DE19747613A1

DE19747613A1 - Photovoltaic module with solar radiation energy concentrator

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Publication number: DE19747613A1
Application number: DE19747613A
Authority: DE
Original assignee: Hne Elektronik & Co Satel GmbH
Current assignee: Hne Elektronik & Co Satel GmbH
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 1999-05-12

Abstract

The refraction structures (BS) are designed for transmission and/or reflection and are shaped as sawtooth furrows. They are typically in the form of foils applied to transparent support materials for transmission operation. The solar radiation (ES) of different wavelength is concentrated on energy transducers of different efficiency, by the structures in connection with concentrating surface elements.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine photovoltaische Anordnung mit einer Vor richtung zur Konzentration von solarer Strahlungsenergie.The invention relates to a photovoltaic arrangement with a front Direction for the concentration of solar radiation energy.

Eine derartige photovoltaische Anordnung ist in der DE 41 08 503 C2 als be kannt ausgewiesen. Zur Aufspaltung des solaren Strahlungsspektrums ist ein spektralselektiver Spiegel und auch ein holographisches Element genannt, wobei zum Aufbau und zur Wirkungsweise des holographischen Elementes keine nähe ren Ausführungen gemacht sind. Such a photovoltaic arrangement is in DE 41 08 503 C2 as be known. To split the solar radiation spectrum is a spectrally selective mirror and also called a holographic element, where no closeness to the structure and mode of operation of the holographic element ren are made.

Auch in der US-PS 4,433,199 ist eine photovoltaische Anordnung angegeben, bei der zur Konzentration der Strahlungsenergie ein parabolischer Reflektor, ein Linsensystem sowie Lichtleitfasern genannt sind.A photovoltaic arrangement is also specified in US Pat. No. 4,433,199. in which a parabolic reflector is used to concentrate the radiation energy Lens system and optical fibers are called.

Die Kosten photovoltaischer Systeme werden zu einem wesentlichen Teil durch die Aufwendungen für die Energie wandelnden Materialien bestimmt. Derzeit sind die hauptsächlich verwendeten Materialien für Solarzellen kristallines und amorphes Silizium. Mit Hilfe von Solarkonzentratoren für die Strahlungsenergie kann bei gleicher elektrischer Leistung Siliziumfläche eingespart werden, und damit wird eine Reduzierung der Gesamtinstallationskosten möglich.The costs of photovoltaic systems are largely covered by determines the expenses for energy converting materials. Currently the main materials used for solar cells are crystalline and amorphous silicon. With the help of solar concentrators for radiation energy silicon area can be saved with the same electrical power, and this makes it possible to reduce the total installation costs.

Die Wirkung der Solarkonzentratoren beruht auf der Eigenschaft von Licht sam melnden optischen Elementen, wie z. B. Linsen oder gewölbten Spiegeln und ist seit langem bekannt. Theoretisch ist eine maximale Konzentration des Sonnen lichtes um einen Faktor 46222 bei sphärischer Konzentration, und bei einer zylindrischen Optik beträgt der maximale Konzentrationsfaktor die Wurzel aus diesem Wert, nämlich 215. Typische realisierbare Konzentrationsfaktoren sind jedoch nur ca. einige 1000 für sphärische Konzentratoren und ca. 50 für zylin drische Konzentratoren. Zur Erzielung solcher Konzentrationswerte sind konzen trierende Linsen oder Spiegel und eine Nachführeinrichtung notwendig. Die Kosten für klassische Linsen, Fresnellinsen in Kunststoff oder Spiegel sind jedoch so hoch, daß die Einsparung von Materialkosten bei den Solarzellen durch die Kosten für die Strahlungsenergie bzw. Lichtkonzentration aufgehoben werden.The effect of the solar concentrators is based on the property of light sam melting optical elements such. B. lenses or curved mirrors and is known for a long time. Theoretically, a maximum concentration of the sun light by a factor of 46222 at spherical concentration, and at one cylindrical optics, the maximum concentration factor is the root this value, namely 215. Typical realizable concentration factors however only about a few 1000 for spherical concentrators and about 50 for cylin drical concentrators. To achieve such concentration values are concentrated trating lenses or mirrors and a tracking device necessary. The Costs for classic lenses, Fresnel lenses in plastic or mirrors are however, so high that the savings in material costs for the solar cells canceled by the costs of radiation energy or light concentration become.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine photovoltaische Anord nung mit einer Vorrichtung zur Konzentration von Sonnenlicht zu schaffen, deren Herstellungskosten so gering sind, daß sie als Solarkonzentratoren für photovoltaische Systeme wirtschaftlich eingesetzt werden können.The invention is therefore based on the object of a photovoltaic arrangement with a device for concentrating sunlight, whose manufacturing costs are so low that they are used as solar concentrators for photovoltaic systems can be used economically.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, daß wenigstens ein Teil der für eine Konzentration solarer Strah lung benutzten optischen Flächenelementen mit beugenden Strukturen belegt ist. Mittels der beugenden Strukturen wird mit relativ einfachen, kostengün stigen Maßnahmen nicht nur die Konzentration der solaren Strahlungsenergie erreicht, sondern es ist gleichzeitig auch eine spektrale Anpassung an die photovoltaische Wandlereinrichtung erzielbar.This object is achieved with the features of claim 1. After that is provided that at least a part of the concentration for a solar beam used optical surface elements with diffractive structures is. By means of the diffractive structures is relatively simple, inexpensive measures not only the concentration of solar radiation energy achieved, but it is also a spectral adaptation to the photovoltaic converter device achievable.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wie aus den Beschreibungen der Ausführungsbeispiele hervorgeht.Advantageous refinements are the subject of the dependent claims, such as from the Descriptions of the embodiments emerges.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug nahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to exemplary embodiments took explained in more detail on the drawings. Show it:

Fig. 1 einen zweistufigen Aufbau einer Vorrichtung zur Konzen tration von solarer Strahlungsenergie mit beugenden Struk turen, Fig. 1 is a two-stage structure of an apparatus for concen tration of solar radiation with structural diffractive structures,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Konzentration von solarer Strahlungsenergie mit beugenden Strukturen, Fig. 2 shows another embodiment for a device for concentration of solar radiation with diffractive structures,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Kon zentration von solarer Strahlungsenergie mit beugenden Strukturen, Fig. 3 shows a further embodiment of the apparatus for con concentration of solar radiation with diffractive structures,

Fig. 4 ein mit beugenden Strukturen spektral auseinandergezoge nes Sonnenbild, Fig. 4 is a spectrally auseinandergezoge with diffracting structures nes solar image,

Fig. 5 eine beugende Struktur in Form eines transmissiven Ober flächenreliefgitters, Figure 5 is a diffractive structure in the form of surface relief grating of a transmissive top.,

Fig. 6 eine Darstellung zur Beugungseffizienz einer beugenden Struktur in Form einer Sägezahnstruktur mit 600 nm Design wellenlänge in der ersten Beugungsordnung, Fig. 6 is a diagram for diffraction efficiency of a diffractive structure in the form of a sawtooth with a 600 nm design wavelength in the first diffraction order,

Fig. 7 eine beugende Struktur in Form einer zylindrischen Diffrak tionslinse in Draufsicht, Fig. 7 is a diffractive structure in the form of a cylindrical Diffrak tion lens in plan view,

Fig. 8 eine Fokussierung mit einer beugen den Struktur in Form einer planaren Diffraktionslinse, Fig. 8 is a focusing with a bow to the structure in the form of a planar diffraction lens,

Fig. 9 eine Approximation einer beugenden Struktur in Form eines Sägezahngitters durch Treppenstufen, Fig. 9 is an approximation of a diffractive structure in the form of a saw-tooth grating by steps,

Fig. 10 ein solares Strahlungsspektrum auf der Erdoberfläche, Fig. 10, a solar radiation spectrum at the earth's surface,

Fig. 11 ein weiteres solares Strahlungsspektrum, Fig. 11 shows a further solar radiation spectrum,

Fig. 12 eine Darstellung der relativen spektralen Wandlungseffizienz von Solarzellen und Fig. 12 shows the relative spectral conversion efficiency of solar cells and

Fig. 13 ein thermisch umgewandelter relativer Energieanteil in Näherung. Fig. 13 is a thermally altered relative amount of energy in approximation.

Beugungsoptische oder kurz beugende Strukturen BS sind je nach Anwendung mehr oder weniger periodische Anordnungen von Linien in Abständen von 0,5 bis 50 Mikrometern (µm). Ein Linienelement ist meist als Oberflächenrelief in Form von rechteckigen, sinusförmigen oder sägezahnförmigen Furchen ausge führt. Je nach Furchenform ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften der beugenden Struktur BS bzw. des Beugungsgitters.Diffractive optics or short diffractive structures BS are depending on the application more or less periodic arrangement of lines at intervals of 0.5 up to 50 micrometers (µm). A line element is usually in as a surface relief Form of rectangular, sinusoidal or sawtooth-shaped furrows leads. Depending on the furrow shape, there are different properties of the diffractive structure BS or the diffraction grating.

Beleuchtet man eine beugende Struktur BS in Form eines optischen Strichgitters unter einem Winkel α (Fig. 5), so beobachtet man eine Aufspaltung des einge strahlten Strahls in verschiedene Strahlung unterschiedlicher Ausbreitungs richtungen. Diese Ausbreitungsrichtungen nennt man Beugungsordnungen (m), deren Ablenkwinkel (ε) sich aus dem Beugungsgesetz ergeben.
If one illuminates a diffractive structure BS in the form of an optical line grating at an angle α ( FIG. 5), one observes a splitting of the incident beam into different radiation of different propagation directions. These directions of propagation are called diffraction orders (m), the deflection angles (ε) of which result from the diffraction law.

Sin(ε_m) = mλ/p + sin(α).Sin (ε _m ) = mλ / p + sin (α).

m bezeichnet dabei die Beugungsordnung, λ ist die Wellenlänge und p ist die Periodenbreite der Gitterlinien (Gitterperiode). Je nach Form der Furchen erhält man unterschiedlich viel Licht in den Beugungsordnungen m. Für den vorliegen den Zweck der Energiekonzentration sind sägezahnförmige Beugungsgitter be sonders vorteilhaft, weil diese im optimalen Fall nur eine Beugungsordnung in aufweisen. Dies trifft allerdings nur für Licht einer Wellenlänge zu. Die Beu gungseffizienz hängt von der Tiefe der Furchen und der Wellenlänge λ ab. So fern die Periode der beugenden Struktur BS wesentlich größer als die Wellen länge λ ist, kann man die Energieverteilung in den Beugungsordnungen m mit hinreichender Genauigkeit durch die skalare Beugungstheorie (s. z. B. Handbook of Optics, Vol. II, Chapter 8, Mac Graw Hill, 1995, ISBN 0-07-047974-7) be rechnen. Der Energieanteil der m-ten Beugungsordnung für ein Sägezahngitter (Blazegitter) ergibt sich dabei zu r_m in Reflexion und zu t_m in Transmission
m denotes the diffraction order, λ is the wavelength and p is the period width of the grating lines (grating period). Depending on the shape of the furrows, different amounts of light are obtained in the diffraction orders m. For the present purpose of energy concentration, sawtooth-shaped diffraction gratings are particularly advantageous because, in the optimal case, they have only one diffraction order. However, this only applies to light of one wavelength. The diffraction efficiency depends on the depth of the furrows and the wavelength λ. As far as the period of the diffractive structure BS is significantly larger than the wavelength λ, the energy distribution in the diffraction orders m can be measured with sufficient accuracy by the scalar diffraction theory (see e.g. Handbook of Optics, Vol. II, Chapter 8, Mac Graw Hill , 1995, ISBN 0-07-047974-7). The energy component of the mth diffraction order for a sawtooth grating (blaze grating) results from r _m in reflection and t _m in transmission

wobei in die Beugungsordnung bezeichnet, n der Brechungsindex einer Deck schicht eines reflektierenden Gitters (Reflexionsgitter) R bzw. der Brechungs index eines Trägermaterials eines Transmissionsgitters T ist und Δz die geo metrische Tiefe der Furche und λ die Wellenlänge darstellt.where denoted in the diffraction order, n is the refractive index of a deck layer of a reflective grating (reflection grating) R or the refraction index of a carrier material of a transmission grating T and Δz is the geo represents the metric depth of the groove and λ the wavelength.

Für das Reflexionsgitter R mit einer Deckschicht des Brechungsindex 1,5, wie man ihn bei reflektierenden holographischen Folien vorfindet, errechnet sich eine Furchentiefe in der 1. Ordnung von λ/3. Für eine optimale Beugungseffizienz in der 1. Beugungsordnung bei einer Wellenlänge von beispielsweise 600 nm er rechnet sich also eine Tiefe von 200 nm, die man mit rotatorisch arbeitenden Prägeverfahren in Folien erzielen kann. Bei der doppelten Tiefe ist die Beu gungseffizienz in 2. Ordnung wiederum optimal, allerdings verdoppelt sich dann der Ablenkwinkel ε bei gleicher Gitterperiode p, wie aus der Gittergleichung zu ersehen ist. Für die doppelte Wellenlänge λ ergibt sich dann ebenso eine opti male Beugungseffizienz in der 1. Ordnung mit dem gleichen Ablenkwinkel ε. For the reflection grating R with a top layer of refractive index 1.5, such as if you find it in reflective holographic foils, you get one Furrow depth in the 1st order of λ / 3. For optimal diffraction efficiency in the 1st diffraction order at a wavelength of, for example, 600 nm So a depth of 200 nm, which one works with rotary, pays off Can achieve embossing processes in foils. At double the depth is the Beu Second-order efficiency is again optimal, but then doubles the deflection angle ε for the same grating period p as from the grating equation is seen. For the double wavelength λ there is also an opti Male 1st order diffraction efficiency with the same deflection angle ε.

In Fig. 6 ist die Beugungseffizienz einer Sägezahnstruktur mit optimaler Tiefe in der 1. Beugungsordnung für eine Wellenlänge λ von 600 nm aufgetragen.In FIG. 6, the diffraction efficiency is a sawtooth pattern with an optimum depth in the 1 st diffraction order for a wavelength λ of 600 nm is applied.

Geht man zu sehr feinen Strukturen in der Größenordnung der Wellenlänge λ oder zu sehr tiefen Strukturen, dann gilt die skalare Beugungstheorie nicht mehr mit hinreichender Genauigkeit und man muß die Strukturen durch rigorose nu merische Verfahren berechnen.If you go to very fine structures in the order of the wavelength λ or too deep structures, then the scalar diffraction theory no longer applies with sufficient accuracy and the structures must be rigorously nu Calculate meritical procedures.

Läßt man die Periode eines solchen Sägezahngitters vom Zentrum aus nach außen mit einer Wurzelkennlinie immer kleiner werden, erhält man eine zylin drische Beugungs- oder Diffraktionslinse, wie in Fig. 7 gezeigt. Die Stufenhöhe beträgt bei einer Realisierung als reflektierende Prägefolie für den obigen Wellenlängenbereich λ, die mit einem Schutzlack abgedeckt ist, 150-300 nm.If you let the period of such a sawtooth grating become smaller and smaller with a root characteristic from the center, a cylindrical diffraction or diffraction lens is obtained, as shown in FIG. 7. When implemented as reflective stamping foil for the above wavelength range λ, which is covered with a protective lacquer, the step height is 150-300 nm.

Benutzt man solche Strukturen auf flachen Substraten, so ergibt sich bei senk rechter Beleuchtung der maximale, Ablenkwinkel am Rand der Beugungslinse zu sin(ε) = m.λ/p_min, wobei p_min die kleinste herzustellende Strukturbreite ist.If such structures are used on flat substrates, the maximum deflection angle at the edge of the diffraction lens is sin (ε) = m.λ / p _min , with p _{min being} the smallest structure width to be produced.

Mikrolithographisch können Sägezahngitter in Form von Treppenstufen approxi miert werden. Bei 4-stufigen Treppen erhält man eine maximale Beugungseffi zienz von 80% und bei 8-stufigen Treppen bereits eine Effizienz von 95%, so daß mit 4- oder 8-stufigen Beugungsgittern bereits eine ausreichende Approxi mation der idealen Struktur für die vorliegende Anwendung erzielt wird.Sawtooth gratings in the form of stair steps can be approxi be lubricated. With 4-step stairs you get a maximum diffraction efficiency efficiency of 80% and with 8-step stairs already an efficiency of 95%, see above that with 4- or 8-stage diffraction gratings is already a sufficient approxi mation of the ideal structure for the present application is achieved.

Eine alternative Möglichkeit, allerdings nur für rotationssymmetrische, sphä rische Linsen und Spiegel, wäre Diamantdrehen. Zylindrische Linsen können grundsätzlich auch durch sogenannte Gitterteilmaschinen hergestellt werden, bei denen mit einem Diamant Furchen in ein Substrat gezogen werden. Die kleinste Breite für einen Stufenabschnitt, der derzeit typischerweise durch verfügbare Mikrolithographieanlagen realisiert werden kann, liegt etwa bei 1 bis 1,5 µm. Daraus ergibt sich für die einfachste Approximation mit 4 Stufen eine minimale Periode von 4 bis 6 µm. Aus diesen Werten kann man einen maxima len Ablenkwinkel sin(ε) bei λ = 0,8 µm von 0,8 µm/(4-6 µm) ≈ 0,15-0,2 bzw. ε ≈ 8,5-11,5° für die 1. Beugungsordnung ableiten. Sin(ε) wird auch als nu merische Apertur bezeichnet. Mit diffraktiven Linsen dieser Feinstruktur läßt sich demgemäß eine Konzentration von ca. 35 bis 40 (215 : 5 oder 6) erreichen. Verwendet man die zweite oder eine noch höhere Beugungsordnung m, verviel facht sich der Ablenkwinkel ε entsprechend, wodurch eine entsprechend höhere Konzentration realisierbar wird. Dafür ist, jedoch ein mehrfaches der Tiefe der Rillen im Vergleich zur ersten Beugungsordnung nötig.An alternative possibility, but only for rotationally symmetrical, spherical lenses and mirrors, would be diamond turning. Cylindrical lenses can are basically also produced by so-called lattice dividing machines, in which furrows are cut into a substrate with a diamond. The smallest width for a step section, which is currently typically through available microlithography systems can be realized, is about 1 to 1.5 µm. This results in one for the simplest approximation with 4 levels minimal period from 4 to 6 µm. A maximum can be obtained from these values len deflection angle sin (ε) at λ = 0.8 µm of 0.8 µm / (4-6 µm) ≈ 0.15-0.2 or Derive ε ≈ 8.5-11.5 ° for the 1st diffraction order. Sin (ε) is also called nu called merische aperture. With diffractive lenses this fine structure leaves accordingly a concentration of approx. 35 to 40 (215: 5 or 6) is reached. If one uses the second or an even higher diffraction order m, multiply folds the deflection angle ε accordingly, whereby a correspondingly higher Concentration becomes realizable. For this, however, is a multiple of the depth of the Grooves compared to the first diffraction order necessary.

In Fig. 7 ist das Aussehen einer zylindrischen Diffraktionslinse durch Grau stufencodierung gezeigt. Die Konzentration der Strahlungsenergie mit einer idealen Diffraktionslinse ist in Fig. 8 gezeigt. In dieser Konfiguration zeigt die Diffraktionslinse keine dispergierende Wirkung. Lediglich die Brennweite ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge λ, so daß der Fokus im Roten näher bei der Linse liegt als im Blauen.In Fig. 7 the appearance of a cylindrical diffraction lens is shown by gray step coding. The concentration of the radiation energy with an ideal diffraction lens is shown in FIG. 8. In this configuration, the diffraction lens shows no dispersing effect. Only the focal length is inversely proportional to the wavelength λ, so that the focus in the red is closer to the lens than in the blue.

Bei der Konzentration des Sonnenlichts auf eine Solarzelle S tritt das Problem der Erhitzung auf, weil nicht alle einfallende Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. In Fig. 12 sind die relativen Wandlungseffizienzen WE von amorphem und kristallinem Silizium aufgetragen. Im Grünen, wo die Einstrah lung der Sonne am stärksten ist, wird die Wandlungseffizienz WE von kristalli nem Silizium schlechter. Das nicht in elektrische Energie umgewandelte Licht trägt zur Erwärmung der Solarzelle S bei. When the sunlight is concentrated on a solar cell S, the problem of heating arises because not all incident light energy is converted into electrical energy. The relative conversion efficiencies WE of amorphous and crystalline silicon are plotted in FIG . In the green, where the sun's radiation is strongest, the conversion efficiency WE of crystalline silicon deteriorates. The light which is not converted into electrical energy contributes to the heating of the solar cell S.

Durch Temperaturerhöhung sinkt die Wandlungseffizienz WE wiederum ab. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, wenn verschiedene Solarzellentypen nur mit den spektralen Anteilen beleuchtet werden, bei denen sie eine hohe Wandlungs effizienz WE haben. In Fig. 10 und Fig. 11 ist ein solares Spektrum auf der Erdoberfläche aufgetragen. Die meiste Energie wird also entsprechend der Be strahlungsstärke I im Bereich des Grünen auf die Erde gestrahlt.The conversion efficiency WE in turn decreases due to an increase in temperature. For this reason, it is advantageous if different types of solar cells are only illuminated with the spectral components in which they have a high conversion efficiency WE. In FIG. 10 and FIG. 11 is plotted on the earth's surface a solar spectrum. Most of the energy is radiated to the earth according to the radiation intensity I in the green area.

Für die weiteren Berechnungen wurde ein grob mit 50 nm Schriftweite abge tastetes Global, 37° Air Mass 1,5 Spektrum verwendet (s. Fig. 11). Für ge nauere Berechnungen müßte man natürlich bessere Daten verwenden und vor allem auch den Aufstellungsort berücksichtigen. Aber für eine grobe Ab schätzung des Möglichen sind die Daten ausreichend.A global, 37 ° Air Mass 1.5 spectrum roughly scanned with a 50 nm font width was used for the further calculations (see FIG. 11). For more precise calculations, one would of course have to use better data and, above all, take the location into account. But the data are sufficient for a rough estimate of what is possible.

Meist werden Solarzellen S aus Silizium verwendet, die amorph bzw. kristallin unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen (Fig. 12). Wichtig für die Umsetzung in elektrischen Strom ist das Produkt aus Einstrahlung und spektra ler Empfindlichkeit. Kristallines Silizium weist zwischen 500 und 900 nm einen guten optoelektronischen Konversionswirkungsgrad mit einem Maximum bei 900 nm auf, während amorphes Silizium eine gute Wandlungseffizienz WE zwischen 500 und 700 nm mit einem Maximum bei 600 nm aufweist. Unter schiedlich ist jedoch der Anteil, der in thermische Energie umgewandelt wird und damit zur unerwünschten Erwärmung der Solarzelle S beiträgt. Dabei trägt im wesentlichen das Licht im sichtbaren Bereich zur Erwärmung von kristallinem Silizium bei, weil die absorbierten Photonen eine wesentlich höhere Energie als den Bandabstand (bei 1200 nm) besitzen. Die überschüssige Energie wird ther misch umgesetzt. Der infrarote Anteil über 1000 nm trägt im wesentlichen auch zur Absorption bei. Ab 1200 nm ist Silizium transparent und die Energie im Spektrum ist nicht mehr sehr hoch, so daß dieser Energieanteil wohl nicht stark zur Erwärmung beiträgt. In Fig. 13 ist ein geschätzter Anteil der thermischen Umwandlung über der Wellenlänge λ aufgetragen. Die Schätzung beruht dabei auf der Differenz der umgewandelten elektrischen Energie zur gesamten Ener gie. Die umgesetzte thermische Energie über der Wellenlänge λ ist demnach bei kristallinem Silizium im Bereich zwischen 700 und 1000 nm gering, während sie bei amorphem Silizium nur zwischen 550 und 650 nm gering ist.Mostly solar cells S made of silicon are used which have amorphous or crystalline different spectral sensitivities ( FIG. 12). The product of radiation and spectral sensitivity is important for the conversion into electrical current. Crystalline silicon has between 500 and 900 nm a good optoelectronic conversion efficiency with a maximum at 900 nm, while amorphous silicon has a good conversion efficiency WE between 500 and 700 nm with a maximum at 600 nm. However, the proportion that is converted into thermal energy is different and thus contributes to the undesired heating of the solar cell S. Essentially, the light in the visible range contributes to the heating of crystalline silicon because the absorbed photons have a much higher energy than the band gap (at 1200 nm). The excess energy is converted thermally. The infrared portion above 1000 nm also essentially contributes to absorption. From 1200 nm, silicon is transparent and the energy in the spectrum is no longer very high, so that this proportion of energy does not contribute much to heating. An estimated portion of the thermal conversion is plotted against the wavelength λ in FIG. 13. The estimate is based on the difference between the converted electrical energy and the total energy. The converted thermal energy over the wavelength λ is accordingly low for crystalline silicon in the range between 700 and 1000 nm, while it is only low for amorphous silicon between 550 and 650 nm.

Um also eine unerwünschte Aufheizung zu verhindern, sollte bei kristallinem Silizium im wesentlichen nur Licht zwischen 700 und 1000 nm und bei amor phem Silizium nur zwischen 500 und 700 nm auf die Solarzelle S gelangen.So in order to prevent unwanted heating, crystalline Silicon essentially only light between 700 and 1000 nm and at amor phem silicon only reach the solar cell S between 500 and 700 nm.

Mit Hilfe von Interferenzfiltern können diese Lichtanteile rückreflektiert werden. Derartige Interferenzfilter sind allerdings sehr teuer, weshalb diese Methode aus wirtschaftlichen Gründen kaum in Frage kommen dürfte.With the help of interference filters, these light components can be reflected back. Such interference filters are, however, very expensive, which is why this method is used economic reasons should hardly come into question.

The structure of the diffraction grating

Vorliegend werden beugende Strukturen BS unterschiedlicher Furchenform und Periode dahingehend benutzt, Licht verschiedener Wellenlänge λ mit unter schiedlicher Effizienz in unterschiedliche Richtungen zu lenken.In the present case there are diffractive structures BS of different furrow shape and Period used in that light of different wavelengths λ with under to steer different efficiency in different directions.

Die einfachste Variante ist eine zylindrische Diffraktionslinse mit einer Designwellenlänge von beispielsweise 600 nm, die für amorphe Solarzellen S angepaßt ist (Fig. 7). Mit diesem Design läßt sich der Infrarotanteil, der am stärksten zur Erwärmung beiträgt, in etwa um die Hälfte reduzieren. Der Blau anteil kann damit allerdings nur um ca. 20% reduziert werden, da die 2. Beu gungsordnung, die bei 300 nm ihr Maximum hat, einen signifikanten Anteil auf die Solarzelle S lenkt. Um auch diesen Anteil noch zu reduzieren, kann ein zweistufiges Design, wie in Fig. 1 gezeigt, benutzt werden. In diesem Fall wird ein Transmissionsgitter T und ein Reflexionsgitter R in Form einer reflektie renden Diffraktionslinse eingesetzt. Das Transmissionsgitter T kann beispiels weise für ultraviolettes Licht von beispielsweise 200 nm optimiert werden. Alles UV-Licht und auch noch große Blauanteile werden gebeugt und werden von der Diffraktionslinse R in eine andere Brennlinie oder einen anderen Brennpunkt fokussiert. Die Diffraktionslinse R ist beispielsweise wiederum für 600 nm ausgelegt, so daß mit dieser Kombination eine starke Reduktion des uner wünschten Spektralanteils auf der Solarzelle S realisiert werden kann. Der ultraviolett-blaue Fokus kann dann für den Fall, daß es, Solarzellen S gibt, die in diesem Bereich empfindlich sind, benutzt werden. Der grün-rote Fokus beleuch tet dann eine Solarzelle S, die eine Empfindlichkeitskurve wie die amorphe Siliziumzelle aufweist. In diesem Design wird der infrarote Lichtanteil nur etwa zur Hälfte auf die Solarzelle S fokussiert. Der infrarote Anteil kann in einer 2-komponentigen Folie in Verbindung mit einem Hohlspiegel auch noch genutzt werden.The simplest variant is a cylindrical diffraction lens with a design wavelength of, for example, 600 nm, which is adapted for amorphous solar cells S ( FIG. 7). With this design, the infrared component that contributes most to the heating can be reduced by about half. However, the blue portion can only be reduced by approx. 20%, since the 2nd diffraction order, which has its maximum at 300 nm, directs a significant portion onto the solar cell S. In order to reduce this proportion as well, a two-stage design, as shown in FIG. 1, can be used. In this case, a transmission grating T and a reflection grating R are used in the form of a reflective diffraction lens. The transmission grating T can be optimized, for example, for ultraviolet light of, for example, 200 nm. All UV light and even large portions of blue are diffracted and are focused by the diffraction lens R into another focal line or another focal point. The diffraction lens R is again designed for 600 nm, for example, so that a strong reduction of the undesired spectral component on the solar cell S can be realized with this combination. The ultraviolet-blue focus can then be used in the event that there are solar cells S that are sensitive in this area. The green-red focus then illuminates a solar cell S that has a sensitivity curve like the amorphous silicon cell. In this design, only about half of the infrared light is focused on the solar cell S. The infrared portion can also be used in a 2-component film in conjunction with a concave mirror.

Im Falle des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiels wird die einfallende Strahlung ES durch einen parabelförmigen Spiegel SP konzentriert, wobei dieser mit einer Beugungsfolie BF belegt ist, die für sich keine fokussierende Eigen schaft hat. Eine transmissive Folie TF wirkt wiederum im wesentlichen auf den UV-Blau-Anteil, und die reflektierende Beugungsfolie BF auf der Oberfläche der Parabel wirkt im wesentlichen auf den Grün-Rot-Anteil. Der Infrarot-Anteil wird nur wenig gebeugt und wird durch die parabelförmige Folie BF in einem Fokus gesammelt. Am infraroten Fokus kann dann eine polykristalline Siliziumzelle angebracht werden, die dann durch den blau-grünen Anteil des Sonnenlichts nicht mehr aufgeheizt wird. In the case of the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the incident radiation ES is concentrated by a parabolic mirror SP, which is covered with a diffraction film BF which has no focusing property per se. A transmissive foil TF in turn acts essentially on the UV-blue component, and the reflective diffraction foil BF on the surface of the parabola acts essentially on the green-red component. The infrared portion is only slightly diffracted and is collected in one focus by the parabolic foil BF. A polycrystalline silicon cell can then be attached to the infrared focus, which is then no longer heated by the blue-green portion of the sunlight.

Weitere Varianten lassen sich dadurch erzielen, daß den Gitterfolien BF, TF auch noch eine fokussierende Wirkung zusätzlich zu einer ablenkenden Wirkung auf geprägt wird. Solche Folien lassen sich gewinnen, indem nur die äußeren An teile einer Diffraktionslinse (Off-Axis-Linse) verwendet werden.Further variants can be achieved in that the grid foils BF, TF too a focusing effect in addition to a distracting effect is shaped. Such foils can be obtained by only the outer type parts of a diffraction lens (off-axis lens) are used.

Wird beispielsweise die transmissive Folie TF gemäß Fig. 2 als Off-Axis-Linse ausgebildet (Fig. 3), dann wird das gebeugte Licht auf den Parabolspiegel SP fokussiert, so daß nur Teile vom gebeugten Licht beleuchtet werden. Die Flä chenanteile können dann wiederum mit Folien verschiedener beugender Struktur BS belegt werden. Weiter sind unterschiedlich farbige Lackierungen für die Folien denkbar, die verschiedene spektrale Anteile absorbieren, so daß der Effekt der selektiven Konzentration noch weiter verstärkt werden kann.If, for example, the transmissive film TF according to FIG. 2 is designed as an off-axis lens ( FIG. 3), the diffracted light is focused on the parabolic mirror SP, so that only parts of the diffracted light are illuminated. The areas can then again be covered with foils of different diffractive structure BS. Furthermore, differently colored coatings for the foils are conceivable, which absorb different spectral components, so that the effect of the selective concentration can be further enhanced.

Weitere Gestaltungsmöglichkeiten ergeben sich durch die dispergierende Eigen schaft von Beugungsgittern, Licht verschiedener Farbe in verschiedene Winkel zu lenken. Daher wird weißes Licht in einen Winkelbereich aufgespalten, der von der Gitterperiode p abhängt. Es wird das Bild A der Sonnenscheibe unter jeder Farbe etwas verschoben erzeugt (Fig. 4). Je nachdem, ob die Aufspaltung groß oder klein ist, werden die Farben gut getrennt oder auch nur an den Rän dern sichtbar. Mathematisch gesehen, wird das Bild der Sonne mit ihrem Spek trum gefaltet.Further design options result from the dispersing property of diffraction gratings to direct light of different colors into different angles. Therefore, white light is split into an angular range that depends on the grating period p. The image A of the sun disk is generated slightly shifted under each color ( Fig. 4). Depending on whether the splitting is large or small, the colors are well separated or only visible at the edges. Seen mathematically, the image of the sun is folded with its spectrum.

Je nach Größe der Solarzelle S und dem Betrag der Aufspaltung wird ein mehr oder weniger großer Anteil der unterschiedlichen Spektralanteile des Sonnen lichts auf die Solarzelle S abgebildet.Depending on the size of the solar cell S and the amount of splitting, one becomes more or less large part of the different spectral parts of the sun mapped onto the solar cell S.

Durch die Größe und die Position der Solarzelle S kann damit der spektrale Anteil beeinflußt werden, der auf die Solarzelle S trifft. Due to the size and position of the solar cell S, the spectral Be influenced proportion that hits the solar cell S.

Die beschriebenen beugenden Strukturen BS können relativ einfach und kosten günstig mit Hilfe der Mikrolithographie hergestellt werden. Der besondere Vorteil der so hergestellten beugenden Strukturen ist ihre Planität und die Massenre produzierbarkeit durch Spritzguß oder Prägeverfahren.The described diffractive structures BS can be relatively simple and cost can be produced cheaply with the aid of microlithography. The special advantage of the diffractive structures thus produced is their flatness and mass producibility by injection molding or embossing.

Claims

1. Photovoltaic arrangement with a device for concentrating solar radiation energy, characterized in that at least some of the optical surface elements used for a concentration of solar radiation (ES) are covered with diffractive structures (BS).

2. Photovoltaic arrangement according to claim 1, characterized, that the diffractive structures (BS) for the transmission and / or for the Reflection are formed.

3. Photovoltaic arrangement according to claim 1 or 2, characterized, that the diffractive structures (BS) out as sawtooth-shaped furrows forms are.

4. Photovoltaic arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that the diffraction efficiency of the diffractive structures (BS) for ver different wavelengths (λ) is different.

5. Photovoltaic arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that the diffractive structures (BS) have concentrating properties point.

6. Photovoltaic arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that the diffractive structures (BS) are designed as foils (BF, TF), that in the case of transmission to transparent substrates are upset.

7. Photovoltaic arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that in connection with concentrating surface elements solar beam different wavelength (λ) on energy converter (S) different conversion efficiency (WE) is concentrated.

8. Photovoltaic arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that the diffractive structures (BS) as a diffractive lens or -sam mel mirror are formed.

9. Photovoltaic arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that a collecting concave mirror has a diffractive structure (BS) is.

10. Photovoltaic arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that at least two partial areas of the concentrating system Beu supply structures (BS).

11. Photovoltaic arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that the transmitting carrier materials or the diffractive structure transparent lacquers covering the doors (BS) are colored in such a way that different parts of the solar spectrum are absorbed.

12. Photovoltaic arrangement according to one of the preceding claims, characterized, that solar radiation (ES) of different wavelength ranges at ver different positions.