PHOTOVOLTAIK-VORRICHTUNG MIT AN OPTISCHEN ELEMENTEN SEITLICH ANGEBRACHTEN SOLARZELLEN

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung (PV-Vorrichtung) zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein Herstellverfahren für eine solche photovoltaische Vorrichtung (Solarmodul) mit mindestens einer Solarzelle zum direkten Umwandeln von Licht in elektrische Energie.

Im Bereich der Nutzung der Solarenergie ist seit ca. 50 Jahren bekannt, dass Sonnenenergie durch Silizium auch direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Bei den heute üblichen Solarzellen wird meist mono- oder multikristallines Silizium verwendet. Diese Solarzellen aus Silizium wandeln nur einen Teil des Spektrums der auftreffenden Strahlung in elektrischen Strom um.

Dabei werden häufig auch Dünnschichtsolarzellen zur Umwandlung der Sonnenstrahlung in elektrischen Strom verwendet.

Eine höhere Effizienz mit über 39 % Umwandlung der Solarstrahlung kann durch den Einsatz von Hochleistungs-PV-Zellen aus höherwertigen Halbleiterverbindungen (MI-IV- Halbleitermaterial) wie z.B. GalliumArsenid (GaAs) erzielt werden.

Solche Zellen auf Halbleitermaterialbasis können stufenartig als Single-, Tandem-, Tripelzellen oder Mehrfach-Stapelzellen aufgebaut werden und nutzen dadurch Sonnenstrahlung mit einem breiteren Frequenzspektrum. Die großflächige Produktion solcher Zellen ist jedoch sehr kostenintensiv. Es wurde daher den Ansatz gewählt, die einfallende Sonnenstrahlung auf eine sehr kleine Fläche von z.B. unter einige hundert Quadratmillimetern oder sogar von unter einem Quadratmillimeter zu konzentrieren. Nur für diese kleine Fläche

ist dann eine Solarzelle notwendig. Der Materialeinsatz kann dann bei unter 1 % gegenüber dem großflächigen Einsatz solcher Zellen liegen. Durch die Konzentration lässt sich die hohe Lichtausbeute von Hochleistungs-PV-Zellen von zur Zeit über 39 % nutzen.

Aus dem Dokument DE 103 20 663 A1 ist eine PV- Vorrichtung zum Konzentrieren von Sonnenstrahlung (hundert bis tausendfache Konzentration) auf Mikrosolarzellen aus Halbleitermaterial bekannt. Die PV-Vorrichtung weist ein geschlossenes Gehäuse auf, in dessen Inneren mindestens eine optische Einrichtung und mindestens eine zugeordnete Mikrosolarzelle angeordnet sind. Die mindestens eine optische Einrichtung konzentriert das einfallende Licht über das 100-fache jeweils auf eine zugeordnete Mikrosolarzelle mit einer kleinere Fläche als einigen hundert Quadratmillimetern. Zur Nachführung an dem Sonnenstand kann die mindestens eine optische Einrichtung unabhängig von der zugeordnete Mikrosolarzelle und von dem ortsfesten Gehäuse bewegt und so an die Sonne nachgeführt werden. Auch kann die Einheit aus einer Mikrosolarzelle und optischer Einrichtung unabhängig von dem umgebenden Gehäuse bewegt und so der Sonne nachgeführt werden. Da der Wirkungsgrad der Mikrosolarzelle mit zunehmender Temperatur sinkt, ist die darin verwendete Mikrosolarzellen jeweils mit einem Kühlkörper umgeben, der die anfallende Wärme von der zugeordneten Mikrosolarzelle abführen soll. Die Anbringungsart der Mikrosolarzellen in Inneren eines Gehäuses führt trotz vorhandenen Kühlkörpern um die Mikrosolarzellen zu Problemen bei der notwendigen Wärmeabführung, die dabei im Gehäuse gefangen bleibt, sowie zu Verunreinigungen der Innenseite der PV-Vorrichtung und der empfindlichen Mikrosolarzellen.

Solche Mikrosolarzellen sind sehr empfindlich gegen Umwelteinflüsse, bereits Staubkörner und kleine Schmutzpartikel oder Feuchtigkeit können ihre Funktion beeinträchtigen.

Da grundsätzlich nur die Verbindung mehrerer Photovoltaik-Vorrichtungen

einen wirtschaftlichen Einsatz einer solchen Photovoltaik-Vorrichtung ermöglicht, werden diese vorzugsweise zu einer Solaranlage zusammengefasst.

Nachteilig ist bei bekannten Solarmodulen oder Photovoltaik-Vorrichtungen, dass die darin verwendeten Solarzellen jeweils sehr genau auf der optischen Achse und/oder in dem Fokus des zugeordneten konzentrierenden optischen Elements positioniert werden muss, welches die einfallende Sonnenstrahlung auf die kleinere Fläche dieser konzentriert. Die dabei üblicherweise eingesetzten Linsensysteme haben ein hohes Gewicht, was zu einer erschwerten Nachführung an die Sonne und zu erhöhten Herstellungskosten wegen der großen eingesetzten Materialmengen führt.

üblicherweise kann von den dabei verwendeten Solarzellen nur ein Teil der einfallenden Strahlung in Strom umgewandelt werden. Die umwandelbare Sonnenstrahlung weist Wellenfrequenzen v auf, deren Photonenenergie hv über der Energielücke der in den Solarzellen eingesetzten Halbleitermaterialien liegt. Dieser von den Solarzellen nutzbare Teil der Strahlung ist eher kurzwellig.

Der Teil der einfallenden Sonnenstrahlung, der von den Solarzellen nicht in Strom umgewandelt wird, ist eher langwellig und macht sich als Wärme bemerkbar.

Da der Wirkungsgrad von Solarzellen mit einer Erhöhung der Temperatur absinkt, ist bei solchen Solarmodulen die Arbeitstemperatur der Solarzellen wegen der großen Wärmemengen, die während ihres Betriebs entstehen, oder wegen der einfallenden Wärmestrahlung (IR-Strahlung) schwer in einem Bereich zu halten, in dem die Solarzellen effektiv arbeiten können.

üblicherweise wird Wärme, die beim Betrieb der Solarzellen oder durch die einfallende Wärmestrahlung verursacht wird, an die Umgebung mittels

Luftkühlung oder über Kühlkörper abgeleitet. Bekannt ist es auch, wie z.B. aus dem Dokument DE 40166665 A1 hohe Konzentrationen der einfallenden Sonnenstrahlung zu vermeiden, um eine überhitzung der darin verwendeten Solarzellen zu umgehen.

Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Hologrammstrukturen mit Beugungsgitter bekannt.

In dem Artikel „Fabrication of relief gratings on high photosensitive Siθ ₂ /Zrθ ₂ gel film by UV exposure" von XuXiang, ZhouBin, LiuChunze, XuChao, WuGuangming, NiXingyuan, ShenJun, der in „The 2 ^nd SPIE International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies", Shanghai, China, 2005, Proc. of SPIE Vol. 6149, S. 61490N-1 - 61490N-6 veröffentlicht ist, ist ein SiO ₂ ZZrO ₂ -GeI-FiIm offenbart, der mit ß-Diketonen chemisch verändert wird und der mittels eines Sol-Gel-Prozesss mit Tetraethyl-Ortosilikat vermischt wird.

Im Sol-Gel-Prozess können sehr dünne Beschichtungen realisiert werden. Bei Sol-Gel-Prozessen kommt es zu einer Vielzahl von Hydrolyse- und Polymerisationsreaktionen, die die Herausbildung einer kolloidalen Lösung zur Folge haben. Partikel, die einen geringen Durchmesser von wenigen hundert Nanometern aufweisen und vorher in einer Flüssigkeit gelöst wurden, Kondensieren daraufhin zu einem Gel.

Durch die chemische Veränderung werden die oben genannten Gel-Filme photosensitiv. Während der Bestrahlung dieser Gel-Filme mit UV-Licht mit einer Wellenlänge von 335 nm verschiebt sich das charakteristische Absorptionsband mit einem Maximum bei 334 nm zu kürzeren Wellenlängen. Durch die Verschiebung des charakteristischen Absorptionsbandes wird eine änderung der Löslichkeit der oben genannten Gel-Filme hervorgerufen. Diese mit UV-Licht bestrahlen Gel-Filme werden alkohollöslich.

Diese photosensitiven Gel-Filme werden jeweils auf einem Siliziumdioxidsubstrat überzogen und die Belichtung mit UV-Strahlung erfolgt jeweils durch eine Maske. Anschließend werden diese Gel-Filme in Alkohol ausgelaugt. Letztendlich werden Oberflächenreliefgitter mit einer Periode von 2 μm und einer Tiefe von 80 nm erhalten. Solche photosensitive Gel-Filme haben sich als vorteilhaft bei der Herstellung von mikrooptischen Elementen erwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Photovoltaik-Vorrichtung so aufzubauen, dass ein hoher Wirkungsgrad der Solarzellen über eine längere Zeit erhalten bleibt.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Photovoltaik-Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Mit der erfindungsgemäßen Photovoltaikvorrichtung wird ein hoher Wirkungsgrad der Solarzellen über eine längere Zeit durch eine Stabilisierung der Arbeitstemperatur der Solarzellen in einem Bereich, in dem die Solarzellen effizient arbeiten können, erhalten.

Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung erfolgt mittels mindestens eines ersten optischen Elements eine Umlenkung der einfallenden Sonnenstrahlung in einem ersten Spektralbereich auf mindestens eine zugeordnete, an einer Seitenfläche des optischen Elements angebrachte

Solarzelle. Dabei wandelt die Solarzelle den ersten Spektrum der einfallenden Sonnenstrahlung gänzlich in elektrische Energie um. Die einfallende Strahlung in einem zweiten Spektralbereich, der von der Solarzelle nicht in elektrische Energie umwandelbar ist, wird dabei von dem ersten optischen Element mittels einer auf der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen

Elements vorhandenen ersten Hologrammstruktur von der Fläche der seitlich angebrachten Solarzelle weg auf einen solarzellenfreien Zielbereich

umgelenkt. Bekanntlich wandeln Solarzellen die einfallenden Sonnenstrahlung in einem Spektralbereich, den sie nicht in elektrische Energie umwandeln können, hier die einfallende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich, in Wärme um. Dadurch dass, das erste optische Element nur den von der Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren ersten Spektralbereich der einfallenden Sonnenstrahlung auf diese umlenkt, wird eine unerwünschte Erhöhung der Temperatur der Solarzelle vermieden. Da der Wirkungsgrad einer Solarzelle mit einer Erhöhung der Temperatur dieser sinkt, wird so eine hohe Effizienz der Solarzelle über eine längere Zeit erhalten.

Dadurch dass die einfallende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich mittels der ersten Hologrammstruktur schon an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements weg von der Fläche der Solarzelle auf einen solarzellenfreien Zielbereich umgelenkt wird, wird aus der gesamten unmittelbaren Umgebung der Solarzelle die einfallende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich weggelenkt. So wird eine Erhitzung der Solarzelle vermieden, die auf sie auftreffende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich in Wärme umwandeln würde. So wird auch eine Erwärmung der Solarzelle infolge der einfallende langwelligere Wärmestrahlung vermieden, die sich sonst auch in den Bereichen des ersten optischen Elements sammeln würden, die sich in der unmittelbaren Umbebung der Solarzelle befinden, und die Solarzelle miterwärmen würden.

Durch die Anbringung der Solarzelle auf einer Seitenfläche des ersten optischen Elements wird der Aufbau einer erfindungsgemäßen Photovoltaik- Vorrichtung gegenüber dem Aufbau einer üblichen Photovoltaik-Vorrichtung mit optischen Elementen, die die einfallenden Sonnenstrahlung jeweils auf an ihrer der Sonne abgewandten Seite angebrachte Solarzellen bündeln, erleichtert. Folglich sinken die Herstellungskosten einer erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung. Bei einer erfindungsgemäßen PV-Vorrichtung entfällt der Aufbauaufwand, der bei den üblichen Systemen durch die dabei erforderliche, sehr genaue Positionierung der Solarzellen auf der optischen

Achse und/oder im Fokus des zugeordneten ersten optischen Elements erforderlich ist.

Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung ist das erste optische Element eben ausgebildet. So kann das erste optische Element sehr genau konstruiert werden. Die Konstruktion eines ebenen ersten optischen Elements bedarf weniger Aufwand als die Konstruktion eines ersten optischen Elements, die gebogenen lichtbrechenden Flächen aufweist.

An der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements können auch mehrere, solche Solarzellen vorhanden sein, die jeweils die einfallende Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich in elektrische Energie umwandeln können. So wird die Effizienz der erfindungsgemäßen Photovoltaik- Vorrichtung erhöht.

Um eine effizientere Ausnutzung der einfallenden Sonnenstrahlung zu erreichen, sind vorzugsweise mehrere der ersten optischen Elemente mit jeweils mindestens einer seitlich angebrachten Solarzelle in der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung vorhanden.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung eine Vielzahl der ersten optischen Elemente auf, wobei mehrere der ersten optischen Elemente die einfallende Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich für mehrere unterschiedliche Einfallswinkel jeweils auf die zugeordnete Solarzelle umlenken. Dadurch kann die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung auch ohne Nachführung arbeiten, da bei verschiedenen Sonnenständen die einfallende Sonnenstrahlung von den ersten optischen Elementen jeweils auf die mindestens eine zugeordnete Solarzelle umgelenkt wird.

Auch kann die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung eine Vielzahl der ersten optischen Elemente aufweisen, wobei mehrere der ersten optischen

Elemente die senkrecht einfallende Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich jeweils auf die zugeordnete Solarzelle umlenken. Solch eine erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung wird an die Sonne nachgeführt und erbringt eine hohe Leistung über den ganzen Tag, da die Solarzellen über den ganzen Tag, solange die Sonne scheint, bestrahlt werden.

Vorzugsweise weist das erste optische Element mindestens eine seitlich angebrachte Solarzelle mit einer kleineren Fläche als Lichteintrittsfläche dieses ersten optischen Elements auf. Dabei wird die einfallende Strahlung in dem ersten Spektralbereich auf die Fläche der Solarzelle mittels des ersten optischen Elements konzentriert. So kann die effektiv ausgenutzte Fläche der Solarzelle wesentlich reduziert werden, was zu einer Minimierung der Einkaufs- oder Herstellungskosten der verwendeten Solarzellen führt.

Bei der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung sind vorzugsweise mehrere der ersten optischen Elemente insbesondere alle ersten optischen Elemente an einem gemeinsamen Lichteintrittskörper und/oder Lichtaustrittskörper ausgebildet. Dadurch können solche erfindungsgemäße, erste optische Elemente leichter gehandhabt und konstruiert werden. Das führt zu einer Reduzierung der Herstellungskosten einer solchen erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung.

Vorzugsweise ist die erste Hologrammstruktur des ersten optischen Elements so ausgebildet, dass sie die einfallende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich unter mindestens einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umlenkt und die einfallende Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich durchlässt.

So kann eine Erhöhung der Arbeitstemperatur der mindestens einen

Solarzelle vermieden werden, da so die von der mindestens einer Solarzelle in Wärme umwandelbaren Teil der einfallenden Sonnenstrahlung auf diese erst

gar nicht auftrifft. Durch die Anbringung der ersten Hologrammstruktur an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Element kann sich die einfallende Wärmestrahlung in dem ersten optischen Element nicht sammeln, da sie schon an seiner der Sonne zugewandten Seite zurück in die Außenumgebung umgelenkt wird. Dabei wird die einfallende Sonnenstrahlung in dem von der zugeordneten Solarzelle nicht in elektrische Energie umwandelbaren zweiten Spektralbereich und damit auch die einfallende Wärmestrahlung zurück in die Außenumgebung umgelenkt. Folglich kann die einfallende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich und damit auch die einfallende langwelligere Wärmestrahlung in die unmittelbaren Umgebung der Solarzelle erst gar nicht geraten. So wird eine überhitzung der Solarzelle vermieden.

Die erste Hologrammstruktur weist vorzugsweise mehrere übereinander überlagerte, insbesondere ebene Hologrammschichten auf, die einfallende Sonnenstrahlung in mindestens einem Teilbereich des zweiten Spektralbereichs, der von der Solarzelle nicht in elektrische Energie umwandelbar ist, unter einem oder jeweils unter einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umlenken und die einfallende Sonnenstrahlung in dem von der zugeordneten Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren ersten Spektralbereich durchlassen. Solch eine Realisierung der ersten Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig und ermöglicht eine sehr genaue Umlenkung der einfallenden Sonnestrahlung in dem von der zugeordneten Solarzelle nicht in elektrische Energie umwandelbaren zweiten Spektralbereich, da für jeden solchen Teilbereich des zweiten Spektrums eine genau auf diesen abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.

Auch kann die erste Hologrammstruktur die einfallende Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich durchlassen und die einfallende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich unter unterschiedlichen spitzen Winkel gegenüber der

auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade auf einen solarzellenfreien Zielbereich umlenken, der auf der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements im seitlichen Abstand von der die mindestens eine Solarzelle aufweisenden Seitenfläche des ersten optischen Element unter dem ersten optischen Element, insbesondere unmittelbar unter diesem vorhanden ist

Mittels der ersten optischen Hologrammstruktur kann folglich auch eine Bündelung der einfallenden Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich, insbesondere der einfallenden Wärmestrahlung auf denselben solarzellenfreien Zielbereich erreicht werden. Dabei ist der solarzellenfreien Zielbereich auf der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements unter diesem, insbesondere unmittelbar unter diesem, im seitlichen Abstand von der die Solarzelle aufweisende Seitenfläche des ersten optischen Elements vorhanden. Dadurch, dass sich der solarzellenfreie Zielbereich im Abstand von der Solarzelle befindet, kann sich in der Umgebung der Solarzelle keine Wärme sammeln, die die Solarzelle sonst erwärmen würde. Auch hier wird so eine überhitzung der Solarzelle vermieden.

Die erste Hologrammstruktur weist insbesondere mehrere überlagerte Hologrammschichten auf, die jeweils mehrere Hologrammbereiche mit unterschiedlicher Hologrammbeschaffenheit aufweisen, wobei die Hologrammbereiche einer Hologrammschicht die einfallende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des zweiten Spektralbereich unter unterschiedlichen spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade jeweils auf einen selben Zielbereich umlenken, der auf der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements im seitlichen Abstand von der die mindestens eine Solarzelle aufweisenden Seitenfläche des ersten optischen Element unter dem ersten optischen Element, insbesondere unmittelbar unter diesem vorhanden ist, und Sonnenstrahlung in dem ersten und dem restlichen zweiten Spektralbereich durchlässt. So kann für jeden Teilbereich des zweiten

Spektralbereichs jeweils eine Hologrammschicht vorhanden sein, die auf den zugeordneten Teilbereich des zweiten Spektralbereichs genau abgestimmt ist. Mittels dieses Aufbaus der ersten Hologrammstruktur wird die einfallende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich sehr genau auf denselben solarzellenfreien Zielbereich umgelenkt.

Durch die Anbringung der ersten Hologrammstruktur an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements wird eine Umlenkung der einfallenden Sonnenstrahlung in dem von der Solarzelle nicht in elektrische Energie umwandelbaren zweiten Spektralbereich auf einen solarzellenfreien Zielbereich schon an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Element durchgeführt. So wird erreich, dass die einfallende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich und folglich auch die einfallende Wärmestrahlung den an der Solarzelle angrenzenden Teil des zugeordneten ersten optischen erst gar nicht erreicht, da sie vorher umgelenkt wird. Folglich kann die einfallende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich die Fläche der Solarzelle nicht erreichen und von dieser in Wärme umgewandelt werden. So wird auch vermieden, dass sich die einfallende langwelligere Wärmestrahlung in der unmittelbaren Umgebung der Solarzelle sammelt und diese erwärmt.

Bei einer besondere Ausführung der Erfindung ist unter dem Trägerkörper des mindestens einen ersten optischen Elements eine Wärmeleiterplatte oder einen Absorberkörper angebracht, die insbesondere ein Rohrleitungssystem aufweisen.

Der Absorberkörper weist insbesondere einen selektiven Absorber auf. Ein selektiver Absorber hat eine besonders hohe Aufnahmefähigkeit (Absorptionsgrad) für den Spektralbereich des Sonnenstrahlung, in dem die meiste Energie eingestrahlt wird, während die Abstrahlung infraroter

Wärmestrahlung durch einen geringen Emissionsgrad minimiert wird. Einfache Absorberkörper wie z.B. schwarze Farbe nehmen dagegen Sonnenstrahlung

so gut auf wie sie Wärmestrahlung abgeben. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen auf einem Absorberkörper wird kurzwellige, energiereiche Strahlung in langwellige Strahlung (Wärmestrahlung) umgewandelt. Wärme, die nicht direkt vom Absorber aufgenommen oder von diesem als Emission wieder abgestrahlt wird, wird durch eine bei üblichen Absorberkörpern immer vorhandene Reflexionsscheibe zurück reflektiert. Die Wärmestrahlung ist somit im Absorberkörper gefangen.

Vorzugsweise ist die erste Hologrammstruktur so ausgebildet, dass der solarzellenfreie Zielbereich einen Teilbereich der Wärmeleiterplatte oder des Absorberkörpers ausbildet.

Der erhitzte Absorberkörper oder die erhitzte Wärmeleiterplatte überträgt die Wärme auf ein durch das mit dem Absorberkörper oder mit der Wärmeleiterplatte verbundenen Rohrleitungssystem fließende

Wärmeträgermedium wie z.B. Wasser oder öl. Diese transportiert die gesammelte Wärmeenergie zu einer thermischen Nutzung wie z.B. einem Verbraucher oder einem Wärmespeicher.

Die einfallende Wärme und bei der Verwendung eines Absorberkörpers auch die einfallende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich mit kürzeren Wellenlängen werden mittels des durch das Rohrleitungssystem fließenden Wärmeträgermediums von den vorhandenen solarzellenfreien Zielbereichen der thermischen Nutzung zugeleitet und von dieser ausgenutzt. Die Wärme aus der unmittelbaren Umgebung der Solarzellen wird dabei abgeführt und eine überhitzung dieser vermieden.

Insbesondere umfasst das erste optische Element eine zweite Hologrammstruktur und eine optische Vorrichtung, wobei die zweite Hologrammstruktur die einfallende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich durchlässt, an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements vorhanden ist und die einfallende Sonnenstrahlung im

ersten Spektralbereich unter mindestens einem spitzen Winkel gegenüber der auf der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umlenkt und die optische Vorrichtung die von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung der Solarzelle in konzentrierter Form zuleitet.

Auch kann die zweite Hologrammstruktur an der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements vorhanden sein und die einfallende Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich unter mindestens einem stumpfen Winkel gegenüber der auf der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade umlenken. Auch in diesem Fall wird von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung mittels der optischen Vorrichtung in konzentrierter Form der Solarzelle zugeleitet.

Die Verwendung einer zweiten Hologrammstruktur zur Umlenkung der einfallenden Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich ist besonders bevorzugt, da eine solche Hologrammstruktur besonders einfach und kostengünstig realisierbar ist. Dabei ist der Verlust an der auf eine solche Hologrammstruktur auftreffenden Sonnenstrahlung durch Wechselwirkungen mit dieser minimal.

Die zweite Hologrammstruktur umfasst vorzugsweise mehrere übereinander überlagerte, insbesondere ebene Hologrammschichten, die die einfallende Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich jeweils unter einem spitzen Winkel gegenüber der auf die der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements senkrechten Gerade auf die zugeordnete Solarzelle umlenken und Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich durchlassen. Solch eine Realisierung der zweiten Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig und ermöglicht eine sehr genaue Umlenkung der einfallenden Sonnenstrahlung in dem von der zugeordneten Solarzelle in elektrische Energie umwandelbaren ersten Spektralbereich, da für jeden Teilbereich dieses ersten Spektralbereichs eine genau auf diesen

abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.

Insbesondere umfasst die optische Vorrichtung eine transparente Schicht, die die von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung der Solarzelle mittels von Totalreflektion zuleitet.

Insbesondere ist die zweite Hologrammstruktur an der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements vorhanden und weist auf der der Sonne abgewandten Seite die transparente ebene Schicht auf. Das Material dieser Schicht ist mit einem solchen Brechungsindex ausgewählt, dass an der der Sonne abgewandten Seite dieser Schicht eine Totalreflexion der von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkten Sonnenstrahlung in dem gesamten ersten Spektralbereich auftritt. Die an der der Sonne abgewandten Seite der transparenten Schicht reflektierte Sonnenstrahlung wird dann weiten an der der Sonne zugewandten Seite der transparenten Schicht total reflektiert und so der Solarzelle in konzentrierter Form zugeleitet.

Auch kann die zweite Hologrammstruktur an der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements vorhanden sein und auf der der Sonne zugewandten Seite die transparente ebene Schicht aufweisen. Das Material dieser Schicht ist ähnlich wie vorhin mit einem solchen Brechungsindex ausgewählt, dass an der der Sonne zugewandten Seite dieser Schicht eine Totalreflexion der von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkten Sonnenstrahlung in dem gesamten ersten Spektralbereich auftritt. Die an der der Sonne zugewandten Seite der transparenten Schicht reflektierte

Sonnenstrahlung wird dann weiten an der der Sonne abgewandten Seite der transparenten Schicht total reflektiert und so der Solarzelle in konzentrierter Form zugeleitet.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird bevorzugt, dass die auf der der Sonne zugewandten Seite der ersten optischen Element vorhandene erste Hologrammstruktur die einfallende Sonnenstrahlung Strahlung in dem von der

zugeordneten Solarzelle nicht in elektrische Energie umwandelbaren zweiten Spektralbereich zurück in die Außenumgebung umlenkt, um zu vermeiden, dass die transparente Schicht diese einfallende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich durchTotalreflexion der zugeordneten Solarzelle zuleitet. Da die Solarzelle die einfallende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich in Wärme umwandeln würde, ist die Solarzelle durch das Vorhandensein der ersten Hologrammstruktur von einer überflüssigen Erhitzung geschützt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung weist die optische Vorrichtung eine erste und eine zweite optische Einrichtung auf. Dabei reflektiert die erste optische Einrichtung die von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnenstrahlung und die zweite optische Einrichtung reflektiert die von der ersten optischen Einrichtung reflektierte Sonnenstrahlung weiter. Die erste optische Einrichtung reflektiert dabei auch die von der zweiten optischen Einrichtung reflektierte Sonnenstrahlung weiter.

Dabei kann die erste und/oder die zweite optische Einrichtung besonders einfach jeweils mittels einer dritten Hologrammstruktur realisiert werden, die die auftreffende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich durchlässt und die die auftreffende Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich reflektiert.

Die dritte Hologrammstruktur umfasst insbesondere mehrere übereinander überlagerte Hologrammschichten auf, die die auf sie auftreffende Sonnenstrahlung in einem Teilbereich des ersten Spektralbereich jeweils reflektieren und die auf sie auftreffende Sonnenstrahlung im sonstigen ersten und im zweiten Spektralbereich durchlassen. Solch eine Realisierung der dritten Hologrammstruktur ist besonders einfach und kostengünstig und ermöglicht eine sehr genaue Reflektion der auftreffenden Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich, da für jeden Teilbereich des ersten Spektrums eine auf diesen sehr genau abgestimmte Hologrammschicht vorgesehen ist.

Insbesondere sind die zweite optische Hologrammstruktur und die zweite optische Einrichtung auf der der Sonne abgewandten Seite der ersten optischen Einrichtung vorhanden und die erste optische Einrichtung umfasst einen halbdurchlässigen Spiegel, der die von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte Sonnestrahlung und die von der zweiten optischen Einrichtung reflektierten Sonnenstrahlung reflektiert.

Vorzugsweise sind die zweite optische Hologrammstruktur und die erste optische Einrichtung auf der der Sonne zugewandten Seite der ersten optischen Einrichtung vorhanden und die zweite optische Einrichtung weist einen Spiegel auf, der die von der ersten optischen Einrichtung reflektierte Sonnenstrahlung weiter reflektiert.

Auch können die zweite optische Hologrammstruktur und die zweite optische Einrichtung auf der der Sonne zugewandten der ersten optischen Einrichtung vorhanden sein. Dabei kann die erste optische Einrichtung einen Spiegel aufweisen, der die von der zweiten Hologrammstruktur umgelenkte und von der zweiten optischen Einrichtung reflektierte Sonnenstrahlung reflektiert. Insbesondere kann bei dieser Annordnung die zweite optische Einrichtung einen halbdurchlässigen Spiegel umfassen, der die von der ersten optischen Struktur reflektierte Sonnenstrahlung reflektiert.

Die Verwendung von Spiegeln beziehungsweise von halbdurchlässigen Spiegeln ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Realisierung der ersten und/oder zweiten optischen Einrichtung.

Bei dieser Ausführungen der Erfindung, bei denen die erste oder die zweite optische Einrichtung einen Spiegel umfassen, wird besonders bevorzugt, dass die auf der der Sonne zugewandten Seite des ersten optischen Elements vorhandene erste Hologrammstruktur die einfallende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich zurück in die Außenumgebung umlenkt, da diese Strahlung durch Reflexion an dem Spiegel auf die Solarzelle auch umgelenkt

werden würde und von dieser dabei in Wärme umgewandelt werden würde. Dabei würde die Solarzelle erhitzt werden.

Vorzugsweise ist die Solarzelle in unmittelbarem Kontakt mit einer seitlichen Fläche des ersten optischen Elements angebracht und weist insbesondere eine Fläche auf, die der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements gleicht.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der mindestens einer Solarzelle und der seitlichen Fläche des ersten optischen Elements ein zweites optisches Element vorhanden, das die auf die die Solarzelle aufweisende Seitenfläche des ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich in der Weise umlenkt, dass diese gleichmäßig auf die Fläche der mindestens einer Solarzelle auftrifft. Insbesondere weist das zweite optische Element mindestens eine vierte Hologrammstruktur auf, die die auf die die Solarzelle aufweisende Seitenfläche des ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich in der Weise umlenkt, dass diese gleichmäßig auf die Fläche der Solarzelle auftrifft. Eine gleichmäßige Verteilung der auf die Solarzelle auftreffenden Sonnenstrahlung auf die Fläche der Solarzelle ist besonders vorteilhaft, da so die Werte des von der Solarzelle erzeugten elektrischen Stroms genau vorhersagbar und so gut handhabbar sind. Außerdem kann so eine lokale überlastung der mindestens einen Solarzelle vermieden werden.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine Solarzelle eine Fläche auf, die verschieden von der zugeordneten Seitenfläche des ersten optischen Elements ist. Insbesondere kann die Fläche der Solarzelle größer als die zugeordnete Seitenfläche des ersten optischen Elements sein. Dabei verhält sich das vorhandene zweite optische Element wie eine Streulinse. Durch eine Verminderung von sehr hohen Konzentrationen der auf die mindestens eine Solarzelle umgelenkte

Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich kann eine überlastung der Solarzelle vermieden werden und ihre Leistung genau kontrolliert werden. Durch eine Vermeidung der überlastung der Solarzelle wird die Lebensdauer dieser erhöht.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine Solarzelle eine Fläche auf, die kleiner als die seitliche Fläche des ersten optischen Elements ist. Das vorhandene zweite optische Element verhält sich dabei wie eine Sammellinse und bündelt die auf die zugeordnete Seitenfläche des ersten optischen Elements auftreffende Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich auf die kleinere Fläche der Solarzelle. Dabei kann eine sehr große Konzentration der einfallenden Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich erreicht werden, indem die einfallende Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich erst mittels des ersten optischen Elements auf eine Seitenfläche umgelenkt und dabei konzentriert wird und dann mittels des zweiten optischen Elements weiter auf die gegenüber der Seitenfläche kleinere Fläche der zugeordneten Solarzelle konzentriert wird. So können Solarzellen mit einer sehr kleinen Fläche eingesetzt werden. Dabei werden die Einkaufs- oder Herstellungskosten der verwendeten Solarzellen verringert.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eine der Hologrammstrukturen des ersten und/oder des zweiten optischen Elements mindestens einen photosensitiven Gel-Film mit mindestens einem Beugungsgitter mit einer gegebenen Periode und Tiefe auf. Die Beugungsgitter solch mindestens einer Hologrammstruktur sind dabei sehr genau und kostengünstig realisierbar. Dabei kann eine sehr genaue Umlenkung des auf diese auftreffende Sonnenstrahlung erzielt werden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

Photovoltaik-Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform mit mindestens einem ersten optischen Element mit einer transparenten Schicht.

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen

Photovoltaik-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform mit mindestens einem ersten, einem zweiten optischen Element, das sich wie eine Sammellinse verhält, einer Wärmeleiterplatte und einem Rohrleitungssystem.

In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung oder des Solarmoduls 10 dargestellt.

Jedes Solarmodul 10 weist mehrere erste optische Elemente 15 auf, die jeweils an einer ersten Seitenfläche 20 eine Solarzelle 25 aufweisen.

Die Solarzelle 25 kann die einfallende Sonnenstrahlung in einem ersten, eher kurzwelligen Spektralbereich 30 in elektrische Energie umwandeln. Dabei kann die einfallende Sonnenstrahlung in dem restlichen, zweiten Spektralbereich 35 von der Solarzelle 25 nur in Wärme umgewandelt werden. Die einfallende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 ist dabei eher langwellig.

An seiner der Sonne zugewandten Seite weist das erste optische Element 15 eine erste ebene Hologrammstruktur 40 auf, die die einfallende, eher langwellige Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich 35 unter einem stumpfen Winkel (> 90°, < 180°) zurück in die Außenumgebung umlenkt insbesondere reflektiert und die eher kurzwellige, einfallende Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich durchlässt.

Die von der ersten Hologrammstruktur 40 durchgelassene, kurzwellige

Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 werden dann mittels einer auf der der Sonne abgewandten Seite der ersten Hologrammstruktur 40

angebrachten zweiten Hologrammstruktur 45 unter einem spitzen Winkel (0, < 90°) gegenüber der auf die zweite Hologrammstruktur 45 senkrechten Gerade umgelenkt.

An der der Sonne abgewandten Seite der zweiten Hologrammstruktur 45 ist eine optische Vorrichtung 50 vorhanden, die eine transparente Schicht umfasst. Das Material oder die Materialmischung der von der optischen Vorrichtung 50 umfassten transparenten Schicht ist so ausgewählt, dass die von der zweiten Hologrammstruktur 45 umgelenkte Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 an der der Sonne abgewandten Seite der von der optischen Vorrichtung 50 umfassten transparenten Schicht total reflektiert wird. Nach der totalen Reflektion, wird die Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 an der der Sonne zugewandten der von der optischen Vorrichtung 50 umfassten transparenten Schicht wieder total reflektiert, dann erneut an der der Sonne abgewandten Seite der von der optischen

Vorrichtung 50 umfassten transparenten Schicht reflektiert u.s.w. und so der Solarzelle 25 zugeleitet. Die konzentrierte Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 wird von der Solarzelle 25 effizient in elektrische Energie umgewandelt.

Die einfallende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 wird von der ersten Hologrammstruktur 40 zurück in die Außenumgebung umgelenkt, erreicht die Solarzelle 25 nicht und kann von dieser 25 nicht in Wärme umgewandelt werden. So wird eine überhitzung der Solarzelle 25 vermieden und ihre Arbeitstemperatur in einem Bereich gehalten, in dem die Solarzelle 25 effizient Sonnenenergie in elektrischen Strom umwandelt. Dabei werden die Effizienz und die Lebensdauer der Solarzelle 25 erhöht.

Die ersten vorhandenen optische Elemente 15 sind an ihrer der Sonne zugewandten Seite an einer transparenten Lichteintrittsplatte 60 angebracht, der den gemeinsamen Lichteintrittskörper der Photovoltaik- Vorrichtung 10 bildet, und welchen von der einfallenden Sonnenstrahlung 29 passiert wird,

bevor diese 29 jeweils von einem ersten optischen Element 15 in verschiedenen Spektralbereichen 30, 35 aufgespaltet wird.

Die ersten vorhandenen optischen Elemente 15 sind an ihrer der Sonne abgewandten Seite an einem gemeinsamen Trägerkörper 61 befestigt.

Bei einer in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Vorrichtung 10 weist das erste optische Element 15 auf seiner der Sonne zugewandten Seite die erste Hologrammstruktur 40 auf, die bei dieser Ausführungsform der Erfindung mehrere Hologrammbereiche 41 , 42 mit unterschiedlicher holografischer Beschaffenheit aufweist, die die einfallende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 auf einen solarzellenfreien Zielbereich 70, der unter dem ersten optischen Element 15, im seitlichen Abstand von der Solarzelle 25 vorhanden ist.

Alle vorhandenen ersten optischen Elemente 15 sind an deren der Sonne abgewandten Seite mit einer Wärmeleiterplatte 75 verbunden. Die solarzellenfreien Zielbereiche 70, die jeweils einem ersten optischen Element 15 zugeordnet sind, bilden Teilbereiche der Wärmeleiterplatte 75.

Ein Rohrleitungssystem 80 ist mit der der Sonne abgewandten Seite der Wärmeleiterplatte 75 verbunden und ist insbesondere unter den solarzellenfreien Zielbereiche 70 vorhanden. So kann die auf den ersten Zielbereichen 70 gebündelte einfallende Sonnenstrahlung im zweiten Spektralbereich 35 und so auch die auf den ersten Zielbereichen 70 gebündelte eher langwelligere einfallende Wärmestrahlung das Rohrleitungssystem 80 über die Wärmeleiterplatte 75 erreichen und dann von einem durch das Rohrleitungssystem 80 durchfließendes Wärmeträgermedium wie Wasser oder öl (nicht dargestellt) an einer thermischen Nutzung (nicht dargestellt) transportiert werden. Die einfallende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 kann so von einer

thermischen Nutzung ausgenutzt werden.

Auf der der Sonne abgewandten Seite der zweite Hologrammstruktur 45 ist einen halbdurchlässigen Spiegel umfassende erste optische Einrichtung 50 angebracht, der von der von der ersten Hologrammstruktur 40 durchgelassene Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 passiert wird.

An der der Sonne abgewandten Seite des ersten optischen Elements 15 ist eine zweite Hologrammstruktur 45 vorhanden, die die auf sie auftreffende Sonnenstrahlung 30 in dem ersten Spektralbereich unter einem stumpfen Winkel gegenüber der auf die zweite Hologrammstruktur 45 senkrechten Gerade umlenkt und auf die auftreffende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 durchlässt.

Die von der zweiten Hologrammstruktur 45 umgelenkte Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 wird dann an der verspiegelten, der Sonne abgewandten Seite eines von einer ersten optischen Einrichtung 50 umfasste halbdurchlässigen Spiegels reflektiert, von der zweiten Hologrammstruktur 45 durchgelassen, von einer an der der Sonne zugewandten Seite der zweiten Hologrammstruktur 45 vorhandenen und von einer zweiten optischen

Einrichtung 90 umfassten dritte Hologrammstruktur 90 reflektiert, dann erneut an der der Sonne abgewandten Seite des von der ersten optischen Einrichtung 50 umfassten halbdurchlässigen Spiegels 50 reflektiert u.s.w. und so der Solarzelle 25 zugeleitet. Die von der zweiten optischen Einrichtung 90 umfasste dritte Hologrammstruktur ist dabei so ausgebildet, dass die dritte Hologrammstruktur die einfallende Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich 30 und die von der zweiten Hologrammstruktur 45 umgelenkte Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich 30 durchlässt. Um störende Wechselwirkungen zwischen der zweiten Hologrammstruktur 45 und der von der zweiten optischen Einrichtung 90 umfassten dritten Hologrammstruktur zu vermeiden, lenkt die zweite Hologrammstruktur 45 die einfallende Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 unter einem stumpfen

Winkel gegenüber der auf die fünfte Hologrammstruktur 85 senkrechten Gerade um, der sich wesentlich von dem Winkel unterscheidet, der zwischen der Einfallsrichtung der Sonnenstrahlung im ersten Spektralbereich 30 und der auf die zweite Hologrammstruktur 45 senkrechten Gerade gebildet ist.

Schließlich erreicht die Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 30 die erste Seitenfläche 20 des ersten optischen Elements 15, an der ein zweites optisches Element 95 vorhanden ist, das sich bei dieser Ausführungsform wie eine Sammellinse verhält. Die auf das zweite optische Element 95 auftreffende Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 35 wird von diesem 95 auf die Fläche der Solarzelle 25 gebündelt und dann von dieser 25 effizient in elektrische Energie umgewandelt.

Die Solarzelle 25 weist in diesem Fall eine Fläche auf, die jeweils kleiner ist als die Lichteintrittsfläche und die erste Seitenfläche des ersten optischen Elements 15 und auch als die Lichteintrittsfläche des zweiten optischen Elements 95. So können die Einkaufs- oder Herstellungskosten der eingesetzten Solarzellen 25 reduziert werden.

Die auf die von der zweiten optischen Einrichtung 90 umfassten dritte Hologrammstruktur auftreffende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 wird von der dritten Hologrammstruktur durchgelassen und trifft auf die an der der Sonne abgewandten Seite der zweiten optischen Einrichtung 90 vorhandenen Wärmeleiterplatte 75 auf.

Durch diesen Aufbau erreicht die einfallende Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 35 die Solarzelle 25 nicht und kann von dieser 25 nicht in Wärme umgewandelt werden. So wird eine überhitzung der Solarzelle 25 vermieden und ihre Arbeitstemperatur in einem Bereich gehalten, in dem die Solarzelle 25 effizient Sonnenenergie in elektrischen Strom umwandelt. Dabei werden die Effizienz und die Lebensdauer der Solarzelle 25 erhöht.

Bezugszeichenliste

10 Photovoltaik-Vorrichtung

15 erstes optisches Element 20 erste Seitenfläche des ersten optischen Elements

25 Solarzelle

29 einfallende Sonnenstrahlung

30 Sonnenstrahlung in dem ersten Spektralbereich 35 Sonnenstrahlung in dem zweiten Spektralbereich 40 erste Hologrammstruktur

41 , 42 Bereiche der ersten Hologrammstruktur 40 mit unterschiedlicher holografischer Beschaffenheit

45 zweite Hologrammstruktur

50 optische Vorrichtung 55 erste optische Einrichtung

60 gemeinsame Lichteintrittsplatte

61 gemeinsamen Trägerkörper 70 solarzellenfreier Zielbereich 75 Wärmeleiterplatte 80 Rohrleitungssystem

90 zweite optische Einrichtung

95 zweites optisches Element