DE102008026760A1

DE102008026760A1 - Solarzelle mit Lichtfalle und Solarmodul

Info

Publication number: DE102008026760A1
Application number: DE102008026760A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr. Stegemann; Steffen Krug
Original assignee: NANOOPTICS GmbH; Signet Solar GmbH
Current assignee: NANOOPTICS GmbH; Signet Solar GmbH
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2009-12-10
Also published as: EP2301082A2; WO2009146845A2; WO2009146845A3

Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung gibt eine Solarzelle (100) mit Lichtfalle (104) an. Die Solarzelle (100) weist ein photovoltaisches Element (101) mit einer Vorderseite (102) und einer gegenüberliegenden Rückseite (103) auf. Das holografische Element (104) ist an der Vorderseite des photovoltaischen Elements (101) angeordnet, wobei es wenigstens einen Teil einfallenden Lichtes (105) hindurchlässt und so in das photovoltaische Element (101) umlenkt, ohne es dabei zu konzentrieren, dass es eine optische Wegverlängerung zwischen Vorderseite (102) und Rückseite (103) erfährt.

Description

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur photovoltaischen Wandlung wie eine Solarzelle oder zu einem Solarmodul verschaltete Solarzellen, die eine Lichtfalle aufweisen.
Die Erhöhung des Wirkungsgrads von Solarzellen ist ein anhaltendes Entwicklungsziel der Photovoltaikindustrie. Hierzu wird eine Reduzierung der Verlustmechanismen in der Solarzelle angestrebt. Optische Verluste sind etwa darauf zurückzuführen, dass auf die Solarzelle einfallendes Licht reflektiert wird oder das Licht durch die photovoltaisch aktiven Schichten hindurch tritt und die Solarzelle wieder verlässt, ohne absorbiert zu werden. Dieses Licht ist für die photovoltaische Umwandlung von Licht in Strom verloren.
Lichtfallen werden dazu genutzt, zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren in der Absorberschicht geeignetes Licht, z. B. Licht mit einer Photonenergie oberhalb der Bandlücke der Absorberschicht, möglichst vollständig in der Solarzelle zu absorbieren und damit optische Verluste zu reduzieren. Im Gegensatz zu Lichtkonzentratoren, die Licht von einer größeren Lichteinfallsfläche auf eine kleinere Oberfläche einer Solarzelle konzentrieren, z. B. mittels Licht sammelnden Optiken wie Linsen, lenken Lichtfallen das auf eine Solarzelle einfallende Licht unter geeigneten Winkeln derart in die photovoltaisch aktiven Schichten, ohne es dabei zu sammeln und zu konzentrieren, dass die Weglänge des Lichtes innerhalb der Solarzelle länger und die Absorptionswahrscheinlichkeit damit höher ist als bei Weglassen der Lichtfallen.
Für einkristalline Siliziumsolarzellen lassen sich Lichtfallen beispielsweise durch Texturierung der zur Lichteinfallsseite gerichteten Oberfläche des einkristallinen Siliziums erzeugen. Ein Beispiel einer texturierten Oberfläche sind Pyramidenstrukturen, die unter Ausnutzung einer von der Kristallrichtung abhängigen Siliziumätzrate ausgebildet werden. Die Textur der Oberfläche bewirkt, dass weniger Licht reflektiert wird und dass das in die Zelle eindringende Licht derart abgelenkt wird, dass es im Mittel eine Wegverlängerung erfährt.
Für einkristalline Siliziumsolarzellen mittels Textur ausgebildete Lichtfallen weisen typischerweise Strukturgrößen auf, die wesentlich kleiner sind als die Schichtdicke der photovoltaisch aktiven Schicht. Bei Dünnschichtsolarzellen mit Schichtdicken der Absorberschichten im Größenordnungsbereich von einigen μm läge die Strukturgröße der Textur im Bereich der Schichtdicke der photovoltaisch aktiven Schicht. Das Ausbilden einer definierten Oberflächentextur für nicht einkristalline Materialien erscheint aufwändig, z. B. hinsichtlich möglicher Schädigungen der Zellstruktur oder der Prozessführung. Eine Texturierung erfolgt hier etwa durch Texturierung einer Glasoberfläche oder einer lichtdurchlässigen, leitenden Elektrodenschicht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine universal anwendbare und kostengünstige Lichtfalle sowie eine Solarzelle oder zu einem Modul verschaltete Solarzellen mit einer derartigen Lichtfalle anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Lehre der Patentansprüche 1, 7 und 18. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
1A zeigt in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem holografischen Element an der Vorderseite.
1B zeigt in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem holografischen Element an der Rückseite.
2A zeigt in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem transmissiven holografischen Element an der Vorderseite sowie die von dem holografischen Element bewirkte Lichtumlenkung.
2B zeigt in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem in eine Vorderseitenelektrode integrierten transmissiven holografischen Element sowie die von dem holografischen Element bewirkte Lichtumlenkung.
2C zeigt in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem transmissiven holografischen Element an der Vorderseite sowie die von dem holografischen Element bewirkte Lichtumlenkung.
2D zeigt in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem reflektiven holografischen Element an der Rückseite sowie die von dem holografischen Element bewirkte Lichtumlenkung.
3 zeigt in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch ein reflektives holografisches Element.
4 zeigt in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch ein transmissives holografisches Element.
5 zeigt in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch ein Solarmodul mit einem transmissiven holografischen Element.
6 zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes Transmissionsverhalten eines holografischen Elements bei senkrechtem Lichteinfall in Abhängigkeit von einem Lichtumlenkungswinkel α.
7A zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer ersten Hologrammlage eines holografischen Elements bei senkrechtem Lichteinfall.
7B zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer ersten Hologrammlage des holografischen Elements bei Lichteinfall unter einem Winkel γ zur Normalen.
7C zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer ersten Hologrammlage des holografischen Elements bei Lichteinfall unter einem Winkel δ zur Normalen.
7D zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer zweiten Hologrammlage des holografischen Elements bei senkrechtem Lichteinfall.
7E zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer zweiten Hologrammlage des holografischen Elements bei Lichteinfall unter einem Winkel γ zur Normalen.
7F zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer zweiten Hologrammlage des holografischen Elements bei Lichteinfall unter einem Winkel δ zur Normalen.
7G zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer dritten Hologrammlage des holografischen Elements bei senkrechtem Lichteinfall.
7H zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer dritten Hologrammlage des holografischen Elements bei Lichteinfall unter einem Winkel γ zur Normalen.
7I zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer dritten Hologrammlage des holografischen Elements bei Lichteinfall unter einem Winkel δ zur Normalen.
7J zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten des holografischen Elements mit überlagerter erster, zweiter und dritter Hologrammlage bei senkrechtem Lichteinfall.
Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sowie deren Merkmale sind jeweils beliebig miteinander kombinierbar, d. h., es gibt keine Einschränkung dahingehend, dass bestimmte Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben werden, nicht mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombinierbar sein könnten.
1A zeigt in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch eine Solarzelle mit einem holografischen Element an der Vorderseite.
Die Solarzelle 100 umfasst ein photovoltaisches Element 101 mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten Vorderseite 102 und einer dieser gegenüberliegenden Rückseite 103. Auf der Vorderseite 102 ist ein als Lichtfalle wirkendes holografisches Element 104 angeordnet, das wenigstens einen Teil des einfallenden Lichtes 105 hindurchlässt und so in das photovoltaische Element 101 umlenkt, ohne es dabei zu konzentrieren, dass es eine optische Wegverlängerung WV zwischen Vorderseite 102 und Rückseite 103 erfährt. Die Rückseite 103 des photovoltaischen Elements 101 kann beispielsweise reflektierend sein, etwa indem auf der Rückseite 103 eine reflektierende Metallschicht vorgesehen ist, z. B. aus Silber (Ag).
Die optische Wegverlängerung WV ergibt sich hierbei als optische Wegdifferenz gegenüber dem Fall, in dem das Licht 105 das photovoltaische Element 101 ohne Lichtfalle 104 von der Vorderseite 102 zur Rückseite 103 durchläuft. In der schematischen Darstellung von 1A fällt das Licht 105 senkrecht auf die Vorderseite 102 ein und wird über das holografische Element 104 unter einem Winkel α in das photovoltaische Element 101 gelenkt. Die optische Wegverlängerung WV zwischen Vorderseite 102 und Rückseite 103 beträgt unter Berücksichtigung einer Dicke d des photovoltaischen Elements 101 WV = d([cosα]^–1 – 1). Eine Umlenkung ist nicht auf senkrecht einfallendes Licht beschränkt, sondern kann für einen Winkelbereich erzielt werden, der wiederum von der Dicke der holografischen Ebenen im holografischen Element 104 abhängen kann. Weisen die holografischen Ebenen im holografischen Element 104 etwa eine Gesamtdicke im Bereich einiger 10 μm auf, z. B. 30 μm bis 50 μm wie etwa 40 μm, so kann eine Umlenkung im Winkelbereich einiger Grad, z. B. 1° bis 4° erzielt werden. Liegt die Dicke der holografischen Ebenen im holografischen Element 104 bei Werten kleiner als 10 μm, so lassen sich beispielsweise Winkelbereiche der Umlenkung von etwa 5° bis 20° oder auch 10° bis 15° erzielen.
Der Winkelbereich lässt sich weiter erhöhen, indem mehrere Hologrammebenen, die auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche abgestimmt sind, gestapelt werden. Hiermit kann einem sich verändernden Lichteinfallswinkel, z. B. einem wandernden Sonnenstand, Rechnung getragen werden, indem eine gewünschte Lichtumlenkung von verschiedenen Hologrammlagen in unterschiedlichen Lichteinfallswinkelbereichen bewirkt wird.
Mögliche Materialsysteme für Absorberschichten des photovoltaischen Elements bilden Chalkopyrite wie CuIn_xGa_(1-x)Se₂ (CIGS) und Derivate davon, wie CIGSSe, III-V Halbleitermaterialien wie GaAs, Silizium in verschiedenartigen Kristallzuständen wie einkristallines Silizium, amorphes Silizium (a-Si oder a-Si:H), multikristallines Silizium (mc-Si), mikrokristallines Silizium (μc-Si), polykristallines Silizium (poly-Si), nanokristallines Silizium (nc-Si), CdTe, oder organische Halbleiter auf Basis von z. B. konjugierten Polymeren.
Die Solarzelle 100 kann auf einem einzelnen ladungstrennenden Übergang basieren, z. B. einem pn-Übergang oder einem ein-Übergang, oder auf mehreren ladungstrennenden Übergängen (Multijunction-Solarzellen). Beispiele derartiger Multijunction-Solarzellen sind Tandem-Solarzellen aus Materialsystemen wie z. B. mikrokristallinem Silizium/amorphem Silizium oder InGaP/GaAs, oder auch Triple-Junction-Solarzellen wie z. B. a-Si:H/μc-Si:H/μc-Si:H, InGaP/GaAs/Ge oder a-Si:H/aSiGe:H.
Das als Lichtfalle wirkende holografische Element 104 lenkt das einfallende Licht 105 lediglich um, ohne es dabei zu konzentrieren. Somit unterscheidet sich das holografische Element 104 etwa dadurch von Lichtkonzentratoren, dass es einfallendes Licht nicht sammelt und damit auch nicht Licht, das auf eine erste Fläche einfällt, auf eine zur ersten Fläche kleinere Oberfläche einer photovoltaischen Schicht konzentriert.
Bei der in 1A gezeigten Lichtumlenkung handelt es sich um eine vereinfachte Darstellung. So kann die Umlenkung, d. h. der Winkel α, beispielsweise ortsabhängig oder auch wellenlängenabhängig sein, wobei verschiedenartige Techniken wie spektrales Multiplexing oder räumliches Multiplexing zum Tragen kommen können. Beispielsweise kann räumliches Multiplexing optischen Verlusten entgegenwirken, die etwa dadurch entstehen, dass durch das holografische Element 104 umgelenktes Licht nach der Reflexion an der Rückseite 103 wieder durch das holografische Element 104 aus der Photovoltaikvorrichtung 100 austritt. Auch kann an der Rückseite ein reflektives holografisches Element positioniert werden, welches das Licht unter geeignetem Winkel zur Vorderseite reflektiert, so dass dieses nicht durch das holografische Element 104 austritt.
Beispielsweise kann zwischen dem holografischen Element 104 und einer photovoltaisch aktiven Struktur innerhalb des photovoltaischen Elements 101, z. B. pn-Absorberschichten, eine Antireflexionsstruktur angeordnet sein. Eine solche Antireflexionsstruktur reduziert beispielsweise ausgehend von dem Medium, das die Solarzelle 100 umgibt, z. B. Luft, Brechungsindexsprünge beim Übergang verschiedenartiger Medien in Richtung der photovoltaisch aktiven Schicht. Reduzierte Brechungsindexsprünge verringern Reflexionsverluste und koppeln mehr Licht in das photovoltaische Element 101 ein.
Die Antireflexionsstruktur kann beispielsweise aus einer einzelnen Schicht oder aus einem Schichtstapel bestehen. Schichten der Antireflexionsstruktur weisen ein möglichst hohes Transmissionsvermögen auf und sind etwa derart angeordnet, dass die Brechungsindizes in Richtung der photovoltaisch aktiven Schicht zunehmen. Die Antireflexionsstruktur kann beispielsweise wenigstens eines der Materialien Siliziumoxynitrid und Siliziumnitrid aufweisen oder aus einem dieser Materialien bestehen.
Das holografische Element 104 kann in eine leitfähige und lichtdurchlässige Vorderseitenelektrodenschicht eingebracht sein. Die Vorderseitenelektrodenschicht leitet die in den photovoltaisch aktiven Schichten getrennten Ladungsträger, d. h. den photovoltaisch erzeugten Strom, an der Vorderseite der Zelle ab. Beispiele für die Vorderseitenelektrodenschicht sind Schichten aus leitfähigen Polymeren, z. B. Polymeren mit ausgedehntem n-Elektronensystem wie Polyacetylen, Poly(para-phenylen), Polythiophen oder Polypyrrol als auch leitfähige Oxide, wie In₂O₃:SnO₂(ITO), ZnO:Al, ZnO:B und SnO₂:F.
In dem in 1A gezeigten transmissiven holografischen Element 104 können beispielsweise eine oder mehrere Hologrammlage(n) zur Reflexion von Wärmestrahlung im Infrarotbereich ausgebildet sein (nicht dargestellt). Bei den Hologrammlagen kann es sich um die zur Lichteinfallsseite nächst benachbarten Lagen handeln. Das holografische Element 104 kann dann als Lichtfalle zur Erhöhung der Lichtabsorption in den photovoltaisch aktiven Schichten des photovoltaischen Elements 101 und zusätzlich als Wärmeschutzschild gegen eine Erwärmung des photovoltaischen Elements 101 durch Infrarotstrahlung genutzt werden. Eine solche Erwärmung des photovoltaischen Elements 101 kann zu einer Abnahme der Leerlaufspannung als auch zu einem geringfügigen Anstieg des Kurzschlussstroms führen und insgesamt die von der Solarzelle bereitgestellte elektrischen Leistung verringern.
Die in 1B dargestellte Solarzelle 110 weist ein photovoltaisches Element 111 mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten Vorderseite 112 und einer dieser gegenüberliegenden Rückseite 113 auf. Auf der Rückseite 113 des photovoltaischen Elements 111 ist ein holografisches Element 114 angeordnet, das als Lichtfalle wirkt, auf die Lichtabsorptionscharakteristik des photovoltaischen Elements 111 abgestimmt ist und wenigstens einen Teil des durch das photovoltaische Element hindurchgetretenen Lichtes 115 durch Reflexion so zurück ins photovoltaische Element 111 umlenkt, ohne es dabei zu konzentrieren, dass es eine optische Wegverlängerung zwischen Rückseite 113 und Vorderseite 112 erfährt.
Die oben für das photovoltaische Element 101 sowie das holografische Element 104 aufgeführten Merkmale und Eigenschaften sind in entsprechender Weise auf die in 1B gezeigte Solarzelle 110 sowie auf die in den weiteren Abbildungen gezeigten Ausführungsformen übertragbar.
Der Winkel α, der den Reflexionswinkel für senkrecht auf das holografische Element 114 einfallendes Lichtes kennzeichnet, kann z. B. derart gewählt werden, dass dieses Licht an der Vorderseite 112 des photovoltaischen Elements 111 total reflektiert wird und damit erneut in das photovoltaische Element 111 umgelenkt wird, wodurch die Lichtabsorption innerhalb des photovoltaischen Elements 111 weiter erhöht wird. Um zu verhindern, dass an der Vorderseite 112 total reflektiertes Licht bei erneutem Auftreffen auf das holografische Element 114 durch Reflexion aus dem photovoltaischen Element auf dieselbe Weise (d. h. unter gleichem Winkel) austritt, wie es eingetreten ist, kann das holografische Element 114 ein räumliches Multiplexing aufweisen und somit in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Beugungsvektoren aufweisen.
Die holografischen Elemente 104, 114 können derart aufgebaut sein, dass das Licht auf der gesamten Lichteinfallsseite umgelenkt wird. In diesem Fall sind die Hologrammlagen ganzflächig ausgebildet und das holografische Element weist beispielsweise keine Bereiche auf, in denen einfallendes Licht mit einer Wellenlänge, deren Absorptionslänge im Absorber einem Mehrfachen der Dicke des Absorbers entspricht, hindurchgelassen wird, ohne abgelenkt zu werden.
Das holografische Element 104, 114 weist wenigstens eine Hologrammlage auf. Die wenigstens eine Hologrammlage kann beispielsweise innerhalb einer Polymerschicht ausgebildet sein. Die wenigstens eine Hologrammlage kann etwa mit Hilfe von UV-Laserbestrahlung ausgebildet werden, z. B. in Chromatgelatine. Das die wenigstens eine Hologrammlage enthaltende Polymer kann ein leitfähiges Polymer sein, so dass das Polymer neben seiner Funktion als Lichtfalle auch zum Stromtransport beitragen kann, z. B. in Form einer Vorderseiten- oder Rückseitenelektrode des photovoltaischen Elements. Beispielsweise ist das Polymer als Polymerfolie oder Teil derselben ausgebildet. Ebenso kann das Polymer auf einem transparenten Träger angeordnet sein, z. B. auf einem Glas oder einem transparenten Kunststoff. Die wenigstens eine Hologrammlage des holografischen Elements ist beispielsweise derart aufgebaut, dass sie für eine Wellenlänge im sichtbaren Teil des Spektrums, bei der eine Absorptionslänge innerhalb des photovoltaischen Elements größer ist als die Dicke des photovoltaischen Elements, wenigstens 80% des einfallenden Lichtes um einen Winkel α > 50° umlenkt, wobei der Winkel α den Umlenkungswinkel relativ zu einer Normalen der Lichteinfallsfläche beschreibt. Die wenigstens eine Hologrammlage weist beispielsweise eine sinoidale Brechungsindexmodulation auf und unterscheidet sich hierdurch von einem herkömmlichen Beugungsgitter.
Eine Umlenkung des Lichtes in den holografischen Elementen 104, 114 kann beispielsweise auf einen Wellenlängenbereich hin optimiert sein, in dem eine optische Absorptionslänge innerhalb der photovoltaisch aktiven Schicht(en) (Absorberschicht(en)) der photovoltaischen Elemente 101, 111 größer ist als die Dicke dieser Schicht(en). Somit können die Hologrammlagen spektral optimiert sein. Insbesondere für Wellenlängen, deren optische Absorptionslänge größer ist als die Dicke der Absorberschicht(en), führt eine Umlenkung des Lichts durch die holografischen Elemente zu einer Erhöhung des auf diesen Spektralbereich entfallenden Kurzschlussstrombeitrag.
Die photovoltaischen Elemente 101, 111 können beispielsweise Multijunction-Solarzellen mit einer bestimmten Anzahl von ladungstrennenden Übergängen sein, z. B. Tandem-Zellen mit zwei ladungstrennenden Übergängen oder Triple-Zellen mit drei ladungstrennenden Übergängen, und eine Umlenkung des Lichtes im holografischen Element kann auf wenigstens eine der bestimmten Anzahl entsprechenden Anzahl von Wellenlängenbereichen so optimiert sein, dass für jede dieser Wellenlängenbereiche eine möglichst hohe Lichtabsorption in einer unterschiedlichen Zelle der Multijunction-Solarzelle erfolgt. Beispielsweise können die holografischen Elemente 104, 114 auf verschiedene Wellenlängenbereiche hin optimiert sein, deren Energieäquivalente in Relation zur Energiebandlücke der verschiedenen Absorberschichten der Multijunction-Solarzelle steht. Beispielsweise wird Licht mit solchen Wellenlängen, bei denen die Absorption in einer entsprechenden Absorberschicht gerade erst einsetzt (d. h. Licht mit Photonenenergien nahe der Bandlücke), schwach absorbiert. Hier eignen sich Lichtfallen in besonderem Maße dazu, durch Lichtumlenkung eine höhere Absorption in den Absorberschichten zu erzielen. Ein weiterer Parameter zur Bestimmung der Wellenlängen, für die eine spektrale Optimierung der holografischen Elemente 104, 114 erfolgt, kann beispielsweise die spektrale Energieverteilung des Sonnenspektrums sein, z. B. AM 1,5 (Air Mass 1,5).
Die photovoltaischen Elemente 101, 111 können beispielsweise eine oder mehrere Dünnschichtsolarzelle(n) aufweisen, z. B. a-Si:H, a-Si:H/μc-Si:H oder a-Si:H/μc-Si:H//μc-Si:H Solarzellen.
In der schematischen Querschnittsansicht von 2A ist eine Solarzelle 201 dargestellt, bei der auf ein lichtdurchlässiges Substrat 206, z. B. Glas oder transparentem Kunststoff, eine transparente Vorderseitenelektrode 207 aufgebracht ist. Die transparente Vorderseitenelektrode 207 kann beispielsweise ein transparentes leitfähiges Oxid, z. B. In₂O₃:SnO₂(ITO), ZnO:Al, ZnO:B oder SnO₂:F, oder ein transparentes, leitfähiges Polymer sein. Auf der Vorderseitenelektrode 207 sind eine oder mehrere photovoltaisch aktive Schichten (Absorberschicht(en)) 208 angeordnet. In der Absorberschicht 208 werden durch Lichtabsorption Elektron-Loch-Paare generiert, die über den ladungstrennenden Übergang der Absorberschicht 208 zur Vorderseitenelektrode 207 bzw. zu einer an der Absorberschicht 208 positionierten und der Vorderseitenelektrode gegenüberliegenden Rückseitenelektrode 209 abgeführt werden. Die Rückseitenelektrode 209 kann hierbei als Rückseitenreflektor genutzt werden, der einfallendes Licht zurück in die Absorberschicht 208 reflektiert.
Die Solarzelle 201 kann weitere in 2A nicht gezeigte Schichten enthalten, z. B. Passivierungsschichten zur Reduktion der Oberflächenrekombination von optisch generierten Minoritätsladungsträgern oder Antireflexionsschichten zur Verringerung von Reflexionsverlusten des einfallendes Lichtes. Auf der zur Vorderseitenelektrode 207 abgewandten Seite des transparenten Substrats 206 ist ein als Lichtfalle wirkendes holografisches Element 204 angeordnet. Wie bereits im Zusammenhang mit den in 1A und 1B gezeigten Ausführungsformen erläutert, lenkt das holografische Element 204, z. B. abgestimmt auf die Lichtabsorptionscharakteristik und Dicke der Absorberschicht(en) 208, wenigstens einen Teil des einfallende Lichtes 205 so in die Absorberschicht(en) 208 um, ohne es dabei zu konzentrieren, dass es eine optische Wegverlängerung zwischen einer Vorderseite 202 der Absorberschicht(en) 208 und einer Rückseite 203 der Absorberschicht(en) 208 erfährt. Die in 2A als auch in den 2B–2D gezeigten Lichtumlenkungen sind lediglich schematisch dargestellt.
Bei dem in 2A gezeigten Solarzellenaufbau kann es sich beispielsweise um eine Solarzelle mit einer einzigen Absorberschicht 208 aus amorphem Silizium oder um eine Multijunction-Solarzelle mit Absorberschichten aus mikrokristallinem Silizium und amorphem Silizium handeln.
2B ist eine schematische Querschnittansicht einer Solarzelle 221 mit einem holografischen Element 224, das zugleich als Vorderseitenelektrode dient und auf einem transparenten Substrat 226 aufgebracht ist. Auf dem holografischen Element 224 sind gegenüber dem Substrat 226 eine oder mehrere photovoltaisch aktive Schichten 228 angeordnet. Eine Grenzfläche zwischen der photovoltaisch aktiven Schicht 228 und dem holografischen Element 224 definiert eine Vorderseite 222, d. h. die Seite, von der aus das Licht in die photovoltaisch aktiven Schichten 228, d. h. die Absorberschicht(en) 228, eindringt. Auf einer Rückseite 223 der Absorberschicht 228 ist eine Rückseitenelektrode 229 angeordnet. Einfallendes Licht 225 wird im holografischen Element 224, wie oben erläutert, so in die Absorberschicht 228 umgelenkt, ohne dabei konzentriert zu werden, dass es eine optische Wegverlängerung zwischen Vorderseite 222 und Rückseite 223 erfährt. Die Rückseitenelektrode 229 kann reflektierend sein. Der in 2B gezeigte Aufbau eignet sich beispielsweise für Solarzellen aus amorphem Silizium oder auch Tandem-Solarzellen aus amorphem und mikrokristallinem Silizium.
2C ist eine schematische Querschnittsansicht einer Solarzelle 241 mit einer reflektierenden Rückseitenelektrode 249, die auf einem Trägersubstrat 246 angeordnet ist. Da das Licht nicht durch das Trägersubstrat 246 einfällt, kann es für Licht durchlässig oder auch nicht durchlässig sein. Auf der Rückseitenelektrode 249 ist gegenüber dem Trägersubstrat 246 eine Absorberschicht 248 und auf der Absorberschicht 248 gegenüber der Rückseitenelektrode 249 eine Vorderseitenelektrode 247 angeordnet. Auf der Vorderseitenelektrode 247, d. h. an einer Vorderseite 242 der Absorberschicht 248, ist ein holografisches Element 244 angeordnet. Das holografische Element 244 lenkt einfallendes Licht 245 in die Absorberschicht 248 um und erhöht so die Lichtabsorption und den Photostrom innerhalb der Absorberschicht 248.
Der in 2C gezeigte Schichtaufbau eignet sich beispielsweise für Solarzellen, bei deren Herstellungsprozess zunächst eine Rückseitenelektrode auf ein Trägersubstrat aufgebracht wird, wie dies beispielsweise bei Solarzellen wie a-Si:H auf Metall oder Polymerfolie oder bei Solarzellen mit Chalkopyrit-Absorberschichten der Fall ist, z. B. CIS-Solarzellen und deren Derivate.
2D ist eine schematische Querschnittsansicht einer Solarzelle 261 mit einem lichtdurchlässigen Substrat 266 aus z. B. Glas oder transparentem Kunststoff, auf das eine transparente Vorderseitenelektrode 267 aufgebracht ist. Die transparente Vorderseitenelektrode 267 kann beispielsweise ein transparentes leitfähiges Oxid oder auch ein transparentes leitfähiges Polymer sein. Gegenüber dem Substrat 266 sind auf der Vorderseitenelektrode 267 eine oder mehrere Absorberschichten 268 angeordnet. Gegenüber der Vorderseitenelektrode 267 ist auf der Absorberschicht 268 ein holografisches Element 264 angeordnet, das zugleich als Rückseitenelektrode dient. Das holografische Element 264 ist somit an einer Rückseite 263 der Absorberschicht 268 angeordnet und bewirkt, anders als die in 2A–2C gezeigten holografischen Elemente 204, 224, 244, eine Lichtumlenkung bei gleichzeitiger Reflexion.
Bei dem in 2D gezeigten Aufbau kann es sich beispielsweise um eine Solarzelle aus amorphem Silizium oder auch um eine Tandemsolarzelle aus mikrokristallinem Silizium und amorphem Silizium handeln.
3 zeigt ein reflektives holografisches Element 300 mit zwei Hologrammlagen 301, 302, die geeignet sind, wenigstens einen Teil einfallenden Lichtes 304 zu reflektieren und umzulenken, ohne es zu konzentrieren, wobei die beiden Hologrammlagen 301, 302 in ein Polymer 303 eingebettet sind.
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines holografischen Elements 400. Anders als das in 3 gezeigte holografische Element, bei dem die Umlenkung mit einer Lichtreflexion verknüpft ist, bewirkt das holografische Element 400 eine Umlenkung bei Transmission. Zur Umlenkung des Lichtes 404 weist das holografische Element 400 Hologrammlagen 401, 402 auf, welche in ein näherungsweise transparentes Polymer 403 eingebettet sind.
Obgleich die gezeigten Ausführungsformen jeweils zwei Hologrammlagen 301, 302 bzw. 401, 402 aufweisen, ist dies jedoch lediglich beispielhaft zu werten und es können mehrere Hologrammlagen, jedoch wenigstens eine, in das jeweilige Polymer 303 bzw. 403 eingebracht sein. Eine Erhöhung der Anzahl der Hologrammlagen ermöglicht beispielsweise eine Optimierung der spektralen Abhängigkeit der Umlenkung.
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Solarmoduls 500. Das Solarmodul 500 weist Solarzellen auf mit einem holografischen Element 504, einem transparenten Substrat 506, einer Vorderseitenelektrode 507, einer Absorberschicht 508 und einer Rückseitenelektrode 509. Zur Schichtanordnung, Materialauswahl und Lichtumlenkung von einfallendem Licht 505 wird auf die Erläuterungen zu den entsprechenden Schichten 204, 206, 207, 208 und 209 des in 2A gezeigten Beispiels verwiesen.
Die Vorderseitenelektrode 507, die Absorberschicht 508 und die Rückseitenelektrode 509 sind derart strukturiert, dass eine der Absorberschicht 508a zugeordnete erste Zelle mit einer der Absorberschicht 508b zugeordneten zweiten Zelle in Serie verschaltet ist. Die Serienverschaltung erfolgt durch Verbinden des Rückseitenkontaktes 509 der Absorberschicht 508a mit dem Vorderseitenkontakt der Absorberschicht 508b. Die Zellen können zudem verkapselt sein, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen (nicht dargestellt).
6 zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes Transmissionsverhalten eines transmissiven holografischen Elements 604 in Abhängigkeit von einem Lichtumlenkungswinkel α. Das Transmissionsverhalten ist für eine Wellenlänge dargestellt, auf welche die Umlenkung optimiert wurde. Senkrecht einfallendes Licht 605 wird zu einem geringen Teil von weniger als 20%, z. B. weniger als 10% wie etwa 3%, unabgelenkt hindurch gelassen. Der Großteil des einfallenden Lichtes 605, d. h. mehr als 80%, z. B. mehr als 90% wie etwa 97%, wird um einen vorgegebenen Winkel α₀ umgelenkt. Das holografische Element 604 weist im Gegensatz zu herkömmlichen Gittern keine auf höhere Ordnungen, denen weitere Umlenkungswinkel zugeordnet sind, entfallenden Intensitätsbeiträge auf.
7A zeigt in schematischer Darstellung ein beispielhaftes spektrales Transmissionsverhalten einer ersten Hologrammlage H₀ eines holografischen Elements. Dem als Diagramm gezeigten beispielhaften spektralen Transmissionsverhalten liegt eine wie oberhalb des Diagramms vereinfacht skizzierte Messanordnung zugrunde. Licht 705 fällt senkrecht auf die Hologrammlage H₀ des holografischen Elements. Ein Detektor D, welcher auf der zur Lichteinfallsseite gegenüber liegenden Seite positioniert ist, misst den unabgelenkt hindurch gelassenen Intensitätsanteil des Lichtes 705.
Die Umlenkung des Lichtes 705 um den vorgegebenen Winkel α₀ ist für die Hologrammlage H₀ beispielhaft auf eine Wellenlänge λ₀ von 600 nm eingestellt. Der vom Detektor D gemessene Intensitätsanteil von unabgelenktem Licht 705 ist deshalb bei λ₀ minimal. Mit zunehmender Wellenlängendifferenz zu λ₀ steigt die am Detektor D gemessene Intensität an, d. h. die Transmission der Hologrammlage nimmt zu und steigt im Idealfall auf 100% an. Verluste wie z. B. Reflektion oder parasitäre Absorption können maximale Transmissionswerte bedingen, die kleiner sind als 100%, z. B. zwischen 80% und 100% oder auch zwischen 90% und 100%.
Die im Folgenden beschriebenen 7B bis 7C dienen der Erläuterung des spektralen Transmissionsverhaltens der ersten Hologrammlage H₀ bei Änderung des Lichteinfallswinkels. Da diese Figuren sowie die folgenden 7D bis 7J zu weiteren Hologrammlagen wie 7A aufgebaut sind, wird nachfolgend lediglich auf wesentliche Unterschiede zur 7A eingegangen.
In 7B ist in schematischer Darstellung das spektrale Transmissionsverhalten der ersten Hologrammlage H₀ bei Änderung des Lichteinfalls von senkrecht (vgl. 7A) auf einen Winkel γ zur Normalen beispielhaft gezeigt. Der Winkel γ beträgt beispielsweise 10%. Die Änderung des Lichteinfallswinkels führt zu einer Änderung des Lichtumlenkungswinkels, bei dem die Transmission am Detektor D minimal wird. Beispielhaft führt eine Änderung des Lichteinfallswinkels von 0° zur Normalen (vgl. 7A) auf γ zu einer Änderung des Lichtumlenkungswinkels von α₀ auf α₁, begleitet von einer Änderung der der maximalen Lichtumlenkung zugeordneten Wellenlänge von λ₀ = 600 nm (vgl. 7A) auf beispielhaft λ₁ = 700 nm.
Wie in der schematischen Darstellung zum spektralen Transmissionsverhalten der ersten Hologrammlage H₀ in 7C gezeigt ist, führt eine weitere Änderung des Lichteinfallswinkels von γ (7B) auf δ, z. B. von 10° auf 20°, zu einer weiteren Änderung des Lichtumlenkungswinkels von α₁ auf α₂, begleitet von einer Änderung der der maximalen Lichtumlenkung zugeordneten Wellenlänge von λ₁ = 700 nm (vgl. 7B) auf beispielhaft λ₂ = 800 nm.
In den 7D bis 7F sind schematische Darstellungen zum spektralen Transmissionsverhalten einer zweiten Hologrammlage H₁ für senkrechten Lichteinfall (7D), Lichteinfall unter einem Winkel γ zur Normalen (vgl. 7E) und Lichteinfall unter einem Winkel δ zur Normalen (vgl. 7F) gezeigt. Die Hologrammlage H₁ unterscheidet sich dadurch von der Hologrammlage H₀ der 7A bis 7C, dass eine Lichtumlenkung um den Winkel α₀ bei senkrechtem Lichteinfall beispielhaft auf eine Wellenlänge von λ₀ = 700 nm eingestellt ist.
In den 7G bis 7I sind schematische Darstellungen zum spektralen Transmissionsverhalten einer dritten Hologrammlage H₂ für senkrechten Lichteinfall (7G), Lichteinfall unter einem Winkel γ zur Normalen (vgl. 7H) und Lichteinfall unter einem Winkel δ zur Normalen (vgl. 7I) gezeigt. Die Hologrammlage H₂ unterscheidet sich dadurch von den Hologrammlagen H₀ und H₁ der 7A bis 7F, dass eine Lichtumlenkung um den Winkel α₀ bei senkrechtem Lichteinfall beispielhaft auf eine Wellenlänge von λ₀ = 800 nm eingestellt ist.
In 7J ist in schematischer Darstellung das spektrale Transmissionsverhalten des holografischen Elements mit überlagerten Hologrammlagen H₀, H₁ und H₂ bei senkrecht einfallendem Licht 705 gezeigt. Durch Überlagerung der Hologrammlagen H₀, H₁ und H₂ wird eine Lichtumlenkung in einem beispielhaften Spektralbereich von 600 bis 800 nm erzielt.
Obgleich das spektrale Transmissionsverhalten eines holografischen Elements in der 7J beispielhaft mit drei überlagerten Hologrammlagen H₀, H₁, und H₂ gezeigt ist, die senkrecht einfallendes Licht mit Wellenlängen von 600 nm, 700 nm und 800 nm optimal umlenken, kann das holografische Element selbstverständlich eine von drei verschiedene Anzahl von Hologrammlagen aufweisen, deren Umlenkung auf vorgegebene Wellenlängen eingestellt sein kann. Anzahl und Gestaltung der Hologrammlagen können beispielsweise auf eine Lichtumlenkung in einem gewünschten Spektralbereich abgestimmt sein. Auch kann das holografische Element ein reflektives holografisches Element sein.

Claims

Solarzelle (100, 110), die aufweist: ein photovoltaisches Element (101, 111) mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten Vorderseite (102, 112) und einer der Vorderseite (102, 112) gegenüberliegenden Rückseite (103, 113); ein holografisches Element (104, 114) an der Vorderseite (102, 112) des photovoltaischen Elements (101, 111); wobei das holografische Element (104, 114) wenigstens einen Teil einfallenden Lichtes (105, 115) hindurch lässt und so in das photovoltaische Element (101, 111) umlenkt, ohne es dabei zu konzentrieren, dass es eine optische Wegverlängerung zwischen Vorderseite (102, 112) und Rückseite (103, 113) erfährt.
Solarzelle nach Anspruch 1, wobei zwischen dem holografischen Element (104, 114) und einer photovoltaisch aktiven Struktur des photovoltaischen Elements (101, 111) eine Antireflexionsstruktur angeordnet ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das holografische Element (104, 114) in eine leitfähige und lichtdurchlässige Vorderseitenelektrodenschicht eingebracht ist.
Solarzelle nach Anspruch 3, wobei die Vorderseitenelektrodenschicht ein leitfähiges Polymer enthält.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere Hologrammlagen des holografischen Elements (104, 114) zur Reflexion von Wärmestrahlung im Infrarotbereich ausgebildet sind.
Solarzelle nach Anspruch 5, wobei die eine oder mehreren Hologrammlagen zur Reflexion von Wärmestrahlung Hologrammlagen des holografischen Elements (104, 114) sind, die zur Vorderseite (102, 112) nächst benachbart ausgebildet sind.
Solarzelle (100, 110), die aufweist: ein photovoltaisches Element (101, 111) mit einer als Lichteintrittsfläche ausgebildeten Vorderseite (102, 112) und einer der Vorderseite (102, 112) gegenüberliegenden Rückseite (103, 113); ein holografisches Element (104, 114) an der Rückseite (103, 113) des photovoltaisches Elements (101, 111); wobei das holografische Element (104, 114) wenigstens einen Teil des durch das photovoltaische Element (101, 111) hindurch getretenen Lichtes durch Reflexion so zurück in das photovoltaische Element (101, 111) umlenkt, ohne es dabei zu konzentrieren, dass es eine optische Wegverlängerung zwischen Rückseite (103, 113) und Vorderseite (102, 112) erfährt.
Solarzelle nach Anspruch 7, wobei die Umlenkung derart ist, dass an die Vorderseite (102, 112) des photovoltaischen Elements (101, 111) zurückgeführtes Licht total reflektiert wird.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei das holografische Element (104, 114) in eine leitfähige und lichtdurchlässige Rückseitenelektrodenschicht eingebracht ist.
Solarzelle nach Anspruch 9, wobei die Rückseitenelektrodenschicht ein leitfähiges Polymer aufweist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das holografische Element (104, 114) so aufgebaut ist, dass eine Lichtumlenkung im gesamten Bereich seiner Lichteinfallsseite erfolgt.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das holografische Element (104, 114) wenigstens eine in ein Polymer eingebrachte Hologrammlage aufweist.
Solarzelle nach Anspruch 11 oder 12, wobei die wenigstens eine Hologrammlage in Chromatgelatine eingebracht ist.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Umlenkung des Lichtes im holografischen Element (104, 114) auf eine Wellenlänge optimiert ist, bei der eine optische Absorptionslänge innerhalb des photovoltaischen Elements (101, 111) größer ist als seine Dicke.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das photovoltaische Element (101, 111) eine Multijunction-Solarzelle ist mit einer bestimmten Anzahl von ladungstrennenden Übergängen und eine Umlenkung des Lichtes im holografischen Element (104, 114) auf wenigstens eine der bestimmten Anzahl entsprechende Anzahl von Wellenlängen so optimiert ist, dass für jede dieser Wellenlängen eine möglichst vollständige Lichtabsorption in einer unterschiedlichen Zelle der Multijunction-Solarzelle erfolgt.
Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das photovoltaische Element (101, 111) eine Dünnschichtsolarzelle aufweist.
Solarmodul, das wenigstens eine Solarzelle gemäß einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
Holografisches Element (300, 400), das aufweist: wenigstens eine Hologrammlage (301, 302, 401, 402), die geeignet ist, wenigstens einen Teil einfallenden Lichtes (304, 404) hindurchzulassen und umzulenken oder zu reflektieren und umzulenken, ohne es dabei zu konzentrieren, wobei die wenigstens eine Hologrammlage (301, 302, 401, 402) in ein Polymer (303, 304) eingebracht ist.
Holografisches Element (300, 400) nach Anspruch 18, wobei mehr als vier Hologrammlagen übereinander angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines Solarmoduls, bei dem ein holografisches Element nach Anspruch 18 auf eine Solarzelle aufgebracht wird.