WO2010139290A2 - Photovoltaic modules having a radiation concentration - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a new module for photovoltaic power generation and radiation detection.
  • Concentrator photovoltaics CPV technology
  • Concentrator photovoltaics is a technology that, in principle, makes it possible to save high-quality solar cells through light concentration and thus lower the costs of solar power generation.
  • the optical systems for light bundling cost less than efficient solar cells (http://www.solarserver.de/news/news-10404.html, 23.03.2009).
  • To concentrate the solar radiation use is made of either mirrors (DE 11 2006 001229 T5) or lenses (DE 20 2007 000529 U1, DE 10 2005 047132 A1, DE 10 2004 001248 B3, DE 20302944 U1, DE 19937448 A1).
  • microconcentrators for efficiency enhancement in concentrator solar cells
  • the production of microconcentrators requires elaborate microstructure techniques and their use is only suitable for special applications
  • Fluorescence collector plates based on acrylic glass and doped with organic fluorescent dyes are also used for the radiation collection The radiation is collected over a large area and reaches the narrow edges of the fluorescence collector where the solar cells are applied (PD Swift, GB Smith, "Color considerations in fluorescent solar concentrator stacks", Applied Optics, Vol.42 (2003), no. 25, p.5112-5117). Fluorescence collectors hardly came into practical use, since their efficiency was not sufficient by optical losses in the collector.
  • thin-film solar cells or solar cells made of silicon wafers are applied to a highly transparent solar glass substrate, which directs the solar radiation to the solar cells and protects them from external influences.
  • the present invention provides a photovoltaic module in which thin film solar cells based on silicon, cadmium telluride, cadmium sulfide, copper indium gallium diselenide (CIGS), copper indium sulfide (CIS), copper Indium gallium sulfur selenium and other mixed compounds of these elements and / or solar cells and semiconductor detectors of silicon wafers, gallium arsenide and indium phosphide compounds, germanium, selenium, gallium indium phosphide, gallium indium arsenide and other mixed compounds from these elements or organic solar cells and light-transporting optical layers are applied on a solar glass or other suitable optical substrate in a checkerboard and / or other solar cells and light-transporting layers alternating arrangement, wherein the light-transporting layers used with respect to the solar cells or detectors are much cheaper.
  • solar cells instead of solar cells, other optoelectronic detectors in thin-film form or as classic semiconductor detectors can be used.
  • the surface of the solar glass facing away from the solar radiation is first divided into a checkerboard pattern and solar cells 1 applied to the surface areas to be assigned to the black fields, while the surface areas to be assigned to the white fields.
  • each solar cell is surrounded by four light-transporting segments that do not directly cover the solar radiation meets the solar cells, leads to the solar cells and there leads to a light concentration or amplification of at least 1, 5.
  • FIG. 2 shows a checkerboard-like arrangement of solar cells and light-transporting layers modified on FIG. 1 on an optical substrate.
  • the solar cells 1 are shifted in their arrangement against each other, so that they have, for example, in their width partially a common boundary line with advantage for their electrical interconnection.
  • the width of the light-transporting layers between the solar cells is between two ten tel and twelve tenths, preferably four to six tenths of the width of the solar cells, while the height of the light-transporting layers is identical to the height of the solar cells. Furthermore, the arrangement according to the invention of solar cells and light-transporting layers is surrounded by an edge R1 and R2 of light-transporting layers, where R1 is a width of two tenths to eight tenths, preferably four tenths, the width of the solar cells and R2 a dimension of two tenths to eight tenths, preferably four tenths of the height of the solar cells is. According to FIG.
  • the light-transporting layers 2 are composed of organic and inorganic fluorescence materials 5 and / or diffuse-reflecting materials 6 acting as Lambertian radiators, which absorb the solar radiation 7 impinging on them, emit frequency shifted and optically isotropic or diffuse to reflect back into the solar glass 3 and there due to total reflection to the with an optically transparent adhesive layer or - film on the solar glass substrate 3 applied solar cells 1 conduct.
  • the light-transporting layers are composed in such a way that they have a transmission of less than 0.1% for the incident solar radiation and very efficiently reflect the light diffusely and direct it to the solar cells. With optimal composition of the light-transporting layers, more than 55% of the solar radiation impinging on them is conducted to the adjacent solar cells and not reflected back again from the solar glass substrate.
  • optically isotropic light is generated in the solar glass substrate by the light-transporting layers, which is subject to total reflection in the solar glass, is then coupled out into the adjacent solar cells and produces a radiation concentration there.
  • an optically highly transparent polymer material such as, for example, acrylic glass.
  • acrylic glass is also possible to use an optically highly transparent polymer material, such as, for example, acrylic glass.
  • the fluorescent materials used in the light-transporting layers consist of optically transparent polymeric materials that are fluorescent Dyes and pigments, quantum dots, phosphors and mixtures thereof are doped.
  • the fluorescent dyes consist for example of very light-stable xanthenes, rhodamines, oxazines, perylenes, pyrromethenes, naphthalimides, while the quantum dots, for example, from the group consisting of InAs, InP, CdSe, ZnS, ZnO, PbS, CdS, ZnTe 5 GaAs, GaP, GaN , InGaAs, GalnP / InP, CdO, CdTe, ZnSe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe.
  • the light-transporting layers contain phosphors, for example from the group of rare earth metals, doped phosphates, silicates, germanates, aluminum garnets, vanadates, arsenates, tungstenates, molybdate, aluminates, gallates, nitrides and borates.
  • phosphors for example from the group of rare earth metals, doped phosphates, silicates, germanates, aluminum garnets, vanadates, arsenates, tungstenates, molybdate, aluminates, gallates, nitrides and borates.
  • the diffusely reflecting materials incorporated in the light-transporting layers are composed of barium sulfate-titanium dioxide-based reflecting dyes, silver pastes, silicon nitride, ceramics, Teflon layers, light-diffusing polyvinyl fluoride films, and pigments; wherein preferably barium sulfate and titanium dioxide are combined in the same weight ratio with talcum powder and the weight fraction of the additives in the diffusely reflecting layers-based on the binder-is between 10 and 60%, preferably between 30 and 50%.
  • the light-transporting layers function particularly efficiently according to the invention if the fluorescent materials or fluorescent layers used in this case are optimally combined or tuned with the diffusely reflecting materials or layers.
  • An advantageous embodiment of the light-transporting layers is, for example, first applying a spectrally light-converting fluorescent layer, the layer thickness and dye concentration being adjusted such that the absorption in the spectral range of the fluorescent dye is between 90% and 98%, preferably 95%, then then apply the diffusely reflecting white layer.
  • the trans- be at least 90%, so that the incident radiation can penetrate the fluorescent layer outside the absorption band well, and then be diffused efficiently reflected broadband through the diffuse layer.
  • the radiation impinging on the light-transporting layer is efficiently spectrally converted as well as diffusely reflected broadband into the near infrared spectral range and guided to the solar cells.
  • a technically and materially advantageous further development of the arrangement according to the invention of solar cells and light-transporting layers is the arrangement of circular solar cells shown in FIG. 4.
  • the circular solar cells 1 are surrounded by light-transporting layers 2 which fill the interstices between the solar cells. which exist even when the round solar cells are densely packed.
  • the arrangement shown in FIG. 4 has the further advantage that round solar cells and other semiconductor detectors, which are drawn as cylindrical single crystals, for example in the case of monocrystalline silicon, can be used directly in the modules, without the round solar cells, as is customary - must be sanded on their sides. This saves on semiconductor materials and operations.
  • the arrangement shown in FIG. 4 has the further advantage that round solar cells and other semiconductor detectors, which are drawn as cylindrical single crystals, for example in the case of monocrystalline silicon, can be used directly in the modules, without the round solar cells, as is customary - must be sanded on their sides. This saves on semiconductor materials and operations.
  • FIG. 4 can also be realized with square, rectangular or octagonal solar cells, the dimensions of the light-transporting layers located between the solar cells being related to the dimensions of the solar cells used, preferably between two and twelve-tenths four to six-tenths of the widths and heights of the solar cells correspond.
  • FIG. 3 are solar cells or semiconductor detectors which are active on both sides but, in contrast to the arrangement shown in FIG. 3, they are located on the surface facing the incident radiation the glass substrates are located. On the surface facing away from the radiation of the glass substrate, the light-transporting layers 2 are applied over the entire surface. The on both sides active solar cells 1 applied on the surface facing the radiation are parqueted according to the patterns shown in FIGS.
  • the fluorescent materials integrated into the light-transporting layers have, in addition to the function of transporting light to the solar cells, the task of down-converting shortwave solar radiation spectrally in the range from 300 nm to approximately 500 nm (down-conversion) and in this way to better adapt the spectrum of solar radiation to the spectral sensitivity of solar cells and to use UV radiation previously unused in photovoltaics. This also improves the efficiency of the solar cells.
  • further materials are introduced into the light-transporting layers, which likewise adapt the spectrum of the solar radiation to the spectral sensitivity of the solar cells used.
  • up-converter material two low-energy photons that can not be absorbed by the solar cell are absorbed in a two-stage process and converted into a photon with a larger photon energy that can be absorbed in the solar cell and generates electricity.
  • Materials that permit photon-induced multiple exciton generation are also up-converter materials and also lead to the spectral conversion of low-energy infrared radiation into higher-energy radiation, which can be converted into electricity by the solar cell.
  • up- verter materials include side-earth junctions, transition metals, 2-6 semiconductors, nanoscale semiconductor structures such as quantum dots.
  • examples of such materials with high conversion efficiency are zinc sulfide nanoparticles doped with europium, manganese or copper ions, infrared stimulable phosphors and luminescent pigments and calcium sulfide nanocrystals doped with rare earth ions.
  • the solar cells in square, rectangular or octagonal geometry have edge lengths of 2 mm to 200 mm, preferably 40 mm to 60 mm, while the round solar cells have diameters of 5 mm to 200 mm, preferably 40 mm to 60 mm.
  • the z. Z. commonly used four-, five- and six-inch solar cells also find efficient application.
  • the thickness of the light-transporting layers is between 0.05 mm to 5 mm, preferably 1 mm.
  • optical chips consisting of plastic, metal and semiconductor substrates, which carry on their surfaces the light-transporting layers with the optically active fluorescent and diffusely reflecting materials and during the technological production process for the Solar modules are applied together with the solar cells on the solar glass substrates according to the invention, wherein the optically active materials bearing surfaces of the chip substrates are the solar glass substrate facing.
  • the optical chips are of outstanding importance for the implementation of the photovoltaic modules according to the invention, since their application is fully compatible with conventional wafer module technologies.
  • the photovoltaic modules according to the invention can also be used very efficiently in radiation measurement technology, in optical radio transmission and in optical energy transmission in addition to their use in solar technology, with the saving of very expensive detector materials.
  • the modules according to the invention it is also possible to efficiently use previously scarcely used solar cell breakage in module production by filling the intermediate spaces between the solar cell fragments with the light-transporting layers. In this way, valuable solar cell material can also be saved.
  • the photovoltaic modules according to the invention The key advantage is that they are simple and inexpensive to manufacture and easy to integrate into traditional module technologies. They are also very suitable for power generation with diffuse radiation and especially for use in solar power plants.
  • the incident radiation is better able to match the spectral sensitivity to adapt to the solar cells used and thus to increase their efficiency.
  • conversion of ultraviolet radiation in the range from 300 nm to 400 nm, for example into red radiation has made use of previously unusable UV light in power generation.
  • the efficient radiation concentration reached by an optimal combination of fluorescence materials and diffuse reflective materials in the light-emitting layers also reached
  • Infrared rays at the solar cells and spectral adjustment of the solar radiation through light conversion can generate the electrical power generated at that particular solar cell
  • Solar cells or semiconductor detectors are increased by about 40%, as a result, reduce the cost of the photovoltaic modules according to the invention over conventional on average by at least 20%.
  • the invention furthermore has the advantage that, due to its application, a not too strong radiation concentration on the solar cells occurs, so that an undesired heating of the solar cells leading to a reduction in efficiency can not occur.
  • square crystalline silicon solar cells with the edge lengths of 40 mm are first applied to the areas corresponding to the black areas of the checkerboard-like surface of a solar glass substrate with the dimensions 320 mm by 320 mm with a hot-adhesive polymer film. Thereafter, the coating of the remaining fields with the light-transporting layers by casting or spraying techniques followed by drying of the layers at temperatures around 100 ° C. That The solar module is equipped with 32 solar cells and light transporting layers. The light-transporting layers settle e.g.
  • acrylate-based reflector ink containing barium sulfate and titanium dioxide, to which is added a red fluorescent material from the group of perylenes emitting above 600 nm with a weight fraction of 2%, based on the weight of the reflector resin.
  • the red fluorescent material ensures that incident short-wave solar radiation in the range from 300 nm to 530 nm is absorbed and converted into radiation above 600 nm with improved spectral adaptation of the solar radiation to the spectral sensitivity of the solar cell used.
  • the efficiency of a solar cell surrounding in the listed checkerboard arrangement and four light-transporting layers can be increased by about 40%. Since the cost of the light-transporting layers amount to at most 10% of the cost of the solar cells used, a checkerboard module compared to conventional modules is much cheaper with the same module performance.
  • Example 2 Example 2
  • the surfaces remaining free of solar cells are provided with light-transporting layers, in which the solar cells are covered and coated first with a red fluorescent color, which consists of an ethyl methacrylate copolymer (Paraloid B 72) and the fluorescent dye perylene red (eg RED 300), (dissolved in a solvent), wherein 1% by weight of dye is used, based on the copolymer fraction.
  • a red fluorescent color which consists of an ethyl methacrylate copolymer (Paraloid B 72) and the fluorescent dye perylene red (eg RED 300), (dissolved in a solvent), wherein 1% by weight of dye is used, based on the copolymer fraction.
  • the layer thickness of the red fluorescent layer is dimensioned such that outside the absorption bands of the red fluorescent dye, the transmission is greater than 92%.
  • a matt, strongly diffusely scattering white paint is sprayed on several times.
  • the solar substrate coating is completed and the module is completed by electrical wiring and encapsulation.
  • Test measurements on the condenser module with 18 solar cells on a cloudless March day in 2010 yield about five watts of electrical power.
  • the reference module with 20 solar cells delivers approximately 4.9 watts at about the same time of measurement. This means that with the module according to the invention every fifth solar cell can be saved.
  • To represent the Swiss flag the corresponding areas for the light-transporting layers are covered with crosses and then coated with the red fluorescent color. Then the cross-shaped covers are removed and applied after a drying phase, the white reflector color. This gives white crosses on a red background and thus symbols of the Swiss national flag, whereby light-transporting layers produced in this way fully fulfill their function.

Abstract

The invention relates to cost-effective concentrator photovoltaic modules (CPV technology) for solar power generation and for radiation detection, comprising arbitrarily designed solar cells or further optoelectronic detectors and light-transporting layers, which conduct the radiation to the solar cells or optoelectronic detectors and are alternately applied in a checkerboard-like manner or in another arrangement on an optically highly transparent solar glass or polymer substrate, the light-transporting layers containing materials which by way of fluorescence convert short-wave into longer-wave radiation (down-conversion) and/or longer-wave into short-wave radiation (up-conversion) and/or diffusely reflect the radiation and act as Lambert radiators.

Description

Photovoltaik-Module zur Strahlungskonzentration Photovoltaic modules for radiation concentration
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuwertiges Modul zur photovoltaischen Energieerzeugung und Strahlungsdetektion. Die Konzentrator-Photovoltaik (CPV-Technik) stellt eine Technologie dar, die es prinzipiell ermöglicht, durch Lichtkonzentration hochwertige Solarzellen einzusparen und damit die Kosten der Solarstromerzeugung zu senken. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die optischen Systeme zur Lichtbündelung weniger kosten als effiziente Solarzellen (http://www.solarserver.de/news/news-10404.html, 23.03.2009). Zur Bündelung der Solarstrahlung verwendet man entweder Spiegel (DE 11 2006 001229 T5) oder Linsen (DE 20 2007 000529 Ul, DE 10 2005 047132 Al, DE 10 2004 001248 B3, DE 20302944 Ul, DE 19937448 Al). Die vorgestellten CPV- Technologien sind aufgrund ihrer komplizierten Konstruktion und Beschaffenheit meist nur für den Laborbetrieb und nicht für den praktischen Einsatz in Solar- kraftwerken und Eigenheimen geeignet. Photovoltaik-Konzentratoren bündeln z.B. mit Reflektorspiegeln die einfallende Solarstrahlung zweifach konzentriert auf Solarzellen auf der Fokuslinie des Kollektors. Dadurch reduziert sich der Anteil an teuren Solarzellen, die Spiegelfläche ist billiger als die Solarzellenfläche (R. Hug, „Konzentrator-Photovoltaik bringt die Sonne auf den Punkt: neue deut- sehe Technologie für effiziente Solar-Kraftwerke", http://www.solarserver.de/solarmagazin/solar-report_0408.html). Unter Anwendung von aufwändigeren CPV- Technologien erhält man durch Lichtbündelung mit Fresnel-Linsen 500-fach konzentrierte Solarstrahlung, die auf Hochleistungssolarzellen auf Basis von GalnP/GalnAs mit einem Durchmesser von ca. 2mm geleitet wird (E. R. Weber, „Mit der Kraft der Sonne", Fraunhofer Magazin 3.2007,S.48, Presse-Mitteilung der Concentrix Solar GmbH, Oό.Mai 2009, Con- centrix Solars Flatcon®-Technologie). Die beschriebenen CPV-Technologien können nur direktes Sonnenlicht in Strom wandeln und benötigen ein optisches Nachführsystem, das ihre Einsatzmöglichkeiten stark begrenzt. Als weitere Nachteile sind ihre zum Teil sehr aufwändige Fertigung und Justage sowie ihre fehlende Kompatibilität zu herkömmlichen Solarmodul-Technologien zu nennen. Des Weiteren werden zur Lichtkonzentration auch in die Solarzellen integrierte dielektrische Mikroprismen verwendet (O. Korech, J. M. Gordon, E. U. Katz, D. Feuermann, N. Eisenberg, „Dielectric microconcentrators for efficiency enhan- cement in concentrator solar cells", Optics Letters, Vol.32 (2007), No.19, S. 2789-2791). Die Fertigung der Mikrokonzentratoren benötigt aufwändige Mik- rostrukturtechniken und ihr Einsatz ist nur für Spezialanwendungen geeignet. Mit organischen Fluoreszenzfarbstoffen dotierte Fluoreszenzkollektor-Platten auf Acrylglas-Basis dienen auch der Strahlungskollektion. Dabei wird die Strahlung großflächig aufgesammelt und gelangt zu den schmalen Kanten des Fluoreszenzkollektors, wo die Solarzellen aufgebracht sind (P. D. Swift, G. B. Smith, „Color considerations in fluorescent solar concentrator Stacks", Applied Optics, Vol.42 (2003) , No.25, S.5112-5117). Fluoreszenzkollektoren gelangten kaum zu einem praktischen Einsatz, da durch optische Verluste im Kollektor ihr Wirkungsgrad nicht ausreichte.The present invention relates to a new module for photovoltaic power generation and radiation detection. Concentrator photovoltaics (CPV technology) is a technology that, in principle, makes it possible to save high-quality solar cells through light concentration and thus lower the costs of solar power generation. It should be noted that the optical systems for light bundling cost less than efficient solar cells (http://www.solarserver.de/news/news-10404.html, 23.03.2009). To concentrate the solar radiation, use is made of either mirrors (DE 11 2006 001229 T5) or lenses (DE 20 2007 000529 U1, DE 10 2005 047132 A1, DE 10 2004 001248 B3, DE 20302944 U1, DE 19937448 A1). The presented CPV technologies are due to their complicated construction and nature mostly only for laboratory use and not suitable for practical use in solar power plants and homes. For example, with reflector mirrors, photovoltaic concentrators concentrate the incident solar radiation twice concentrated on solar cells on the focus line of the collector. This reduces the proportion of expensive solar cells, the mirror surface is cheaper than the solar cell surface (R. Hug, "Concentrator Photovoltaics brings the sun to the point: new German technology for efficient solar power plants", http: // www. solarserver.de/solarmagazin/solar-report_0408.html) Using more complex CPV technologies, Fresnel lenses focus on 500 times concentrated solar radiation on high-performance solar cells based on GalnP / GalnAs with a diameter of approximately 2mm (Weber, "With the Power of the Sun", Fraunhofer magazine 3.2007, p. 48, press release by Concentrix Solar GmbH, May 2009, Concentrix Solar's Flatcon® technology). The described CPV technologies can only convert direct sunlight into electricity and require an optical tracking system that severely limits their capabilities. As another Disadvantages are their sometimes very complex production and adjustment and their lack of compatibility with conventional solar module technologies. Furthermore, dielectric microprisms integrated in the solar cells are also used for light concentration (O. Korech, JM Gordon, EU Katz, D. Feuermann, N. Eisenberg, "Dielectric microconcentrators for efficiency enhancement in concentrator solar cells", Optics Letters, Vol .32 (2007), No.19, pp. 2789-2791) The production of microconcentrators requires elaborate microstructure techniques and their use is only suitable for special applications Fluorescence collector plates based on acrylic glass and doped with organic fluorescent dyes are also used for the radiation collection The radiation is collected over a large area and reaches the narrow edges of the fluorescence collector where the solar cells are applied (PD Swift, GB Smith, "Color considerations in fluorescent solar concentrator stacks", Applied Optics, Vol.42 (2003), no. 25, p.5112-5117). Fluorescence collectors hardly came into practical use, since their efficiency was not sufficient by optical losses in the collector.
Es ist demnach Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Photovoltaik-Modul bereitzustellen, das teure Solarzellen und Detektormaterialien einspart, einfach und preiswert herzustellen sowie kompatibel zu herkömmlichen Solarmodultech- nologien ist und eine wesentliche Kostenreduzierung bezogen auf die erzeugte elektrische Leistung ermöglicht und die Effizienz der Solarzellen steigert. Bei der Herstellung von Solarmodulen werden Dünnschicht-Solarzellen oder Solarzellen aus Silizium- Wafern auf ein hoch transparentes Solarglas-Substrat aufgebracht, das die Solarstrahlung zu den Solarzellen leitet und sie vor äußeren Ein- Wirkungen schützt.It is therefore an object of the present invention to provide a photovoltaic module, which saves expensive solar cells and detector materials, simple and inexpensive to manufacture and is compatible with conventional solar module technologies and a significant cost reduction based on the electrical power generated and increases the efficiency of the solar cell , In the production of solar modules, thin-film solar cells or solar cells made of silicon wafers are applied to a highly transparent solar glass substrate, which directs the solar radiation to the solar cells and protects them from external influences.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Photovoltaik-Modul bereit, in dem Dünnschicht-Solarzellen auf Basis von Silizium, Cadmium-Tellurid, Cadmium-Sulfid, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid(CIGS), Kupfer-Indium-Sulfid(CIS), Kupfer- Indium-Gallium-Schwefel-Selen und weiteren Mischverbindungen aus diesen Elementen und/oder Solarzellen und Halbleiterdetektoren aus Silizium-Wafern, Gallium-Arsenid und- Indiumphosphid-Verbindungen, Germanium, Selen, Galli- um-Indium-Phosphid, Gallium-Indium-Arsenid und weiteren Mischverbindungen aus diesen Elementen oder organische Solarzellen und Licht transportierende optische Schichten auf einem Solarglas- bzw. anderen geeigneten optischen Substrat in einer Schachbrett- und/oder anderen Solarzellen und Licht transportierenden Schichten abwechselnden Anordnung aufgebracht sind, wobei die verwendeten Licht transportierenden Schichten gegenüber den Solarzellen oder Detektoren wesentlich kostengünstiger sind. Statt Solarzellen können auch weitere optoelektronische Detektoren in Dünnschichtform oder als klassische Halbleiterdetektoren verwendet werden. Zur Beschreibung der Erfindung wird im Allgemeinen nur der Begriff „Solarzellen" verwendet. Erfindungsgemäß wird zunächst die der Solarstrahlung abgewandte Oberfläche des Solarglases gemäß Fig.1 schachbrettartig aufgeteilt und auf den den schwarzen Feldern zuzuordnenden Flächenbereichen Solarzellen 1 aufgebracht, während die den weißen Feldern zuzuordnenden Flächenbereiche mit den Licht transportierenden Schichten 2 versehen werden. Dadurch wird auf Kosten von mehr Fläche nur die Hälfte an teuren Solarzellen benötigt. Aufgrund der Schachbrettanordnung von Solarzellen und Licht transportierenden Schichten ist jede Solarzelle von vier Licht transportierenden Segmenten umgeben, die die Solarstrahlung, die nicht direkt auf die Solarzellen trifft, zu den Solarzellen leitet und dort zu einer Lichtkonzentration bzw. -Verstärkung von mindestens 1 ,5 führt. Durch die schachbrett- artige Anordnung von Solarzellen und Licht transportierenden Schichten wird das von den Licht transportierenden Schichten kommende ungerichtete Licht immer in eine Solarzelle geleitet, da in allen Lichtausbreitungsrichtungen - aufgrund der Schachbrettanordnung - eine Solarzelle angeordnet ist. Darüber hinaus erhält ü- berraschenderweise die entsprechende Solarzelle nicht nur Licht von den sie um- gebenden vier Licht transportierenden Schichten, sondern auch weiter von der Solarzelle entfernt angeordnete Licht transportierende Schichten versorgen sie mit Strahlung. Fig.2 zeigt eine gegenüber Fig.1 modifizierte schachbrettähnliche Anordnung von Solarzellen und Licht transportierenden Schichten auf einem optischen Substrat. Hierbei sind die Solarzellen 1 in ihrer Anordnung gegeneinander verschoben, so dass sie z.B. in ihrer Breite partiell eine gemeinsame Grenzlinie haben mit Vorteil für ihre elektrische Verschaltung. Die Breite der Licht transportierenden Schichten zwischen den Solarzellen beträgt dabei zwischen zwei Zehn- tel und zwölf Zehntel -vorzugsweise vier bis sechs Zehntel- der Breite der Solarzellen, während die Höhe der Licht transportierenden Schichten mit der Höhe der Solarzellen identisch ist. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Anordnung von Solarzellen und Licht transportierenden Schichten von einem Rand Rl und R2 aus Licht transportierenden Schichten umgeben, wobei Rl eine Breite von zwei Zehntel bis acht Zehntel-vorzugsweise vier Zehntel- der Breite der Solarzellen ausmacht und R2 eine Abmessung von zwei Zehntel bis acht Zehntel-vorzugsweise vier Zehntel- der Höhe der Solarzellen beträgt. Die Licht transportierenden Schichten 2 setzen sich gemäß Fig.3 aus organischen und anorganischen Fluores- zenzmaterialien 5 und/oder als Lambertsche Strahler wirkende diffus reflektierende Materialien 6 zusammen, die die auf sie auftreffende Solarstrahlung 7 absorbieren, Frequenz verschoben emittieren und optisch isotrop bzw. diffus in das Solarglas 3 zurückreflektieren und dort infolge von Totalreflexion zu den mit einer optisch transparenten Klebeschicht oder - folie auf das Solarglas-Substrat 3 aufgebrachten Solarzellen 1 leiten. Die Licht transportierenden Schichten sind dabei so zusammengesetzt, dass sie für die einfallende Solarstrahlung eine Transmission kleiner als 0,1% aufweisen und sehr effizient das Licht diffus reflektieren und zu den Solarzellen lenken. Bei optimaler Zusammensetzung der Licht transportierenden Schichten wird mehr als 55% der auf sie auftreffenden Solarstrahlung zu den benachbarten Solarzellen geleitet und nicht wieder aus dem Solarglas-Substrat zurückreflektiert. Das hängt damit zusammen, dass durch die Licht transportierenden Schichten optisch isotropes Licht im Solarglas-Substrat erzeugt wird, das im Solarglas einer Totalreflexion unterliegt, dann in die benachbarten Solarzellen ausgekoppelt wird und dort eine Strahlungskonzentration be- wirkt. Statt Solarglas kann auch ein optisch hoch transparentes Polymermaterial, wie z.B. Acrylglas, verwendet werden. Von großem Vorteil sind dabei ein- oder beidseitig strukturierte, beispielsweise mit prismen- oder kegelartig oder Orange- Haut ähnlichen Strukturen versehene, Glas - oder Polymersubstrate, die die Erzeugung der für den Lichttransport zu den Solarzellen wichtigen diffusen Strah- lung stark unterstützen.The present invention provides a photovoltaic module in which thin film solar cells based on silicon, cadmium telluride, cadmium sulfide, copper indium gallium diselenide (CIGS), copper indium sulfide (CIS), copper Indium gallium sulfur selenium and other mixed compounds of these elements and / or solar cells and semiconductor detectors of silicon wafers, gallium arsenide and indium phosphide compounds, germanium, selenium, gallium indium phosphide, gallium indium arsenide and other mixed compounds from these elements or organic solar cells and light-transporting optical layers are applied on a solar glass or other suitable optical substrate in a checkerboard and / or other solar cells and light-transporting layers alternating arrangement, wherein the light-transporting layers used with respect to the solar cells or detectors are much cheaper. Instead of solar cells, other optoelectronic detectors in thin-film form or as classic semiconductor detectors can be used. In order to describe the invention, generally only the term "solar cells" is used According to the invention, the surface of the solar glass facing away from the solar radiation is first divided into a checkerboard pattern and solar cells 1 applied to the surface areas to be assigned to the black fields, while the surface areas to be assigned to the white fields As a result of the chequerboard arrangement of solar cells and light-transporting layers, each solar cell is surrounded by four light-transporting segments that do not directly cover the solar radiation meets the solar cells, leads to the solar cells and there leads to a light concentration or amplification of at least 1, 5. By the checkerboard-like arrangement of solar cells and light-transporting layers of the light trans Porting layers coming undirected light always passed into a solar cell, since in all light propagation directions - due to the checkerboard arrangement - a solar cell is arranged. In addition, surprisingly, the corresponding solar cell not only receives light from the four light-transporting layers surrounding it, but also light-transporting layers arranged farther away from the solar cell supply it with radiation. FIG. 2 shows a checkerboard-like arrangement of solar cells and light-transporting layers modified on FIG. 1 on an optical substrate. Here, the solar cells 1 are shifted in their arrangement against each other, so that they have, for example, in their width partially a common boundary line with advantage for their electrical interconnection. The width of the light-transporting layers between the solar cells is between two ten tel and twelve tenths, preferably four to six tenths of the width of the solar cells, while the height of the light-transporting layers is identical to the height of the solar cells. Furthermore, the arrangement according to the invention of solar cells and light-transporting layers is surrounded by an edge R1 and R2 of light-transporting layers, where R1 is a width of two tenths to eight tenths, preferably four tenths, the width of the solar cells and R2 a dimension of two tenths to eight tenths, preferably four tenths of the height of the solar cells is. According to FIG. 3, the light-transporting layers 2 are composed of organic and inorganic fluorescence materials 5 and / or diffuse-reflecting materials 6 acting as Lambertian radiators, which absorb the solar radiation 7 impinging on them, emit frequency shifted and optically isotropic or diffuse to reflect back into the solar glass 3 and there due to total reflection to the with an optically transparent adhesive layer or - film on the solar glass substrate 3 applied solar cells 1 conduct. The light-transporting layers are composed in such a way that they have a transmission of less than 0.1% for the incident solar radiation and very efficiently reflect the light diffusely and direct it to the solar cells. With optimal composition of the light-transporting layers, more than 55% of the solar radiation impinging on them is conducted to the adjacent solar cells and not reflected back again from the solar glass substrate. This is due to the fact that optically isotropic light is generated in the solar glass substrate by the light-transporting layers, which is subject to total reflection in the solar glass, is then coupled out into the adjacent solar cells and produces a radiation concentration there. Instead of solar glass, it is also possible to use an optically highly transparent polymer material, such as, for example, acrylic glass. Of great advantage are one or both sides structured, for example, with prismatic or conical or orange-skin-like structures provided, glass or polymer substrates that strongly support the generation of important for the light transport to the solar cells diffuse radiation.
Die in den Licht transportierenden Schichten verwendeten Fluoreszenzmaterialien bestehen aus optisch transparenten Polymermaterialien, die mit fluoreszierenden Farbstoffen und Pigmenten, Quantenpunkten, Phosphoren und deren Mischungen dotiert sind. Die fluoreszierenden Farbstoffe bestehen z.B. aus sehr lichtstabilen Xanthenen, Rhodaminen, Oxazinen, Perylenen, Pyrromethenen, Naphthalimiden, während die Quantenpunkte z.B. aus der Gruppe bestehend aus InAs, InP, CdSe, ZnS, ZnO, PbS, CdS, ZnTe5GaAs, GaP, GaN, InGaAs, GalnP/InP, CdO, CdTe, ZnSe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe ausgewählt werden. Als Phosphore enthalten die Licht transportierenden Schichten Leuchtstoffe, z.B. aus der Gruppe der Seltenerdmetallen, dotierte Phosphate, Silikate, Germanate, Aluminium- Granate, Vanadate, Arsenate, Wolframnate, Molybdate, Aluminate, Gallate, Nit- ride und Borate.The fluorescent materials used in the light-transporting layers consist of optically transparent polymeric materials that are fluorescent Dyes and pigments, quantum dots, phosphors and mixtures thereof are doped. The fluorescent dyes consist for example of very light-stable xanthenes, rhodamines, oxazines, perylenes, pyrromethenes, naphthalimides, while the quantum dots, for example, from the group consisting of InAs, InP, CdSe, ZnS, ZnO, PbS, CdS, ZnTe 5 GaAs, GaP, GaN , InGaAs, GalnP / InP, CdO, CdTe, ZnSe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe. As phosphors, the light-transporting layers contain phosphors, for example from the group of rare earth metals, doped phosphates, silicates, germanates, aluminum garnets, vanadates, arsenates, tungstenates, molybdate, aluminates, gallates, nitrides and borates.
Die in die Licht transportierenden Schichten integrierten diffus reflektierenden Materialien setzen sich aus Reflektorfarben auf Basis von Bariumsulfat und Titandioxid, aus Silberpasten, Siliziumnitrid, Keramiken, Teflonschichten, lichtstreuende Polyvinylfluorid-Folien und Pigmenten zusammen; wobei vorzugsweise Bariumsulfat und Titandioxid im gleichen Gewichtsverhältnis mit Talkumpulver kombiniert werden und der Gewichtsanteil der Additive in den diffus reflektierenden Schichten -bezogen auf den Binder - zwischen 10 und 60 %, vorzugsweise zwischen 30 und 50% beträgt. Nur bei optimaler Auswahl der Gewichtsverhältnisse und Konzentration der Additive erhält man diffus reflektierende Schichten, die das einfallende Licht so streuen, dass es spektral breitbandig unter einem Winkel größer als der kritische Winkel der Totalreflexion in dem Glassubstrat total reflektiert und dort mit hoher Effizienz zu den Solarzellen transportiert wird. Die Licht transportierenden Schichten funktionieren gemäß der Erfindung besonders effizient, wenn die dabei verwendeten Fluoreszenzmaterialien bzw. Fluores- zenzschichten optimal mit den diffus reflektierenden Materialien bzw. Schichten kombiniert bzw. abgestimmt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Licht transportierenden Schichten besteht beispielsweise darin, zuerst eine spektral lichtwandelnde Fluoreszenzschicht aufzubringen, wobei Schichtdicke und Farbstoffkonzentration so abgestimmt werden, dass im Spektralbereich des Fluores- zenzfarbstoffes die Absorption zwischen 90 % und 98%-vorzugsweise 95%- beträgt, um dann anschließend die diffus reflektierende weiße Schicht aufzubringen. Außerhalb der Absorptionsbande des Fluoreszenzfarbstoffes soll die Trans- mission mindestens 90% betragen, so dass die auftreffende Strahlung die Fluoreszenzschicht außerhalb der Absorptionsbande gut durchdringen kann, um dann durch die diffuse Schicht breitbandig effizient diffus reflektiert zu werden. Auf diese Weise wird die auf die Licht transportierenden Schichte auftreffende Strah- lung sowohl effizient spektral gewandelt als auch breitbandig bis in den nahen infraroten Spektralbereich diffus reflektiert und zu den Solarzellen geleitet. Eine technisch und materialseitig vorteilhafte Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Anordnung von Solarzellen und Licht transportierenden Schichten stellt die in Fig.4 aufgezeigte Anordnung von kreisförmigen Solarzellen dar. Die kreis- förmigen Solarzellen 1 sind von Licht transportierenden Schichten 2 umgeben, die die Zwischenräume zwischen den Solarzellen füllen, die auch dann existieren, wenn die runden Solarzellen dicht an dicht parkettiert sind. Durch die erfϊndungs- gemäße Anordnung von runden Solarzellen und Licht transportierenden Schichten wird die gesamte Fläche des Moduls ausgenutzt, da auch die Zwischenräume Strahlung aufnehmen und zu den Zellen leiten. Der Abstand c zwischen den Solarzellen und der Begrenzung des Moduls liegt zwischen c gleich 0 und c gleich dem Durchmesser D der Solarzellen, wobei c vorzugsweise vier bis sechs Zehntel von D beträgt. Die in der Fig.4 aufgezeigte Anordnung hat den weiteren Vorteil, dass runde Solarzellen und andere Halbleiterdetektoren, die z.B. im Falle des mo- nokristallinem Siliziums als zylindrische Einkristalle gezogen werden , direkt in den Modulen verwendet werden können, ohne dass die runden Solarzellen, -wie es üblich ist- an ihren Seiten geschliffen werden müssen. Damit werden Halbleitermaterialien und Arbeitsgänge eingespart. Die in Fig.4 aufgezeigte Anordnung kann auch mit quadratischen, rechteckigen oder achteckigen Solarzellen realisiert werden, wobei die Abmessungen der zwischen den Solarzellen befindlichen Licht transportierenden Schichten zu den Abmessungen der verwendeten Solarzellen in der Relation stehen, dass sie zwischen zwei und zwölf Zehntel -vorzugsweise vier bis sechs Zehntel- der Breiten und Höhen der Solarzellen entsprechen. Eine zusätzliche vorteilhafte Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Anord- nung ist in Fig.5 dargestellt. Hierbei handelt es sich um beidseitig aktive Solarzellen bzw. Halbleiterdetektoren, die sich aber - im Gegensatz zu der in Fig.3 dargestellten Anordnung- auf der der einfallenden Strahlung zugewandten Oberfläche der Glassubstrate befinden. Auf der der Strahlung abgewandten Oberfläche des Glassubstrates sind die Licht transportierenden Schichten 2 vollflächig aufgebracht. Die auf der der Strahlung zugewandten Oberfläche aufgebrachten beidseitig aktiven Solarzellen 1 sind entsprechend den in den Figuren 1, 2 und 4 aufge- zeigten Mustern parkettiert, so dass die auftreffende Strahlung sowohl direkt auf die Solarzellen als auch effizient zwischen den Solarzellen durch das Glassubstrat auf die Licht transportierenden Schichten trifft, dort diffus reflektiert wird und dann auf die Rückseite der beidseitig aktiven Solarzellen trifft und dort einen zusätzlichen elektrischen Strom erzeugt. Da in die Licht transportierenden Schichten auch farbige Fluoreszenzmaterialien integriert werden, ist es möglich, mit den erfindungsgemäßen Modulen eine farbliche Gestaltung von Dächern und Fassaden sowie mehrfarbige Symbole und Logo' s für Firmen, Vereine, Organisationen und zu Werbezwecken sowie für Nationalflaggen-Symbole zu realisieren. Die in die Licht transportierenden Schichten integrierten Fluoreszenzmaterialien haben neben der Funktion des Lichttransportes zu den Solarzellen die Aufgabe, kurzwellige Solarstrahlung im Bereich von 300 nm bis ca.500 nm spektral in den Bereich oberhalb 600 nm zu wandeln (down-conversion) und auf diese Weise das Spektrum der Solarstrahlung besser der spektralen Empfindlichkeit der Solarzel- len anzupassen und bisher in der Photovoltaik nicht genutzt UV-Strahlung zu verwenden. Dadurch wird ebenfalls die Effizienz der Solarzellen verbessert. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden weitere Materialien in die Licht transportierenden Schichten eingebracht, die ebenfalls das Spektrum der Solarstrahlung der spektralen Empfindlichkeit der verwendeten Solarzellen anpas- sen. In einem so genannten up- Konvertermaterial werden zwei nieder energetische, von der Solarzelle nicht absorbierbare Photonen, in einem Zweistufen- Prozess absorbiert und in ein Photon mit größerer Photonenenergie gewandelt (up- conversion), das in der Solarzelle absorbiert werden kann und Strom erzeugt. Materialien, die eine Photonen- induzierte multiple Excitonen- Erzeugung gestat- ten, stellen ebenfalls up- Konverter-Materialien dar und führen auch zur spektralen Umwandlung niederenergetischer Infrarotstrahlung in höherenergetische Strahlung, die von der Solarzelle in Strom gewandelt werden kann. Als up- Kon- verter-Materialien kommen Seiten-Erden- Verbindungen,Übergangsmetalle, 2-6- Halbleiter, nanoskalige Halbleiterstrukturen, wie z.B Quantenpunkte, infrage. Beispiele für solche Materialien mit hoher Umwandlungseffizienz sind Zinksulfid- Nanopartikel dotiert mit Europium-, Mangan- oder Kupfer-Ionen, infrarot stimulierbare Leuchtstoffe und Lumineszenzpigmente sowie Calcium- Sulfid- Nanokristalle dotiert mit Selten-Erden-Ionen. Die in quadratischer, rechteckiger oder achteckiger Geometrie vorliegenden Solarzellen haben Kantenlängen von 2 mm bis 200 mm-vorzugsweise 40 mm bis 60 mm-, während die runden Solarzellen Durchmesser von 5 mm bis 200mm-vorzugsweise 40 mm bis 60 mm- aufwei- sen. Die z. Z. üblich verwendeten Vier-, Fünf -und Sechs-Zoll-Solarzellen finden auch eine effiziente Anwendung. Die Dicke der Licht transportierenden Schichten beträgt zwischen 0,05mm bis 5 mm-vorzugsweise 1 mm. Statt der Licht transportierenden Schichten können auch aus Kunststoff-, Metall- und Halbleiter- Substraten bestehende optische Chips verwendet werden, die auf ihren Oberflä- chen die Licht transportierenden Schichten mit den optisch aktiven fluoreszierenden und diffus reflektierenden Materialien tragen und während des technologischen Herstellungsprozess für die Solarmodule gemeinsam mit den Solarzellen auf die Solarglas-Substrate erfindungsgemäß aufgebracht werden, wobei die optisch aktiven Materialien tragenden Oberflächen der Chip- Substrate dem Solar- glas-Substrat zugewendet sind. Die optischen Chips haben für die Umsetzung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Module in die Praxis eine herausragende Bedeutung, da ihre Anwendung mit herkömmlichen Wafer-Modultechnologien voll kompatibel ist. Die erfindungsgemäßen Photovoltaik-Module können bei der Anwendung von Halbleiter- und weiteren optoelektronischen Detektoren auch neben ihrem Einsatz in der Solartechnik sehr effizient in der Strahlungsmesstechnik, beim optischen Richtfunk und bei der optischen Energieübertragung angewendet werden mit Einsparung von sehr teurem Detektormaterialien. Unter Anwendung der erfindungsgemäßen Module kann auch bisher kaum genutzter Solarzellenbruch bei der Modulherstellung effizient verwendet werden, indem die Zwischen- räume zwischen den Solarzellenbruchstücken mit den Licht transportierenden Schichten ausgefüllt werden. Auf diese Weise kann ebenfalls wertvolles Solarzellenmaterial eingespart werden. Die erfindungsgemäßen Photovoltaik-Module ha- ben den entscheidenden Vorteil, dass sie einfach und preiswert herzustellen sind und in herkömmliche Modultechnologien einfach zu integrieren sind. Sie sind zur Stromerzeugung auch mit diffuser Strahlung und insbesondere für einen Einsatz in Solarkraftwerken sehr gut geeignet. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Solarzellen bzw. Halbleiterdetektoren und Licht transportierenden Schichten bzw. Licht transportierende Schichten tragende optische Chips wird mit ihrer Anwendung an den Solarzellen und Halbleiterdetektoren eine Strahlungskonzentration bzw. Strahlungsverstärkung von mindestens 1 ,5 erreicht und teure Solarzellen- bzw. Detektormaterialien eingespart. Das führt zu einer erheblichen Einspa- rang bei den Modulen, da die Kosten der Licht transportierenden Schichten nur höchsten 10% der Solarzellen bzw. Detektoren ausmachen. Darüber hinaus werden selten vorkommende Elemente, wie Indium, Gallium, Germanium, Selen, Molybdän, Tellur, Zinn durch die Erfindung weniger benötigt mit Vorteil für die Kostenstruktur der Module. Durch die Integration von Materialien, die kurzwelli- ge in längerwellige (down- conversion) und/oder längerwellige in kurzwelligere (up- con-version) Strahlung wandeln, in die Licht transportierenden Schichten, gelingt es, die auftreffende Strahlung besser an die spektrale Empfindlichkeit der jeweilig verwendeten Solarzellen anzupassen und somit ihre Effizienz zu erhöhen. Insbesondere wird durch Wandlung von ultravioletter Strahlung im Bereich von 300 nm bis 400 nm -z.B. in rote Strahlung- bisher nicht nutzbares UV-Licht bei der Stromerzeugung genutzt. Durch die mit einer optimalen Kombination von Fluoreszenzmaterialien und diffus reflektierenden Materialien in den Licht transportierenden Schichten erreichte effiziente Strahlungskonzentration -auch fürThe diffusely reflecting materials incorporated in the light-transporting layers are composed of barium sulfate-titanium dioxide-based reflecting dyes, silver pastes, silicon nitride, ceramics, Teflon layers, light-diffusing polyvinyl fluoride films, and pigments; wherein preferably barium sulfate and titanium dioxide are combined in the same weight ratio with talcum powder and the weight fraction of the additives in the diffusely reflecting layers-based on the binder-is between 10 and 60%, preferably between 30 and 50%. Only with optimal selection of the weight ratios and concentration of the additives to obtain diffuse reflecting layers that scatter the incident light so that it is spectrally broadband at an angle greater than the critical angle of total reflection in the glass substrate totally reflected and there with high efficiency to the solar cells is transported. The light-transporting layers function particularly efficiently according to the invention if the fluorescent materials or fluorescent layers used in this case are optimally combined or tuned with the diffusely reflecting materials or layers. An advantageous embodiment of the light-transporting layers is, for example, first applying a spectrally light-converting fluorescent layer, the layer thickness and dye concentration being adjusted such that the absorption in the spectral range of the fluorescent dye is between 90% and 98%, preferably 95%, then then apply the diffusely reflecting white layer. Outside the absorption band of the fluorescent dye, the trans- be at least 90%, so that the incident radiation can penetrate the fluorescent layer outside the absorption band well, and then be diffused efficiently reflected broadband through the diffuse layer. In this way, the radiation impinging on the light-transporting layer is efficiently spectrally converted as well as diffusely reflected broadband into the near infrared spectral range and guided to the solar cells. A technically and materially advantageous further development of the arrangement according to the invention of solar cells and light-transporting layers is the arrangement of circular solar cells shown in FIG. 4. The circular solar cells 1 are surrounded by light-transporting layers 2 which fill the interstices between the solar cells. which exist even when the round solar cells are densely packed. The erfϊndungs- proper arrangement of round solar cells and light-transporting layers, the entire surface of the module is exploited, as well as the spaces absorb radiation and lead to the cells. The distance c between the solar cells and the boundary of the module is between c equal to 0 and c equal to the diameter D of the solar cells, where c is preferably four to six tenths of D. The arrangement shown in FIG. 4 has the further advantage that round solar cells and other semiconductor detectors, which are drawn as cylindrical single crystals, for example in the case of monocrystalline silicon, can be used directly in the modules, without the round solar cells, as is customary - must be sanded on their sides. This saves on semiconductor materials and operations. The arrangement shown in FIG. 4 can also be realized with square, rectangular or octagonal solar cells, the dimensions of the light-transporting layers located between the solar cells being related to the dimensions of the solar cells used, preferably between two and twelve-tenths four to six-tenths of the widths and heights of the solar cells correspond. An additional advantageous further development of the arrangement according to the invention is shown in FIG. These are solar cells or semiconductor detectors which are active on both sides but, in contrast to the arrangement shown in FIG. 3, they are located on the surface facing the incident radiation the glass substrates are located. On the surface facing away from the radiation of the glass substrate, the light-transporting layers 2 are applied over the entire surface. The on both sides active solar cells 1 applied on the surface facing the radiation are parqueted according to the patterns shown in FIGS. 1, 2 and 4, so that the incident radiation is applied both directly to the solar cells and efficiently between the solar cells through the glass substrate to the solar cells Light-transporting layers hits, where it is diffusely reflected and then hits the back of the two-way active solar cells and generates an additional electric current there. Since colored fluorescent materials are also integrated into the light-transporting layers, it is possible with the modules according to the invention to realize a color design of roofs and facades and multicolored symbols and logos for companies, associations, organizations and for advertising purposes as well as for national flag symbols , The fluorescent materials integrated into the light-transporting layers have, in addition to the function of transporting light to the solar cells, the task of down-converting shortwave solar radiation spectrally in the range from 300 nm to approximately 500 nm (down-conversion) and in this way to better adapt the spectrum of solar radiation to the spectral sensitivity of solar cells and to use UV radiation previously unused in photovoltaics. This also improves the efficiency of the solar cells. In an advantageous embodiment of the invention, further materials are introduced into the light-transporting layers, which likewise adapt the spectrum of the solar radiation to the spectral sensitivity of the solar cells used. In a so-called up-converter material, two low-energy photons that can not be absorbed by the solar cell are absorbed in a two-stage process and converted into a photon with a larger photon energy that can be absorbed in the solar cell and generates electricity. Materials that permit photon-induced multiple exciton generation are also up-converter materials and also lead to the spectral conversion of low-energy infrared radiation into higher-energy radiation, which can be converted into electricity by the solar cell. As an up- verter materials include side-earth junctions, transition metals, 2-6 semiconductors, nanoscale semiconductor structures such as quantum dots. Examples of such materials with high conversion efficiency are zinc sulfide nanoparticles doped with europium, manganese or copper ions, infrared stimulable phosphors and luminescent pigments and calcium sulfide nanocrystals doped with rare earth ions. The solar cells in square, rectangular or octagonal geometry have edge lengths of 2 mm to 200 mm, preferably 40 mm to 60 mm, while the round solar cells have diameters of 5 mm to 200 mm, preferably 40 mm to 60 mm. The z. Z. commonly used four-, five- and six-inch solar cells also find efficient application. The thickness of the light-transporting layers is between 0.05 mm to 5 mm, preferably 1 mm. Instead of the light-transporting layers, it is also possible to use optical chips consisting of plastic, metal and semiconductor substrates, which carry on their surfaces the light-transporting layers with the optically active fluorescent and diffusely reflecting materials and during the technological production process for the Solar modules are applied together with the solar cells on the solar glass substrates according to the invention, wherein the optically active materials bearing surfaces of the chip substrates are the solar glass substrate facing. The optical chips are of outstanding importance for the implementation of the photovoltaic modules according to the invention, since their application is fully compatible with conventional wafer module technologies. In the application of semiconductor and other optoelectronic detectors, the photovoltaic modules according to the invention can also be used very efficiently in radiation measurement technology, in optical radio transmission and in optical energy transmission in addition to their use in solar technology, with the saving of very expensive detector materials. Using the modules according to the invention, it is also possible to efficiently use previously scarcely used solar cell breakage in module production by filling the intermediate spaces between the solar cell fragments with the light-transporting layers. In this way, valuable solar cell material can also be saved. The photovoltaic modules according to the invention The key advantage is that they are simple and inexpensive to manufacture and easy to integrate into traditional module technologies. They are also very suitable for power generation with diffuse radiation and especially for use in solar power plants. By virtue of the inventive arrangement of solar cells or semiconductor detectors and light-transporting layers or light-transporting layers-carrying optical chips, their application to the solar cells and semiconductor detectors achieves a radiation concentration or radiation amplification of at least 1.5, and saves expensive solar cell or detector materials. This leads to a considerable savings in the modules, since the costs of the light-transporting layers make up only the highest 10% of the solar cells or detectors. In addition, seldom occurring elements such as indium, gallium, germanium, selenium, molybdenum, tellurium, tin are less required by the invention to benefit the cost structure of the modules. By integrating materials that convert from short-wave into longer-wave (down-conversion) and / or longer-wave into shorter-wave (upconversion) radiation into the light-transporting layers, the incident radiation is better able to match the spectral sensitivity to adapt to the solar cells used and thus to increase their efficiency. In particular, conversion of ultraviolet radiation in the range from 300 nm to 400 nm, for example into red radiation, has made use of previously unusable UV light in power generation. The efficient radiation concentration reached by an optimal combination of fluorescence materials and diffuse reflective materials in the light-emitting layers also reached
Infrarotstrahlen-an den Solarzellen und spektrale Anpassung der Solarstrahlung durch Lichtkonversion kann die erzeugte elektrische Leistung an den betreffendenInfrared rays at the solar cells and spectral adjustment of the solar radiation through light conversion can generate the electrical power generated at that particular solar cell
Solarzellen bzw. Halbleiterdetektoren um ca. 40% gesteigert werden, in deren Folge sich die Kosten der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Module gegenüber herkömmlichen im Mittel um mindestens 20% reduzieren. Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass durch ihre Anwendung eine nicht zu starke Strahlungs- konzentration an den Solarzellen auftritt, so dass eine ungewünschte zu einer Effizienzerniedrigung führende Erwärmung der Solarzellen nicht auftreten kann. B E I S P I E L E Beispiel 1Solar cells or semiconductor detectors are increased by about 40%, as a result, reduce the cost of the photovoltaic modules according to the invention over conventional on average by at least 20%. The invention furthermore has the advantage that, due to its application, a not too strong radiation concentration on the solar cells occurs, so that an undesired heating of the solar cells leading to a reduction in efficiency can not occur. EXAMPLES Example 1
Zur Herstellung eines Photovoltaik-Moduls werden zunächst quadratische kristal line Silizium-Solarzellen mit den Kantenlängen von 40mm auf die den schwarzen Feldern entsprechenden Bereiche der schachbrettartig aufgeteilten Oberfläche eines Solarglas-Substrates mit den Abmessungen 320 mm mal 320 mm mit einer heiß klebenden Polymerfolie aufgebracht. Danach erfolgt die Beschichtung der frei bleibenden Felder mit den Licht transportierenden Schichten durch Gieß- oder Sprühtechniken mit anschließender Trocknung der Schichten bei Temperaturen um 100°C. D.h. das Solarmodul ist mit je 32 Stück Solarzellen und Licht transportierenden Schichten bestückt. Die Licht transportierenden Schichten setzen sich z.B. aus einer Bariumsulfat und Titandioxid enthaltenen Reflektorfarbe auf Acry- latbasis zusammen, dem ein oberhalb 600 nm emittierendes rotes Fluoreszenzmaterial aus der Gruppe der Perylene mit einem Gewichtsanteil von 2% -bezogen auf das Gewicht der Reflektorfarbe- zugesetzt wird. Das rote Fluoreszenzmaterial sorgt dafür, dass einfallende kurzwellige Solarstrahlung im Bereich von 300 nm bis 530 nm absorbiert und in Strahlung oberhalb 600 nm gewandelt wird mit ver- besserter spektraler Anpassung der Solarstrahlung an die spektrale Empfindlichkeit der verwendeten Solarzelle. Im Vergleich zu einer isolierten Solarzelle kann die Effizienz einer in der aufgeführten Schachbrettanordnung und von vier Licht transportierenden Schichten umgebenden Solarzelle um ca. 40% gesteigert werden. Da die Kosten der Licht transportierenden Schichten nur höchstens 10% der Kosten der verwendeten Solarzellen betragen, ist ein Schachbrett-Modul gegenüber herkömmlichen Modulen wesentlich billiger bei gleicher Modulleistung. Beispiel 2To produce a photovoltaic module, square crystalline silicon solar cells with the edge lengths of 40 mm are first applied to the areas corresponding to the black areas of the checkerboard-like surface of a solar glass substrate with the dimensions 320 mm by 320 mm with a hot-adhesive polymer film. Thereafter, the coating of the remaining fields with the light-transporting layers by casting or spraying techniques followed by drying of the layers at temperatures around 100 ° C. That The solar module is equipped with 32 solar cells and light transporting layers. The light-transporting layers settle e.g. acrylate-based reflector ink containing barium sulfate and titanium dioxide, to which is added a red fluorescent material from the group of perylenes emitting above 600 nm with a weight fraction of 2%, based on the weight of the reflector resin. The red fluorescent material ensures that incident short-wave solar radiation in the range from 300 nm to 530 nm is absorbed and converted into radiation above 600 nm with improved spectral adaptation of the solar radiation to the spectral sensitivity of the solar cell used. In comparison to an insulated solar cell, the efficiency of a solar cell surrounding in the listed checkerboard arrangement and four light-transporting layers can be increased by about 40%. Since the cost of the light-transporting layers amount to at most 10% of the cost of the solar cells used, a checkerboard module compared to conventional modules is much cheaper with the same module performance. Example 2
Zur Herstellung eines weiteren Konzentrator-Solarmoduls wird von einem beidseitig oberflächenstrukturierten Solarglas der Dicke von 4 mm ausgegangen. Auf das Solarglas der Abmessung von 73 cm mal 16 cm werden achtzehn monokristalline Silizium-Solarzellen mit den Abmessungen von 50 mm mal 50 mm mit Hilfe eines optisch transparenten Klebers aufgeklebt. Die Parkettierung der Solarzellen erfolgt in der Weise, dass je neun Solarzellen in zwei parallelen Reihen in einem Abstand von 2 cm mit frei bleibenden Flächen auf das Solarglas aufgebracht werden, wobei zwischen den Solarzellen unbelegte Flächen mit einer Breite von 3 cm und zum Rand des Moduls unbelegte Streifen von je 2,0 cm belassen werden. Auf dem Solarglas entsteht somit ein Muster, in dem sich Solarzellen und von Solarzellen frei gelassene Flächen abwechseln. Anschließend werden die von Solarzellen frei bleibenden Flächen mit Licht transportierenden Schichten versehen, in dem die Solarzellen abgedeckt und zunächst mit einer roten Fluoreszenzfarbe beschichtet werden, die sich aus einem Äthyl-Methacrylat-Kopolymer (Pa- raloid B 72) und dem Fluoreszenzfarbstoff Perylenrot (z.B. RED 300) zusammen- setzt, (gelöst in einem Lösungsmittel), wobei 1 Gew.% Farbstoff verwendet wird, bezogen auf den Kopolymeranteil. Die Schichtdicke der roten Fluoreszenzschicht wird dabei so bemessen, dass außerhalb der Absorptionsbanden des roten Fluoreszenzfarbstoffes die Transmission größer als 92% ist. Danach wird ein matter stark diffus streuender Weißlack mehrmals aufgesprüht wird. Nach einer Trock- nung des Lackes von ca. einer Stunde bei Zimmertemperatur ist die Belegung des Solarsubstrates abgeschlossen und der Modul wird durch elektrische Verschaltung und Verkapselung vervollständigt. Als Referenzmodul wird ein Modul mit 20 monokristallinen Silizium-Solarzellen mit denselben Abmessungen ohne frei bleibende Zwischenräume auf einem Solarglas vom gleichen Typ mit einer Abmes- sung von 50 cm mal 10 cm hergestellt. Testmessungen ergeben am Konzentra- tormodul mit 18 Solarzellen an einem wolkenlosen Märztag im Jahr 2010 ca. fünf Watt elektrische Leistung. Der Referenzmodul mit 20 Solarzellen liefert etwa zum selben Messzeitpunkt ca. 4,9 Watt. D.h. mit dem erfindungsgemäßen Modul kann jede fünfte Solarzelle eingespart werden. Zur Darstellung der Schweizer Flagge werden die entsprechenden Bereiche für die Licht transportierenden Schichten mit Kreuzen abgedeckt und dann mit der roten Fluoreszenzfarbe beschichtet. Dann werden die kreuzförmigen Abdeckungen entfernt und nach einer Trocknungsphase die weiße Reflektorfarbe aufgebracht. Man erhält weiße Kreuze auf rotem Untergrund und damit Symbole der Schweizer Nationalflagge, wobei auf diese Weise hergestellte Licht transportierenden Schichten ihre Funktion voll erfüllen. To produce a further concentrator solar module is assumed by a double-sided surface-structured solar glass thickness of 4 mm. On the solar glass measuring 73 cm by 16 cm, eighteen monocrystalline silicon solar cells with the dimensions of 50 mm by 50 mm are glued using an optically transparent adhesive. The tiling of the solar cells is done in such a way that each nine solar cells in two parallel rows in a distance of 2 cm with free surfaces are applied to the solar glass, leaving between the solar cells blank areas with a width of 3 cm and the edge of the module unoccupied strips of 2.0 cm. The solar glass thus creates a pattern in which solar cells and surfaces left free by solar cells alternate. Subsequently, the surfaces remaining free of solar cells are provided with light-transporting layers, in which the solar cells are covered and coated first with a red fluorescent color, which consists of an ethyl methacrylate copolymer (Paraloid B 72) and the fluorescent dye perylene red (eg RED 300), (dissolved in a solvent), wherein 1% by weight of dye is used, based on the copolymer fraction. The layer thickness of the red fluorescent layer is dimensioned such that outside the absorption bands of the red fluorescent dye, the transmission is greater than 92%. Afterwards, a matt, strongly diffusely scattering white paint is sprayed on several times. After drying the paint for about one hour at room temperature, the solar substrate coating is completed and the module is completed by electrical wiring and encapsulation. As a reference module, a module with 20 monocrystalline silicon solar cells of the same dimensions without free spaces on a solar glass of the same type with a size of 50 cm by 10 cm produced. Test measurements on the condenser module with 18 solar cells on a cloudless March day in 2010 yield about five watts of electrical power. The reference module with 20 solar cells delivers approximately 4.9 watts at about the same time of measurement. This means that with the module according to the invention every fifth solar cell can be saved. To represent the Swiss flag, the corresponding areas for the light-transporting layers are covered with crosses and then coated with the red fluorescent color. Then the cross-shaped covers are removed and applied after a drying phase, the white reflector color. This gives white crosses on a red background and thus symbols of the Swiss national flag, whereby light-transporting layers produced in this way fully fulfill their function.

Claims

A N S P R Ü C H E
1. Photo voltaik-Modul zur Strahlungskonzentration gekennzeichnet dadurch, dass quadratische, rechteckige, achteckige, runde oder beliebig gestaltete1. Photo voltaic module for radiation concentration characterized by being square, rectangular, octagonal, round or arbitrarily designed
Solarzellen oder weitere optoelektronische Detektoren und Licht transportierende Schichten oder mit Licht transportierenden Schichten versehene optische Chips auf einem optisch hoch transparenten Glas- oder Polymer- Substrat alternierend aufgebracht sind, wobei die Abmessungen der zwi- sehen den Solarzellen oder optoelektronischen Detektoren befindlichenSolar cells or other optoelectronic detectors and light-transporting layers or provided with light-transporting layers optical chips are applied alternately on a highly optically transparent glass or polymer substrate, the dimensions of which see between the solar cells or optoelectronic detectors
Licht transportierenden Schichten und die mit Licht transportierenden Schichten versehenen Ränder der Module gleich zwei bis zwölf Zehntelvorzugsweise vier bis sechs Zehntel - der Breiten bzw. Höhen der Solarzellen oder optoelektronischen Detektoren betragen und in den Licht transpor- tierenden Schichten Materialien enthalten sind, dieLight transporting layers and the edges of the modules provided with light-transporting layers are equal to two to twelve tenths preferably four to six tenths - the widths or heights of the solar cells or optoelectronic detectors and contained in the light-transporting layers materials containing
(a) durch Fluoreszenz kurzwellige in längerwellige Strahlung (down- con- version) und/oder längerwellige in kurzwellige (up-conversion) Strahlung wandeln und/oder(a) by short-wave fluorescence in longer-wave radiation (down-con- version) and / or longer-wave in short-wave (up-conversion) radiation convert and / or
(b) die Strahlung diffus reflektieren und als Lambertsche Strahler wirken.(b) diffusely reflect the radiation and act as Lambertian radiators.
2. Photovoltaik-Modul nach Anspruch 1, worin das Modul sich aus auf einem optischen Substrat schachbrettartig oder schachbrettähnlich angeordneten2. Photovoltaic module according to claim 1, wherein the module is arranged on an optical substrate like a checkerboard or checkerboard
Solarzellen oder optoelektronischen Detektoren und Licht transportierendenSolar cells or opto-electronic detectors and light-transporting
Schichten oder mit Licht transportierenden Schichten versehene optischeLayers or layers provided with light-transporting optical
Chips zusammensetzt.Composed of chips.
3. Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 2, worin die Kantenabmessungen der vieleckigen Solarzellen und optoelektronischen Detektoren im Bereich von 2 mm bis 200 mm-vorzugsweise bei 40 mm bis 60 mm- liegen und die Durchmesser der runden Solarzellen und optoelektronischen Detektoren zwischen 5 mm und 200 mm -vorzugsweise 40 mm bis 60 mm - betragen.3. Photovoltaic module according to one of claims 1 to 2, wherein the edge dimensions of the polygonal solar cells and optoelectronic detectors are in the range of 2 mm to 200 mm, preferably 40 mm to 60 mm and the diameters of the round solar cells and optoelectronic Detectors between 5 mm and 200 mm - preferably 40 mm to 60 mm - amount.
4. Photovoltaik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, worin die Solarzellen aus Dünnschichtzellen aus Silizium, Cadmium-4. Photovoltaic module according to one of the preceding claims 1 to 3, wherein the solar cells of thin-film cells of silicon, cadmium
Tellurid, Cadmiumsulfid, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, Kupfer- Indium-Sulfid, Kupfer- Indium-Gallium-Schwefel-Selen und weiteren Mischverbindungen aus diesen Elementen und/oderTelluride, cadmium sulfide, copper indium gallium diselenide, copper indium sulfide, copper indium gallium sulfur selenium and other mixed compounds of these elements and / or
Solarzellen und Halbleiterdetektoren aus Silizium- Wafern, Gallium-Arsenid und -Indiumphosphid- Verbindungen,Solar cells and semiconductor detectors made of silicon wafers, gallium arsenide and indium phosphide compounds,
Germanium, Selen, Gallium-Indium-Phosphid, Gallium-Indium-Arsenid und weiteren Mischverbindungen aus diesen Elementen sowie aus weiteren optoelektronischen Detektoren und organischen Solarzellen bestehen.Germanium, selenium, gallium indium phosphide, gallium indium arsenide and other mixed compounds consisting of these elements as well as other optoelectronic detectors and organic solar cells.
5. Photovoltaik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, worin die fluoreszierenden Materialien ausgewählt sind aus der Gruppe der Fluoreszenzfarbstoffe, Quantenpunkte, Nanokristalle, Phosphore und deren Mischungen sowie Selten Erden-Verbindungen, Übergangsmetalle, 2-6-Halbleiter und infrarot stimulierbare Leuchtstoffe.5. Photovoltaic module according to one of the preceding claims 1 to 4, wherein the fluorescent materials are selected from the group of fluorescent dyes, quantum dots, nanocrystals, phosphors and mixtures thereof and rare earth compounds, transition metals, 2-6 semiconductors and infrared stimulable phosphors.
6. Photovoltaik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, worin die Fluoreszenzfarbstoffe aus der Gruppe der Xanthene, Rhodamine, Oxazine, Perylene, Pyrromethene und Naphthalimide ausgewählt sind.6. Photovoltaic module according to one of the preceding claims 1 to 5, wherein the fluorescent dyes from the group of xanthenes, rhodamines, oxazines, perylenes, pyrromethenes and naphthalimides are selected.
7. Photovoltaik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, worin die Quantenpunkte halbleitende Materialien sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, Ga/InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe.A photovoltaic module according to any one of claims 1 to 6, wherein the quantum dots are semiconducting materials selected from the group consisting of InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, Ga / InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, PbS, PbSe, PbTe.
8. Photovoltaik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, worin Leuchtstoffe ausgewählt sind aus der Gruppe der Seltenerdmetallen, dotierten Phosphaten, Silikaten, Germanaten, Granaten, Vanadaten, Arsena- ten, Woframnaten, Molybdaten, Aluminaten, Gallaten, Nitriden und Boraten.8. Photovoltaic module according to one of the preceding claims 1 to 7, wherein phosphors are selected from the group of rare earth metals, doped phosphates, silicates, germanates, garnets, vanadates, arsenic woframnates, molybdates, aluminates, gallates, nitrides and borates.
9. Photovoltaik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, worin die diffus reflektierenden Materialien ausgewählt sind aus der Gruppe der Bariumsulfat- und Titandioxid-Reflektorfarben, der Aluminium- und Silberpasten, Siliziumnitrid, Keramiken, Teflonmaterialien, lichtstreuende Polyvinylfluorid-Folien und Pigmenten.A photovoltaic module according to any one of the preceding claims 1 to 8, wherein the diffusely reflecting materials are selected from the group of barium sulfate and titanium dioxide reflector colors, aluminum and silver pastes, silicon nitride, ceramics, Teflon materials, light diffusing polyvinyl fluoride films and pigments ,
10. Photo voltaik-Module nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin die up- conversion-Materialien ausgewählt sind aus der Gruppe der Zinksulfid- Nanopartikel dotiert mit Europium-, Mangan- oder Kupferionen, Leuchtstoffen, Lumineszenzpigmenten, Calcium-Sulfid-Nanokristallen dotiert mit SeI- ten-Erden-Ionen und deren Mischungen.10. photovoltaic modules according to one of claims 1 to 9, wherein the up-conversion materials are selected from the group of zinc sulfide nanoparticles doped with europium, manganese or copper ions, phosphors, luminescent pigments, calcium sulfide nanocrystals doped with earth-earth ions and their mixtures.
11. Photovoltaik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, worin die Substrate der optischen Chips aus Kunststoffen, Metallen und Halbleitern bestehen.11. The photovoltaic module according to one of the preceding claims 1 to 10, wherein the substrates of the optical chips made of plastics, metals and semiconductors.
12. Photovoltaik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 zum Erzeugen von Solarstrom.12. Photovoltaic module according to one of the preceding claims 1 to 11 for generating solar power.
13. Photovoltaik-Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 zur Verwendung bei der Strahlungsdetektion, beim optischen Richtfunk und bei der optischen Energieübertragung.13. Photovoltaic module according to one of the preceding claims 1 to 12 for use in radiation detection, in the optical directional radio and in the optical energy transmission.
14. Photovoltaik-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Verwendung bei der farblichen Gestaltung von Dächern, Fassaden, Schallschutzwänden , zu Werbezwecken und zur Darstellung von Nationalflaggen-Symbolen so- wie von Logo's für Firmen, Vereine, Organisationen etc. 14. Photovoltaic module according to one of claims 1 to 13 for use in the color design of roofs, facades, noise barriers, for advertising purposes and for displaying national flag symbols as well as logo's for companies, clubs, organizations, etc.
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