A, 1 B, 1 C and 1 D each formed as a quarter circle.
  • the geometric center of gravity of the surface here is a punctiform, the lateral current flow between the "parallel" sub-segments 1 A and 1 C guaranteed
  • Transition region 31 is provided, which is located in the geometric center of gravity 50. Alternatively, however, a parallel connection of the subsegments 1 A and 1 C by means of a conductor path arranged outside the cell could also take place here. Between the sub-segments 1 A and 1 B, 1 B and 1 C and 1 C and 1 D are along the lines 32 in the case of the stepped embodiment, the lateral edges of the top part cell 1 1 and in the case of the lateral embodiment, an isolation trench.
  • FIG. 3a shows a sectional view of the photovoltaic cell along the dashed line S for the lateral embodiment. It can be seen that the sub-segment 1 A is separated from the sub-segment 1 B via an isolation trench 32.
  • Figure 3b shows a sectional view of the stepped embodiment of the photovoltaic cell.
  • the sub-segment 1 A is a part of the sub-cell 1 1 and the sub-segments 1 B and 1 D is a part of the sub-cell 1 2. Only a portion of the sub-segment 1 B / 1 D is directly exposed to electromagnetic radiation 100 from a radiation source. Accordingly, the result
  • Segment areas 2A and 2 B which can be directly exposed to electromagnetic radiation.
  • the stepped arrangement therefore, only one partial segment 1 B / 1 D is present in the region of the partial cell 12, in which two segment regions 2 B and 2 D are present (not shown here).
  • FIGS. 3c and 3d show the result of a slight light
  • segment areas are increased. This is shown in FIG. 4 with six segment regions 2 A, 2 B, 2 C, 2 D, 2 E, 2 F, which can be present both in the stepped and in the lateral embodiment.
  • segment areas 2A, 2C and 2E on the one hand and 2 B, 2D and 2 F on the other hand are connected either in parallel with one another or together form part of the same subcell.
  • FIG. 5 shows an ideal case with regard to shading during displacement of the
  • the photovoltaic cell here has a large number (namely 48)
  • Very small structures can be realized here by RIE etching with vertical edges, for example, without generating additional area losses through the etching edges. If the structures are small enough, the transverse conduction in the emitter or transverse conduction layer of the cells will have low loss and it will be possible to dispense with front-side metallization, in particular in the lower cell, in a stepped arrangement; this simplifies the
  • the area of the sub-segments of the same segment type is the same size if homogeneous illumination is present.
  • the embodiment according to FIG. 5 is less suitable for the lateral arrangement, since here the area occupied by the isolation trenches has a negative effect on the conversion efficiency.
  • FIG. 6 shows the continuation of FIG. 5 in the case of a stepped arrangement with three partial cells.
  • FIG. 6a shows the sectional view with the three sub-cells 11, 12 and 13 and the four exemplary segment areas 2A, 2B, 2C and 2D.
  • Segment region 2A corresponds here to subsegment 1 A, segment region 2 B to subsegment 1 B, segment region 2 C to subsegment 1 C, which extends over the entire circular area, and segment region 2 D to subsegment 1 D, whereby the subcell 1 located under subsegment 1 D 1 also to the left continues (not shown) and here again forms a directly acted upon by electromagnetic radiation segment region 2 E.
  • the individual sub-cells 1 1, 12 and 1 3 can here by independent
  • Multiple cells may be formed, for example GaAs tandem cells. In this way, cells with about 6 V can be realized with three stacked and stepped double cells.
  • FIG. 7 a shows the region of FIG. 7 bordered by the dashed line.
  • Segment areas are because they are present in the upper part cell 1 1.
  • transparent transverse conductive layers can be used. If the structures are small enough, the transverse conduction in the emitter or cross conduction layer of the cells becomes low-loss and front-side metallization can be dispensed with; This simplifies processing and reduces costs.
  • the transition region 31 is not designed (only) in the region of the geometric center of gravity 50 to ensure a lateral current flow.
  • FIG. 8 and FIG. 8 a correspond to FIGS. 7 and 7 a. It can be seen in FIGS. 8 and 8a that a structured front-side metallization 21 is applied to support the lateral current flow between the structured elements.
  • FIG. 9 and FIG. 9a to a certain extent represent the combination of embodiment 7 with a multiple cell with three sub-cells 11, 12, 13 (as also shown in the transition from FIG. 5 to FIG. 6).
  • FIG. 9a the sectional view for the segment regions 2a, 2b, 2c, 2d is again shown by way of example, and the associated subsegments are shown.
  • FIG. 10 again shows the arrangement with the stepped multiple cell, in which - as stated above - the sub-cells 1 1, 1 2, 13,... Are here with “subcell 1", “subcell 2 ",” subcell 3 to (n-1) ",” subcell n “, where n is the total number of subcells, and may be made of the same or different materials, with tunnel diodes 20 in between are selected so that directly lightable segment areas 2A, the pair 2B / 2C, and the two pairs 2 (n-1) '/ 2 (n-1) * and
  • FIG. 10a shows the same arrangement in which each subcell is again formed by three "subcell cells" of the same area connected via tunnel diodes, so that, to a certain extent, a stack is produced with a number of subcells which is three times as high as the number of stages.
  • the steps may in this case each contain sub-cells, which are formed from the same material and are accordingly suitable for monochromatic light.
  • FIG. 10b shows the same arrangement as FIG. 10a; however, examples of different materials of the sub-cells are explicitly listed here.
  • Figure 10c shows a special case for Figure 10a, again in the sectional view; in this case, the stepped arrangement of two dual cells 1 1 and 1 2 as sub-cells, which are designed for monochromatic light.
  • the individual sub-cells and sub-cells consist of the same materials.
  • the GaAs selected in the figure may also be GalnAs or any other suitable material as described above.
  • the area ratios should be
  • Transverse layers 21 may be a material having a larger bandgap which is transparent to the incident, for example monochromatic, irradiation, and the like
  • Figure 1 1 shows an embodiment, which shows by way of example, as a stepped
  • Arrangement can be selected if there is a non-homogeneous profile of the incident illumination, for example, a Gauss profile.
  • a non-homogeneous profile of the incident illumination for example, a Gauss profile.
  • Segment areas formed areas not equal in size, but adapted to the intensity profile.
  • the upper part cell 1 which - as stated above - also a
  • Multiple cell can be here exposed to a higher intensity than the lower part cell 1 2 and therefore has the smaller surface area than that directly
  • Figures 12a and 12b show an embodiment in which a stepped
  • Figure 12a shows the top view
  • Figure 12b shows a side view. It is about a
  • segmented middle subcell 1 1 and a segmented lower subcell 12.
  • the entire uppermost subcell 1 3 is formed by the sub-segment 1 A, the middle subcell 1 1 completely through the sub-segment 1 B and the lowest sub-cell 1 2 through the sub-segments 1 C, 1 D, 1 E and 1 F, each one
  • the uppermost subcell 13 accordingly has a
  • Segment area 2 B and the sub-cell 12 each have segment areas 2C, 2D, 2 E and 2 F, each occupying the area of a quarter-ring.
  • Such an embodiment is particularly useful for homogeneous irradiation, since it is irrelevant whether there is a segmentation in the region of the geometric center of gravity, but it is only important that with a slight pivoting or adjustment tolerance in the edge region and the corresponding shading can be compensated , It goes without saying that between the sub-cells 1 1 and 12, a layer should be formed, at least in partial areas, which ensures the serial / parallel interconnection of the sub-cells and sub-segments according to the invention.
  • Figure 1 3 shows a corresponding to Figure 1 2 arrangement in plan view.
  • a stepped embodiment is provided in which the segment regions of the upper semiconductor layers are not connected in parallel or form a single segment region but are connected to the other segment regions only in the form of the complete triple cell present in the sub-segment. Due to, for example, a Gaussian distribution of the incident light, the area of the innermost circle is chosen to be significantly smaller than that of the middle circle and thus the area of the annulus between the two middle circle lines is greater than that of the innermost circle;
  • Figure 1 3 shows again the result when pivoting the light spot 1 01, for example due to misalignment. Less illuminated segments generate less power; however, due to the partial parallel connection, the current adaptation of the series connection is obtained as illustrated by the diagram on the right. As already stated above, the tolerance can be increased here by an increased number of segments.
  • Figure 14 shows an embodiment in which the stepped embodiment and lateral embodiment are completely united together.
  • the dashed line defines the isolation trench 32 between the subsegments.
  • the subsegments are each designed as a tandem cell, wherein in each case the upper and the lower subcell of a subsegment are present in the stepped embodiment.
  • Segment areas of the upper sub-cells 2 E, 2 F, 2 G, 2 H are not directly interconnected here; Rather, the sub-segments 1 A and 1 C and 1 B and 1 D are connected in parallel to each other and the sub-segment pairs 1 A / 1 C and 1 B / 1 D interconnected in series. Due to the stepped embodiment, there is once again a serial interconnection within the subsegments, wherein the upper subcell is in each case connected to the lower subcell via a tunnel diode. Within a subsegment, the segment areas 2A and 2E, 2B and 2F, 2C and 2G as well as 2D and 2H are connected in series. As in FIG. 13, a stepped embodiment is thus provided in which the segment regions of the uppermost semiconductor layer are not connected in parallel or form a single segment region but only in the form of the complete tandem cell present in the sub-segment with the other ones

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Abstract

Die Anmeldung betrifft eine justagetolerante photovoltaische Zelle, bei der die Vorderseite mindestens drei Teilsegmente aufweist, auf welche die elektromagnetische Strahlung direkt auftreffen kann. Hierbei liegen zumindest zwei Teilsegmente in Form eines ersten Segmenttyps und mindestens ein Teilsegment in einem zweiten Segmenttyp vor und sind so angeordnet, dass für den ersten und den zweiten Segmenttyp jeweils mindestens zwei separate Segmentbereiche ausgebildet sind, auf die die elektromagnetische Strahlung direkt auftreffen kann. Zumindest zwei Teilsegmente des ersten Segmenttyps sind miteinander parallel verschaltet und/oder über einen den lateralen Stromfluss gewährleistenden Übergangsbereich miteinander verbunden und ferner sind die Teilsegmente des ersten Segmenttyps mit dem mindestens einen Teilsegment des zweiten Segmenttyps seriell verschaltet. Die photovoltaische Zelle kann dabei die Segmentbereiche entweder in einer gestuften Ausführungsform der Segmentbereiche mit zumindest zwei Teilzellen und/ oder in einer lateralen Ausführform mit nebeneinander angeordneten Segmentbereichen enthalten.

Description

Patentanmeldung:
Justagetolerante photovoltaische Zelle
Anmelderin:
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Die Erfindung betrifft eine photovoltaische Zelle mit mindestens vier Segmentbereichen, die mit elektromagnetischer Strahlung direkt beaufschlagt werden können, und mindestens drei Teilsegmenten, auf die sich diese Segmentbereiche verteilen. Die Anordnung kann dabei so gewählt werden, dass die Segmentbereiche nur lateral nebeneinander angeordnet werden; es kann aber auch eine photovoltaische
Mehrfachzelle gewählt werden, in der die unterschiedlichen Segmentbereiche in den zumindest zwei übereinander angeordneten Teilzellen der Mehrfachzelle vorliegen. H ierbei weist die obere Teilzelle gewissermaßen " Aussparungen " auf, sodass die direkte Beaufschlagbarkeit mit elektromagnetischer Strahlung für zwei separate
Segmentbereiche für die untere Teilzelle realisiert werden kann. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 1 0 2012 025 1 60.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug vollumfänglich aufgenommen wird.
Solarzellen nutzen den photovoltaischen Effekt zur direkten Umwandlung von
Sonnenlicht in elektrische Energie. Dieser Effekt ist nicht nur auf Sonnenlicht beschränkt, sondern kann auch zur Umwandlung von Licht- oder allgemeiner elektromagnetischer Strahlung - aus anderen Quellen verwendet werden. Zu nennen ist hier insbesondere die optische Leistungsübertragung (auch bekannt als " Power-over-Fiber " ). Dabei werden photovoltaische Zellen mit künstlichem Licht (bzw. allgemeiner: künstlich erzeugter elektromagnetischer Strahlung) bestrahlt, das beispielsweise mittels Lasern, LEDs oder Halogenstrahlern erzeugt ist, um beispielsweise Kleinverbraucher mit Energie zu versorgen. Es kann also eine Energieübertragung (genauer: Leistungsübertragung) ohne Metallkabel erfolgen und hiermit Kurzschlüsse, Beschädigungen durch Überspannungen und dergleichen, vermieden werden. Die Übertragung von künstlicher elektromagnetischer Strahlung zur photovoltaischen Zelle erfolgt dabei entweder über die Luft oder mittels dichter Medien wie zum Beispiel Glasfaserkabeln.
Eine wesentliche Herausforderung für optische Leistungsübertragung ist die
Bereitstellung einer ausreichend hohen Spannung für den Betrieb der durch die photovoltaische Zelle betriebenen Verbraucher. Der Großteil der derzeit produzierten Solarzellen sind sogenannte Einfachsolarzellen, die aus nur einem pn-Übergang bestehen. Ihre Spannung wird wesentlich durch das verwendete Halbleitermaterial bestimmt. Vergleichsweise hohe Spannungen für Einfachzellen sind mit dem Halbleiter GaAs zu erreichen. Die offene Klemmenspannung liegt jedoch maximal im Bereich von 1 V und ist damit für den Betrieb von typischen elektronischen Schaltungen zu gering.
Die Spannung und der Umwandlungswirkungsgrad von Solarzellen können bekanntlich mit monolithischen Mehrfachsolarzellen erhöht werden. H ierbei werden mehrere Solar- Teilzellen übereinander gestapelt. Die derzeit besten Solarzellen bestehen aus drei pn- Übergängen in unterschiedlichen Halbleitermaterialien, die intern über Tunneldioden seriell verschaltet sind. Die nächste Generation von Mehrfachsolarzellen wird vier oder mehr pn-Übergänge enthalten, um die Effizienz weiter zu steigern. Für die Umwandlung von Laserlicht wurden bereits Stapel von zwei Teilzellen (d. h. Tandemzellen) realisiert (J . Schubert et al., IEEE Transactions on Electron Devices, 56(2), S. 1 70 - 1 75, 2009). Dabei wurden zwei pn-Übergänge (bestehend aus einem Halbleitermaterial - mit einer Tunneldiode - seriell verschaltet). Auf Basis des Halbleitermaterials GaAs wurden so offene Klemmenspannungen um 2,4 V erreicht.
Die Verschaltung der in Serie geschalteten pn-Übergänge in Mehrfachzellen mit übereinander angeordneten Teilzellen nach dem Stand der Technik kann monolithisch oder auch mechanisch erfolgen. Die pn-Übergänge bestehen aus Halbleitermaterialien mit unterschiedlicher Bandlücke, meist aus Germanium und/oder sogenannten lll-V- Verbindungshalbleitern, bei denen es sich um Materialkompositionen der Elemente der III. und V. Hauptgruppe handelt, zum Beispiel Galliumarsenid, Galliumindiumarsenid oder Galliumindiumphosphid, bzw. anderen Halbleitern, wie Il-Vl-Verbindungshalbleitern. Die Bandlückenenergie der pn-Übergänge steigt dabei von der untersten zur obersten Teilzelle an. Mehrfachsolarzellen werden häufig als monolithische Stapel realisiert. Die verschiedenen Halbleiterschichten werden also direkt übereinander gewachsen bzw. gestapelt. Dies ist beispielsweise durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE, Metall Organic Vapor Phase Epitaxy) oder andere epitaktische Verfahren, wie beispielsweise LPE (Liquid Phase Epitaxy) oder MBE (Molecular Beam Epitaxy), auf ein dotiertes oder undotiertes Substrat in kristallinen Schichten aufgewachsen. Damit entsteht eine serielle Verschaltung der Teilzellen, bei der - wie nachstehend erläutert - der Gesamtstrom des Schichtstapels durch die Teilzelle mit dem geringsten Strom limitiert wird. Als Substrat können zum Beispiel Wafer aus Silizium, Germanium oder Galliumarsenid eingesetzt werden. Auf der Vorderseite einer monolithischen Mehrfachzelle wird im Regelfall eine partielle
Metallisierung aufgebracht - das Kontaktgitter. Die Rückseite wird in der Regel ganzflächig metallisiert. Diese Metallisierungen dienen als Vorder- und
Rückseitenkontaktierung. Mit diesen Metallisierungen kann eine Verschaltung der einzelnen Zellen bzw. der einzelnen Teilsegmente erfolgen. Dazu werden meist metallische Verbinder, wie Drahtbonds oder Metallbänder, verwendet.
Häufig werden mehrere Mehrfachsolarzellen in Serie verschaltet, sodass ein Solarmodul entsteht, bei dem die einzelnen Mehrfachsolarzellen nebeneinander angeordnet sind; im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird bei einer derartigen Anordnung von lateral nebeneinander angeordneten Teilsegmenten (die dann sowohl Mehrfachzellen als auch Einfachzellen bilden können und zu einer photovoltaischen Zelle verschaltet sind) gesprochen; derartige miteinander verschaltete Teilsegmente korrespondieren dementsprechend mit zu einem Solarmodul verschalteten Mehrfachsolarzellen.
Bei der Serienschaltung wird die Stromstärke von der Solarzelle (oder dem Teilsegment) mit der niedrigsten Stromgenerierung limitiert, während sich die Spannungen addieren. Liefert eine Solarzelle weniger Strom als die anderen Solarzellen der Reihenschaltung oder gar keinen Strom, so wird der Stromfluss begrenzt oder vollständig unterbrochen. Um dies zu verhindern, wird nach dem Stand der Technik im Modul der Stromfluss durch den Einsatz von Bypass-Dioden sichergestellt, sodass die keinen Strom liefernde Solarzelle vor Zerstörung geschützt ist. Eine Bypass-Diode ist eine Diode, die anti-parallel zur Solarzelle geschaltet ist und eröffnet neben der Solarzelle einen weiteren Strompfad. Im Falle einer reduzierten Stromgenerierung, zum Beispiel durch Verschattung oder Defekt, wird die diesbezügliche Solarzelle nicht belastet (wodurch sie zerstört werden könnte), sondern der Strom fließt über die Bypass-Diode. Im Normalbetrieb (wenn alle Zellen bzw. Segmente einen ähnlichen Strom liefern) sperrt die Bypass-Diode, um keine Verluste zu erzeugen. In Konzentratormodulen mit hohen Stromdichten, aber auch generell bei Serienschaltung wird idealerweise jede einzelne separate Solarzelle mit einer Bypass- Diode geschützt.
Für die monolithische Serienverschaltung der einzelnen pn-Übergänge muss ein
Stromfluss zwischen den n-dotierten Halbleitermaterialien einer Teilzelle und de p- dotierten Halbleitermaterialien der nächsten Teilzelle ermöglicht werden. Dies wird in den photovoltaischen Mehrfachzellen üblicherweise durch Interband-Tunneldioden realisiert. Tunneldioden sind hochdotierte Dioden, die umgekehrt zu den Solarzellen geschaltet sind. Das bedeutet, auf die n-dotierte Schicht der Solarzelle folgt die hochdotierte n- Schicht (üblicherweise geschrieben: n++) der Tunneldiode. Nach der hochdotierten p- Schicht (p++) der Tunneldiode folgt die p-dotierte Schicht der nächsten Solarzelle. Übliche Dotierungen der Tunneldioden sind im Bereich von 1 * 1019 bis über 1 * 1020 1/cm3. Die Dotierungen der Solarzellen liegen im Bereich von 1 * 1 015 und 8 * 1 018 1/cm3. Zu den Schichten der Solarzellen und Tunneldioden kommen zusätzliche Schichten wie
Barriereschichten, Fensterschichten und Passivierungsschichten. Nur der Vollständigkeit halber sei auf die DE 10 2004 055 225 A1 verwiesen, die monolithisch integrierte serienverschaltete Module mit integrierter Bypass-Diode offenbart. Bei diesen werden mehrere Solarzellensegmente in Serie geschaltet. Das bedeutet, die Fläche der Gesamtzelle wird in Segmente unterteilt. Durch physikalische oder photolithographische und chemische Prozessierungen werden auf einem Wafer dabei Segmente in Serie geschaltet, d. h. monolithisch integrierte serienverschaltete Module hergestellt. Auch die
WO 1 980US00945 beschreibt bereits monolithisch integrierte serienverschaltete photovoltaische Zellen, bei denen mehrere photovoltaische Einfachzellen bzw.
Teilsegmente lateral direkt auf dem Wafer verschaltet sind. Dieses Prinzip wurde auch für Sonnenlicht realisiert (R. Löckenhoff, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 1 6(2): S. 101 - 1 1 2, 2008) und auch für Laserlicht beschrieben (S. Wojtczuk, NASA- Report N94-1 1394, 1 993). Eine Realisierung mit Laserlicht und dem Absorbermaterial GaAs und anderen Ill-V-Halbleitern offenbart J . Schubert et al. (IEEE Transactions on Electron Devices 56 (2), S. 1 70 - 1 75, 2009). Das Konzept wurde auch in der sogenannten Thermophotovoltaik angewandt, wo eine Infrarotstrahlungsquelle genutzt wird. Entscheidend hierbei ist, dass ein semi-isolierendes Substrat genutzt werden muss, was eine klassische Vorder- und Rückseitenkontaktierung nicht mehr erlaubt. Für diese Technologie wird dabei zunächst die Halbleiterschichtstruktur einer Einfach- oder Mehrfachsolarzelle auf einem semiisolierenden Substrat epitaktisch hergestellt, wobei unterhalb der Einfachsolarzellenschichten eine gut leitfähige Querleitschicht und gegebenenfalls eine Tunneldiode eingefügt werden. In der anschließenden Prozessierung werden mit geeigneten Photolithographie-, Ätz- und Metallisierungsschritten einzelne photovoltaische Zellen definiert, die direkt (also ohne eine Trennung durch Sägen) seriell verschaltet werden. Dabei können verschiedene Geometrien definiert werden und es kann eine unterschiedliche Anzahl von Teilzellen seriell verschaltet werden. Mit diesem Konzept wurden i) unter Laserlicht bei Verschaltung von 6 Teilsegmenten aus GaAs bereits offene Klemmenspannungen von über 6 V erreicht und ii) bei Solarzellen
Spannungen von 25 V bis 52 V und sogar über 54 V realisiert (vergleiche H . Helmers, Proceedings of 6t h International Conference on Concentrating Photovoltaic Systems, 2010, AIP1277, S. 39 - 42, DOI: 1 0.1063/1 .3509227). Auch hierbei müssen Teilzellen bzw. Teilsegmente stromangepasst sein, um hohe Wirkungsgrade zu erreichen. Der Grad der Stromanpassung wird dabei durch die Größe der Teilsegmente und die
Leistungsverteilung des eingestrahlten Lichts gesteuert. Mehrfachsolarzellen können für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen konzentriertes Licht in Strom umgewandelt wird. Die Konzentration des Lichts wird durch reflektive oder refraktive Optiken, wie Spiegel oder Linsen, realisiert. Das Licht wird auf die Solarzelle fokussiert. Der Konzentrationsfaktor des Lichts liegt dabei bei niedrig konzentrierten Systemen bei bis zu 50-facher, bei mittlerer Konzentrationen bei 50- bis 200-facher und bei Hochkonzentrationssystemen bei 1 00- bis mehr als 1 500-facher Konzentration. Durch die Konzentration des Lichts kann die Solarzellenfläche um etwa den Konzentrationsfaktor reduziert werden. Durch den Einsatz von kostengünstigen Optiken können dabei Kosten minimiert werden. Bei dichtgepackten
Konzentratormodulen ist die Bestrahlung typischerweise annähernd homogen, d. h. alle Teilzellen haben dann die gleiche Größe um eine Stromanpassung zu erreichen. Daneben können photovoltaische Zellen - wie bereits erwähnt - in der optischen Leistungsübertragung eingesetzt werden. H ier wird typischerweise nicht von einer homogenen sondern von einer punktsymmetrischen Bestrahlung ausgegangen. Legt man eine gleichmäßige Ausleuchtung der Teilzellen zugrunde, so erfolgt bei den vorhandenen Geometrien in der Regel eine symmetrische Verteilung der Teilsegmente um den
Mittelpunkt (mathematisch exakt: den geometrischen Schwerpunkt), um
Stromanpassung zu erreichen.
In der Realität liegen jedoch meist Abweichungen von der idealen Leistungsverteilung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung bzw. des einfallenden Lichts und/oder inhomogene Beleuchtungen vor. Dies kann zum Beispiel durch Ungenauigkeiten bei der Justage oder auch durch Eigenschaften verwendeter Optiken verursacht werden
(beispielsweise können Konzentratoroptiken ungenau zur Solarzelle positioniert sein, Formfehler oder Mikrostrukturfehler der Optik vorliegen, Abweichungen durch
Sekundäroptiken eine Rolle spielen, oder Optik und System ungenau bezüglich der Strahlungsquelle, beispielsweise der Sonne, ausgerichtet sein). Bei der optischen
Leistungsübertragung ist insbesondere eine ungenaue Justage von Strahlungsquelle und/oder einem Strahlungsübermittlungsmedium problematisch (beispielsweise die Verwendung von Lasern als Strahlungsquelle und Glasfasern als Lichtleiter). Daneben können Probleme durch den Einsatz von Sekundäroptiken oder schräg einfallendes Licht auf die photovoltaische Zelle entstehen. Schließlich ist es technologisch schwierig, die Teilzellen bzw. die Teilsegmente exakt identisch zu produzieren. Somit ist es eine große Herausforderung, die Stromanpassung zu konzipieren.
Der vorliegenden Anmeldung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und eine justagetolerante photovoltaische Zelle mit mehreren Teilsegmenten anzugeben. Insbesondere soll die photovoltaische Zelle stromangepasst sein und eine hohe Spannung erzeugen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine photovoltaische Zelle mit mehreren Teilzellen anzugeben, die tolerant gegenüber Abweichungen von der idealen Leistungsverteilung des einfallenden Lichts ist. Schließlich besteht noch eine Aufgabe darin, eine photovoltaische Zelle mit mehreren Teilzellen anzugeben, die tolerant gegenüber Temperaturschwankungen ist. Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch den Gegenstand der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Unteransprüche und Beschreibung lehren vorteilhafte
Weiterbildungen.
Erfindungsgemäß wird ein neues Konzept einer photovoltaischen Zelle, die hohe
Spannungen generiert, vorgestellt. Eine derartige photovoltaische Zelle kann sowohl für die optischen Leistungsübertragung im Bereich Power-over-Fiber-Anwendungen und für Anwendungen, bei denen nicht ein Laser als Strahlungsquelle genutzt wird, sondern eine beliebige andere Lichtquelle oder Strahlungsquelle verwendet wird, als auch für
Konzentratorsysteme eingesetzt werden. Das Konzept kann seine großen Vorteile insbesondere dann ausspielen, wenn die photovoltaische Zelle mittels einer Technologie hergestellt ist, die eine sequenzielle Schichtabscheidung erlaubt (zum Beispiel MOVPE, MBE oder Aufdampfung).
Eine erfindungsgemäße justagetolerante photovoltaische Zelle weist eine Vorderseite auf, die (im Betrieb) der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung zugewandt ist und eine Rückseite, die dieser Strahlung abgewandt ist. Die Vorderseite weist ferner mindestens drei Teilsegmente auf, auf die die elektromagnetische Strahlung direkt auftreffen kann. Es versteht sich von selbst, dass die Teilsegmente jeweils aus einem Halbleitermaterial gebildet sind und (genau) einen pn-Übergang erlauben.
Unter " direkt auftreffen " ist hierbei zu verstehen, dass keine weiteren Halbleiterschichten zwischen der Vorderseite der photovoltaischen Zelle bzw. der Vorderseite eines
Teilsegments mehr angeordnet ist, durch die eine Absorption der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung erfolgen könnte. Mit anderen Worten bedeutet
Teilsegment bzw. Vorderseite, auf die direkt elektromagnetische Strahlung auftrifft bzw. auftreffen kann, dass es sich um das Teilsegment handelt, das z. B. in einer
monolithischen Anordnung den räumlich am weitesten oben (bezogen auf die eingestrahlte elektromagnetische Strahlung) angeordneten pn-Übergang aufweist.
Bei der Vorderseite der photovoltaischen Zelle muss es sich dabei nicht um eine ebene Fläche handeln; vielmehr kann eine gestufte Anordnung vorliegen, wobei die Vorderseite der photovoltaischen Zelle durch die Vorderseite jedes einzelnen Elements der Stufen gebildet wird, also jedes Teilsegments bzw. jedes wie nachfolgend definierten
Segmentbereichs.
Wie vorstehend definiert, weist die Vorderseite mindestens drei Teilsegmente auf; diese drei Teilsegmente liegen wiederum in Form von zumindest vier separaten
Segmentbereichen vor.
Während sich die Definition eines "Teilsegment " an den elektronischen Verschaltungen innerhalb der photovoltaischen Zelle orientiert, betrifft der Begriff " Segmentbereich " die optischen Verhältnisse und beschreibt im Wesentlichen abgeschlossene Bereiche der Vorderseite, auf die elektromagnetische Strahlung direkt auftreffen kann. Die Verbindung zwischen den Begriffen "Teilsegment " und " Segmentbereich " stellt der " Segmenttyp " her. So kann ein Teilsegment mit einem Segmentbereich identisch sein, weil das Teilsegment so ausgebildet ist, dass vollflächig elektromagnetische Strahlung direkt auf die Vorderseite auftreffen kann; das Teilsegment kann aber auch zwei Segmentbereiche, auf die direkt elektromagnetische Strahlung auftreffen kann, aufweisen, zwischen denen ein Bereich des Teilsegments vorliegt, auf den keine elektromagnetische Strahlung direkt auftreffen kann, etwa weil über diesem Bereich eine weitere Halbleiterschicht, die elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise absorbiert, angeordnet ist, beispielsweise in Form eines darüber liegenden Teilsegments. Erfindungsgemäß werden in erster Näherung immer Ausführungsformen betrachtet, wo bei Verschattung eine vollständige Absorption erfolgt; es versteht sich aber von selbst, dass dies nicht der Realität entspricht, sondern vielmehr oft nur eine Absorption von bis zu 90 bis 95 % der eingestrahlten Leistung erfolgt, weil die verschattende Schicht normalerweise nicht so dick ausgeführt ist, dass eine vollständige Absorption erfolgen kann. Dementsprechend sind zumindest zwei Teilsegmente der Vorderseite der
erfindungsgemäßen photovoltaischen Zelle in Form eines ersten Segmenttyps angeordnet und mindestens ein Teilsegment in Form eines zweiten Segmenttyps so angeordnet, dass für den ersten und den zweiten Segmenttyp jeweils mindestens zwei separate Segmentbereiche ausgebildet sind, auf die elektromagnetische Strahlung direkt auftreffen kann. Neben zwei vollständig voneinander getrennten Segmentbereichen sind auch
Ausführungsformen möglich, in denen die zwei separaten Segmentbereiche nicht durch einen Bereich unterbrochen sind, auf den elektromagnetische Strahlung nicht direkt auftreffen kann. Bei diesen Ausführungsformen ohne " Unterbrechungsbereich " besitzt die auftreffende elektromagnetische Strahlung allerdings im " trennenden Bereich " eine so geringe Strahlungsintensität, dass dies einer Unterbrechung der Segmentbereiche nahe kommt oder im Wesentlichen gleich kommt und somit von separaten
Segmentbereichen gesprochen werden kann. Eine derartige Ausführungsform liegt beispielsweise vor, wenn - wie dies üblicherweise der Fall ist - das Intensitätsmaximum der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung im Bereich des geometrischen Schwerpunkts der Vorderseite eingestrahlt wird. Aufgrund der häufig vorliegenden Gauss-Verteilung der Strahlungsintensität nimmt dann die Strahlungsintensität ausgehend vom geometrischen Schwerpunkt stark ab, sodass in den äußeren Bereichen der photovoltaischen Zelle nur noch eine relativ geringe Strahlungsintensität vorliegt, die beispielsweise maximal 10 % der Maximalintensität beträgt.
" Im Bereich des geometrischen Schwerpunkts der Vorderseite " bedeutet
erfindungsgemäß stets, dass nur der Bereich gemeint ist, der durch einen konzentrischen Kreis um den geometrischen Schwerpunkt gebildet wird, dessen Flächeninhalt 50% der Vorderseite (auf die elektromagnetische Strahlung direkt auftreffen kann) beträgt. Die vorstehende Definition " zumindest im Bereich des geometrischen Schwerpunkts der Vorderseite zwei separate Segmentbereiche " bedeutet daher, dass zumindest in einen konzentrischen Kreis um den geometrischen Schwerpunkt, dessen Flächeninhalt 50% der Vorderseite beträgt, die Definition voneinander vollständig getrennte
Segmentbereiche Gültigkeit hat. Wie vorstehend erwähnt, knüpft der Begriff Teilsegmente an der elektronischen
Verschaltung an. Daher sind erfindungsgemäß zumindest zwei Teilsegmente des ersten Segmenttyps miteinander parallel verschaltet und/oder zwei Teilsegmente über einen Übergangsbereich miteinander verbunden, über den ein lateraler Stromfluss
gewährleistet wird. Die Teilsegmente des ersten Segmenttyps sind mit dem mindestens einen Teilsegment des zweiten Segmenttyps seriell verschaltet. Unter " einen den lateralen Stromfluss gewährleistenden Übergangsbereich " wird anmeldungsgemäß verstanden, dass zwischen zwei Segmentbereichen nicht nur eine den lateralen Stromfluss gewährleistende Verknüpfung mittels eines bus-bars oder dergleichen erfolgen kann, sondern auch (beispielsweise aus prozessökonomischen Gründen aufgrund eines Ätzverfahrens) ein Steg aus Halbleitermaterial zwischen zwei Segmentbereichen bestehen bleibt, der aus demselben Material wie diese beiden Segmentbereiche gebildet ist, der aber im Ergebnis elektronisch dieselbe oder eine ähnliche Funktion erfüllt wie ein bus-bar. Der Durchmesser dieses Übergangsbereichs ist jedoch im Vergleich zu den Maximalausdehnungen der Teilsegmente klein. Als
Maximalausdehnung ist hierbei die längste Strecke zu verstehen, die zwischen zwei beliebigen Punkten der Ränder des Teilsegments gebildet werden kann (im Fall eines Kreissektors entweder der Radius oder die Kreissehne im Fall eines Quadrats die
Diagonale). Der Durchmesser des Übergangsbereichs beträgt insbesondere maximal 20%, meist maximal 10% zum Beispiel maximal 5 % der Maximalausdehnung eines der beiden mit dem Übergangsbereich verbundenen Teilsegmente.
Die erfindungsgemäße photovoltaische Zelle kann schließlich entweder in einer gestuften Anordnung mit in verschiedenen Teilzellen vorliegenden Teilsegmenten der Vorderseite (nachfolgend häufig mit " gestufte Ausführungsform " bezeichnet) oder einer Anordnung mit lateral nebeneinander angeordneten Teilsegmenten der Vorderseite (nachfolgend häufig mit " laterale Ausführungsform " bezeichnet) vorliegen. Daneben ist auch eine Anordnung möglich, in der beide vorstehend genannten Anordnungsformen
nebeneinander vorliegen.
Bei der gestuften Ausführungsform umfasst die photovoltaische Zelle zumindest eine erste Teilzelle und eine zweite, unter der ersten Teilzelle angeordnete Teilzelle. Der erste Segmenttyp liegt dann zumindest in der ersten Teilzelle vor und der zweite Segmenttyp zumindest in der zweiten Teilzelle. Die Vorderseitenfläche der ersten Teilzelle ist dann kleiner als die Vorderseitenfläche der darunter liegenden zweiten Teilzelle, wodurch die gestufte Anordnung ausgebildet wird. In dieser gestuften Ausführungsform liegt also zumindest eine erste Teilzelle vor, die durch den ersten Segmenttyp gebildet wird, unter der die zweite Teilzelle so angeordnet ist, dass auf der zweiten Teilzelle zumindest im Bereich des geometrischen Schwerpunkts der Vorderseite zwei separate Segmentbereiche ausgebildet werden und bei der die erste Teilzelle durch zwei miteinander parallel verschaltete und/oder einen den lateralen Stromfluss
gewährleistenden Übergangsbereich miteinander verbunden sind.
Bei der lateralen Ausführungsform (mit lateral zueinander angeordneten Teilsegmenten) liegen zumindest vier Teilsegmente vor, von denen zwei Teilsegmente zusammen den zweiten Segmenttyp bilden und daher miteinander parallel verschaltet sind und/oder durch einen den lateralen Stromfluss gewährleistenden Übergangsbereich miteinander verbunden sind und zwei weitere Teilsegmente den ersten Segmenttyp bilden, die ebenfalls parallel verschaltet und/oder über einen den lateralen Stromfluss
gewährleistenden Übergangsbereich miteinander verbunden sind. Es liegen also - außer bei Mischformen mit der gestuften Ausführungsform - lateral nebeneinander angeordnete Segmentbereiche vor.
Erfindungsgemäß wurde also erkannt, dass durch Realisierung einer Anordnung mit unterschiedlichen Segmentbereichen, von denen jeweils zumindest zwei miteinander parallel verschaltet sind oder (was dem in H inblick auf die elektronischen Verhältnisse gleichkommt) durch einen den lateralen Stromfluss gewährleistenden Übergangsbereich miteinander verbunden sind oder von mehreren Segmentbereichen, die alle in einem Teilsegment vorliegen, ein äußerst tolerantes Design im H inblick auf eine Fehlausrichtung oder Fehljustage ermöglicht ist (wenn gleichzeitig zwei derart verschaltete
Segmentbereichsgruppen untereinander seriell verschaltet sind). Legt man beispielsweise eine kreisförmig ausgebildete photovoltaische Zelle zugrunde, in der die zumindest vier Segmentbereiche vorliegen, so wird beim Verschwenken eines deckungsgleich über der kreisförmigen photovoltaischen Zelle angeordneten kreisförmigen Lichtflecks immer gleichzeitig eine teilweise Verschattung von Teilsegmenten und/oder Segmentbereichen des ersten Segmenttyps und Teilsegmenten und/oder Segmentbereichen des zweiten Segmenttyps erfolgen. Nachdem die Segmentbereiche und/oder Teilsegmente eines Segmenttyps immer parallel geschaltet sind oder miteinander verbunden sind, ist dann aber ein verschatteter Segmentbereich immer mit einem nicht verschatteten
Segmentbereich verbunden; durch die teilweise Parallelschaltung wird also die
Stromanpassung der Serienschaltung im Wesentlichen erhalten. Dieses Konzept kann noch zusätzlich dadurch optimiert werden, dass im H inblick auf eine gegebene Strahlungsquelle ermittelt wird, wie sich die Strahlungsintensität, die auf die Vorderseite auftrifft, über die Vorderseite verteilt, sodass sich die Bereiche mit besonders hoher Strahlungsintensität möglichst gleichmäßig auf die miteinander seriell verschalteten Teilsegment-Gruppen verteilt. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können also Fehlausrichtungen von Zelle zu Strahlungsquelle ausgeglichen werden bzw. daraus resultierende Verluste minimiert werden. Im Fall der gestuften Ausführungsform wird die oberste Teilzelle also derart ausgeführt, dass eine Verschiebung des auftreffenden Lichtflecks bzw. der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung (die zum Beispiel von einem Laser, einer Glasfaser oder ein konzentrierenden Optik herrührt) die gleichen Auswirkungen auf die Stromgeneration aller Teilzellen und/oder Teilsegment-Gruppen hat. Entsprechendes gilt für die laterale Ausführungsform, bei der Geometrie und Anordnung der miteinander parallel verschalteten Teilsegmente entsprechend gewählt wird.
Die gestufte Ausführungsform bringt noch einen weiteren Vorteil mit sich: Wie bereits eingangs ausgeführt wurde, stellt die Stromanpassung der Teilzellen bei
photovoltaischen Mehrfachzellen bei bestimmten Einstrahlungen (insbesondere unter einem bestimmten Spektrum und einer bestimmten Verteilung der optischen Leistung über die Zelle) eine große technische Herausforderung dar. Entscheidend ist hierbei zunächst die Auswahl des verwendeten Halbleitermaterials. Daneben spielen weitere Materialeigenschaften, die Ladungsträgermobilität und die Lebensdauer der
Ladungsträger eine Rolle. Sobald das Material definiert ist, wird nach dem Stand der Technik versucht, die Stromanpassung durch Anpassung der Dicken der Teilzellen zu erreichen. Technisch ist dies jedoch schwierig, wenn zum Beispiel die Materialqualität von Epitaxie zu Epitaxie variiert, zu schlecht ist oder zu geringe Dicken gewählt werden müssen. Bei der eingangs erwähnten Tandemzelle nach J. Schubert et al. musste für die optische Leistungsübertragung für die obere Teilzelle eine geringe Dicke von 0,6 μηη im Vergleich zur unteren Teilzelle mit 3,7 μηη gewählt werden. Eine weitere Teilzelle müsste dann eine noch geringere Dicke aufweisen, was technisch sehr schwer oder gar nicht realisierbar ist. Für Materialien, die nach dem Stand der Technik mit geringerer
Materialqualität realisiert werden können (beispielsweise nitridhaltige Schichten wie GalnNAs) ist bereits die Realisierung von Zweifachzellen schwierig. So muss die untere Teilzelle prinzipiell vergleichsweise dicke Absorberschichten enthalten, um genügend Strom produzieren zu können. Da die Materialqualität und damit die Diffusionslänge der Ladungsträger jedoch gering ist, können nur Ladungsträger aus einem kleinen Teil der Absorberschichten zum Strom beitragen, sodass die untere Teilzelle zu wenig Strom produziert. Die Stromanpassung von Mehrfachzellen nach dem Stand der Technik muss ferner für eine bestimmte Betriebstemperatur ausgelegt werden. Da die Temperatur entscheidende Materialparameter (wie zum Beispiel die Bandlücke, die Leitfähigkeit und die Mobilitäten) beeinflusst, liegt bei abweichender Temperatur keine ideale
Stromanpassung mehr vor. Für reale Anwendungen - sowohl in der
Konzentratorphotovoltaik als auch in der optischen Leistungsübertragung - ist dies ein großer Nachteil, da die endgültigen Betriebsbedingungen i) bei der Auslegung der Zelle typischerweise nicht bekannt sind, ii) von Anwendung zu Anwendung stark variieren können und iii) auch während des Betriebs stark schwanken können.
Mit der erfindungsgemäßen gestuften Ausführungsform mit zumindest zwei separaten Segmentbereichen im Bereich der obersten und der darauf folgenden Teilzelle ist es möglich, die Stromanpassung nicht durch die Teilzellendicke (wie dies nach dem Stand der Technik erfolgt), sondern über die Teilzellengröße bzw. Teilzellenbreite zu erreichen. Zum Zweck der Stromanpassung können also tieferliegende Teilzellen größer bzw.
breiter als die darüber liegenden Teilzellen ausgeführt werden, was wiederum in die gestufte Anordnung mündet. Tiefer liegende Teilzellen erhalten somit in den
entsprechenden Segmentbereichen der Vorderseite direkt einen Anteil der anfallenden elektromagnetischen Strahlung, insbesondere des einfallenden Lichts, das dann also nicht wie in herkömmlichen Stapel-Solarzellen bereits durch die höher liegenden Teilzellen gefiltert bzw. teilabsorbiert wurde. Da die tiefer liegenden Teilzellen eine größere Fläche als die höher liegenden Teilzellen aufweisen, können letztere deutlich dicker sein als bei einer herkömmlichen photovoltaischen Mehrfachzelle. Auf diese Weise wird das Problem zu dünner Absorberschichten vermieden und es können mehr Zellen aus
Halbleitermaterial übereinander gestapelt werden (wodurch sich eine höhere Spannung realisieren lässt). Die erfindungsgemäße gestufte Anordnung erfüllt also die
Anforderungen hinsichtlich höherer Spannungen auf eine neuartige Weise. Die
Ausführungen des vorstehenden Absatzes stellen somit einen eigenen erfinderischen Aspekt dar, auch unabhängig von der konkreten Ausführungsform mit zwei separaten Segmentbereichen in der zweiten Teilzelle und des Vorliegens von zwei Teilsegmenten in der ersten Teilzelle, insbesondere was Anwendungen zur optischen
Leistungsübertragung und/oder Ausführungsformen, in denen in zwei Teilzellen das gleiche Halbleitermaterial verwendet wird, betrifft.
Es versteht sich von selbst, dass sowohl bei der lateralen Ausführungsform als auch bei der gestuften Ausführungsform mehr als eine bzw. zwei Teilzellen vorliegen können. So können bei der lateralen Anordnung innerhalb eines Teilsegments auch zwei oder mehr (seriell verschaltete) Teilzellen übereinander angeordnet sein. Bei der gestuften
Ausführungsform können auch drei oder mehr (seriell verschaltete) Teilzellen
übereinander angeordnet sein, wobei nur zwei Teilzellengruppen, beispielsweise die beiden obersten Teilzellen eine unterschiedliche Fläche aufweisen können, die direkt elektromagnetischer Strahlung aussetzbar ist; insbesondere können dann aber zumindest drei Teilzellen oder Teilzellengruppen so ausgebildet sein, dass sie jeweils eine größere Fläche einnehmen als die darüber liegende Teilzelle bzw. Teilzellengruppe und daher jeweils Segmentbereiche aufweisen, die direkt elektromagnetischer Strahlung aussetzbar sind.
Liegt also bei einer gestuften Ausführungsform eine dritte Teilzelle vor, so liegt selbstverständlich - wie aus den elektronischen Definitionen erforderlich - auch ein dritter Segmenttyp vor.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung von " übereinander angeordneten " Teilschichten die Rede ist, so bedeutet hier und im Folgenden, dass eine erste Teilschicht oder ein erstes Teilsegment " auf " einer zweiten Teilschicht angeordnet ist, wenn die erste Teilschicht oder das erste Teilsegment unmittelbar im direkten mechanischen und/oder elektrischem Kontakt auf der zweiten Teilschicht aufgebracht ist oder dass nur ein mittelbarer Kontakt bezeichnet ist, bei dem weitere Schichten und dergleichen zwischen der ersten Teilschicht oder dem ersten Teilsegment und der zweiten Teilschicht angeordnet sind. Mögliche derartige weitere Schichten sind beispielsweise die eingangs beschriebenen Tunneldioden oder andere üblicherweise in Solarzellen und
photovoltaischen Zellen vorliegende Schichten.
Gemäß einer Ausführungsform ist die photovoltaische Zelle eine Mehrfachzelle (also eine photovoltaische Zelle mit lateraler Ausführungsform, die zumindest zwei Teilzellen aufweist oder eine photovoltaische Zelle mit gestufter Ausführungsform), bei der zumindest zwei der (mindestens zwei) übereinander angeordneten Teilzellen aus
Materialien mit gleicher oder zumindest im wesentlichen gleicher Bandlücke bestehen. Anmeldungsgemäß weisen zwei Materialien eine " im wesentlichen gleiche Bandlücke " auf, wenn die Differenz zwischen den Bandlücken der beiden Materialien bei
Raumtemperatur (25 °C) maximal 0, 1 eV beträgt. Die Bandlücke wird hierbei über die Auswertung der spektralen Empfindlichkeit am fertigen Bauelement ermittelt.
Diesbezüglich sei auf S. Philipps et al. in " Present Status in the Development of lll-V Multi-Junction Solar Cells " ; Springer Series in Optical Sciences 1 65 - Next Generation of Photovoltaics - New Concepts, 201 2, Seiten 1 bis 21 verwiesen, wo beispielsweise aus Fig. 1 .1 6 a oder b die Bandlücke direkt entnommen werden kann, insbesondere gemäß des in H . Helmers et al., Applied Physics Letters, 2013. 1 03: Seiten 0321 08- 1 -3, DOI: 10.1063/1 .481 6079 beschriebenen Verfahrens.
Diese Ausführungsform ist insbesondere dann sinnvoll, wenn monochromatisches Licht einer bestimmten Wellenlänge umgewandelt werden soll. Dies kann insbesondere bei
Laserleistungsanwendungen oder Anwendungen zur optischen Leistungsübertragung der Fall sein. Es versteht sich von selbst, dass bei der Verwendung monochromatischen Lichts die Bandlücke der Teilzellen nur auf genau eine Wellenlänge ausgerichtet werden müssen und daher eine derartige Ausführungsform vorteilhaft ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform liegen mindestens zwei Teilzellen aus unterschiedlichen Materialien vor (oder ausschließlich Teilzellen aus unterschiedlichen Materialien), das heißt es gibt mindestens eine Teilzelle, die aus einem Halbleitermaterial gebildet ist, das sich von dem Material zumindest einer weiteren Teilzelle derart unterscheidet, dass nicht mehr von Materialien mit im Wesentlichen gleicher Bandlücke gesprochen werden kann. Eine photovoltaische Zelle nach dieser Ausführungsform kann auch so ausgebildet sein, dass die Energiebandlücke der Teilzellen von der obersten vollständig elektromagnetischer Strahlung ausgesetzten Teilzelle zu den darunter liegenden Teilzellen hin abnimmt.
Eine derartige Ausführungsform ist insbesondere für die Umwandlung von
elektromagnetischer Strahlung mit einer spektralen Verteilung geeignet, wie dies beispielsweise bei Sonnenlicht der Fall ist. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen photovoltaischen Zelle in Konzentratoranwendungen wird daher häufig diese
Ausführungsform verwirklicht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird bei der gestuften Anordnung nach Strukturierung der Stufen eine Antireflexbeschichtung aufgebracht. Umfasst der Stapel Teilzellen aus gleichen Materialien, kann die Antireflexbeschichtung nach bekannten Methoden optimiert werden, und zwar gleichzeitig für alle diese Teilzellen (da die Optimierung für eine bestimmte Halbleiterstruktur durchgeführt wird).
Gemäß einer weiteren Ausführung werden bei Mehrfachzellen Teilzellen aus Materialien mit schlechter Materialqualität breiter gewählt, sodass sie gleiche Ströme wie Teilzellen aus guten Materialien im Stapel generieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können innerhalb einer photovoltaischen Zelle mit gestufter Ausführungsform Teilzellenfolgen vorliegen, bei denen innerhalb einer Teilzellenfolge jede Teilzelle die gleiche Fläche einnimmt, bei zwei aufeinanderfolgenden Teilzellenfolgen die unten liegende Teilzellenfolge aber eine größere Fläche einnimmt als die darüber liegende Teilzellenfolge. Eine derartige Teilzellenfolge (die nach dem Stand der Technik üblicherweise selbst als " Mehrfachzelle " bezeichnet wird) kann dann wiederum aus identischen oder unterschiedlichen Materialien bestehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die photovoltaische Zelle eine Mehrfachzelle, die monolithisch ausgebildet ist. Eine derartige photovoltaische Zelle kann mittels der eingangs beschriebenen Epitaxieverfahren hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die photovoltaische Zelle eine Mehrfachzelle, in der die Teilzellen mittels Tunneldioden verbunden sind. Die Tunneldioden dienen zum Ändern der Polarität und leiten den Strom in beide Richtungen mit einem geringen Spannungsabfall. In den folgenden Absätzen sei auf die Geometrie der photovoltaischen Zelle, der darin enthaltenen Teilsegmente und der darin enthaltenen Segmentbereiche eingegangen. Vorauszuschicken ist hier zunächst, dass die photovoltaische Zelle nicht auf eine bestimmte Geometrie beschränkt ist; dies gilt sowohl für die photovoltaische Zelle als ganze als auch für die darin enthaltenen Teilzellen. So kann die photovoltaische Zelle bzw. die darin enthaltenen Teilzellen kreisförmig, quadratisch, rechteckig oder elliptisch sein oder im Wesentlichen eine derartige Geometrie besitzen; diese Ausführungsformen dürften sich insbesondere aus herstellungsbedingten und ökonomischen Gründen als besonders geeignet herausstellen. Es können daneben aber auch andere Geometrien wie beispielsweise dreieckig oder mehreckig ausgebildet sein. Bezüglich der Geometrie der Teilsegmente und der Segmentbereiche ist als wichtige Grundlage zu berücksichtigen, dass in erster Näherung von einer homogenen Leistungsverteilung des einfallenden Lichts auszugehen ist (auch wenn in der Realität der vorstehend erläuterten Abweichungen von der idealen Leistungsverteilung vorliegen - diese Abweichungen sind jedoch nicht oder schlecht vorhersagbar). Zumindest bei Anwendungen im Bereich Konzentratormodule kann die Bestrahlung der photovoltaischen Zelle und damit der Teilsegmente
beispielsweise durch den Einsatz von Sekundäroptiken auch annähernd homogen sein. H ierdurch ergibt sich, dass die Fläche der Gruppen von Teilsegmenten des gleichen Segmenttyps, die elektromagnetischer Strahlung direkt aussetzbar sind, in erster Näherung im Wesentlichen gleich groß sein sollte. Bei der optischen
Leistungsübertragung und bei den anderen Anwendungen im Bereich
Konzentratormodule wird dagegen eher eine punktsymmetrische Bestrahlung vorliegen, bei der die einfallende Strahlung häufig eine Leistungsverteilung aufweist, die im
Wesentlichen einer Gauss-Glockenfunktion entspricht. Dementsprechend ist für derartige Anwendungen wesentlich, dass insbesondere im Bereich des geometrischen
Schwerpunkts der Vorderseite die Gruppen von Teilsegmenten des gleichen
Segmenttyps, die elektromagnetischer Strahlung direkt aussetzbar sind, in erster Näherung eine im Wesentlichen gleich große mit Strahlung direkt beaufschlagbare Fläche aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen in der
photovoltaischen Zelle die Segmentbereiche des ersten Segmenttyps eine Fläche auf, die zumindest im Bereich des geometrischen Schwerpunkts der Vorderseite im Wesentlichen gleich groß ist wie die der Segmentbereiche des zweiten Segmenttyps (und jedes weiteren Segmenttyps). " Im Wesentlichen gleich groß " bedeutet hier und im Folgenden, dass die aufsummierte Fläche (die elektromagnetischer Strahlung direkt aussetzbar ist) des Segmenttyps mit dem geringsten Flächeninhalt zumindest 80 % der aufsummierten Fläche des
Segmenttyps mit dem größten Flächeninhalt beträgt. Im Regelfall wird der Anteil sogar zumindest 90 % sein und häufig sogar zumindest 95 % . Liegen nur zwei Segmenttypen vor, so beträgt also die aufsummierte Fläche des ersten Segmenttyps zwischen 80 und 125 %, im Regelfall zwischen 90 und 1 1 1 % und häufig zwischen 95 und 105 % der aufsummierten Fläche der Segmentbereiche des zweiten Segmenttyps. Insbesondere für Leistungsanwendungen gelten diese Ausführungen nicht " nur " für die gesamte Fläche der Segmentbereiche der photovoltaischen Zelle, sondern insbesondere für die Flächen, die im Bereich des geometrischen Schwerpunkts der Vorderseite (der wie vorstehend definiert ist) liegen. Es versteht sich aber von selbst, dass sich die Ausführung des vorstehenden Absatzes auf eine Einstrahlung beziehen, die homogen auf die photovoltaische Zelle auftrifft. Bei inhomogener Bestrahlung muss die Fläche noch mit der auf diese Fläche einfallenden Strahlungsstärke gewichtet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegen zumindest im Bereich des geometrischen Schwerpunkts der Vorderseite die Segmentbereiche des ersten Segmenttyps und die Segmentbereiche des zweiten Segmenttyps alternierend vor. Entsprechendes gilt, wenn mehr als zwei Segmenttypen vorhanden sind; auch hier kann gemäß dieser
Ausführungsform eine alternierende Anordnung gewählt werden, wobei insbesondere berücksichtigt wird, dass zwei Segmente eines Segmenttyps nicht oder nur in sehr kleinen " Berührungsbereichen " nebeneinander zu liegen kommen. Wie bei mehr als zwei Segmenttypen die geometrische Anordnung zu erfolgen hat, ist dem Fachmann bekannt und ergibt sich im Übrigen auch aus geometrischen Überlegungen ohne größeres Zutun. Die alternierende Anordnung ist allerdings keine zwangsweise vorgegebene geometrische Struktur; bei exotischeren geometrischen Anordnungen von Segmentbereichen und Teilsegmenten sind durchaus Ausführungsformen denkbar, bei denen für diese geometrischen Formen eine alternierende Struktur gar nicht zweifelsfrei angebbar ist. Daneben kann aus Verschaltungsgründen auch eine Anordnung gewählt werden, in der im Einzelfall auch zwei Segmente gleichen Typs nebeneinander zu liegen kommen (insbesondere, wenn mehr als sechs Teilsegmente bzw. Segmentbereiche vorhanden sind). Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird - um der Realität etwas gerechter zu werden - davon ausgegangen, dass ein Lichtkegel mit homogener Lichtverteilung auf die Vorderseite der photovoltaischen Zelle einstrahlt, der auf der Vorderseite einen Kreis ausbildet mit einer Kreisfläche, die genau 80 % der Gesamtfläche der Vorderseite beträgt. H ierbei wird - wie stets im Rahmen dieser Anmeldung, wenn es um
Flächenverhältnisse und dergleichen geht - die Fläche der Vorderseite mit der Fläche der photovoltaisch aktiven Vorderseite gleichgesetzt. Gemäß dieser an die Realität angenäherten Ausführungsform wird also berücksichtigt, dass in der Realität eine Gauss- Verteilung der Lichtintensität vorliegt und somit bei idealer Ausrichtung die " inneren 80 % " der Fläche der Vorderseite besonders relevant sind. Verschwenkt man nun diesen Lichtkegel zum Rand hin, so können je nach Anordnung der Segmente bzw.
Segmentbereiche und nach Verschwenkungsrichtung die Segmentbereiche und die Teilsegmente unterschiedlich stark von der aus der Verschwenkung resultierenden Verschattung tangiert sein. Gemäß dieser Ausführungsform wird deshalb festgelegt, dass das innerhalb des durch den Lichtkegel gebildeten Kreises das vorliegende
Flächenverhältnis von Segmentbereichen des ersten Segmenttyps und des zweiten Segmenttyps zwischen 0,95 und 1 ,05, insbesondere zwischen 0,98 und 1 ,02 liegt.
Entsprechendes gilt für die im durch den Lichtkegel gebildeten Kreis vorliegenden Flächenverhältnisse der aufsummierten Fläche jedes weiteren Segmenttyps im Verhältnis zu den aufsummierten Flächen der Segmentbereiche des ersten Segmenttyps, zweiten Segmenttyps oder jedes weiteren Segmenttyps.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden bei zwei Segmenttypen und einer nicht durch 4 teilbaren Zahl an Segmentbereichen die " gegenüberliegenden "
Segmentbereiche so gewählt, dass sie unterschiedlichen Segmenttypen angehören. Verallgemeinert bedeutet dies, dass im Fall einer durch die Zahl der Segmenttypen und zusätzlich durch 2 teilbaren Zahl an Segmentbereichen " gegenüberliegende "
Segmentbereiche gleichen Segmenttypen angehören und im Fall einer durch die Zahl der Segmenttypen aber nicht zusätzlich durch 2 teilbaren Zahl an Segmentbereichen
" gegenüberliegende " Segmentbereiche unterschiedlichen Segmenttypen angehören. Ins Geometrische übersetzt heißt " gegenüberliegend " , dass zunächst durch den
geometrischen Schwerpunkt der Vorderseite eine Vielzahl von Geraden gezogen wird. Bei zumindest einer dieser Geraden, häufig mehrerer dieser Geraden und vielfach auch jeder dieser Geraden ist es nun so, dass die zueinander spiegelsymmetrischen geraden Abschnitte (wobei die Symmetrieachse der geometrische Schwerpunkt ist) durch Segmentbereiche verlaufen, die wie vorstehend definiert unterschiedlichen oder gleichen Segmenttypen angehören. Wie auch bei den vorstehenden Ausführungsformen gelten diese geometrischen Gegebenheiten zumindest im Bereich des geometrischen
Schwerpunkts der Vorderseite. Mittels dieser Ausführungsform ist es möglich, bei Verschwenkungen des Lichtintensitätsmaximums in jedem beliebigen Bereich eine besonders gute Verteilung der Lichtintensitäten auf die unterschiedlichen
Segmentbereichsgruppen beziehungsweise Segmenttypen zu gewährleisten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden die Segmentbereiche zumindest im Bereich des geometrischen Schwerpunkts der Vorderseite im Wesentlichen die Form eines Kreissektors, eines Trapezes, eines Dreiecks, eines Rechtecks oder eines Quadrats. " Im Wesentlichen " bedeutet hierbei, dass im gewissen Rahmen auch Abweichungen von der Idealgeometrie möglich sind; es versteht sich von selbst, dass durch die gewählten Herstellungsprozesse niemals eine ideale Geometrie realisierbar ist und zudem im Fall von Übergangsbereichen, die eine laterale Stromversorgung gewährleisten sollen, ohnehin von der Idealgeometrie abgewichen werden muss.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die erfindungsgemäße photovoltaische Zelle zumindest sechs, insbesondere zumindest acht, beispielsweise zumindest zwölf separate Segmentbereiche auf. Die Anzahl der Segmentbereiche ist hierbei auch abhängig davon, ob eine gestufte Anordnung oder eine laterale Anordnung der Segmentbereiche vorliegt. Bei der gestuften Ausführungsform wird die Ausbildung der " Stufe " insbesondere durch Ätzverfahren und dergleichen realisiert, bei denen zwischen den Bereichen keine isolierenden Abschnitte vorliegen müssen. Bezüglich möglicher Ätzverfahren sei auf die Trockenätzverfahren und die Naßätzverfahren verwiesen, wie sie in H . Helmers et al. in IEEE Transactions on Electron Devices Vol. 57, Seite 3355 ff (201 0) beschrieben ist, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug vollumfänglich aufgenommen wird. Bei der lateralen Ausführungsform ist dies anders, sodass jeder " isolierende Abschnitt " als photovoltaisch verfügbare Fläche verloren geht. Insofern ergibt sich für die laterale Ausführungsform aus Sicht des Wirkungsgrads eine obere Grenze, die häufig bei 12 gewählt werden wird, bei bestimmten Ausführungsformen kann aber auch schon 8 als obere Grenze als sinnvoll erachtet werden. Bei der gestuften Ausführungsform ist diese obere Grenze weniger
entscheidend; hier wird die gewählte obere Grenze im Wesentlichen dem
Herstellungsverfahren und der Präzision, mit dem beispielsweise das Ätzen durchgeführt werden kann, geschuldet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die photovoltaische Zelle eine Mehrfachzelle mit drei bis sechs übereinander gestapelten Teilzellen. Dies gilt sowohl für die gestufte Ausführungsform als auch für die laterale Ausführungsform.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die photovoltaische Zelle eine Solarzelle, insbesondere eine Solarzelle, der eine Konzentratoroptik vorgeschaltet ist. Alternativ ist - wie bereits mehrfach erwähnt - die photovoltaische Zelle eine Zelle Anwendungen zur optischen Leistungsübertragung, beispielsweise für mittels eines Lasers generierte elektromagnetische Strahlung.
Zumindest eine der erfindungsgemäßen Aufgaben wird auch durch eine Anordnung zur Stromerzeugung gelöst, die eine photovoltaische Zelle gemäß zumindest einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst, wobei neben der
photovoltaischen Zelle in der Anordnung noch Mittel vorgesehen sind, die zur
Beaufschlagung der Vorderseite der photovoltaischen Zelle mit elektromagnetischer Strahlung dienen. Ein derartiges Mittel zur Beaufschlagung mit Strahlung kann insbesondere eine
Lichtquelle oder allgemeiner Strahlungsquelle, beispielsweise eine Laserlichtquelle, sein. Die Lichtquelle kann monochromatische Strahlung generieren, insbesondere
Infrarotstrahlung, sichtbares Licht oder UV-Strahlung; sie kann aber auch Strahlung größerer Wellenlängenbereiche beinhalten bzw. eine dem Sonnenlicht angenäherte Strahlung sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Mittel zur Beaufschlagung eine Konzentratoroptik zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung umfassen. Diese Konzentratoroptik kann insbesondere sinnvoll sein, wenn die Anordnung eine oder mehrere Solarzellen beinhaltet und Sonnenlicht mittels eines Konzentrators auf die Solarzelle fokussiert werden soll. Daneben ist es aber auch denkbar, mittels jeder beliebigen Lichtquelle generiertes Licht auf die photovoltaische Zelle zu fokussieren, um eine möglichst große Lichtintensität auf der photovoltaischen Zelle zu generieren.
Bezüglich der Bestandteile und der C harakteristika von Konzentratoroptiken und die damit korrespondierenden Solarzellen sei auf die DE 102006007472 A1 verwiesen, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug vollumfänglich
aufgenommen wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Anordnung zur Stromerzeugung als Mittel zur Beaufschlagung einen Lichtleiter, der so zwischen der Lichtquelle und der photovoltaischen Zelle angeordnet ist, dass eine gleichmäßige Beaufschlagung der Segmentbereiche der photovoltaischen Zelle mit Licht möglich ist. Es versteht sich von selbst, dass der geometrische Schwerpunkt der Austrittsfläche des Lichtleiters möglichst über dem geometrischen Schwerpunkt der Vorderseite der Solarzelle zum Liegen kommen sollte. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann neben dem Lichtleiter noch eine
Sekundäroptik vorliegen, die als " Homogenizer " dienen kann. Dies kann beispielsweise ein Mikrolinsenarray sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind neben der photovoltaischen Zelle auch Mittel vorgesehen, mit denen bewirkt wird, dass die höchste Strahlungsintensität, die von der Lichtquelle generiert wird bzw. die durch die Konzentratoroptik auf die
Vorderseite der photovoltaischen Zelle beaufschlagt wird, in etwa im geometrischen Schwerpunkt der Vorderseite auftrifft. " In etwa im geometrischen Schwerpunkt " bedeutet hierbei, dass das Intensitätsmaximum auf einer Gerade zwischen dem
Schwerpunkt der Vorderseite der Solarzelle und dem Rand des photovoltaisch aktiven Bereichs, also dem Rand der Vorderseite, nicht mehr als 5 % der Streckenlänge zum
Rand hin verschoben ist. Mit einer derartigen Anordnung kann eine besonders effektive Nutzung der eingestrahlten Strahlungsintensität erfolgen.
Die Erfindung, wie sie in allen Ausführungsformen vorstehend beschrieben ist, weist den Vorteil auf, dass durch eine Segmentierung der Zelle und/oder eine Strukturierung der Zelle durch Stufen eine Toleranz gegenüber einer Fehlausrichtung der photovoltaischen Zelle und des darauf eingestrahlten Lichts erhöht werden kann. Zum einen kann dies erreicht werden, indem die Oberfläche der Halbleiterbereiche gestuft gestaltet wird, zum anderen durch eine Segmentierung der Zelle mit seriell verschalteten Teilsegmenten, wobei die Toleranz gegenüber inhomogener Beleuchtung bzw. Fehlausrichtung hier durch eine Parallelverschaltung unterschiedlicher Segmentgruppen erreicht wird.
Unabhängig hiervon wird durch die gestufte Mehrfachzelle zusätzlich der Vorteil generiert, dass eine sehr hohe Spannung erzielt wird. Dabei ist entscheidend, dass die gestufte Struktur eine Stromanpassung auch dann ermöglicht, wenn eine Anpassung durch die Teilzelldicke nicht möglich ist. Auf diese Weise können insbesondere mehr Teilzellen gestapelt werden und es können Materialien verwendet werden, bei denen eine Erhöhung des Stroms durch Anpassung der Dicke nicht mehr möglich ist (zu geringe Diffusionslänge der Ladungsträger).
Eine Anwendung der hier beschriebenen Mehrfachzellen, beispielsweise
Mehrfachsolarzellen, ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine photovoltaische
Konversion elektromagnetischer Strahlung auf sehr kleinen Flächen erforderlich ist. Hier gibt es insbesondere zwei zentrale Anwendungsfelder:
1 . Anwendungen zur optischen Leistungsübertragung, bei denen künstliches Licht auf photovoltaische Zellen gesendet wird, die dann elektrische Energie für
Kleinverbraucher erzeugen. 2. Terrestrische Konzentratorsysteme.
Im Bereich Anwendungen zur optischen Leistungsübertragung besteht ein großer Bedarf an photovoltaischen Zellen mit hoher Spannung, die tolerant gegenüber inhomogener Beleuchtung bzw. Fehlausrichtung sind. Die in der vorliegenden Anmeldung
beschriebene gestufte Mehrfachzelle hat das Potenzial, der Standard in Power-over-Fiber- Anwendungen zu werden. Im Bereich der konzentrierenden Photovoltaik stellt die
Realisierung von Mehrfachsolarzellen mit mehr als drei Teilzellen eine Herausforderung dar, da einige Materialien der einfachsten (da gitterangepassten) Struktur nicht in ausreichender Materialqualität realisiert werden können. Diese Teilzellen können mit dem hier vorgeschlagenem Konzept breiter realisiert werden und somit einen ausreichenden Strom erzeugen. Da - wie erläutert - die vorliegende Erfindung insbesondere bei photovoltaischen Zellen mit kleinen Flächen besonders vorteilhaft ist, wird die
(photovoltaisch aktive) Fläche dieser Zellen im Regelfall kleiner als 1 cm2 sein, insbesondere bei Ausführungsformen für die Leistungsanwendung wird die Fläche meist auch kleiner als 0,25 cm2 sein; oft wird eine Fläche vorliegen, die auch kleiner als 0, 1 cm2 ist. Im Bereich Konzentratoranwendungen ist prinzipiell aber auch eine Fläche die größer als 1 cm2 denkbar, beispielsweise bei dichtgepackten Konzentratormodulen.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll die vorliegende Erfindung näher erläutert werden, ohne diese auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen beschränken zu wollen. Figur 1 zeigt eine Ausführungsform, bei der Teilsegmente lateral zueinander angeordnet sind, und die eine serielle Verschaltung der Teilsegmente nach dem Stand der Technik liefert. H ierbei sind vier quadratische Teilsegmente 1 der photovoltaischen Zelle wiederum zu einem Quadrat angeordnet. Die Teilsegmente sind elektrischen
Kontaktflächen 3, 3a und 3b über beispielsweise Drahtbonds oder Leiterbändchen 9 elektrisch verbunden. 3a und 3b sind hierbei elektrisch voneinander isoliert. Diese Ausführungsform zeigt auch eine Bypass-Diode 5 mit zwei den beiden elektrischen Kontakten zugeordneten Bypass-Diodenträgern 4 und 6. Die photovoltaische Zelle ist hier auf einem Substrat 7 angeordnet, und durch eine elektrische Isolation 8 von diesem getrennt. Figur 2 zeigt eine photovoltaische Mehrfachzelle nach dem Stand der Technik. Hierbei sind mehrere Ill-V-Halbleiterschichten vorgesehen. Es liegen drei Teilzellen 1 1 , 12, 1 3 auf p-dotiertem Substrat vor. Zwischen den Teilzellen 1 1 , 1 2, 13 sind Tunneldioden 20 angeordnet. Die Teilzellen 1 1 , 1 2, 13 sind durch die Tunneldioden 20 seriell miteinander verschaltet. Auf der Vorderseite der Zelle befindet sich eine Metallisierung 21 und ein angedeuteter Bond-Draht 22. Zwischen oder auf der zum Beispiel in Form von Bus-Bars oder vollflächig auf der Vorderseite angeordneten Metallisierung kann auch eine dielektrische Antireflexschicht ausgebildet sein. Schließlich ist auf der Rückseite der Solarzelle ein Rückseitenkontakt 23 angeordnet.
Figur 3 zeigt die einfachste Anordnung der erfindungsgemäßen photovoltaischen Zelle im Fall einer kreisrunden Geometrie der photovoltaischen Zelle. H ierbei sind die Teilsegmente 1 A, 1 B, 1 C und 1 D jeweils als Viertelkreis ausgebildet. Im geometrischen Schwerpunkt der Fläche ist hier ein punktförmiger, den lateralen Stromfluss zwischen den " parallel geschalteten " Teilsegmenten 1 A und 1 C gewährleistender
Übergangsbereich 31 vorgesehen, der sich im geometrischen Schwerpunkt 50 befindet. Alternativ könnte hier allerdings auch eine Parallelschaltung der Teilsegmente 1 A und 1 C mittels einer außerhalb der Zelle angeordneten Leiterbahn erfolgen. Zwischen den Teilsegmenten 1 A und 1 B, 1 B und 1 C sowie 1 C und 1 D befinden sich entlang der Linien 32 im Fall der gestuften Ausführungsform die lateralen Kanten der obersten Teilzelle 1 1 und im Fall der lateralen Ausführungsform ein Isolationsgraben. Figur 3a zeigt eine Schnittansicht der photovoltaischen Zelle entlang der gestrichelten Linie S für die laterale Ausführungsform. Hierbei ist zu erkennen, dass das Teilsegment 1 A vom Teilsegment 1 B über einen Isolationsgraben 32 getrennt ist. Figur 3b zeigt eine Schnittansicht der gestuften Ausführungsform der photovoltaischen Zelle. H ierbei ist das Teilsegment 1 A ein Bestandteil der Teilzelle 1 1 und die Teilsegmente 1 B und 1 D ein Bestandteil der Teilzelle 1 2. Nur ein Teil des Teilsegments 1 B/1 D ist direkt elektromagnetischer Strahlung 100 aus einer Strahlungsquelle aussetzbar. Dementsprechend ergeben sich die
Segmentbereiche 2A und 2 B, auf die direkt elektromagnetische Strahlung auftreffen kann. Im Fall der gestuften Anordnung liegt also im Bereich der Teilzelle 12 nur ein Teilsegment 1 B/1 D vor, in dem zwei Segmentbereiche 2 B und (hier nicht gezeigt) 2 D vorliegen.
Strahlt man nun einen kreisförmigen Lichtfleck 101 mittels elektromagnetischer Strahlung 100 ein, so zeigen die Figuren 3c und 3d das Resultat eines leichten
Verschwenkens des Lichtflecks in den beiden Extremfällen, der beispielsweise durch Fehljustage auftreten kann. In Abbildung 3c ist der Lichtfleck 101 entlang der Linie 32 zwischen den Segmenten verschoben; in Abbildung 3d entlang der Winkelhalbierenden, die durch diese Linien gebildet werden. Allerdings ist in Figur 3d der verschattete Bereich der parallel geschalteten Teilsegmente 1 A und 1 C größer als der der Teilsegmente 1 B und 1 D. Die Änderung des Stromes beider Teilzellen bzw. der parallel geschalteten Teilsegmente durch die Verschiebung ist im Wesentlichen gleich; die Stromanpassung bleibt erhalten oder ist im Fall der Figur 3d deutlich verbessert gegenüber eine
Ausführungsform ohne Teilsegmente. Um den in Figuren 3c und 3d gezeigten Effekt zu verkleinern, kann die Zahl der
Teilsegmente bzw. der Segmentbereiche erhöht werden. Dies zeigt Figur 4 mit sechs Segmentbereichen 2A, 2 B, 2C, 2 D, 2E, 2 F, die sowohl in der gestuften als auch in der lateralen Ausführungsform vorliegen können. H ier sind die Segmentbereiche 2A, 2C und 2E einerseits und 2 B, 2D und 2 F andererseits entweder parallel miteinander verschaltet oder gemeinsam Teil der gleichen Teilzelle.
Figur 5 zeigt einen Idealfall hinsichtlich der Verschattung bei Verschiebung des
Lichtflecks. Die photovoltaische Zelle weist hier eine Vielzahl (nämlich 48)
Segmentbereiche 2 auf. Die Vielzahl wird hier durch den Buchstaben n symbolisiert. Demnach ist der 48. Segmentbereich mit 2n bezeichnet. Hier hat die Verschiebung des Lichtflecks in alle Richtungen im Wesentlichen die gleiche Auswirkung, sodass von einer vollständig justagetoleranten Ausführungsform gesprochen werden kann. Sehr kleine Strukturen können hier beispielsweise durch RIE-Ätzen mit vertikalen Flanken realisiert werden ohne zusätzliche Flächenverluste durch die Ätzflanken zu erzeugen. Sind die Strukturen klein genug wird die Querleitung in Emitter- bzw. Querleitschicht der Zellen verlustarm und es kann auf eine Vorderseitenmetallisierung insbesondere in der unteren Zelle bei einer gestuften Anordnung verzichtet werden; dies vereinfacht die
Prozessierung und reduziert die Kosten. Wie schon in den Figuren 3 und 4 ist hierbei die Fläche der Teilsegmente des gleichen Segmenttyps gleich groß, wenn homogene Beleuchtung vorliegt. Die Ausführungsform gemäß Figur 5 ist für die laterale Anordnung weniger geeignet, da hier die durch die Isolationsgräben eingenommene Fläche sich negativ auf die Konversionseffizienz auswirkt.
Figur 6 zeigt die Weiterführung von Figur 5 im Fall einer gestuften Anordnung mit drei Teilzellen. Hierbei sind nur die Teilzellen 2A, 2 B, 2C und 2D exemplarisch gezeigt; die weitere Kreisaufteilung entspricht der in Figur 5. Figur 6a zeigt die Schnittansicht mit den drei Teilzellen 1 1 , 12 und 1 3 sowie den vier exemplarisch gezeigten Segmentbereichen 2A, 2B, 2C und 2D. Zusätzlich sind hier nochmals die Teilsegmente des exemplarischen Bereichs eingezeichnet; Segmentbereich 2A korrespondiert hier mit Teilsegment 1 A, Segmentbereich 2 B mit Teilsegment 1 B, Segmentbereich 2C mit Teilsegment 1 C, das sich über die gesamte Kreisfläche hinzieht und Segmentbereich 2 D mit Teilsegment 1 D, wobei sich die unter Teilsegment 1 D liegende Teilzelle 1 1 sich auch nach links hin fortsetzt (nicht gezeigt) und hier wiederum einen direkt mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagbaren Segmentbereich 2 E ausbildet.
Die einzelnen Teilzellen 1 1 , 12 und 1 3 können hier auch durch eigenständige
Mehrfachzellen gebildet sein, zum Beispiel GaAs-Tandemzellen. Derart lassen sich mit drei gestapelten und gestuften Zweifachzellen Zellen mit etwa 6 V realisieren.
Figur 7 zeigt eine quadratische photovoltaische Zelle, die aus n=36 Teilsegmenten bzw. Segmentbereichen gebildet ist. Es ist zu erkennen, dass die Geometrie der Teilbereiche bzw. Teilzellen nicht radial ausgeführt sein muss bzw. in Form von Kreissegmenten vorliegen muss. Auch diese Ausführungsform wird häufiger als gestufte
Ausführungsform anzutreffen sein. Die Detailansicht in Figur 7a, in der der durch die gestrichelte Linie umrandete Bereich aus Figur 7 vergrößert ist zeigt den
Übergangsbereich 31 zwischen zwei Teilsegmenten, die hier identisch mit zwei
Segmentbereichen sind, da sie in der oberen Teilzelle 1 1 vorliegen. Um den lateralen Stromfluss zu gewährleisten, können transparente Querleitschichten eingesetzt werden. Sind die Strukturen klein genug, wird die Querleitung in Emitter- bzw. Querleitschicht der Zellen verlustarm und es kann auf eine Vorderseitenmetallisierung verzichtet werden; dies vereinfacht die Prozessierung und reduziert die Kosten. Im Unterschied zu Figur 3 ist in Figur 7 der Übergangsbereich 31 zur Gewährleistung eines lateralen Stromflusses nicht (nur) im Bereich des geometrischen Schwerpunkts 50 ausgebildet. Figur 8 und Figur 8a korrespondieren mit Figur 7 und 7a. In Figur 8 und 8a ist zu erkennen, dass zur Unterstützung des lateralen Stromflusses zwischen den strukturierten Elementen eine strukturierte Vorderseitenmetallisierung 21 aufgebracht ist.
Figur 9 und Figur 9a stellen gewissermaßen die Kombination der Ausführungsform 7 mit einer Mehrfachzelle mit drei Teilzellen 1 1 , 12, 13 dar (wie sie auch beim Übergang von Figur 5 zu Figur 6 gezeigt ist). In Figur 9a ist wiederum exemplarisch die Schnittansicht für die Segmentbereiche 2a, 2b, 2c, 2d gezeigt und die zugehörigen Teilsegmente eingezeichnet.
Figur 1 0 zeigt nochmals die Anordnung mit der gestuften Mehrfachzelle, bei der - wie vorstehend ausgeführt - die Teilzellen 1 1 , 1 2, 13, ... sind hier mit " Teilzelle 1 " , " Teilzelle 2 " , " Teilzellen 3 bis (n-1 ) " , " Teilzelle n " bezeichnet, wobei n die Gesamtzahl der Teilzellen angibt. Sie können aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Dazwischen liegen Tunneldioden 20 vor. Die hier nur schematisch dargestellten Flächenverhältnisse werden so gewählt, dass sich direkt mit Licht beaufschlagbare Segmentbereiche 2A, das Paar 2B / 2C, und die beiden Paare 2(n-1 )' / 2(n-1 )* und
2n ' / 2n* ausbilden. Figur 10a zeigt dieselbe Anordnung, bei der jede Teilzelle nochmals durch drei über Tunneldioden verbundene " Subteilzellen " gleicher Fläche gebildet sind, sodass gewissermaßen ein Stapel mit einer Anzahl von Teilzellen entsteht, die dreimal so hoch ist wie die Zahl der Stufen. Die Stufen können hierbei jeweils Teilzellen enthalten, die aus demselben Material gebildet sind und dementsprechend für monochromatisches Licht geeignet sind.
Figur 1 0b zeigt dieselbe Anordnung wie Figur 10a; allerdings sind hier explizit Beispiele für unterschiedliche Materialien der Teilzellen aufgeführt. Figur 10c zeigt einen Spezialfall zu Figur 10a, wiederum in der Schnittdarstellung; in diesem Fall die gestufte Anordnung von zwei Zweifachzellen 1 1 und 1 2 als Teilzellen, die für monochromatisches Licht ausgelegt sind. Die einzelnen Teilzellen und Subteilzellen bestehen hierbei aus gleichen Materialien. Es versteht sich von selbst, dass das in der Abbildung gewählte GaAs ebenso GalnAs oder auch ein anderes geeignetes Material, wie es vorstehend beschrieben ist, sein kann. Bei homogener Beleuchtung sollten die Flächenverhältnisse, um
Stromanpassung zu erreichen, so gewählt werden, dass der Segmentbereich 2A dieselbe Fläche einnimmt wie die Segmentbereiche 2 B und 2D zusammen. Bei zusätzlicher Stromanpassung für die Subteilzellen 1 1 S 1 zu 1 1 S2 und 1 2S 1 zu 1 2S2 über die Dicken dieser Subteilzellen ergibt sich eine komplette Stromanpassung aller Teilzellen und Subteilzellen. Optimal kann die Anordnung gemäß Figur 10c auch noch eine
transparente Querleitschicht 21 aufweisen (hier nicht gezeigt). In
Laserleistungsanwendungen treten häufig hohe Bestrahlungsstärken auf. Um die hohen Ströme abzuführen und die Serienwiderstandsverluste zu minimieren, lassen sich derartige transparente Querleitschichten in die Struktur integrieren. Für die
Querleitschichten 21 kann ein Material mit einer größeren Bandlücke, das transparent für die einfallende, beispielsweise monochromatische, Bestrahlung ist, und das
beispielsweise hochdotiert sein kann, um eine hohe Leitfähigkeit zu erreichen. Figur 1 1 zeigt eine Ausführungsform, die exemplarisch zeigt, wie eine gestufte
Anordnung gewählt werden kann, wenn ein nicht homogenes Profil der eingestrahlten Beleuchtung vorliegt, beispielsweise ein Gauss-Profil. Hier sind die durch die
Segmentbereiche gebildeten Flächen nicht gleich groß, sondern an das Intensitätsprofil angepasst. Die obere Teilzelle 1 1 , die - wie vorstehend ausgeführt - auch eine
Mehrfachzelle sein kann, ist hier einer höheren Intensität ausgesetzt als die untere Teilzelle 1 2 und weist daher den kleineren Flächeninhalt auf als der direkt
elektromagnetischer Strahlung aussetzbare Bereich der Oberfläche der Teilzelle 12.
H ierdurch kann Stromanpassung für die Teilzellströme erzeugt werden. Figuren 12a und 12b zeigen eine Ausführungsform, bei der eine gestufte
Ausführungsform und gleichzeitig die laterale Ausführungsform vorliegen. Figur 12a zeigt die Draufsicht, Figur 12b eine seitliche Ansicht. Es handelt sich um eine
Dreifachzelle mit einer nicht segmentierten obersten Teilzelle 13, einer nicht
segmentierten mittleren Teilzelle 1 1 und einer segmentierten unteren Teilzelle 12.
Dementsprechend wird die komplette oberste Teilzelle 1 3 durch das Teilsegment 1 A ausgebildet, die mittlere Teilzelle 1 1 vollständig durch das Teilsegment 1 B und die unterste Teilzelle 1 2 durch die Teilsegmente 1 C, 1 D, 1 E und 1 F, die jeweils einen
Viertelkreis ausbilden. Die oberste Teilzelle 13 weist dementsprechend einen
Segmentbereich 2A auf, die darunter liegende Teilzelle 1 1 einen ringförmigen
Segmentbereich 2 B und die Teilzelle 12 jeweils Segmentbereiche 2C, 2D, 2 E und 2 F, die jeweils die Fläche eines geviertelten Rings einnehmen. Eine derartige Ausführungsform ist insbesondere bei homogener Bestrahlung sinnvoll, da es unwesentlich ist, ob im Bereich des geometrischen Schwerpunkts eine Segmentierung vorliegt, vielmehr kommt es nur darauf an, dass bei einer leichten Verschwenkung bzw. Justageintoleranz im Randbereich auch dort die entsprechenden Verschattungen kompensiert werden können. Es versteht sich von selbst, dass zwischen den Teilzellen 1 1 und 12 zumindest in Teilbereichen eine Schicht ausgebildet sein sollte, die die erfindungsgemäße serielle/parallele Verschaltung der Teilzellen und Teilsegmente gewährleistet.
Figur 1 3 zeigt eine zu Figur 1 2 korrespondierende Anordnung in der Draufsicht.
Allerdings sind hier alle Teilzellen jeweils in 4 Teilsegmente unterteilt. Durch
konzentrische Kreise sind die drei Teilzellen angedeutet. Im Unterschied zur Figur 12 liegt hier also eine gestufte Ausführungsform vor, bei der die Segmentbereiche der oberen Halbleiterlagen nicht parallel geschaltet sind oder einen einzigen Segmentbereich bilden sondern nur in Form der im Teilsegment vorliegenden kompletten Dreifachzelle mit den anderen Segmentbereichen verschaltet sind. Aufgrund beispielsweise einer Gauss- Verteilung des eingestrahlten Lichts wird hier die Fläche des innersten Kreises deutlich kleiner als die des mittleren Kreises und damit der Flächeninhalt des Kreisrings zwischen den beiden mittleren Kreislinien größer als der des innersten Kreises gewählt;
entsprechendes gilt für den äußersten Kreisring. Figur 1 3 zeigt nochmals das Resultat bei Verschwenken des Lichtflecks 1 01 , beispielsweise aufgrund von Fehljustage. Weniger beleuchtete Segmente generieren weniger Strom; durch die teilweise Parallelschaltung wird die Stromanpassung der Serienschaltung aber erhalten wie das rechts abgebildete Schema verdeutlicht. Wie bereits vorstehend ausgeführt, kann durch eine vergrößerte Anzahl an Segmenten die Toleranz hier noch erhöht werden.
Figur 14 zeigt eine Ausführungsform, in der die gestufte Ausführungsform und laterale Ausführungsform vollständig miteinander vereint sind. Durch die gestrichelte Linie wird hier der Isolationsgraben 32 zwischen den Teilsegmenten definiert. Die Teilsegmente sind jeweils als Tandemzelle ausgebildet, wobei jeweils die obere und die untere Teilzelle eines Teilsegments in der gestuften Ausführungsform vorliegen. Die vier
Segmentbereiche der oberen Teilzellen 2 E, 2F, 2G, 2 H sind hierbei nicht direkt miteinander verschaltet; vielmehr sind die Teilsegmente 1 A und 1 C sowie 1 B und 1 D miteinander jeweils parallel verschaltet und die Teilsegmentpaare 1 A/1 C und 1 B/1 D miteinander seriell verschaltet. Innerhalb der Teilsegmente liegt aufgrund der gestuften Ausführungsform jeweils nochmals eine serielle Verschaltung vor, wobei jeweils die obere Teilzelle mit der unteren Teilzelle über eine Tunneldiode verbunden ist. Es sind innerhalb eines Teilsegments also jeweils die Segmentbereiche 2A und 2 E, 2 B und 2F, 2C und 2G sowie 2 D und 2 H in Serie geschaltet. Wie bei Figur 13 liegt also eine gestufte Ausführungsform vor, bei der die Segmentbereiche der obersten Halbleiterlage nicht parallel geschaltet sind oder einen einzigen Segmentbereich bilden sondern nur in Form der im Teilsegment vorliegenden kompletten Tandemzelle mit den anderen
Segmentbereichen verschaltet sind.

Claims

Patentansprüche
1 . Justagetolerante photovoltaische Zelle mit einer elektromagnetischer Strahlung (100) zugewandten Vorderseite und einer dieser Strahlung abgewandten Rückseite, wobei die Vorderseite mindestens drei Teilsegmente (1 A, 1 B, 1 C), auf welche die elektromagnetische Strahlung (1 00) direkt auftreffen kann, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest zwei Teilsegmente (1 A, 1 C) der Vorderseite in Form eines ersten Segmenttyps und mindestens ein Teilsegment (1 B) in einem zweiten Segmenttyp vorliegen und so angeordnet sind, dass zumindest im Bereich des geometrischen Schwerpunkts (50) der Vorderseite für den ersten und den zweiten Segmenttyp jeweils mindestens zwei separate Segmentbereiche (2A, 2C, 2 B, 2 D) ausgebildet sind, auf die elektromagnetische Strahlung (100) direkt auftreffen kann, wobei die zumindest zwei Teilsegmente (1 A, 1 C) des ersten Segmenttyps miteinander parallel verschaltet und/oder über einen den lateralen Stromfluss
gewährleistenden Übergangsbereich (31 ) miteinander verbunden sind, wobei die Teilsegmente (1 A, 1 C) des ersten Segmenttyps mit dem mindestens einen Teilsegment (1 B) des zweiten Segmenttyps seriell verschaltet sind und, dass zusätzlich
die photovoltaische Zelle zumindest eine erste Teilzelle (1 1 ) und eine unter der ersten Teilzelle angeordnete zweite Teilzelle (12) umfasst und der erste
Segmenttyp zumindest in der ersten Teilzelle (1 1 ) vorliegt und der zweite Segmenttyp zumindest in der zweiten Teilzelle (1 2), wobei die Vorderseitenfläche der ersten Teilzelle (1 1 ) kleiner ist als die Vorderseitenfläche der zweiten Teilzelle (12), so dass eine gestufte Anordnung vorliegt und/oder
die photovoltaische Zelle zumindest eine erste Teilzelle (1 1 ) umfasst, in der der - zweite Segmenttyp im Form von zumindest vier lateral zueinander angeordneten Teilsegmenten(1 A, 1 B, 1 C, 1 D) vorliegt und wobei zumindest zwei Teilsegmente (1 B, 1 D) des zweiten Segmenttyps miteinander parallel verschaltet und/oder über einen den lateralen Stromfluss gewährleistenden Übergangsbereich (31 ) miteinander verbunden sind. Photovoltaische Zelle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass
die photovoltaischen Zelle eine Mehrfachzelle ist, wobei zumindest in der dritten Teilzelle (1 3) ein dritter Segmenttyp vorliegt, wobei die dritte Teilzelle (13) über der ersten Teilzelle (1 1 ) angeordnet ist und die Vorderseitenfläche der dritten Teilzelle (1 3) kleiner ist als die Vorderseitenfläche der ersten Teilzelle (1 1 ), so dass eine gestufte Anordnung vorliegt.
Photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die photovoltaische Zelle eine Mehrfachzelle ist und zumindest zwei übereinander angeordnete Teilzellen (1 1 , 12) vorliegen, die aus Materialien mit im
Wesentlichen gleicher Bandlücke gebildet sind.
Photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die photovoltaische Zelle eine Mehrfachzelle ist und monolithisch ausgebildet ist.
Photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die photovoltaische Zelle eine Mehrfachzelle ist und die mindestens zwei Teilzellen (1 1 , 1 2) mittels Tunneldioden (20) verbunden sind.
Photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Fläche die von den Segmentbereichen (2A, 2C, ...) des ersten Segmenttyps eingenommen wird und die Fläche, die von Segmentbereichen jedes weiteren Segmenttyps eingenommen wird, zumindest im Bereich des geometrischen Schwerpunkts (50) der Vorderseite im Wesentlichen gleich groß ist.
7. Photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
zumindest im Bereich des geometrischen Schwerpunkts (50) der Vorderseite, die Segmentbereiche (2A, 2C, ...) des ersten Segmenttyps und die Segmentbereiche (2B, 2 D, ...) des zweiten Segmenttyps alternierend vorliegen.
8. Photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die geometrische Anordnung der Segmentbereiche (2A, 2C, ...) des ersten Segmenttyps und der Segmentbereiche jedes weiteren Segmenttyps so gewählt wird, dass bei Einstrahlung eines Lichtkegels, der innerhalb der Fläche der Vorderseite einen Kreis (1 01 ) ausbildet, dessen Kreisfläche genau 80 % der Fläche der Vorderseite beträgt, bei jeder beliebigen Anordnung des Kreises (1 01 ) innerhalb der Fläche der Vorderseite das innerhalb des durch den Lichtkegel gebildeten Kreises (1 01 ) vorliegende Flächenverhältnis der Segmentbereiche (2A, 2C, ...) des ersten Segmenttyps und der Segmentbereiche jedes weiteren Segmenttyps zwischen 0,95 und 1 ,05, insbesondere zwischen 0,98 und 1 ,02 liegt.
9. Photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
zumindest im Bereich des geometrischen Schwerpunkts (50) der Vorderseite die Segmentebereiche (2A, 2B, 2C, 2D, ...), die auf zueinander spiegelsymmetrischen Bereichen einer durch den geometrischen Schwerpunkts (50) der Vorderseite verlaufenden Geraden zu liegen kommen, im Fall einer durch die Zahl der Segmenttypen und zusätzlich durch 2 teilbaren Zahl an Segmentbereichen gleichen Segmenttypen angehören und im Fall einer durch die Zahl der
Segmenttypen aber nicht zusätzlich durch 2 teilbaren Zahl an Segmentbereichen unterschiedlichen Segmenttypen angehören.
1 0. Photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
zumindest im Bereich des geometrischen Schwerpunkts (50) der Vorderseite die Segmentbereiche (2A, 2 B, 2C, 2 D, ...) im Wesentlichen die Form eines
Kreissektors, eines Trapezes, eines Dreiecks, eines Rechtecks oder eines Quadrats haben.
1 1 . Photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest sechs, insbesondere zumindest 8, beispielsweise zumindest 12 separate Segmentebereiche (2A, 2B, 2C, 2D, ...) vorhanden sind.
12. Photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die photovoltaische Zelle eine Mehrfachzelle mit drei bis sechs übereinander gestapelten Teilzellen (1 1 , 12, 13, ...) ist.
13. Photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die photovoltaische Zelle eine Solarzelle ist.
14. Anordnung zur Stromerzeugung, umfassend eine photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Mittel zur Beaufschlagung der Vorderseite der photovoltaischen Zelle mit elektromagnetischer Strahlung (100).
1 5. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Beaufschlagung eine Lichtquelle, insbesondere eine Laserlichtquelle umfasst.
1 6. Anordnung nach einem der beiden vorhergehenden Anspürche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die elektromagnetische Strahlung monochromatisch ist.
1 7. Anordnung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
das Mittel zur Beaufschlagung eine Konzentratoroptik zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung umfasst.
18. Anordnung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
das Mittel zur Beaufschlagung einen Lichtleiter umfasst, der so zwischen Lichtquelle und photovoltaischer Zelle angeordnet ist, dass die Segmentbereiche (2A, 2 B, 2C, 2 D, ...) gleichmäßig mit Licht beaufschlagt werden. 9. Anordnung nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
Mittel vorgesehen sind mit denen bewirkt wird, dass die höchste
Strahlungsintensität der auf die Oberfläche der photovoltaischen Zelle auftreffenden elektromagnetischen Strahlung in etwa im geometrischen Schwerpunkt (50) der Vorderseite der photovoltaischen Zelle auftrifft.
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