DE102007047088A1

DE102007047088A1 - Fotovoltaik-Modul mit wenigstens einer Solarzelle

Info

Publication number: DE102007047088A1
Application number: DE102007047088A
Authority: DE
Inventors: Martin Buskuehl
Original assignee: Buskuehl Martin Dr
Current assignee: Buskuehl Martin Dr
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2009-04-09
Also published as: EP2212917A2; WO2009043340A3; WO2009043340A2

Abstract

Fotovoltaik-Modul mit wenigstens einer Solarzelle, die eine Energie erzeugende Schicht aufweist, an deren Strahlungsrückseite eine erste Kontaktschicht ausgebildet ist und an deren Strahlungsvorderseite eine zweite Kontaktschicht ausgebildet ist, wobei unterhalb einer der Strahlung abgewandten Seite der ersten Kontaktschicht ein Licht verstärkendes Material ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fotovoltaik-Modul mit wenigstens einer Solarzelle, die eine Energie erzeugende Schicht aufweist, an deren Strahlungsrückseite eine erste Kontaktschicht („Rückseitenkontakt") ausgebildet ist und an deren Strahlungsvorderseite eine zweite Kontaktschicht („Frontkontakt") ausgebildet ist.
Ein solches Fotovoltaik-Modul ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Ein großes Ziel in der Fotovoltaik ist, Licht auf die Solarzellen zu konzentrieren, um die Lichtintensität zu steigern. Wenn die Intensität des auf die Solarzellen auftreffenden Lichts gesteigert wird, können die Solarzellen kleiner ausfallen, leistungsstärker werden und damit einen höheren Wirkungsgrad erzielen. Die ist in vielen Fällen kostengünstiger und effektiver im Vergleich zu einer bislang üblichen Bauweise mit kristallinen Halbleiterzellen oder Dünnschichtzellen aus ganz unterschiedlichen Materialien.
Auf der anderen Seite ist aber für die Konzentrierung des Lichtes auf die Solarzellen ein erheblicher Aufwand zu betreiben. Die dazu verwendeten Systeme sind häufig kompliziert und bestehen aus Linsen oder Spiegeln, die im Stand der Technik zahlreich beschrieben sind. Mit diesen Systemen ausgerüstete Fotovoltaik-Module können in Abhängigkeit vor Sonnenstand über zwei Achsen nachgeführt werden. Eine solche Nachführung ist für eine gute Konzentration des Lichtes zwingend erforderlich, denn nur mit Hilfe der Nachführung ist es möglich, dafür zu sorgen, dass das auftreffende Licht immer senkrecht auf die Solarzelle gerichtet ist. Der Einsatz solcher nachführbaren Fotovoltaik-Module mit höherem Wirkungsgrad ist aber nur in großen Solarkraftwerken üblich, da die Nachführung der Module auf Hausdächern bereits auf statischen Gründen nur schwer zu realisieren ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Fotovoltaik-Modul mit wenigstens einer Solarzelle dahingehend weiterzubilden, dass eine Verstärkung des auf die Solarzelle einfallenden Lichts und eine Erhöhung des Wirkungsgrades einer Solarzelle auch ohne komplizierte Nachführungssysteme möglich wird.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass unterhalb einer der Strahlung abgewandten Seite der zweiten Kontaktschicht („Frontkontakt") ein Licht verstärkendes Material ausgebildet ist.
Die Licht verstärkende Schicht führt in dem erfindungsgemäßen Fotovoltaik-Modul dazu, dass auch nicht senkrecht einfallende Lichtstrahlen derart verstärkt werden, dass sogar eine größere Intensität erhalten wird, als wenn diese senkrecht auf die Solarzelle einfallen würden. Die Licht verstärkende Schicht führt zu einer erhöhten Strahlungsabsorption in der Energie erzeugenden Schicht und steigert damit den Wirkungsgrad der Solarzelle bzw. des Fotovoltaik-Moduls.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Licht verstärkende Schicht Kleinstpartikel aufweist. Die Kleinstpartikel bewirken, dass das einfallende Licht in der Umgebung der Kleinstpartikel durch verschiedene physikalische Effekte verstärkt wird. Diese Verstärkung führt zu der erhöhten Strahlungsabsorption und der bereits genannten erhöhten Elektronenausbeute in der Energie erzeugenden Schicht.
Dieser Effekt wird in Verbindung mit der Verstärkung von Signalen in der Infrarotspektroskopie beschrieben. Dadurch strahlen die Nanopartikel ihrerseits ein eigenes, elektromagnetisches Feld ab, das sich mit dem einfallenden Feld überlagert. Die Folge davon ist, dass das gesamte Feld verstärkt wird und einen erhöhten Fotostrom erzeugen kann. Der Effekt selbst ist physikalisch noch nicht komplett verstanden, wird aber in der IR-Spektroskopie unter dem Begriff SEIRA (Surface Enhanced Infrared Absorption) im Bereich der Forschung zur Verstärkung der IR-Absorption verwendet. Dadurch kann die Nachweisgrenze in der IR-Spektroskopie um mehrere Vielfache gesenkt werden.
Ein weiterer Vorteil gemäß vorliegender Erfindung ist, dass die Energie erzeugende Schicht einen p-leitenden, Licht absorbierenden Halbleiter umfasst, auf dessen dem Licht zugewandten Seite die Licht verstärkende Schicht aufgebracht ist. Neben einer in der Energie erzeugenden Schicht integrierten Ausbildung der Licht verstärkenden Schicht ist es nunmehr auch möglich, die Licht verstärkende Schicht separat auf der Energie erzeugenden Schicht aufzubringen.
Ein weiterer Vorteil des Fotovoltaik-Moduls gemäß vorliegender Erfindung besteht darin, dass die Kleinstpartikel eine Vorrichtung der Geometrie und Anordnung haben. In einer vorbestimmten Geometrie und Anordnung ist hier gemeint, dass je nach Anwendung neben einer zufälligen Streuung der Kleinstpartikel in der Licht verstärkenden Schicht auch eine gezielte Anordnung und Geometrie der Kleinstpartikel an sich durchgeführt werden kann, um eine bestimmte Wirkung zu erzielen. So kann mit einer bestimmten Anordnung und Geometrie ein ganz bestimmter Wirkungsgrad an bestimmten Stellen an einer Solarzelle erzielt werden.
Für eine bestimmte Anwendung kann es von Vorteil sein, dass die Kleinstpartikel Ellipsoide sind. Mit Ellipsoiden haben sich gute Wirkungsgrade in der Infrarotspektroskopie ergeben.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der weiteren Unteransprüche.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird am Folgenden anhand der einzigen Figur näher beschrieben. Das heißt, in der Figur ist schematisch eine nicht maßstabsgetreue Anordnung eines möglichen Aufbaus einer Solarzelle eines erfindungsgemäßen Fotovoltaik-Moduls mit Verstärkungseffekt dargestellt.
Das Fotovoltaik-Modul gemäß vorliegender Erfindung umfasst wenigstens eine Solarzelle 10. Die Solarzelle 10 umfasst eine zentrale und Energie erzeugende Schicht 5 mit einem gleitenden, Licht absorbierenden Halbleiter, der aus kristallinen oder anderen Materialien, zum Beispiel auf der Basis von Silizium oder Germanium (Si oder Ge) oder aus Verbindungen, wie zum Beispiel CIGS oder aus organischen Stoffen, aufgebaut sein kann. In anderen Ausführungsformen sind auch ganz andere Stoffe und Elementkombinationen möglich. Diese Energie erzeugende Schicht ist auf einer Strahlungsrückseite mit einer ersten elektrischen Kontaktschicht 7 („Rückseitenkontakt") versehen, die häufig aus Molybdän besteht, und auf der Strahlungsvorderseite mit einer zweiten Kontaktschicht 1 („Frontkontakt") ist ein Licht verstärkendes Material 3 ausgebildet. Dieses Licht verstärkende Material 3 kann in der Energie erzeugenden Schicht 5 oder auf dieser ausgebildet sein. In der vorliegenden Ausführungsform ist auf der dem Licht zugewandten Seite der Energie erzeugenden Schicht 5 mit p-Leiter, das heißt, an der Strahlungsvorderseite, das Licht verstärkende Material 3 als Schicht ausgebildet. Dieses Licht verstärkende Material 3 beinhaltet Kleinstpartikel 3.1, die insbesondere Nano- oder Mikropartikel sind und aus einem Metall bestehen. Zum Beispiel können die Metalle der Kleinstpartikel 3.1 ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Edelmetallen, wie zum Beispiel Gold, Silber oder Platin, oder aus Kupfer, Indium, Zinn, Palladium und Eisen. Die Aufzählung ist nicht abschließend, da auch andere Metalle eingesetzt werden können. Die Kleinstpartikel können beliebige Geometrien aufweisen, sind in der vorliegenden Ausführungsform aber als Ellipsoide dargestellt. Auch die Anordnung der Kleinstpartikel 3.1 kann beliebig erfolgen. Neben einer zufälligen Streuung können gezielte Anordnungen vorgenommen werden, um besondere Wirkungsgrade an bestimmten Bereichen einer Solarzelle zu erzielen. Die Kleinstpartikel 3.1 sind in der Licht verstärkenden Schicht 3 eingebettet. Die Licht verstärkende Schicht 3 ist in der vorliegenden Ausführungsform eine n-leitende Halbleiterschicht, die auf der Energie erzeugenden p-leitenden Schicht 5 aufgebracht ist.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Kleinstpartikel 3.1 in einem Abstand zueinander angeordnet. Es kann aber auch Ausführungsformen geben, in denen ein solcher Abstand nicht immer vorliegen muss. Es kann ebenfalls Anwendungen geben, in denen die Kleinstpartikel 3.1 zur Umgebung hin elektrisch isoliert sind.
Die zweite Kontaktschicht 1 an der Strahlungsvorderseite ist einer einfallenden Strahlung zugewandt und ist üblicherweise eine TCO-Schicht (TCO = Transparent Contacted Oxside) gebildet.
Die Deposition der Licht verstärkenden Schicht 3 mit den Kleinstpartikeln 3.1 im Nanometerbereich oder Mikrometerbereich kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Auch der Ort der Deposition ist abhängig von den jeweiligen Solarzelltypen. Zum Beispiel erfordern kristalline Zellen aus Silizium eine andere Deposition als Dünnschichtzellen aus zum Beispiel CdTe amorphem Silizium oder den unterschiedlichen CIS-Zusammensetzungen. Ebenso können Unterschiede in der Verarbeitungs- und/oder Herstellungspraxis der verschiedenen Hersteller von Fotovoltaikzellen für unterschiedliche Geometrien und Produktionsschritte verantwortlich sein.
Gängige Möglichkeiten der Herstellung sind zum Beispiel physikalische Bedampfungs- und Zerstäubungsverfahren, lithografische Verfahren, die Deposition fertiger Nano- bzw. Mikropartikel zum Beispiel mit Hilfe von Drucktechniken, wie sie zum Beispiel Nanosolar Inc. aus Palo Alto (Kalifornien, USA) anwendet ( DE 10 2005 003 842 A1 ) oder mittels Selbstaggregation oder Tauchprozesse. Auch über chemische Methoden ist die Herstellung von Nano- bzw. Mikropartikel auf der Oberfläche möglich.
Das eine Vielzahl unterschiedlicher Solarzellen Bauarten gibt, ist die hier beschriebene Anordnung nur als ein Ausführungsbeispiel anzusehen, das im konkreten Fall auch vollständig anders aufgebaut sein kann. Zum Beispiel könnte es möglich sein, dass die Licht verstärkende Schicht 3 mit den Nanopartikeln 3.1 direkt in die p-leitende Schicht 5 eingebaut ist oder aber auch zusätzliche Schichten mit besonderen Eigenschaften erforderlich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005003842 A1 [0018]

Claims

Fotovoltaik-Modul mit wenigstens einer Solarzelle, die eine Energie erzeugende Schicht aufweist, an deren Strahlungsrückseite eine erste Kontaktschicht ausgebildet ist und an deren Strahlungsvorderseite eine zweite Kontaktschicht ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb einer der Strahlung abgewandten Seite der ersten Kontaktschicht (1) ein Licht verstärkendes Material (3) ausgebildet ist.
Fotovoltaik-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht verstärkende Material (3) Kleinstpartikel (3.1) aufweist.
Fotovoltaik-Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie erzeugende Schicht (5) einen p-leitenden Licht absorbierenden Halbleiter umfasst, auf dessen dem Licht zugewandten Seite das Licht verstärkende Material (3) als Schicht aufgebracht ist.
Fotovoltaik-Modul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleinstpartikel (3.1) eine vorbestimmte Geometrie und Anordnung haben.
Fotovoltaik-Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleinstpartikel (3.1) ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Ellipsoiden, Zylindern, Quadern.
Fotovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht verstärkende Schicht (3) eine n-leitende Halbleiterschicht ist, in welche die Kleinstpartikel (3.1) eingebettet sind.
Fotovoltaik-Modul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleinstpartikel (3.1) zur umgebenden, Licht verstärkenden Schicht (3) isoliert sind.
Fotovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleinstpartikel (3.1) aus Metall sind.
Fotovoltaik-Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Gold, Silber, Platin, Kupfer, Indium, Zinn, Palladium, Eisen.
Fotovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kleinstpartikel (3.1) eine Größe im Nano- oder Mikrobereich haben.