Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, die eine Konzentratoroptik sowie mindestens eine Solarzelle enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Konzentratoroptik, die in einer entsprechenden Photo- voltaik-Vorrichtung aber auch in anderen Vorrichtungen zur, z.B. thermischen, Nutzung von Strahlung eingesetzt werden kann.

Bei der solaren Energiegewinnung mit fokussierenden Optiken wird die Solarstrahlung konzentriert, wodurch eine effizientere und kostengünstigere Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie möglich ist. Ein Beispiel hierfür ist das am Fraunhofer ISE entwickelte FLATCON ^® -System (A. W. Bett, H. Lerchenmüller, „The FLATCON ^® -System from concentrix solar", in: A. Luque et al . : „Concentrator photovoltaics" , 2007, S. 301-319) . Das FLATCON ^® -System beruht darauf, dass hier Linsenplatten eingesetzt werden, bei denen konzentrierende Strukturen in Form vieler quadratischer punktfokussierender Fresnel-Linsen in einer dünnen Schicht aus transparentem Silikon auf Glas aufgebracht werden. Zu diesem Zweck wird ein zunächst flüssiges Silikon zwischen einer Glasplatte und einem entsprechenden Formwerkzeug, das die gewünschte Struktur der Fresnel-Linsen als Negativ trägt (im Folgenden Negativform genannt) ausgehärtet und das Formwerkzeug anschließend entfernt. Im FLATCON ^® - System werden derart hergestellte Linsenplatten im Abstand der Brennweite der Fresnel-Linsen über einer Bodenplatte angebracht, die mit Solarzellen bestückt ist. Beim FLATCON ^® -System beträgt die Brennweite in etwa das Doppelte der Kantenlänge der einzelnen Fresnel-Linsen.

Silikon bringt den großen Vorteil einer erstaunlichen Haltbarkeit gegenüber Solarstrahlung und Temperaturwechselbelastung mit sich. Hier liegen mehrjährige Erfahrungen vor, die zeigen, dass die Kombination von Glas (als äußere Abdeckung) und Silikon als Struktur- tragender Schicht zu haltbaren und über lange Zeiten funktionstüchtigen Linsenplatten führt. Die Haltbarkeit beruht neben anderen Faktoren nicht zuletzt darauf, daß das ausgehärtete Silikon chemisch vernetzt ist und die fertige Struktur dadurch sehr stabile viskoelastische Eigenschaften aufweist. Die Form wird sich also im Gegensatz zu thermoplastisch verformten Materialien auch in längeren Zeiträumen nicht durch Fließen oder Relaxieren ändern, wodurch sich die optische Funktion verschlechtern würde. Bei der Verwen- düng von Silikon als zu prägendes Material treten Nachteile hinsichtlich der Aushärtezeiten und des aufwändigen Herstellungsprozesses auf. Dies führt dazu, dass bei der Herstellung von großen Flächen bzw. großen Stückzahlen von Linsenplatten eine große Anzahl an Formwerkzeugen benötigt wird, da die Verweil- dauer während der Prägung durch die hohe Aushärtezeit bestimmt wird. Mit dem Erfordernis einer hohen Anzahl an Prägewerkzeugen, einer langen Prozesszeit und einer aufwändigen Prozessführung sind jeweils hohe spezifische Kosten verbunden.

Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Silikon ist die hier auftretende geringe Brechkraft. So liegt die Brechzahl von Silikonen etwa bei n = 1,41. Dementsprechend lassen sich bei vertretbaren Prismenwin- kein nur relativ große Brennweiten realisieren, da bei großen Prismenwinkeln die Reflexionsverluste zunehmen und die Wellenlängendispersion von Licht einer großen spektralen Bandbreite in unerwünschter Weise ansteigt. Gerade im Hinblick auf die bei der Modul- fertigung auftretenden Kosten sind große Brennweiten jedoch unerwünscht, so dass möglichst geringe Brennweiten angestrebt werden. Dies erfordert bei gleicher Linsengröße Materialien mit einem größeren Brechungs- index, falls die Reflexionsverluste in den Aussenbe- reichen der Linsen gering bleiben sollen.

Ein weiterer Vorteil einer größeren Brechzahl besteht darin, daß bei gleicher Brennweite die brechenden Strukturen (in einer Schnittebene gesehen jeweils Prismen) flacher werden. Dies erleichtert die Fertigung sowohl bei der Herstellung eines Werkzeuges wie auch in der Replikation. Zudem nimmt der so genannte Störflankenanteil, d.h. der Anteil der projezierten Verlustfläche durch die optisch inaktive Flanke der Prismen, ab mit flacher werdenden Prismen. Die größere Brechzahl kann also zu einer höheren optischen Ef- fizienz (weniger Störflankenanteile, geringere Reflexionsverluste bei großen Prismenwinkeln in den Aus- senbereichen der Fresnellinse, geringere Strukturfehler durch flachere Strukturen) sowie möglicherweise zu einer kostengünstigeren Fertigung führen.

Ausgehend hiervon war es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photovoltaik-J/ofrichtüng mi ^' f ^' ei^ ner Konzentratoroptik bereitzustellen, die auf einfa- che und kostengünstige Weise herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung einer Konzentratoroptik mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Photovoltaik-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In Anspruch 20 wird eine erfindungsgemäße Verwendung beschrieben.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Konzentratoroptik bereitgestellt, bei dem auf mindestens einer Oberfläche eines Substrats mindestens eine aus einem thermisch zumindest teilweise vernetzenden oder vernetzbaren Polymermaterial beste- hende Laminierfolie aufgebracht wird. Anschließend wird die Laminierfolie durch thermische Anregung mindestens auf deren Erweichungstemperatur erwärmt, wobei dann mittels einer Negativform eine fokussierende Struktur in die Laminierfolie geprägt wird. Durch Ab- kühlung erfolgt schließlich eine Aushärtung durch zumindest teilweise Vernetzung des Polymermaterials und somit zur Bildung der beständigen fokussierenden Struktur.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber den aus der Mikroreplikation bekannten Strahlungs- induzierten Vernetzungsprozessen, d.h. UV-Repli- kation, den Vorteil auf, dass eine thermisch induzierte oder physikalische Vernetzung, wie sie erfindungsgemäß erfolgt, eine höhere Strahlungsstabilität ermöglicht. Die aus dem Stand der Technik bekannten

Strahlungs-vernetzenden Systeme bleiben auch nach der Vernetzung immer etwas empfindlich gegenüber Strahlung, was bei solaren Anwendungen zu einer beschleunigten Degradation führt. Dies kann erfindungsgemäß umgangen werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber dem eingangs beschriebenen Prozess auf Basis von Silikonen ist es, dass das erfindungsgemäße Verfahren deutlich kürzere Prozesszeiten für die Herstellung der Kon- zentratoroptik erlaubt. So ist erfindungsgemäß der Prozess bereits nach wenigen Minuten abgeschlossen, während die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren mit Silikonen Prozesszeiten von typischerweise mehreren Stunden aufweisen.

Als thermisch vernetzendes bzw. vernetzbares Polymer- material werden vorzugsweise Etylenvinylacetat , und/oder Ionomere eingesetzt.

Bei Etylenvinylacetat handelt es sich dabei um eine thermisch initiierte Vernetzung auf chemischer Basis, die irreversibel ist, während es sich bei den Ionome- ren um eine thermische Vernetzung auf physikalischer Basis handelt, die reversibel ist.

Die thermisch vernetzenden Ionomere sind dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ionomeren (Co) polymeren aus Ethylen und einer α,ß- ungesättigten Carbonsäure oder einem Carbonsäureanhydrid dieser Carbonsäure, insbesondere (Co) polymeren von Ethylen und Methacrylsäure . Vorzugsweise enthält das lonomer Carbonsäuregruppen, die mit Metallionen ausgewählt aus der Gruppe Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Zink zumindest teilweise neutralisiert sind.

Hier ist es jedoch auch möglich, sämtliche Polymere einzusetzen, die sich durch thermische Anregung erweichen lassen und durch die Erwärmung oder nach an- schließender Abkühlung dreidimensional vernetzen.

Die erfindungsgemäßen Materialien bringen den Vorteil mit sich, dass eine Verarbeitung durch Lamination möglich ist. Sie weisen die Vorteile einer guten und schnellen Verarbeitbarkeit , vertretbarer Materialkosten, hoher Transparenz für Solarstrahlung, guter Beständigkeit unter Solarstrahlung, einer hohen Formstabilität und einer guten Haftung an Glas oder anderen Substraten auf . Die Verarbeitung erfolgt in so genannten Laminatoren, in denen in optimierten Prozesszeiten eine genaue Abfolge von Temperatur und Druck/Vakuum appliziert wird. Eine vorteilhafte und bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Herstellung besteht demnach darin, die konzentrierenden Strukturen in handelsüblichen Laminatoren in schnellen Prozessen herzustellen, die nur leicht den geänderten Anforderungen angepaßt werden müssen.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die fokussierende Struktur in Form einer Linsenplatte mit mindestens einer Fresnel-Linse oder in Form einer linear fokus- sierenden Linsenplatte ausgeformt ist. Neben der linearen Geometrie kommen hier aber auch Geometrien anderer Symmetrien, z.B. eine hexagonale Geometrie, in Frage. Vorzugsweise besteht das Substrat aus einem transparenten Material, insbesondere aus Glas oder einem transparenten Polymer.

Aus Gründen der Beständigkeit und Formtreue auch nach vielen Replikationsprozessen ist die Negativform in der Mikroreplikation oft metallisch ausgeführt. Bezüglich der Negativform ist es wichtig, dass eine Haftung der Negativform an der Laminierfolie im We- sentliehen verhindert wird. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass als Negativform ein Metall oder eine metallische Legierung eingesetzt wird, wobei die für die Prägung relevante Oberfläche eine antihaftende Beschichtung aufweist. Eine andere Variante sieht vor, dass die Negativform selbst aus einem an der Laminierfolie nicht haftenden Material, z.B. einem Fluorpolymer oder einem Silikon, besteht. Solche Formwerkzeuge weisen zwar eine geringere Festigkeit und Haltbarkeit gegenüber Metall auf, lassen sich u.U. aber auch leichter herstellen.

Erfindungsgemäß wird ebenso eine Photovoltaik- Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bereitgestellt, die eine Kon- zentratoroptik sowie mindestens eine zur Konzentra- toroptik beabstandete Solarzelle aufweist. Dabei weist die Konzentratoroptik ein Substrat und eine auf der dem Sonnenlicht abgewandten Oberfläche des Substrats angeordnete fokussierende Struktur aus mindes- tens einem thermisch vernetzten oder teilvernetzten Polymer auf .

Vorzugsweise weist die fokussierende Struktur eine Brechzahl im Bereich von 1.45 bis 1.60 auf. Als thermisch vernetztes oder teilvernetztes Polymermaterial enthält die fokussierende Struktur vorzugsweise Etylenvinylacteat und Ionomere. Die thermisch vernetzten oder teilvernetzten Ionomere sind dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ionomeren (Co) polymeren aus Ethylen und einer α,ß- ungesättigten Carbonsäure oder einem Carbonsäureanhydrid dieser Carbonsäure, insbesondere (Co) polymeren von Ethylen und Methacrylsäure . Vorzugsweise enthält das Ionomer Carbonsäuregruppen, die mit Metallionen ausgewählt aus der Gruppe Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Zink zumindest teilweise neutralisiert sind.

Die fokussierende Struktur ist vorzugsweise in Form einer Linsenplatte mit mindestens einer Fresnel-Linse oder in Form einer linear fokussierenden Linsenplatte ausgeformt. Dies schließt auch Platten ein, auf der mehr als eine Linse oder mehr als ein punktfokussie- render Bereich nebeneinander angeordnet sind bzw. mehrere, parallel oder anderweitig zueinander orientierte linear fokussierende Strukturen und Strukturbereiche .

Es ist weiter bevorzugt, dass der Abstand zwischen der Konzentratoroptik und der mindestens einen Solarzelle im Wesentlichen der Brennweite der Konzentratoroptik entspricht. Die Konzentratoroptik, d.h. die Fresnel-Linse oder die linear fokussierende Linsen- platte gibt somit über die Brennweite den Abstand zwischen Konzentratoroptik und Solarzellen vor. Typisch sind hier Aspektverhältnisse (Aspektverhältnis = [Brennweite] / [typische Ausdehnung der Linse] , wobei die typische Ausdehnung z.B. die Kantenlänge einer quadratischen Fresnellinse oder die Breite einer linearen Linsenstruktur ist) im Bereich von 0,25 - 5, bei regulären Fresnel-Linsen vorzugsweise im Bereich von 1 - 3. Bei Fresnel-Linsen mit Prismen bzw. Strukturen, die das Licht mittels interner Totalreflexion umlenken (so genannte TIR-Linsen) sind kleinere As- pektverhältnisse im Bereich 0,25 - 2 bevorzugt.

Falls die Konzentratoroptik aus einer mehrstufigen Konzentratoroptik (d.h. eine Primär- und eine Sekundäroptik) besteht, so kann die Sekundäroptik den Emp- fänger der erfindungsgemäßen Konzentratoroptik bilden. In diesem Fall ist die erfindungsgemäße Konzentratoroptik in etwa in einem Abstand über der Eintrittsapertur der Sekundäroptik angebracht, der in etwa der Brennweite der erfindungsgemäßen Konzentra- toroptik entspricht. Je nach Art und Ausführung der Sekundäroptik und der eingesetzten Solarzellen kann es auch von Vorteil sein, den Abstand der Optiken untereinander derart leicht zu verändern, daß er nur ungefähr der Brennweite der Konzentratoroptik ent- spricht.

Das Substrat besteht vorzugsweise aus einem transparenten Material, insbesondere aus Glas oder einem transparenten Polymer. Wegen der hohen Transparenz, geringen Materialkosten und guten Witterungsstabilität wird als Polymer PMMA bevorzugt . Die Transparenz des Substrates ist erwünscht, weil die Konzentratoroptik die einfallende Solarstrahlung möglichst weitgehend auf den Empfänger konzentrieren soll. Die ein- gesetzten Substrate sollten damit über einen möglichst großen Teil des gesamten Spektralbereiches der Solarstrahlung, d.h. des Wellenlängenbereiches 280nm- 4000nm, bevorzugt des Wellenlängenbereiches 300nm- 2500nm, eine möglichst hohe Transparenz (d.h. einen möglichst hohen Transmissionsgrad) aufweisen. Vorzugsweise weist das Substrat im zuvor genannten WeI- lenlängenbereich zumindest bereichsweise einen Trans- missionsgrad von mindestens 50 % auf. Dies berücksichtigt, dass Polymermaterialien in den genannten Wellenlängenbereichen Absorptionsbanden aufweisen können, die nur eine geringere Transmission zulassen.

Die Photovoltaik-Vorrichtung weist vorzugsweise eine Konzentratoroptik auf, die nach dem zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar ist.

Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung weist den gegenüber dem Stand der Technik vorliegenden Vorteil auf, dass die fokussierende Struktur aus einem Material mit einer höheren Brechzahl besteht, wodurch kürzere Brennweiten der fokussierenden Optik ermöglicht werden können. So beträgt die Brechzahl eines typischen Etylenvinylacetats n = 1,48, die eines typischen Ionomers sogar n = 1.54.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäß eingesetzten thermisch zumindest teilweise vernetzten Polymermaterialien eine gute Verträglichkeit mit dem Substrat, z.B. Glas, aufweisen und auch unter solarer Einstrahlung und Temperaturwechselbe- lastung eine hohe Langzeitbeständigkeit und gute Haf- tungseigenschaften zeigen.

Erfindungsgemäß wird ebenso die Verwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von Konzen- tratoroptiken für die konzentrierende Photovoltaik und die konzentrierende Solarthermie bereitgestellt.

Anhand des nachfolgenden Beispiels soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigte spezielle Ausführungsform einschränken zu wollen. Beispiel 1

Eine als Substrat verwendete Glasplatte, auf der die fokussierende Struktur aufgebracht werden soll, wird in einen PV- Flachmodul-Laminator eingelegt. Auf die Glasplatte wird eine Laminierfolie aus Etylenvinyla- cetat (EVA, z.B. Vistasolar fast eure der Firma Eti- mex) plan aufgelegt. Hierauf wird eine Negativform,. d.h. das strukturtragende Formwerkzeug aufgelegt. Die Negativform besteht aus einer Trägerstruktur aus Glas, mit einer Silikon-Ummantelung. Um zu verhindern, dass Laminierfolienmaterial seitlich in unerwünschtem Maße ausgetrieben wird, ist die Negativform seitlich abgeschlossen oder geeignet umfüttert. Diese Form ersetzt den ansonsten in einer PV- Flachmodulfertigung im Laminator oben liegenden Verbund (Zelle, nochmals Laminierfolie, Rückseitenfolie) . Anschließend wird der Laminator geschlossen und der eigentliche Laminationsprozess gestartet. Hierbei werden die für das Material vorgegebenen Laminations- bedingungen gewählt, die aus einer genau definierten zeitlichen Abfolge der Anwendung von Druck/Vakuum und Temperatur basiert. Die erfindungsgemäß eingesetzten Laminierfolien sind dabei auf einen möglichst schnellen Laminations- und Vernetzungsprozess optimiert. Nach Ende der Lamination wird das Laminat entnommen und die fokussierende Struktur, d.h. die Fresnel- Linsenstruktur, in dem vernetzten Polymermaterial auf Glas, von der Negativform getrennt.