DE102009019940A1

DE102009019940A1 - Luminescence collector for use in solar cell module for e.g. guiding of light for creative work, has luminescence material arranged in dot-shaped, channel-shaped, or layer-shaped luminescence region arranged between photonic structures

Info

Publication number: DE102009019940A1
Application number: DE102009019940A
Authority: DE
Inventors: Jan Christoph Goldschmidt; Marius Peters; Martin Hermle; Philipp LÖPER; Benedikt BLÄSI
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-05-05
Filing date: 2009-05-05
Publication date: 2010-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lumineszenzkollektor mit mindestens einer photonischen Struktur und mindestens einem lumineszenten Material, der eine ein- oder zweidimensionale Führung der Lumineszenzstrahlung erlaubt. Ebenso betrifft die Erfindung ein Solarzellenmodul, das einen derartigen Lumineszenzkonzentrator sowie mindestens eine mit diesem gekoppelte Solarzelle aufweist.The invention relates to a luminescence collector having at least one photonic structure and at least one luminescent material which allows a one- or two-dimensional guidance of the luminescence radiation. The invention likewise relates to a solar cell module which has such a luminescence concentrator and at least one solar cell coupled thereto.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lumineszenzkollektor mit mindestens einer photonischen Struktur und mindestens einem lumineszenten Material, der eine ein- oder zweidimensionale Führung der Lumineszenzstrahlung erlaubt. Ebenso betrifft die Erfindung ein Solarzellenmodul, das einen derartigen Lumineszenzkonzentrator sowie mindestens eine mit diesem gekoppelte Solarzelle aufweist.The The invention relates to a luminescence collector with at least one photonic structure and at least one luminescent material, a one- or two-dimensional guidance of the luminescence radiation allowed. Likewise, the invention relates to a solar cell module, the Such a luminescence concentrator and at least one with this having coupled solar cell.

Fluoreszenzkonzentratoren sind seit Ende der 1970er Jahre bekannt (Goetzberger, A. und W. Greubel, „Solar energy conversion with fluorescent collectors”. Applied Physics, 1977, 14: p. 123–39 ). Mit ihnen lässt sich Licht konzentrieren. Fluoreszenzkonzentratoren sind in der Lage, sowohl direktes als auch diffuses Licht zu konzentrieren. Sie benötigen dafür auch keine Nachführung. Allerdings waren die erzielten Wirkungsgrade und die erreichten Konzentrationen angesichts der Kosten zu gering, um eine kommerzielle Anwendung zu ermöglichen.Fluorescence concentrators have been known since the late 1970s (Goetzberger, A. and W. Greubel, "Solar energy conversion with fluorescent collectors." Applied Physics, 1977, 14: pp. 123-39 ). With them you can concentrate light. Fluorescence concentrators are able to concentrate both direct and diffused light. You do not need tracking for this. However, the efficiencies achieved and the concentrations achieved were too low to allow for commercial application given the cost.

Die Effizienz von Fluoreszenzkonzentratoren ist aufgrund mehrerer Verlustmechanismen begrenzt. Ein wesentlicher Verlustmechanismus ist der Verlustkegel der Totalreflexion. Hier gibt es allerdings schon Gegenstrategien ( U. Rau, F. Einsele, und G.C. Glaeser, „Efficiency limits of photovoltaic fluorescent collectors”. Applied Physics Letters, 2005. 87(17): p. 171101-1-3 ). Allerdings läuft das Licht, welches normalerweise im Verlustkegel verloren gehen würde, immer in einem sehr steilen Winkel zur Oberfläche durch den Fluoreszenzkonzentrator. Dadurch ist der effektive Weg zu den Solarzellen an den Kanten sehr lang. Dieses Licht ist deshalb besonders stark von wegabhängigen Verlusten, wie z. B. Reabsorption und parasitärer Absorption, betroffen. Auch bei der Totalreflexion (von schräg laufendem Licht) an der Oberfläche, kommt es aufgrund von nicht perfekten Oberflächen zu Verlusten. Je dünner der Fluoreszenzkonzentrator, desto häufiger wird das Licht an den Oberflächen reflektiert und desto dominanter wird dieser Verlustmechanismus. Deshalb ist die Dicke herkömmlicher Fluoreszenzkonzentratoren nicht beliebig reduzierbar. Die Dicke wird zusätzlich nach unten dadurch begrenzt, dass Solarzellen an die Seiten angebracht werden müssen. Dies ist mit herkömmlichen Solarzellenkonzepten für beliebig dünne Fluoreszenzkonzentratoren nicht ohne weiteres möglich.The efficiency of fluorescence concentrators is limited due to several loss mechanisms. A major loss mechanism is the loss cone of total reflection. Here, however, there are already counterstrategies ( U. Rau, F. Einsele, and GC Glaeser, "Efficiency Limits of Photovoltaic Fluorescent Collectors." Applied Physics Letters, 2005. 87 (17): p. 171101-1-3 ). However, the light that would normally be lost in the loss cone always runs at a very steep angle to the surface through the fluorescence concentrator. As a result, the effective path to the solar cells at the edges is very long. This light is therefore particularly strong of path-dependent losses, such. B. reabsorption and parasitic absorption affected. Even with the total reflection (of oblique light) on the surface, it comes due to imperfect surfaces to losses. The thinner the fluorescence concentrator, the more frequently the light is reflected at the surfaces and the more dominant this loss mechanism becomes. Therefore, the thickness of conventional fluorescence concentrators can not be arbitrarily reduced. The thickness is additionally limited downwards by the fact that solar cells must be attached to the sides. This is not readily possible with conventional solar cell concepts for arbitrarily thin fluorescence concentrators.

Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des beschriebenen Standes der Technik zu überwinden und einen Lumineszenzkollektor bereitzustellen, der eine verbesserte Konzentrierung der Lumineszenzstrahlung ermöglicht. Dieser sollte auch einfach mit Vorrichtungen zur Nutzung der Lumineszenzstrahlung, z. B. Solarzellen, koppelbar sein.outgoing This was the object of the present invention, the disadvantages overcome the described prior art and To provide a luminescent collector, which improved Concentration of the luminescence allows. This should also be easy with devices for using the luminescence radiation, z. As solar cells, be coupled.

Diese Aufgabe wird durch den Lumineszenzkollektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das Solarzellenmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie die Verwendung von Lumineszenzkollektoren mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.These Task is characterized by the luminescence collector with the characteristics of Claim 1, the solar cell module having the features of claim 14 as well as the use of luminescence collectors with the features of claim 21 solved. The other dependent Claims show advantageous developments.

Erfindungsgemäß wird ein Lumineszenzkollektor mit mindestens einer photonischen Struktur und mindestens einem lumineszenten Material bereitgestellt, wobei die mindestens eine photonische Struktur im Emissionsbereich von mindestens einem lumineszenten Material im Wesentlichen reflektierende Eigenschaften und im Absorptionsbereich von mindestens einem lumineszenten Material im Wesentlichen transparente Eigenschaften aufweist. Das lumineszente Material ist dabei in punktförmigen, kanalförmigen oder schichtförmigen Lumineszenzbereichen angeordnet, die sich in einer photonischen Struktur oder zwischen mehreren photonischen Strukturen befinden können. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Lumineszenzstrahlung ein- oder zweidimensional an zumindest einen Rand des Lumineszenzkollektors geführt wird, während in die weiteren Raumrichtungen keine Lumineszenzstrahlung geleitet wird.According to the invention a luminescence collector with at least one photonic structure and provided at least one luminescent material, wherein the at least one photonic structure in the emission range of at least a luminescent material substantially reflective properties and in the absorption region of at least one luminescent material has substantially transparent properties. The luminescent Material is in point-like, channel-shaped or layered Lumineszenzbereichen arranged, the in a photonic structure or between multiple photonic structures can be located. This will allow that the luminescence radiation in one or two-dimensional at least an edge of the luminescence collector is guided while no luminescence radiation is conducted in the further spatial directions becomes.

Das lumineszente Material ist dabei punktförmig oder in kanalförmigen oder schichtförmigen Lumineszenzbereichen angeordnet, und das lumineszente Material befindet sich in einer photonischen Struktur oder zwi schen mehreren photoischen Strukturen. Wesentlich dabei ist, dass sich die eine oder mehrere photonische Strukturen so nahe an dem lumineszenten Material befinden, was im Besonderen auch durch eine Inkorporation des lumineszenten Materials in eine photonische Struktur gewährleistet ist, dass die Emission von Strahlung in unvorteilhafte Raumrichtungen weitgehend unterdrückt wird.The Luminescent material is punctiform or channel-shaped or layered Lumineszenzbereichen arranged, and the luminescent material is in a photonic structure or between several photographic structures. Essential here is that the one or more photonic structures are so close are on the luminescent material, which in particular also by an incorporation of the luminescent material into a photonic one Structure is guaranteed that the emission of radiation largely suppressed in unfavorable spatial directions becomes.

Unter punktförmigen Lumineszenzbereichen werden erfindungsgemäß auch kugelförmige Bereiche umfasst sowie Bereiche, die einen runden, ovalen oder auch unregelmäßigen Umfang bzw. eine unregelmäßige Struktur aufweisen.Under Point-shaped luminescence areas are also according to the invention includes spherical areas as well as areas containing a round, oval or even irregular circumference or have an irregular structure.

Durch die Erfindung werden die Lichtleiteffizienz der Lumineszenzkonzentration und die erzielte Konzentration deutlich erhöht. Das erfindungsgemäße Konzept basiert darauf, eine sehr dünne Schicht, welche lumineszentes Material enthält, zwischen zwei photonischen Strukturen zu platzieren bzw. lumineszentes Material in einem punktförmigen oder kanalförmigen Bereich innerhalb einer photonischen Struktur anzuordnen. Die photonischen Strukturen sollen dabei im Emissionsbereich der lumineszenten Materialien reflektieren; in deren Absorptionsbereich hingegen transparent sein. Durch den erfindungsgemäßen Lumineszenzkollektor wird das Licht sehr effizient zu den Kanten bzw. Rändern des Kollektors geführt, wo es z. B. von Solarzellen genutzt werden kann. Es ist dabei auch möglich, mehrere Lumineszenzkollektoren hintereinander anzuordnen, um eine möglichst vollständige Absorption des einfallenden Sonnenlichtes zu erreichen. Hierbei ist es dann auch möglich, unterschiedliche Materialien, je nach ausgenutztem Spektralbereich, einzusetzen.The invention significantly increases the optical conductivity of the luminescence concentration and the concentration achieved. The concept according to the invention is based on placing a very thin layer, which contains luminescent material, between two photonic structures or arranging luminescent material in a point-shaped or channel-shaped area within a photonic structure. The photonic structures should reflect in the emission region of the luminescent materials; however, be transparent in their absorption area. By the luminescence according to the invention, the light is very ef fizient led to the edges or edges of the collector, where it is z. B. can be used by solar cells. It is also possible to arrange a plurality of luminescence collectors in succession in order to achieve the most complete possible absorption of the incident sunlight. It is then also possible to use different materials, depending on the exploited spectral range.

Der erfindungsgemäße Lumineszenzkollektor weist die Vorteile auf, dass die Lumineszenzstrahlung gezielt ein- bzw. zweidimensional gerichtet wird. Es ist dabei wesentlich, dass in alle anderen Raumrichtungen keine Lumineszenzstrahlung geleitet wird. Die durchschnittliche Weglänge der Lumineszenzstrahlung wird dadurch deutlich reduziert, denn die Strahlung kann nicht mehr schräg nach oben oder unten durch den Kollektor laufen. Die Verluste durch den Verlustkegel der Totalreflexion werden somit vollständig unterdrückt.Of the Inventive luminescence collector has the Advantages on that the luminescence radiation targeted one or two-dimensional is directed. It is essential that in all other spatial directions no luminescence radiation is conducted. The average Path length of the luminescence radiation is thereby clear reduced, because the radiation can not be more oblique Run up or down through the collector. The losses by the Loss cones of total reflection are thus complete suppressed.

Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des punkt- bzw. kanalförmigen Lumineszenzbereiches bzw. die Schichtdicke des schichtförmigen Lumineszenzbereiches ≤ dem Fünffachen der Wellenlänge der Lumineszenzstrahlung, bevorzugt ≤ dem Zweifachen der Wellenlänge der Lumineszenzstrahlung und besonders bevorzugt ≤ der Wellenlänge der Lumineszenzstrahlung.Preferably is the diameter of the point or channel-shaped Luminescence or the layer thickness of the layered Luminescence range ≤ five times the wavelength of Luminescence radiation, preferably ≤ twice the wavelength the luminescence radiation and more preferably ≤ the Wavelength of the luminescence radiation.

Haben die Lumineszenzbereiche eine kanalförmige Geometrie, so ist es möglich, dass diese Lumineszenzbereiche im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Ebenso ist es aber auch möglich, dass die Lumineszenzbereiche im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind. Es ist dabei wesentlich, dass in alle anderen Raumrichtungen keine Lumineszenzstrahlung geleitet wird. Auf diese Weise lassen sich verwobene Strukturen von Lumineszenzbereichen herstellen, die eine Führung der Lumineszenzstrahlung in zwei Dimensionen ermöglichen.To have the luminescence areas a channel-shaped geometry, so it is possible that these luminescence areas substantially are arranged parallel to each other. But it is also possible in that the luminescence areas are substantially perpendicular to one another are arranged. It is essential that in all other spatial directions no luminescence radiation is conducted. Let that way to create interwoven structures of luminescent areas that a guide of the luminescence radiation in two dimensions enable.

Eine weitere erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass der Lumineszenzkollektor flexibel ist, was zum einen durch die Materialwahl, insbesondere der photo nischen Strukturen, und die Schichtdicken der einzelnen Komponente ermöglicht werden kann.A another variant of the invention provides that the luminescence collector is flexible, due on the one hand to the choice of material, in particular the photonic structures, and the layer thicknesses of the single component can be enabled.

Diese Lumineszenzkollektoren bzw. diese Lichtleitung können beispielsweise auch für gestalterische Zwecke genutzt werden. Hier ist insbesondere denkbar, dass z. B. die flexiblen Ausführungen für Kleidung genutzt werden können.These Luminescence collectors or this light pipe can, for example can also be used for creative purposes. Here is in particular conceivable that z. B. the flexible versions can be used for clothing.

Bevorzugt ist mindestens ein kanalförmiger Lumineszenzbereich durch einen photonischen Lichtleiter, in den ein lumineszentes Material eingebracht ist, realisiert. Solche Luminenzbereiche können z. B. durch photonische Lichtleiter (Photonic crystal fibers) realisiert werden, die auch mit entsprechenden, lumineszenten Materialien dotiert sein können.Prefers is at least one channel-shaped luminescence by a photonic light guide into which a luminescent material introduced, realized. Such luminance ranges can z. B. realized by photonic light guides (photonic crystal fibers) which are also doped with corresponding, luminescent materials could be.

Hinsichtlich des lumineszenten Materials sind grundsätzlich alle Materialien mit lumineszenten Eigenschaften geeignet. Es können alle gängigen Matrixmaterialien verwendet werden. Bevorzugt ist das mindestens eine lumineszente Material in ein Matrixmaterial eingebettet, dass insbesondere ausgewählt ist aus transparenten Gläsern, Glaskeramiken, Kristallen, Polymeren, insbesondere Polymethacrylat, Polycarbonat oder Silikone.Regarding Of the luminescent material are basically all materials suitable with luminescent properties. It can all common matrix materials are used. Prefers is the at least one luminescent material in a matrix material embedded, that in particular is selected from transparent Glasses, glass ceramics, crystals, polymers, in particular Polymethacrylate, polycarbonate or silicones.

Weiterhin können die lumineszenten Materialien ausgewählt sein aus organischen Farbstoffen, lumineszenten Nanokristallen, insbesondere aus CdS, CdSe, ZnS, PbSe, PbS oder deren Mischungen sowie aus Gläsern, Glaskeramiken oder Kristallen, die Seltenerd-Ionen, insbesondere Er³⁺, Nd³⁺, Yb³⁺ und/oder Metall-Ionen, insbesondere Cr³⁺ enthalten. Diese Materialien ermöglichen eine optimale Abdeckung aller spektralen Bereiche.Furthermore, the luminescent materials may be selected from organic dyes, luminescent nanocrystals, in particular from CdS, CdSe, ZnS, PbSe, PbS or mixtures thereof and from glasses, glass ceramics or crystals, the rare earth ions, in particular Er ³⁺ , Nd ³⁺ , Yb ³⁺ and / or metal ions, in particular Cr ³⁺ included. These materials allow optimal coverage of all spectral ranges.

Es können auch lumineszente Materialien mit Abwärtskonversionseigenschaften eingesetzt werden, d. h. Materialien, bei denen der hauptsächliche Bereich der Emission bei längeren Wellenlängen als der hauptsächliche Bereich der Absorption liegt. Ebenso ist es möglich, dass das lumineszente Material Quantum-Cutting-Eigenschaften aufweist, wodurch aus einem kurzwelligen Photon mehrere langwellige Photonen entstehen können. Eine weitere Variante sieht vor, dass das lumineszente Material Hochkonversionseigenschaften besitzt, wodurch zumindest teilweise aus mehreren langwelligen Photonen ein kurzwelligeres Photon entsteht.It may also have luminescent materials with down conversion properties be used, d. H. Materials where the main one Range of emission at longer wavelengths than the main area of absorption lies. As well It is possible that the luminescent material has quantum-cutting properties has, whereby from a short-wave photon several long-wave Photons can emerge. Another variant looks For example, the luminescent material has high conversion properties possesses, whereby at least partially from several long-wave photons a short-wave photon is formed.

Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass mehrere lumineszente Materialen in den Lumineszenzbereichen enthalten sind, wobei sich die Absorptionsbereiche der einzelnen lumineszenten Materialien zumindest teilweise unterscheiden. Dadurch kann in den Lumineszenzbereichen spektral unterschiedliches Licht geführt werden, so dass dieses Licht unterschiedlich, z. B. durch spektral angepasste Solarzellen ausgenutzt werden kann. So wird durch den erfindungsgemäßen Lumineszenzkollektor eine kompakte Anordnung mehrerer Solarzellen aus unterschiedlichen Materialien auf einem Wafer nebeneinander ermöglicht. Diese können relativ frei „on-chip” zu einem Minimodul miteinander verbunden werden. Dieses Minimodul kann dabei in einem einzigen Herstellungsschritt hergestellt werden. Eine Möglichkeit ein solches Minimodul herzustellen, besteht darin, eine herkömmliche Stapelsolarzelle aus mehreren Schichten herzustellen. Diese kann dann, ähnlich dem Sliver-Cell-Konzept durch vertikale Schnitte in viele Kleinstmodule mit mehreren nebeneinander liegenden Solarzellen aufgeteilt werden.A Another preferred variant provides that several luminescent Materials are contained in the Lumineszenzbereichen, wherein the absorption areas of the individual luminescent materials at least partially different. As a result, in the luminescence areas spectrally different light, so that this light different, z. B. by spectrally adapted solar cells can be exploited. Thus, by the invention Luminescence collector a compact arrangement of several solar cells made of different materials on a wafer next to each other allows. These can be relatively free "on-chip" too a Minimodul connected to each other. This minimodule can be produced in a single manufacturing step. One possibility is to produce such a minimodule in it, a conventional multi-layer stacked solar cell manufacture. This can then, similar to the Sliver-Cell concept through vertical cuts in many micro modules with several side by side lying solar cells are divided.

Es ist weiter bevorzugt, dass in dem mindestens einen Lumineszenzbereich eine stimulierte Emission erzeugbar ist. Dadurch wird eine gerichtete Emission von Photonen zusätzlich unterstützt. Weil dadurch insgesamt die Emission in Konkurrenz zu nicht strahlenden Verlustmechanismen verstärkt wird, erhöht sich die Quanteneffizienz der lumineszenten Materialien.It it is further preferred that in the at least one luminescence region a stimulated emission can be generated. This becomes a directed emission additionally supported by photons. Because of it Overall, the issue in competition with non-radiative loss mechanisms is amplified, the quantum efficiency increases the luminescent materials.

Vorzugsweise enthalten die photonischen Strukturen im Wesentlichen Siliziumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder polymere Materialien, insbesondere in Form von Kugeln. Ebenso ist es möglich, dass die Photonischen Strukturen aus diesen Materialien bestehen.Preferably the photonic structures essentially contain silicon oxide, Silicon carbide, silicon nitride or polymeric materials, in particular in the form of balls. It is equally possible that the photonic Structures consist of these materials.

Der Lumineszenzkollektor kann in den Bereichen, in denen die Lumineszenzstrahlung aus dem Kollektor tritt, mit mindestens einem Lichtleiter gekoppelt sein. Die Lichtleitung der erfindungsgemäßen Kollektoren kann dabei auch zur Tageslichtnutzung, wie z. B. zur Beleuchtung von Räumen oder Hallen eingesetzt werden.Of the Luminescent collector can be used in the areas where the luminescence radiation out of the collector, coupled with at least one optical fiber be. The light pipe of the collectors according to the invention can also be used for daylight, such. B. for lighting be used by rooms or halls.

Erfindungsgemäß wird ebenso ein Solarzellenmodul mit mindestens einem Lumineszenzkollektor, wie er zuvor beschrieben wurde, und mindestens einer an einer Randfläche des Lumineszenzkollektors in Kontakt mit dem Lumineszenzbereich stehenden Solarzelle bereitgestellt.According to the invention as well a solar cell module with at least one luminescence collector, as previously described and at least one on an edge surface of the luminescence collector in contact with the luminescence region provided solar cell.

Da das Licht in dem erfindungsgemäßen Lumineszenzkollektor in sehr dünnen Schichten oder Kanälen mit sehr geringem Durchmesser geführt wird, sind die erzielbaren Konzentrationen, die sich aus dem Verhältnis zwischen beleuchteter Fläche und Solarzellenfläche ergeben, sehr hoch. Dies erhöht sowohl die Effizienz der Solarzellen, da diese unter Konzentration im Allgemeinen bessere Wirkungsgrade erzielen, als auch die Wirtschaftlichkeit.There the light in the luminescence collector according to the invention in very thin layers or channels with very small diameter are the achievable Concentrations resulting from the ratio between lit Surface and solar cell surface yield, very high. This increases both the efficiency of the solar cells as these are under Concentration generally achieve better efficiencies than also the economy.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Solarzelle elektrische Kontaktierungen auf und die Solarzelle ist dabei so ausgerichtet, dass die elektrischen Kontakte zwischen den Bereichen, in denen die Lumineszenzstrahlung aus dem Lumineszenzkollektor tritt, angeordnet sind. Somit sind die elektrischen Kontakte in dem Bereich der reflektierenden photonischen Strukturen angeordnet, in denen keine Lumineszenzstrahlung geführt wird. Daher entstehen durch die elektrischen Kontakte keine Verschattungsverluste.In a preferred embodiment, the solar cell electrical contacts on and the solar cell is so aligned that the electrical contacts between the areas, in which the luminescence radiation emerges from the luminescence collector, are arranged. Thus, the electrical contacts are in the area arranged the reflective photonic structures in which no luminescence radiation is guided. Therefore arise through the electrical contacts no shading losses.

Vorzugsweise ist die mindestens eine Solarzelle mit dem mindestens einen Lumineszenzbereich optisch gekoppelt. Hierfür ist es erwünscht, dass sich die Brechungsindices der kontaktierten Materialien an der Kontaktstelle nicht wesentlich unterscheiden. Im Falle deutlich unterschiedlicher Brechungsindizes können Transmissionverluste dadurch vermieden werden, dass Kontaktmaterialien mit angepasstem Brechungsindex eingesetzt werden.Preferably the at least one solar cell with the at least one luminescence region is optically coupled. For this it is desirable that the Refractive indices of the contacted materials at the contact point do not differ significantly. In the case of significantly different Refractive indices transmission losses can be avoided by that used contact materials with an adjusted refractive index become.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass Strahlung mit einem Lichtleiter abgeführt wird. Hierfür wird mindestens einer der Luminenszenzbereiche mit einem Lichtleiter zum Abtransport der Lumineszenzstrahlung gekoppelt.A Another possibility is that radiation with a Optical fiber is dissipated. At least one of the luminance areas with a light guide for removal the luminescence coupled.

Hinsichtlich der einsetzbaren Solarzellen bestehen grundsätzlich keine Einschränkungen, so dass alle gängigen Solarzellentypen eingesetzt werden können. Hierzu zählen die Solarzellen vom Typ Si, GaInP, GaAs, Ge, InGaAs, CdTe, CdSe, CIS, CIGS, Farbstoffso larzelle, organische Solarzelle, III-V-Halbleiter oder II-VI-Halbleiter.Regarding the usable solar cells basically do not exist Restrictions, allowing all common solar cell types can be used. These include the solar cells of the type Si, GaInP, GaAs, Ge, InGaAs, CdTe, CdSe, CIS, CIGS, dye solar cell, organic solar cell, III-V semiconductor or II-VI semiconductor.

Vorzugsweise ist die spektrale Empfindlichkeit der mindestens einen Solarzelle auf den Wellenlängenbereich der Lumineszenzstrahlung des jeweilig angekoppelten Lumineszenzbereiches abgestimmt.Preferably is the spectral sensitivity of the at least one solar cell to the wavelength range of the luminescence radiation of tuned respectively coupled luminescence.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Solarzellenmoduls ist die mindestens eine Solarzelle aus einem Querschnitt durch eine Stapelsolarzelle hergestellt und die einzelnen Teilzellen sind entsprechend ihrer spektralen Empfindlichkeit auf die unterschiedlichen lumineszenten Materialien ausgerichtet. Wenn die Stapelzelle mindestens eine Tunneldiode zur elektrischen Verbindung der einzelnen Teilzellen besitzt, dann wird diese so ausgerichtet, dass diese nicht beleuchtet wird und somit kein Licht verloren geht.In an advantageous embodiment of the solar cell module is the at least one solar cell from a cross section through a Stack solar cell produced and the individual sub-cells are appropriate their spectral sensitivity to the different luminescent Geared materials. If the stack cell at least one tunnel diode for has electrical connection of the individual sub-cells, then becomes this aligned so that it is not illuminated and thus no light is lost.

Weiterhin umfasst die Erfindung die Verwendung von Lumineszenzkollektoren zur Lichtleitung für gestalterische Zwecke, insbesondere für Bekleidung, zur Tageslichtnutzung, insbesondere zur Beleuchtung von Räumen, zur Unterstützung von Wachstum organischer Materialien, insbesondere Tiere, Pflanzen, Algen und Lebewesen.Farther For example, the invention includes the use of luminescent collectors to the light pipe for design purposes, in particular for clothing, for daylight use, in particular for Lighting of rooms, in support of Growth of organic materials, especially animals, plants, Algae and living things.

Das mit den Lumineszenzkollektoren gesammelte Licht kann auch zur Unterstützung von chemischen Prozessen genutzt werden. Hierfür kann eine entsprechende Anlage, die z. B. zur Synthese für eine photoinduzierte Reaktion eingesetzt werden kann, beleuchtet werden.The Light collected with the luminescence collectors can also help used by chemical processes. For this one can corresponding facility that z. B. for the synthesis of a photoinduced Reaction can be used, illuminated.

Die erfindungsgemäßen Lumineszenzkollektoren können auch zur Signalübertragung, zur Detektion von elekt romagnetischer Strahlung, als optischer Schalter oder zur Verstärkung von Signalen eingesetzt werden.The Luminescent collectors according to the invention can also for signal transmission, for the detection of elekt romagnetischer Radiation, as an optical switch or for amplification be used by signals.

Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.Based the following figures, the inventive Subject to be explained in more detail, without this restrict to the specific embodiments shown here to want.

1 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Solarzellenmoduls. 1 shows a schematic representation of a first variant of a solar cell module according to the invention.

2 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Solarzellenmoduls. 2 shows a schematic representation of a second variant of a solar cell module according to the invention.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Solarzellenmodul 1 dargestellt. Der Fluoreszenzkollektor weist hierbei photonische Strukturen 2 und 2' auf, die einen Lumineszenzbereich 3, der schichtförmig ausgebildet ist, einschließen. Einfallendes Sonnenlicht E1 wird im Lumineszenzbereich 3 in Lumineszenzstrahlung E2 umgesetzt. Die Emission der Lumineszenzstrahlung erfolgt dabei parallel zu den photonischen Strukturen 2 und 2'. Dies ermöglicht eine effiziente Führung der Lumineszenzstrahlung zu den Randbereichen des Lumineszenzbereiches 3, wo Solarzellen 4 und 4' zur Nutzung der Strahlung angeordnet sind. Die Solarzellen 4 und 4' weisen dabei elektrische Kontaktierungen 5 und 5' auf.In 1 is a solar cell module according to the invention 1 shown. The fluorescence collector in this case has photonic structures 2 and 2 ' on, which is a luminescence area 3 which is layered, including. Incident sunlight E1 becomes in the luminescence area 3 converted into luminescence E2. The emission of the luminescence radiation takes place parallel to the photonic structures 2 and 2 ' , This enables efficient guidance of the luminescence radiation to the edge regions of the luminescence region 3 where solar cells 4 and 4 ' are arranged to use the radiation. The solar cells 4 and 4 ' have electrical contacts 5 and 5 ' on.

In 2 ist eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Solarzellenmoduls 11 dargestellt. Der Fluoreszenzkollektor ist hierbei aus photonischen Strukturen 12 bis 19 aufgebaut, zwischen denen Lumineszenzbereiche 20 bis 25 angeordnet sind. In den Lumi neszenzbereichen 20, 21 und 22 ist dabei ein anderes lumineszentes Material als in den Lumineszenzbereichen 23, 24 und 25 eingesetzt. Diese sich unterscheidenden lumineszenten Materialien sind in unterschiedlichen Spektralbereichen aktiv. Dieser Spektralbereich ist mit dem aktiven Spektralbereich der angekoppelten Solarzellen abgestimmt. Dadurch lässt sich ein größerer Teil des Sonnenspektrums effizient ausnutzen.In 2 is another variant of a solar cell module according to the invention 11 shown. The fluorescence collector is here of photonic structures 12 to 19 constructed, between which Lumineszenzbereiche 20 to 25 are arranged. In the luminescence areas 20 . 21 and 22 is a different luminescent material than in the luminescence areas 23 . 24 and 25 used. These differing luminescent materials are active in different spectral ranges. This spectral range is tuned with the active spectral range of the coupled solar cells. This allows a greater part of the solar spectrum to be used efficiently.

Hinsichtlich der Ankopplung der Solarzellen sind auf der linken und rechten Seite zwei unterschiedliche Varianten der Ankopplung dargestellt. Auf der linken Seite sind zwei Solarzellen 26 und 27 durch eine Tunneldiode 28 getrennt. Der Spektralbereich der Solarzelle 26 ist dabei auf das lumineszente Material in den Lumineszenzbereichen 20, 21 und 22 abgestimmt, während der spektrale Bereich der Solarzelle 27 auf das lumineszente Material in den Lumineszenzbereichen 23, 24 und 25 abgestimmt ist. Die linke Seite stellt somit eine Serienverschaltung über die Tunneldiode 28 dar, die sich ergeben würde, wenn ein Mini-Modul über einen Sliver-Cell-ähnlichen Prozess aus einer Stapelsolarzelle gewonnen würde.With regard to the coupling of the solar cells, two different variants of the coupling are shown on the left and right sides. On the left side are two solar cells 26 and 27 through a tunnel diode 28 separated. The spectral range of the solar cell 26 is on the luminescent material in the luminescence 20 . 21 and 22 tuned while the spectral range of the solar cell 27 on the luminescent material in the luminescence areas 23 . 24 and 25 is tuned. The left side thus provides a series connection via the tunnel diode 28 which would result if a mini-module were obtained from a stacked solar cell via a Sliver-Cell-like process.

Auf der rechten Seite sind zwei Solarzellen 29 und 30 auf einem gemeinsamen Substrat 33 abgeschieden. Der Metallkontaktfinger 32 ist auf die photonische Struktur 13 so ausgerichtet, dass keinerlei Abschattungsverluste auftreten.On the right side are two solar cells 29 and 30 on a common substrate 33 deposited. The metal contact finger 32 is on the photonic structure 13 aligned so that no Abschattungsverluste occur.

Zwischen den Metallkontaktfingern ist eine optische Kopplung 31 zwischen Lumineszenzbereich 20 und Solarzelle 29 angeordnet.Between the metal contact fingers is an optical coupling 31 between luminescence region 20 and solar cell 29 arranged.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- (Goetzberger, A. and W. Greubel, "Solar energy conversion with fluorescent collectors." Applied Physics, 1977, 14: pp. 123-39 [0002]
U. Rau, F. Einsele, and GC Glaeser, "Efficiency limits of photovoltaic fluorescent collectors". Applied Physics Letters, 2005. 87 (17): p. 171101-1-3 [0003]

Claims

Luminescent collector with at least one photonic structure ( 2 . 2 ' ) and at least one luminescent material, wherein the at least one photonic structure ( 2 . 2 ' ) in the emission region of at least one luminescent material substantially reflective properties and in the absorption region of at least one luminescent material has substantially transparent properties, wherein the luminescent material in punctiform, channel-shaped or layered luminescence areas ( 3 ) in one or more photonic structures ( 2 . 2 ' ), so that luminescence radiation is guided in one or two dimensions to at least one edge of the luminescence collector, while in the other spatial directions no luminescence radiation is conducted.

Luminescence collector according to claim 1, characterized in that the point, channel diameter or the layer thickness of the luminescence region ( 3 ) ≦ five times the wavelength of the luminescence radiation, preferably ≦ twice the wavelength of the luminescence radiation, and more preferably ≦ the wavelength of the luminescence radiation.

Luminescence collector according to one of the preceding claims, characterized in that the channel-shaped luminescence areas ( 3 ) are arranged substantially parallel to each other.

Luminescence collector according to one of the preceding claims, characterized in that the channel-shaped luminescence areas ( 3 ) are arranged substantially perpendicular to each other or interwoven.

Luminescent collector according to one of the preceding Claims, characterized in that the luminescence collector is flexible.

Luminescence collector according to one of the preceding claims, characterized in that at least one channel-shaped luminescence region ( 3 ) is realized by a photonic light guide, in which a luminescent material is introduced.

Luminescent collector according to one of the preceding Claims, characterized in that the at least a luminescent material is embedded in a matrix material, that is in particular selected from transparent glasses, Glass-ceramics, crystals, polymers, in particular polymethacrylate, Polycarbonate or silicones.

Luminescent collector according to one of the preceding claims, characterized in that the luminescent materials are selected from organic dyes, luminescent nanocrystals, in particular CdS, CdSe, ZnS, PbSe, PbS or mixtures thereof, of glasses, glass ceramics or crystals containing rare earth ions, in particular He ³⁺ , Nd ³⁺ , Yb ³⁺ and / or metal ions, in particular Cr ³⁺ .

Luminescent collector according to one of the preceding Claims, characterized in that the at least a luminescent material down conversion properties, Quantum-cutting properties or high conversion properties having.

Luminescent collector according to one of the preceding Claims, characterized in that a plurality of luminescent Materials are included, whose absorption ranges, at least partially different.

Luminescence collector according to one of the preceding claims, characterized in that in the at least one luminescence region ( 3 ) a stimulated emission can be generated.

Luminescent collector according to one of the preceding claims, characterized in that the photonic structures ( 2 . 2 ' ) consist of silicon oxide, silicon carbide, silicon nitride or of polymeric materials, in particular in the form of spheres, or contain these substantially.

Luminescent collector according to one of the preceding Claims, characterized in that the luminescence collector in the areas where the luminescent radiation emerges from the collector, is coupled with at least one light guide.

Solar cell module ( 1 ) with at least one luminescence collector according to one of the preceding claims and at least one on an edge surface of the luminescence collector in contact with the luminescence region ( 3 ) standing solar cell ( 4 . 4 ' ).

Solar cell module ( 1 ) according to claim 14, characterized in that the solar cell ( 4 . 4 ' ) electrical contacts ( 5 . 5 ' ) and the solar cell ( 4 . 4 ' ) is aligned so that the electrical contacts ( 5 . 5 ' ) between the areas in which the luminescence radiation passes out of the collector are arranged.

Solar cell module ( 1 ) according to claim 14 or 15, characterized in that the at least one solar cell ( 4 . 4 ' ) and the at least one luminescence region ( 3 ) are optically coupled together.

Solar cell module ( 1 ) according to one of claims 14 to 16, characterized in that the solar cell module ( 1 ) is coupled to a light guide for removing the luminescence radiation.

Solar cell module ( 1 ) according to one of claims 14 to 17, characterized in that the at least one solar cell ( 4 . 4 ' ) of the type Si, GaInP, GaAs, Ge, InGaAs, CdTe, CdSe, CIS, CIGS, dye solar cell, organic solar cell, III-V semiconductor or II-VI semiconductor.

Solar cell module ( 1 ) according to one of claims 14 to 18, characterized in that the spectral sensitivity of the at least one solar cell ( 4 . 4 ' ) to the wavelength range of the luminescence radiation of the respective coupled luminescence region (US Pat. 3 ) is tuned.

Solar cell module ( 1 ) according to one of claims 14 to 19, wherein the at least one solar cell ( 4 . 4 ' ) is made of a cross-section through a stacked solar cell and the individual sub-cells are aligned according to their spectral sensitivity to the different luminescent materials.

Use of luminescence collectors after a of claims 1 to 13 for light management for ge stalterische Purposes, in particular for clothing, for the use of daylight, especially for lighting rooms, for support growth of organic materials, especially animals, plants, Algae, living things.

Use of luminescence collectors after a of claims 1 to 13, wherein the collected light for Support of chemical processes is used.

Use of luminescence collectors after a of claims 1 to 13 for signal transmission, for the detection of electromagnetic radiation, as an optical switch or to amplify signals.