DE102007054323A1

DE102007054323A1 - Photovoltaik-Vorrichtung mit mindestens einem mindestens eine Lichtumwandlerschicht aufweisenden optischen Element mit mindestens einer seitlich angebrachten Solarzelle

Info

Publication number: DE102007054323A1
Application number: DE102007054323A
Authority: DE
Original assignee: SOLARTEC AG
Current assignee: SOLARTEC AG
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2009-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit mindestens einem optischen ersten optischen Element und mindestens einer dem ersten optischen Element zugeordneten und an diesem seitlich angebrachten Solarzelle. Dabei weist das erste optische Element mindestens eine erste Hologrammstruktur auf, die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich in Richtung der Solarzelle umlenkt und sonstige Strahlung durchlässt. Auf der der Sonne abgewandten Seite der ersten Hologrammstruktur ist mindestens eine Lichtumwandlerschicht zum Verschieben der auf sie auftreffenden Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbaren Spektralbereich zu kürzeren Wellenlängen vorhanden. Auf der der Sonnen zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht ist eine erste optische Struktur zum Reflektieren der von der ersten Hologrammstruktur umgelenkten Sonnenstrahlung und eine zweite optische Struktur zum Reflektieren der von der an der ersten optischen Struktur reflektierten Sonnenstrahlung vorhanden. Weiterhin sind auf der der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht eine zweite Hologrammstruktur, die die mittels der Lichtumwandlerschicht zu kürzeren Wellenlängen verschoebene Sonnenstrahlung in Richtung der Solarzelle umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt, eine dritte optische Struktur zum ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung nach dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1, wie sie aus dem Dokument DE 30 05 914 A1 .
Im Bereich der Nutzung der Solarenergie ist ca. seit 50 Jahren bekannt, dass Sonnenenergie durch Silizium in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Bei den heute üblichen Solarzellen wird meist mono- oder multikristallines Silizium verwendet. Diese Solarzellen wandeln allerdings nur ein Teilspektrum der auftreffenden Strahlung in elektrischen Strom um.
Häufig werden auch Dünnschichtsolarzellen zur Umwandlung der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrischen Strom verwendet.
Eine sehr hohe Effizienz mit über 39% Umwandlung der Sonnenstrahlung ist in den letzten Jahren mit Hochleistungs-PV-Zellen aus höherwertigen Halbleiterverbindungen (vorzugsweise aus III-IV-Halbleitermaterial) wie z. B. GalliumArsenid (GaAs) erzielt worden.
Solche Zellen auf Halbleitermaterialbasis können stufenartig als Tandem- oder Tripelzellen aufgebaut werden und nutzen dadurch ein breiteres Licht-Frequenzspektrum.
Die großflächige Produktion solcher Zellen ist jedoch sehr kostenintensiv. Wie aus dem Dokument DE 103 20 663 A1 bekannt ist, wurde der Ansatz gewählt, das einfallende Sonnenlicht auf eine sehr kleine Fläche von z. B. unter einigen hundert Quadratmillimetern zu konzentrieren. Nur für diese kleine Fläche ist dann eine Solarzelle notwendig. Der Materialeinsatz wird dann dabei bedeutend reduziert.
Da nur die Verbindung mehrerer Photovoltaik-Vorrichtungen einen wirtschaftlichen Einsatz dieser ermöglicht, werden solche Photovoltaik-Vorrichtungen vorzugsweise zu einer Solaranlage zusammengefasst.
Bei einer solchen Photovoltaik-Vorrichtung, bei der das einfallende Sonnenstrahlung jeweils mittels eines optischen Elements auf die sehr kleine Fläche mindestens einer zugeordneten Solarzellen konzentriert wird, kommt noch hinzu, dass eine Ableitung der entstehenden Wärme an der Solarzelle notwendig ist.
Üblicherweise kann von den eingesetzten Solarzellen nur ein Teil der einfallenden Strahlung in Strom umgewandelt werden. Die umwandelbare Sonnenstrahlung weist Wellenfrequenzen ν auf, deren Photonenenergie hν über der Energielücke der in den Solarzellen eingesetzten Halbleitermaterialien liegt. Dieser von den Solarzellen nutzbare Teil der Strahlung ist eher kurzwellig.
Der Teil der einfallenden Sonnenstrahlung, der von der Solarzellen nicht in Strom umgewandelt wird, ist eher langwellig und macht sich als Wärme bemerkbar.
Zum Schutz der Solarzellen vor äußeren Einflüssen werden diese wie z. B. im Dokument DE 103 20 663 A1 in ein geschlossenes Gehäuse eingebaut. Hier werden die Solarzellen innerhalb eines aus mehreren Glasscheiben aufgebauten transparenten Gehäuses auf der Innenseite einer unteren Glasscheibe aufgebracht. Die einfallende Sonnenstrahlung wird dabei mittels optischer Elemente jeweils auf das 100- bis 1000fache auf die kleine Fläche einer zugeordneten Solarzelle konzentriert. Bekanntlich sinkt der Wirkungsgrad von Solarzellen mit einer Erhöhung ihrer Temperatur ab. Bei solchen hohen Konzentrationen der einfallenden Sonnenstrahlung wird die Arbeitstemperatur der Solarzellen wegen der großen Wärmemengen, die während ihres Betriebs oder wegen der auf die Solarzellen oder in deren Umgebung auftreffenden einfallenden Wärmestrahlung entstehen, stark erhöht. Die Anbringungsart der Solarzellen führt zu Problemen bei der notwendigen Wärmeabführung nach außen, da trotz vorhandenen Kühlkörper um jede Solarzelle, die entstehende Wärme in dem geschlossenen Gehäuse gefangen bleibt.
Es ist bekannt, Wärme, die beim Betrieb der Solarzellen entsteht oder durch die einfallende Wärmestrahlung verursacht wird, an die Umgebung direkt mittels Luftkühlung oder über Kühlkörper abzuleiten.
Die bisher üblicherweise eingesetzten Linsensysteme haben ein hohes Gewicht, was zu einer erschwerten Nachführung und zu erhöhten Herstellungskosten wegen der großen eingesetzten Materialmengen führt.
Weiterhin ist es wie z. B. aus dem Dokument DE 10 2004 031 784 A1 bekannt, den von den eingesetzten Solarzellen nutzbaren Teil der einfallenden Sonnenstrahlung mittels mindestens einer holografischen, bogenförmigen Ablenkvorrichtung jeweils auf eine zugeordnete Solarzelle umzulenken. Die holografische Ablenkvorrichtung weist mehrere Hologrammschichten auf, die vorzugsweise Beugungshologramme mit unterschiedlichen spektralen Beugungseffizienzen umfassen. Jedes Beugungshologramm lenkt dabei die einfallende Sonnenstrahlung in einem bestimmten Spektralbereich und für unterschiedliche Einfallswinkel, also für unterschiedliche Positionen der Sonne, in gleicher Weise auf eine zugeordnete Solarzelle um und lässt einfallende Sonnenstrahlung in einem sonstigen Spektralbereich oder Einfallswinkel durch. Mehrere Hologrammschichten werden überlagert und so gewählt, dass sich eine konstante Beugungseffizienz über den gesamten Spektralbereich der einfallenden Sonnenstrahlung ergibt. Die Ablenkvorrichtung eignet sich dazu, auch diffus einfallendes Licht in paralleles Licht umzuwandeln oder zu konzentrieren. Hier wird die einfallende Wärmestrahlung und der von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbaren Teil der einfallenden Sonnenstrahlung durchgelassen und so eine Überhitzung der Solarzellen vermieden. Hier ist aber eine sehr aufwändige Konstruktion einer exakt bogenförmigen Ablenkvorrichtung notwendig. Die Hologrammschichten müssen dabei sehr genau aufeinander überlagert werden und dann gebogen werden um eine Konzentration der nutzbaren, einfallenden Sonnenstrahlung jeweils auf die zugeordnete Solarzelle erzielen zu können. Solche gebogene Ablenkvorrichtungen sind auch sehr platzintensiv.
Aus dem Dokument DE 19705046 A1 ist es bekannt, auf die Kunststoffabdeckung einer Solarzelle in einem Taschenrechner, eine Lichtumwandlerschicht aus Polymethylmethacrylat und/oder Polycarbonat der Dicke 20 μm anzubringen. Die eintreffende Sonnenstrahlung wird nach Transmission durch diese Schicht in ihrem Spektralbereich in das Rote verschoben. Zwar wird hier einen Teil des UV-Lichts, das von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbar ist, zu einem langwelligeren Spektralbereich geschoben, das von der Solarzelle in Strom umwandelbar ist. In diesem Teilspektrum arbeitet die Solarzelle effizienter. Dabei wird aber auch Sonnenstrahlung in einem Randbereich der von der Solarzelle nutzbaren Spektrum zu längere Wellenlängen verschoben, die auf die Solarzelle auftrifft und sich in ihrer Umgebung als Wärme bemerkbar machen. Das führt zu einer Erhitzung der Solarzelle und so zu einer Senkung ihres Wirkungsgrads.
Nachteilig ist bei bekannten Solarmodulen oder Photovoltaik-Vorrichtungen, dass die darin verwendeten Solarzellen jeweils sehr genau auf der optischen Achse und/oder in dem Fokus des zugeordneten konzentrierenden optischen Elements positioniert werden müssen, welches die einfallende Sonnenstrahlung auf die kleinere Fläche dieser konzentriert. Die dabei üblicherweise eingesetzten Linsensysteme haben ein hohes Gewicht, was zu einer erschwerten Nachführung an die Sonne und zu erhöhten Herstellungskosten wegen der großen eingesetzten Materialmengen führt.
Ein optisches Element mit mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle ist aus dem Dokument DE 30 05 914 A1 bekannt. Dabei weist die darin offenbarte Photovoltaik-Vorrichtung mindestens eine Photovoltaik-Einrichtung auf, die ein optisches Element mit einer optisch wirksamen Schicht in der Art einer Hologramm und mehrere Solarzelle aufweist. Dabei sammelt die optisch wirksame Schicht die einfallende Sonnenstrahlung für unterschiedliche Teilspektren in unterschiedlichen Lichtleiter, die jeweils für den Teilspektrum der gesammelten Sonnenstrahlung geeignet sind. Die Lichtleiter leiten die jeweils auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in einem gegebenen Teilspektrum einer auf den Teilspektrum abgestimmte, seitlich an dem entsprechenden Lichtleiter angebrachte Solarzelle zu. Die mehrere Lichtleiter sind direkt unter der optisch wirksamen Schicht nebeneinander angeordnet. Dabei ist der Aufbauaufwand einer solchen Struktur groß, da für jeden Teilspektrum eine darauf abgestimmte Solarzelle und einen auf den Teilspektrum abgestimmten Lichtleiter notwendig sind.
Durch die Anbringung von der mindestens einer Solarzelle auf einer Seitenfläche eines zugeordneten ersten optischen Elements ist der Aufbau einer solchen Photovoltaik-Vorrichtung gegenüber dem Aufbau einer Photovoltaik-Vorrichtung mit optischen Elementen, die die einfallenden Sonnenstrahlung jeweils auf an ihrer der Sonne abgewandten Seite angebrachte Solarzellen bündeln, erleichtert. Bei einer solchen PV-Vorrichtung entfällt der konstruktionelle Aufwand, der bei den üblichen Systemen durch die dabei erforderliche, sehr genaue Positionierung der Solarzellen auf der optischen Achse und/oder im Fokus des zugeordneten optischen Elements auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Photovoltaik-Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1, so aufzubauen, dass eine die Effizienzerhöhung einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erreicht wird und eine Überhitzung der darin eingesetzten Solarzellen vermieden wird. Auch betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren dafür und eine Solaranlage mit erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtungen.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Photovoltaik-Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie weist mindestens ein erstes optischen Element und mindestens eine dem ersten optischen Element zugeordnete und an diesem seitlich angebrachte Solarzelle auf, wobei das erste optische Element mindestens eine erste Hologrammstruktur umfasst, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in mindestens einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich in Richtung der mindestens einen Solarzelle umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
An der der Sonne abgewandten Seite der ersten Hologrammstruktur ist mindestens eine Lichtumwandlerschicht zum Verschieben der auf sie auftreffende Sonnenstrahlung in einem eher langwelligen von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbaren Spektralbereich zu kürzeren Wellenlängen vorhanden.
So kann die von der ersten Hologrammstruktur durchgelassene Sonnenstrahlung die Lichtumwandlerschicht erreichen und von dieser zu einem Teilspektrum verschoben werden, das von der Solarzelle in Strom umwandelbar ist.
Auf der der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht sind eine erste optische Struktur zum Reflektieren der von der ersten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung und eine zweite optische Struktur zum Reflektieren der an der ersten optischen Struktur reflektierten Sonnenstrahlung vorhanden.
Durch die ersten und der zweiten optischen Strukturen wird die von der ersten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung wiederholt nacheinander reflektiert und so der Solarzelle zugeleitet.
Auf der der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht sind eine zweite Hologrammstruktur, die die mittels der Lichtumwandlerschicht zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlung in Richtung der Solarzelle umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt, eine dritte optische Struktur zum Reflektieren der von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Strahlung und eine vierte optische Struktur zum Reflektieren der von der dritten optischen Struktur reflektierte Sonnenstrahlung vorhanden.
Durch die zweite Hologrammstruktur wird so die von der Lichtumwandlerschicht verschobene Sonnenstrahlung zu einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich in Richtung der Solarzelle umgelenkt. Die von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung wird dann durch wiederholte Reflektion an der dritten und an der vierten optischen Strukturen der Solarzelle zugeleitet.
Bekanntlich wandeln Solarzellen den Teilspektrum der auf sie einfallenden Sonnenstrahlung, den sie nicht in elektrische Energie umwandeln können, in Wärme um. Durch das Vorhandensein der Lichtumwandlerschicht wird nur Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Spektrum auf diese umlenkt und so eine unerwünschte Erhöhung der Temperatur der Solarzellen vermieden. Da der Wirkungsgrad einer Solarzelle mit einer Erhöhung der Temperatur dieser sinkt, wird so eine hohe Effizienz der Solarzelle über eine längere Zeit erhalten. Auch wird so einen größeren Anteil der einfallenden Sonnenstrahlung auf die Solarzelle umgelenkt und dadurch die Effizienz dieser erhöht.
Vorzugsweise können Lichtumwandlerschichten eingesetzt werden, die Infrarotlicht in sichtbares oder ultraviolettes Licht umwandeln. Dabei kann z. B. ein Zweiquanten-Absorptionsprozess in einem geeigneten fluoreszierenden Farbstoff verwendet werden.
An der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements können auch mehrere Solarzellen vorhanden sein. So können auch kleinflächige Solarzellen bei der erfindungsgemäßen PV-Vorrichtung eingesetzt werden.
Um eine effizientere Ausnutzung der einfallenden Sonnenstrahlung zu erreichen sind vorzugsweise mehrere der ersten optischen Elemente mit jeweils mindestens einer seitlich angebrachten Solarzelle in der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung vorhanden.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung eine Vielzahl der ersten optischen Elementen auf, von denen mehrere erste optische Elemente die unter einem ersten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektrum auf die mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen, mehrere erste optische Elemente die unter einem zweiten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in dem bestimmten Spektrum auf die mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle umlenken, u. s. w.. Dadurch kann die erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung auch ohne Nachführung arbeiten, da bei verschiedenen Sonnenständen die einfallende Sonnenstrahlung von einem Teil der in der Photovoltaik-Vorrichtung vorhandenen ersten optischen Elementen jeweils auf die mindestens eine zugeordnete Solarzelle umgelenkt wird.
Auch kann die erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung vorzugsweise effizient arbeiten wenn sie eine Vielzahl der ersten optischen Elementen aufweist, von denen mehrere erste optische Elemente die unter einem ersten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in einem ersten Spektralbereich auf die mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle umlenken, mehrere erste optische Elemente die unter dem ersten Winkel einfallende Sonnenstrahlung in einem zweiten Spektralbereich auf die seitlich angebrachten Solarzellen umlenken, u. s. w.. Die an den ersten optischen Elementen jeweils zugeordneten Solarzellen wandeln jeweils die von dem zugeordneten ersten Element auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in dem entsprechenden Teilspektrum der einfallenden Sonnenstrahlung gänzlich in elektrische Energie um. So kann mit einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung ein breiteres aus mehreren Teilspektren zusammengesetztes Spektrum der einfallenden Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, weist die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung mindestens ein erstes optisches Element mit der mindestens einen ihm zugeordneten Solarzelle auf, wobei das erste optische Element die auf ihn senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem gegebenen Spektralbereich auf die Solarzelle umlenkt. Dabei ist das erste optische Element auf die Eigenschaften der ihm zugeordneten Solarzelle abgestimmt und lenkt auf die Solarzelle nur Sonnenstrahlung in einem Spektralbereich auf die Solarzelle um, der von der Solarzelle gänzlich in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Solch eine erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung wird stets an die Sonne nachgeführt und erbringt eine hohe Leistung über den ganzen Tag, da die darin vorhandenen Solarzellen über den ganzen Tag, solange die Sonne scheint, bestrahlt werden.
Vorzugsweise weist das mindestens eine erste optische Element mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle mit einer kleineren Fläche als die Lichteintrittsfläche des zugeordneten ersten optischen Element auf. Dabei wird die unter einem bestimmten Winkel einfallende Strahlung in einem bestimmten Spektralbereich auf die Fläche der mindestens einer Solarzelle mittels des zugeordneten ersten optischen Elements konzentriert und so die effektiv ausgenutzte Fläche der Solarzelle wesentlich reduziert, was zu einer Herabsetzung der Kosten der verwendeten Solarzellen führt.
Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung sind vorzugsweise mehrere der ersten optischen ersten Elemente insbesondere alle erste optische Elemente an einem gemeinsamen Lichteintrittskörper und/oder Lichtaustrittskörper ausgebildet. Dadurch können solche erfindungsgemäße, erste optische Elemente leichter gehandhabt und konstruiert werden. Das führt zu einer Reduzierung der Herstellungskosten einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung.
Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung ist das mindestens eine erste optische Element vorzugsweise eben ausgebildet. So kann das mindestens eine erste optische Element sehr genau konstruiert werden. Auch bedarf die Konstruktion eines ebenen ersten optischen Elements weniger Aufwand als die Konstruktion eines ersten Elements, die gebogene und/oder linsenartige Flächen aufweist.
Vorzugsweise ist an der der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht eine erste Hologrammstruktur vorhanden, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektrum unter einem oder mehreren spitzen oder stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht senkrechten Gerade umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Die erste Hologrammstruktur weist vorzugsweise mehrere übereinander überlagerte, insbesondere ebene Hologrammschichten auf, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in mindestens einem Teilbereich des Spektralbereichs der einfallenden Sonnenstrahlung, der von der mindestens einen Solarzelle in elektrische Energie umwandelbar ist, jeweils unter einem spitzen oder stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht senkrechten Gerade umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine Realisierung der ersten Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig und ermöglicht eine sehr genaue Umlenkung des von der mindestens einen zugeordneten Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teilspektrum der einfallende Strahlung, da für jeden solchen Teilspektrum eine genau auf diesen abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.
Vorzugsweise umfasst die erste optische eine dritte Hologrammstruktur. Insbesondere wenn die erste optische Struktur auf der der Sonne zugewandten Seite der ersten Hologrammstruktur vorhanden ist, weist sie einen halbdurchlässigen Spiegel auf. Die erste optische Struktur reflektiert die von der ersten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung und lässt sonstige Sonnenstrahlung durch. Mit Hilfe der ersten optischen Struktur kann die von der ersten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung mittels Reflektion der Solarzelle zugeleitet werden.
Die dritte Hologrammstruktur kann mehrere vorzugsweise ebene, übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweisen, die die von der ersten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Strahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine dritten Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar und ermöglicht eine sehr genaue Reflektion der von der ersten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in einem Teilspektrum des in elektrische Energie umwandelbaren Spektrums der einfallende Strahlung, da für jeden solchen Teilspektrum eine genau auf diesen abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.
Insbesondere umfasst die an der der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht vorhandene zweite optische Struktur eine vierte Hologrammstruktur. Vorzugsweise ist die zweite optische Struktur an der der Sonne abgewandten Seite der dritten optischen Struktur vorhanden und weist einen halbdurchlässigen Spiegel auf.
Die vierte Hologrammstruktur kann mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweisen, die jeweils die von der ersten optischen Struktur auf sie umgelenkte Strahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine vierte Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar und ermöglicht eine sehr genaue Reflektion der von der ersten optischen Struktur auf sie reflektierte Sonnenstrahlung in jedem Teilspektrum des in elektrische Energie umwandelbaren Spektrums der einfallende Strahlung, da für jedes solche Teilspektrum eine genau auf dieses abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.
Mit Hilfe der zweiten optischen Struktur werden die von der ersten optischen Struktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung mittels Reflektion der Solarzelle zugeleitet und sonstige Strahlung durchgelassen.
Vorzugsweise lenkt die zweite Hologrammstruktur die die durch die Lichtumwandlerschicht zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich unter einem oder mehreren spitzen oder stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht senkrechten Gerade um und lässt sonstige Sonnenstrahlung durch. So kann auch einfallende Sonnenstrahlung in einem anderen Spektralbereich als der von der Solarzelle direkt in elektrischen Strom umwandelbaren Spektralbereich der Solarzelle zugeleitet werden und von dieser in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Lichtausbeute einer so arbeiteten Solarzelle wird dadurch erhöht.
Die zweite Hologrammstruktur kann mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweisen, die die durch die Lichtumwandlerschicht zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Teilspektrum jeweils unter einem spitzen oder stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht senkrechten Gerade umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine zweite Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar und ermöglicht eine sehr genaue Umlenkung der durch die Lichtumwandlerschicht verschobene Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teilspektrum, da für jedes solche Teilspektrum eine genau auf dieses abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.
Insbesondere ist die dritte optische Struktur auf der der Sonne abgewandten Seite der zweiten Hologrammstruktur vorhanden und weist einen Spiegel auf, der die von der zweiten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert. So wird einfach und kostengünstig die von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung mittels Reflektion der Solarzelle zugeleitet.
Die dritte optische Struktur weist insbesondere eine fünfte Hologrammstruktur auf, die die von der zweiten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt. So wird einfach und kostengünstig die von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung mittels Reflektion der Solarzelle zugeleitet werden.
Die fünfte Hologrammstruktur kann mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweisen, die jeweils die von der zweiten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Teilspektrum jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine fünfte Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar und kann eine sehr genaue Reflektion der von der zweiten Hologrammstruktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in jedem von der Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teilspektrum ermöglichen, da für jeden solchen Teilspektrum eine genau auf diesen abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.
Die vierte optische Struktur kann auf der der Sonne zugewandten Seite der dritten optischen Struktur vorhanden sein und dann einen halbdurchlässigen Spiegel aufweisen, der die von der dritten optischen Struktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert. So kann einfach und kostengünstig die von der dritten optischen Struktur reflektierte Sonnenstrahlung mittels Reflektion der Solarzelle zugeleitet werden.
Insbesondere umfasst die vierte optische Struktur eine sechste Hologrammstruktur, die die von der dritten optischen Struktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in elektrischen Strom umwandelbaren Spektralbereich reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Die sechste Hologrammstruktur kann mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweisen, die die von der dritten optischen Struktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Teilspektrum jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen. Solch eine sechste Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar und kann eine sehr genaue Reflektion der von der dritten optischen Struktur auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in jedem von der Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Teilspektrum ermöglichen, da für jedes solchen Teilspektrum eine genau auf diesen abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Solarzelle in unmittelbarem Kontakt mit einer seitlichen Fläche des ersten optischen Elements angebracht und weist insbesondere eine Fläche auf, die die der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements gleicht.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der mindestens einer Solarzelle und der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements ein zweites optisches Element vorhanden, das die auf diese seitliche Fläche auftreffende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren Spektralbereich in der Weise umlenkt, dass diese gleichmäßig auf die Fläche der Solarzelle auftrifft. So kann eine lokale Überlastung der Solarzelle vermieden werden.
Insbesondere weist das zweite optische Element mindestens eine siebte Hologrammstruktur auf, die die auf die der Solarzelle zugewandten Seitenfläche des ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung in der Weise umlenkt, dass diese in der Form eines parallelen, gleichmäßigen Strahlbündel senkrecht auf die Fläche der Solarzelle auftrifft. Eine gleichmäßige Verteilung der auf die Solarzelle auftreffenden Strahlung auf ihrer Fläche ist besonders vorteilhaft, da so die Werte des von der mindestens einen Solarzelle erzeugten elektrischen Stroms genau vorhersagbar und so gut handhabbar sind.
Die siebte Hologrammstruktur kann mehrere insbesondere ebene Hologrammschichten aufweisen, die jeweils mehrere Hologrammbereiche mit unterschiedlichen Hologrammbeschaffenheiten umfassen, die die von dem ersten optischen Element auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung jeweils auf die Fläche der Solarzelle verteilen. So kann die von dem ersten optischen Element umgelenkte Sonnenstrahlung einfach, genau und kostengünstig auf die Fläche der Solarzelle umgelenkt und beliebig verteilt werden.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine Solarzelle eine Fläche auf, die größer als die ihr zugewandte Seitenfläche des ersten optischen Elements ist. Dabei hat das vorhandene zweite optische Element einen Streulinsencharakter. Durch eine Verminderung der Konzentration der auf die mindestens eine Solarzelle umgelenkte Sonnenstrahlung kann eine Überlastung der mindestens einer Solarzelle vermieden werden und ihre Leistung genau kontrolliert werden. Durch eine Vermeidung der Überlastung der mindestens einer Solarzelle wird die Lebensdauer dieser erhöht.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine Solarzelle eine Fläche auf, die kleiner als die seitliche Fläche des ersten optischen Elements ist. Das vorhandene zweite optische Element hat dabei einen Sammellinsencharakter. Durch eine Konzentration der auf die mindestens eine Solarzelle auftreffende Sonnenstrahlung kann eine weitere Konzentration der auf die Solarzelle ungelenkte Sonnenstrahlung erreicht werden und so können Solarzellen mit einer kleinerer Fläche eingesetzt werden. Dabei werden die Kosten der verwendeten Solarzellen verringert.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eine der Hologrammstrukturen des ersten und/oder des zweiten optischen Elements ein Beugungsgitter mit einer gegebenen Periode und Tiefe. Die Beugungsgitter solch mindestens einer Hologrammstruktur sind dabei sehr genau und kostengünstig realisierbar. So kann eine sehr genaue Umlenkung des auf diese auftreffende Sonnenstrahlung erzielt werden.
Bei einer besondere Ausführungsform der Erfindung umfasst die Lichtumwandlerschicht ein Gitter aus leitfähigem Material zum Ableiten von Wärme insbesondere der in ihrer Umgebung durch auf sie auftreffende Sonnenstrahlung entstehende Wärme in die Außenumgebung, das so dimensioniert ist, dass keine Beugung der auf sie auftreffende Sonnenstrahlung eintritt. So kann eine Überhitzung der Lichtumwandlerschicht vermieden werden.
Vorzugsweise endet das Gitter in einer an der der Solarzelle abgewandten Seitenfläche des ersten optischen Elements angrenzende Platte aus leitfähigem Material zum weiteren Ableiten der in der Lichtumwandlerschicht entstehende Wärme in die Außenumgebung. Insbesondere kann die PLatte bis zu der oder weiter an der Ebene mit der Lichtumwandlerschicht insbesondere bis zu der der Sonne abgewandten Fläche des ersten optischen Elements verlaufen. So wird eine Überhitzung des ersten optischen Elements und folglich der Solarzelle vermieden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit mindestens einem ersten optischen Element mit Lichtumwandlerschicht und einem zweiten optischen Element.
In 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung 10 dargestellt.
Jede Photovoltaik-Vorrichtung 10 weist mindestens ein erstes optisches Element 20 auf, das an seiner der Sonne zugewandten Seite einem Lichteintrittskörper 30 angebrachten ist. Das erste optische Element 20 kann an seiner der Sonne abgewandten Seite auf einen Träger 31 angeordnet sein. Das erste optische Element 20 weist auf seiner der Sonne zugewandten Seite eine erste Hologrammstruktur 40 auf, die die einfallende Sonnenstrahlung 50 in einem von mindestens einer seitlich angebrachten Solarzelle 60 in Strom umwandelbaren Spektrum 70 unter einem spitzen Winkel (0, < 90°) gegenüber der auf der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Element 20 senkrechten Gerade umgelenkt.
Die von der ersten Hologrammstruktur 40 umgelenkte Sonnenstrahlung 70 trifft auf eine erste optische Struktur, hier in Form einer dritten Hologrammstruktur 80 auf und wird von dieser reflektiert. Die von der dritten Hologrammstruktur 80 reflektierte Sonnenstrahlung 70 trifft auf einen an der der Sonne abgewandten Seite der ersten Hologrammstruktur 40 angebrachten zweiten optischen Struktur, hier in Form eines halbdurchlässigen Spiegel 90, auf und wird von diesem reflektiert. Nach wiederholter Reflektion an der dritten Hologrammstruktur 80 und an den halbdurchlässigen Spiegel 90 erreicht die von der ersten Hologrammstruktur 40 umgelenkte Sonnenstrahlung 70 in dem von der Solarzelle 60 in Strom umwandelbaren Spektrum auf mindestens ein seitlich angebrachtes zweites optisches Element, hier in Form einer siebten Hologrammstruktur 100, die zwischen einer Seitenfläche des ersten optischen Elements 20 und der kleinflächigere Solarzelle 60 angebracht ist und die auf sie von dem ersten optischen Elements 20 umgelenkte Sonnestrahlung 70 mittels der Sie vorhandenen Hologrammbereiche 101, 102 mit unterschiedlichen Hologrammbeschaffenheiten auf die Solarzelle 60 konzentriert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Zwischen dem zweiten optischen Element und der Solarelle 60 kann eine transparente Schicht 105 vorhanden sein, die den Übergang zwischen dem zweiten optischen Element und der Solarzelle 60 ausbildet und der Befestigung der Solarzelle an dem ersten optischen Element 20 dient. Um die Solarzelle 60 und der transparenten Schicht 105 kann eine Umhüllung 106 vorhanden sein, die die Solarzelle 60 vor Verschmutzungen und Umwelteinflüsse zusätzlich schützten soll.
Der Teil der einfallende Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle 60 nicht in Strom umwandelbaren Spektrum 110, der von der ersten Hologrammstruktur 40 durchgelassen wird, passiert den halbdurchlässigen Spiegel 90, wird durch die dritte Hologrammstruktur 80 durchgelassen, erreicht die Lichtumwandlerschicht 120 und wird von dieser zu kürzeren Wellenlängen, also zu einem von der Solarzelle 60 in Strom umwandelbaren Spektrum 125 verschoben. Die von der Lichtumwandlerschicht verschobene Strahlung 125 erreicht eine zweite an der der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht 120 vorhandene zweite Hologrammstruktur 130, und wird von dieser unter einem spitzen Winkel gegenüber der auf der der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht 120 senkrechten Gerade umgelenkt.
Die von der zweiten Hologrammstruktur 130 umgelenkte Sonnenstrahlung 125 wird dann an einer an der der Sonne abgewandten Seite der zweiten Hologrammstruktur 130 vorhandenen dritten optischen Struktur, hier in Form eines Spiegels 140, reflektiert und erreicht dann eine vierte, an der der Sonne zugewandten Seite des Spiegels 140 vorhandene optische Struktur, hier in Form eines halbdurchlässigen Spiegels 150.
Die von dem Spiegel 140 reflektierte Sonnenstrahlen werden dann erneut an dem halbdurchlässigen Spiegel 150 reflektiert und erreichen dann, nach wiederholte Reflektion an den Spiegeln 140, 150 die siebte Hologrammstruktur 100, von der sie dann auf die Solarzelle 60 umgelenkt werden. Der Spiegel 150 muss halbdurchlässig sein, da er die von der zweiten Hologrammstruktur 130 umgelenkte Sonnenstrahlung 125 durchlassen muss.
Die Lichtumwandlerschicht 120 weist in ihrem Inneren ein Gitter 160 aus leitfähigem Material zum Ableiten der in ihr durch auf sie auftreffende Sonnenstrahlung 110 entstehende Wärme in die Außenumgebung auf, das insbesondere so dimensioniert ist, dass keine Beugung der auf sie auftreffende Sonnenstrahlung 110 eintritt. Das Gitter 160 endet in einem an der seitlichen Fläche ohne Solarzelle 60 des ersten optischen Elements 20 angrenzenden Wand 170 aus leitfähigem Material zum weiteren Ableiten der in der Lichtumwandlerschicht entstehende Wärme in die Außenumgebung. Die Platte 170 verläuft hier bis zu der der Sonne abgewandten Fläche des ersten optischen Elements 20 bzw. bis zum Träger 31.

10: Photovoltaik-Vorrichtung
20: erstes optisches Element
30: Lichteintrittskörper
31: Träger
40: erste Hologrammstruktur
50: einfallende Sonnenstrahlung
60: Solarzelle
70: Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektrum
80: erste optische Struktur (dritte Hologrammstruktur)
90: zweite optische Struktur (halbdurchlässiger Spiegel)
100: zweites optisches Element (siebte Hologrammstruktur)
101, 102: Hologrammbereiche der siebten Hologrammstruktur mit unterschiedlicher Hologrammbeschaffenheit
105: transparente Schicht
106: schützende Umhüllung
110: Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle nicht in Strom umwandelbaren Spektrum
120: Lichtumwandlerschicht
125: von der Lichtumwandlerschicht zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlung
130: zweite Hologrammstruktur
140: dritte optische Struktur (Spiegel)
150: vierte optische Struktur (halbdurchlässiger Spiegel)
160: Gitter
170: Platte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3005914 A1 [0001, 0017]
- DE 10320663 A1 [0006, 0011]
- DE 102004031784 A1 [0014]
- DE 19705046 A1 [0015]

Claims

Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mit mindestens einem ersten optischen Element und mindestens einer dem ersten optischen Element zugeordneten und an diesem seitlich angebrachte Solarzelle, wobei das erste optische Element mindestens eine erste Hologrammstruktur aufweist, die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Teilspektrum in Richtung der Solarzelle umlenkt und sonstige Strahlung durchlässt, dadurch gekennzeichnet dass an der der Sonne abgewandten Seite der ersten Hologrammstruktur (40) mindestens eine Lichtumwandlerschicht (120) zum Verschieben der auf sie auftreffende Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle (60) nicht in Strom umwandelbaren Spektrum (110) zu kürzeren Wellenlängen vorhanden ist, dass auf der der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht (120) eine erste optische (80) Struktur zum Reflektieren der von der ersten Hologrammstruktur (40) umgelenkte Sonnenstrahlung (70) und eine zweite optische Struktur (90) zum Reflektieren der von der an der ersten optischen Struktur (80) reflektierten Sonnenstrahlung (70) vorhanden sind, dass auf der der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht (120) eine zweite Hologrammstruktur (130), die die mittels der Lichtumwandlerschicht (120) zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlung (125) in Richtung der Solarzelle (60) umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt, eine dritte optische Struktur (140) zum Reflektieren der von der zweiten Hologrammstruktur (130) umgelenkte Strahlung (125) und eine vierte optische Struktur (150) zum Reflektieren der von der dritten optischen Struktur (140) reflektierte Sonnenstrahlung (125) vorhanden sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Solarzellen (60) und eine Vielzahl von ersten optischen Elementen (20) aufweist, wobei die ersten optischen Elemente jeweils eine Lichteintrittsfläche aufweisen, die wesentlich größer als die Fläche einer Solarzelle (60) ist und jeder Solarzelle (60) mindestens ein der ersten optischen Elemente (20) zugeordnet ist oder jedem ersten optischen Element (20) mehrere jeweils den gleichen Spektralbereich der einfallenden Sonnenstrahlung (70, 125) nutzende Solarzellen (60) zugeordnet sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die mehreren optischen ersten Elemente (20) an einem gemeinsamen Lichteintrittskörper (30) und/oder Träger (31) ausgebildet sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (20) eben ausgebildet ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hologrammstruktur (40) die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung (50) in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich (70) unter einem oder mehreren spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht (120) senkrechten Gerade umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung (110) durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hologrammstruktur (40) mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs (70) jeweils unter einem spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements (20) senkrechten Gerade umlenken und sonstige Sonnenstrahlung (110) durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Struktur (80) zwischen der ersten Hologrammstruktur (40) und der Lichtumwandlerschicht (120) vorhanden ist und eine dritte Hologrammstruktur (80) aufweist, die die von der ersten Hologrammstruktur (40) auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung (70) reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung (110) durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Hologrammstruktur (80) mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die von der ersten Hologrammstruktur (40) auf sie umgelenkte Strahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs (70) jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Struktur (90) auf der der Sonne zugewandten Seite der dritten Hologrammstruktur (80) vorhanden ist und einen halbdurchlässigen Spiegel (90) aufweist, der die von der ersten optischen Struktur (80) auf sie reflektierte Sonnenstrahlung (70) reflektiert.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Struktur (90) auf der der Sonne zugewandten Seite der dritten Hologrammstruktur (80) vorhanden ist und eine vierte Hologrammstruktur (90) aufweist, die von der ersten optischen Struktur (80) auf sie reflektierte Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Bereich (70) reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung (110) durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Hologrammstruktur (90) mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die von der ersten optischen Struktur (80) auf sie reflektierte Strahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs (70) jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hologrammstruktur (40) aufweist, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich (70) unter einem oder mehreren stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht (120) senkrechten Gerade umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hologrammstruktur (40) mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die unter einem bestimmten Winkel insbesondere senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs (70) jeweils unter einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite der Lichtumwandlerschicht (120) senkrechten Gerade umlenken und sonstige Sonnenstrahlung (110) durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Struktur (80) auf der der Sonne zugewandten Seite der ersten Hologrammstruktur (40) und der Lichtumwandlerschicht (120) vorhanden ist und einen halbdurchlässigen Spiegel (80) aufweist, der die von der ersten Hologrammstruktur (40) auf ihn umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Struktur (80) auf der der Sonne zugewandten Seite der ersten Hologrammstruktur (40) vorhanden ist und eine dritte Hologrammstruktur (80) aufweist, die die von der ersten Hologrammstruktur (40) auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung (70) reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung (110) durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Hologrammstruktur (80) mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die von der ersten Hologrammstruktur (40) auf sie umgelenkte Strahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs (70) jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Struktur (90) auf der der Sonne abgewandten Seite der ersten optischen Struktur (80) vorhanden ist und eine vierte Hologrammstruktur (90) aufweist, die von der ersten optischen Struktur (80) auf sie reflektierte Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Bereich (70) reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Hologrammstruktur (90) mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die von der ersten optischen Struktur (80) auf sie reflektierte Strahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs (70) jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hologrammstruktur (130) die die durch die Lichtumwandlerschicht (120) zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich (125) unter einem oder mehreren spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht (120) senkrechten Gerade umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hologrammstruktur (130) mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die durch die Lichtumwandlerschicht (120) zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlung in einem Teilbereich der von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich (125) jeweils unter einem spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht (120) senkrechten Gerade umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte optische Struktur (140) auf der der Sonne abgewandten Seite der zweiten Hologrammstruktur (130) vorhanden ist und einen Siegel (140) aufweist, die die von der zweiten Hologrammstruktur (120) auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung (125) reflektiert.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte optische Struktur (140) auf der der Sonne abgewandten Seite der zweiten Hologrammstruktur (130) vorhanden ist und eine fünfte Hologrammstruktur (140) aufweist, die die von der zweiten Hologrammstruktur (130) auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung (125) reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Hologrammstruktur (140) mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die von der zweiten Hologrammstruktur (120) auf sie umgelenkte Strahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs (125) jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte optische Struktur (150) auf der der Sonne zugewandten Seite der dritten optischen Struktur (140) vorhanden ist und einen halbdurchlässigen Spiegel (140) aufweist, der die von der dritten optischen Struktur (140) auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte optische Struktur (150) auf der der Sonne zugewandten Seite der dritten optischen Struktur (140) vorhanden ist und eine sechste Hologrammstruktur (150) aufweist, die von der dritten optischen Struktur (140) auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die sechste Hologrammstruktur (150) mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die von der dritten optischen Struktur (140) auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs (125) jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hologrammstruktur (130) die die durch die Lichtumwandlerschicht (120) zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlung in einem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereich (125) unter einem oder mehreren stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht (120) senkrechten Gerade umlenkt und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hologrammstruktur (130) mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die durch die Lichtumwandlerschicht (120) zu kürzeren Wellenlängen verschobene Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs (125) jeweils unter einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne abgewandten Seite der Lichtumwandlerschicht (120) senkrechten Gerade umlenken und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 und 27 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte optische Struktur (140) auf der der Sonne zugewandten Seite der zweiten Hologrammstruktur (130) vorhanden ist und einen halbdurchlässigen Siegel (140) aufweist, der die von der zweiten Hologrammstruktur (130) auf ihn umgelenkte Sonnenstrahlung (125) reflektiert.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 und 27 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte optische Struktur (140) auf der der Sonne zugewandten Seite der zweiten Hologrammstruktur (130) vorhanden ist und eine fünfte Hologrammstruktur (140) aufweist, die die von der zweiten Hologrammstruktur (130) auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung (125) reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Hologrammstruktur (140) mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die von der zweiten Hologrammstruktur (130) auf sie umgelenkte Strahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs (125) jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte optische Struktur (150) auf der der Sonne abgewandten Seite der dritten optischen Struktur (140) und der zweiten Hologrammstruktur (130) vorhanden ist und einen Spiegel (150) aufweist, der die von der dritten optischen Struktur (140) auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung reflektiert.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte optische Struktur (150) auf der der Sonne abgewandten Seite der dritten optischen Struktur (140) vorhanden ist und eine sechste Hologrammstruktur (150) aufweist, die von der dritten optischen Struktur (140) auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Bereich (125) reflektiert und sonstige Sonnenstrahlung durchlässt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die sechste Hologrammstruktur (150) mehrere insbesondere ebene übereinander überlagerte Hologrammschichten aufweist, die die von der dritten optischen Struktur (140) auf sie reflektierte Strahlung in einem Teilbereich des von der Solarzelle in Strom umwandelbaren Spektralbereichs (125) jeweils reflektieren und sonstige Sonnenstrahlung durchlassen.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (60) in unmittelbarem Kontakt mit der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements (20) angebracht ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einer Solarzelle (60) und einer seitlichen Fläche des mindestens einen zugeordneten ersten optischen Elements (20) ein zweites optisches Element (100) vorhanden ist, das die auf die der Solarzelle (60) zugewandten Seitenfläche des ersten optischen Elements (20) auftreffende Sonnenstrahlung (70, 125) in der Weise umlenkt, dass diese gleichmäßig auf die Fläche der Solarzelle (60) auftrifft.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Element (100) mindestens eine siebte Hologrammstruktur (100) aufweist, die die auf die der Solarzelle zugewandte Seitenfläche des ersten optischen Elements (20) auftreffende Sonnenstrahlung (70, 125) in der Weise umlenkt, dass diese einen parallelen auf die Fläche der mindestens einer Solarzelle (60) senkrechten Strahlenbündel ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Element (100) mindestens eine siebte Hologrammstruktur (100) aufweist, die mindestens eine ebene Hologrammschicht umfasst, die mehrere Hologrammbereiche (101, 102) mit unterschiedlichen Hologrammbeschaffenheiten aufweist, die die von dem ersten optischem Element (20) auf sie umgelenkte Sonnenstrahlung (70, 125) jeweils auf die Fläche der Solarzelle (60) umlenken.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle (60) eine Fläche aufweist, die der Seitenfläche des ersten optischen Elements (20) gleicht.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle (60) eine Fläche aufweist, die größer ist als die seitliche Fläche des ersten optischen Elements (20) ist und dass das zweite optische Element (100) einen Streulinsencharakter aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 36 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Solarzelle (60) eine Fläche aufweist, die kleiner ist als die Seitenfläche des ersten optischen Element (20) ist und dass das zweite optische Element (100) einen Sammellinsencharakter aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Hologrammstruktur des ersten (20) und/oder des zweiten (100) optischen Elements mindestens ein Beugungshologramm mit einem gegebenen Beugungswinkel aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Solarzelle (60) eine Dünnschichtsolarzelle ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Solarzelle (60) eine Siliziumzelle, insbesondere eine großflächige Siliziumzelle ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Solarzelle (60) eine Mikrosolarzelle ist, insbesondere mit einer Flächenausdehnung von gleich oder weniger als ca. 100 mm².
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Solarzelle (60) eine Mehrschichtzelle aus Halbleiterverbindungen insbesondere eine Tandem- oder eine Tripelzelle aus III-V-Halbleiterverbindungen ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtumwandlerschicht (120) in ihrem Inneren und/oder auf seiner der Sonne abgewandten Seite ein Gitter (160) aus leitfähigem Material zum Ableiten von Wärme insbesondere der durch auf sie auftreffende Sonnenstrahlung (110) entstehende Wärme in die Außenumgebung aufweist, das so dimensioniert ist, dass keine Beugung der auf sie auftreffende Sonnenstrahlung (110) eintritt.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 47 dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (160) in einer an der der Solarzelle abgewandten Seitenfläche des ersten optischen Elements angrenzende Platte (170) aus leitfähigem Material zum weiteren Ableiten von Wärme insbesondere der in der Lichtumwandlerschicht (120) entstehende Wärme in die Außenumgebung endet, wobei die Platte (170) bis zu der oder weiter an der Ebene mit der Lichtumwandlerschicht (120) insbesondere bis zu der der Sonne abgewandten Fläche des ersten optischen Elements (20) verläuft.
Verfahren zum Herstellen einer Photovoltaik-Vorrichtung (10) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche.
Solaranlage mit einer Mehrzahl von Photovoltaik-Vorrichtungen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 48.
Solaranlage nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mehreren vereinzelten Photovoltaik-Vorrichtungen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 48 zusammengesetzt ist.