Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein schaltbares Absorberelement und eine darauf basierende photovoltaische Zelle.

In vielen Bereichen, z.B. in Hochhäusern mit großen Fensterfronten, sind

Verschattungssysteme im Einsatz. Bekannte Systeme greifen dazu auf mechanische Verschattungen wie Rollläden oder Markisen zurück. Mechanische

Verschattungssysteme sind aber wegen der vielen beweglichen Teile

störungsanfällig und wartungsintensiv. Es existieren bereits Fenster, die sich bei Erwärmung oder Beleuchtung selbständig verschatten, oder die vom Nutzer z.B. elektrisch variabel verdunkelt werden können, ohne hierbei auf mechanische

Verschattungen zurückgreifen zu müssen.

Im Sommer heizen solche Gebäude typischerweise stark auf und benötigen daher immer dann viel Energie für die Klimatisierung, wenn auch der Bedarf an

Verschattung groß ist. Es wäre daher von großem Vorteil, insbesondere in dem Moment, wenn der Bedarf an Verschattung groß ist, besonders viel Energie zu erzeugen.

Mittels einer photovoltaischen Zelle, auch Solarzelle genannt, kann aus dem auf die Zelle einfallenden Licht elektrische Energie gewonnen werden. Dazu besitzen Solarzellen ein Absorberelement, in dem durch die Zuführung von Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung freie Ladungsträger erzeugt werden können.

Bekannte Verschattungssysteme blockieren jedoch Licht entweder durch Reflektion oder einfache Absorption, ohne hierbei die Energie des blockierten Lichts zu nutzen. Prinzipiell gibt es zwar Systeme, die bei aktiver Verschattung Wärme oder Strom produzieren. Diese basieren allerdings auf der Kombination klassischer, mechanischer Verschattungskomponenten mit Solarthemnie oder Photovoltaik mit den bereits oben beschriebenen Nachteilen. Theoretisch existierende Ansätze, in denen Solarzellen mit elektrisch schaltbaren Absorbern oder Spiegeln kombiniert werden, weisen den Nachteil auf, dass nur geringe Anteile der Gesamtfläche mit Solarzellen bestückt werden, die auch nur dazu dienen, die Energie für den Betrieb der schaltbaren Verschattung zu gewinnen und gleichzeitig ein automatisches Schalten bei Einstrahlung von Licht zu ermöglichen. Die mit Solarzellen versehenen Flächen sind lichtundurchlässig bzw. weisen eine statische Verschattung auf. Die Energie aus dem dynamisch blockierten Licht geht weiterhin verloren.

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 217 653 A1 ist eine Solarzelle bekannt, die eine Vorderseitenelektrode und eine Rückseitenelektrode sowie eine zwischen Vorder- und Rückseitenelektrode angeordnete photoelektrisch aktive Absorberschicht aufweist, die zumindest zu 30 Massenprozent Germanium enthält. Die Absorberschicht weist eine Dicke kleiner 40 nm auf, wobei die Solarzelle eine Vorderseitenreflexionsschicht und eine Rückseitenreflexionsschicht aufweist, wobei die Absorberschicht zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht angeordnet ist und die optische Weglänge zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionsschicht kleiner der Hälfte der der Bandlücke der Absorberschicht entsprechenden

Wellenlänge ist. Dabei wird die optische Weglänge aus dem Produkt von

Brechungsindex und geometrischer Weglänge berechnet. Die Solarzelle weist den Vorteil auf, dass die Dicke der Absorberschicht gegenüber vorbekannten Solarzellen verringert ist, wobei die Absorptionskapazität nur geringfügig verringert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Absorberelement bereitzustellen, das möglichst langfristig und reversibel mit möglichst großem Hub schaltbar ist, wobei unter Hub hier und im Folgenden der Unterschied zwischen minimaler Absorption / maximaler Transmission und maximaler Absorption / minimaler Transmission verstanden wird. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine photovoltaische Zelle mit möglichst langfristig und reversibel mit möglichst großem Hub schaltbarem Absorberelement bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Absorberelement mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Absorberelements ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 10. Die Aufgabe wird ferner durch eine photovoltaische Zelle nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der photovoltaischen Zelle ergeben sich aus den

Unteransprüchen 12 bis 14.

Ein erfindungsgemäßes schaltbares Absorberelement weist eine Absorberschicht auf. Weiterhin weist das Absorberelement mindestens eine

Vorderseitenreflexionsschicht und mindestens eine Rückseitenreflexionsschicht auf, wobei die Absorberschicht zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und

Rückseitenreflexionsschicht angeordnet ist, wobei die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist. Dabei bezieht sich hier und im Folgenden der Ausdruck„Vorderseite“ auf die der Lichtquelle, beispielsweise der Sonne, zugewandte Seite des Absorberelements, während sich der Ausdruck „Rückseite“ hier und im Folgenden auf die der Lichtquelle abgewandte Seite des Absorberelements bezieht. Die optische Weglänge ist aus dem Produkt von

Brechungsindex mit der geometrischen Schichtdicke berechenbar. Das

erfindungsgemäße Absorberelement ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Reflexionsschichten eine schaltbare Reflektivität aufweist.

Die sich zwischen den mindestens zwei teilweise bzw. vollständig reflektierenden Reflexionsschichten befindende dünne Absorberschicht absorbiert bei einmaligem Durchlaufen deutlich weniger als 50% des einfallenden Lichts. Zwischen den reflektierenden Schichten entstehen unter bestimmten Bedingungen Resonanzen oder stehende Wellen bzw. Vielfach-Reflexionen. Dies hat eine gegenüber dem einfachen Durchlaufen der Schicht vervielfachte Absorption zur Folge. Ein solches Absorberelement kann beispielsweise Germanium beinhalten. Sofern die

Absorberschicht eine Dicke aufweist, die so bemessen ist, dass die optische

Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist, bildet sich eine breitbandige optische Resonanz zwischen der Vorder- und

Rückseitenreflexionsschicht aus, wodurch die Absorption in der Absorberschicht wesentlich erhöht wird. Weist zumindest eine der Reflexionsschichten eine schaltbare Reflektivität auf, kann das einfallende Licht entweder zum größten Teil transmittiert werden oder im anderen Schaltzustand zum größten Teil aufgrund von Resonanzen absorbiert und beispielsweise zur Erzeugung von thermischer und/oder elektrischer Energie benutzt werden. Bei Ausschaltung der Reflektivität zumindest einer der Reflexionsschichten verschwinden die Resonanzeffekte fast vollständig, so dass dieses Licht die Absorberschicht nur noch einfach durchläuft und zum größten Teil transmittiert wird. Wird die Reflektivität der Reflexionsschichten hingegen eingeschaltet, wird die Absorberschicht aufgrund von Resonanzen beziehungsweise stehenden Wellen vielfach durchlaufen, was zu einer hohen Absorption und damit einem hohen Hub führt, wobei nur noch wenig Licht transmittiert wird und somit ein Verschattungseffekt eintritt. Darüber hinaus führt der erfinderische Aufbau des schaltbaren Absorberelements zu einer effizienten Ladungsträgergeneration und zu einer hohen elektrischen Energieausbeute, wenn das schaltbare Absorberelement in eine photovoltaische Zelle integriert ist, die weiterhin ladungsträgerselektive

Elektroden und mindestens eine Vorderseitenelektrode und mindestens eine

Rückseitenelektrode sowie die zwischen Vorderseitenelektrode und

Rückseitenelektrode angeordnete Absorberschicht aufweist, wobei die

Absorberschicht photoelektrisch aktiv ausgestaltet ist.

Als Materialien bzw. Materialkombinationen für die Absorberschicht haben sich solche als vorteilhaft erwiesen, die für das von zumindest einer der schaltbaren Reflexionsschichten im reflektiven Modus reflektierte Licht zumindest im sichtbaren Wellenlängenbereich eine Absorption von mindestens etwa 5%, bevorzugt von mindestens etwa 10% und von maximal etwa 30%, bevorzugt maximal etwa 20% schon bei einmaligem Durchlaufen gewährleisten. Um mittels der

Vielfachreflexionen, die sich zwischen der Vorderseitenreflexionsschicht und der Rückseitenreflexionsschicht im reflektiven Modus der hiervon mindestens einen schaltbaren Reflexionsschicht ausbilden, eine hohe Absorption in der

Absorberschicht zu erzielen, benötigt die Absorberschicht, zumindest sofern sie nicht selbst schaltbar ist, schon bei einmaligem Durchlaufen eine gewisse, minimale Absorption. Diese sollte so klein sein, dass im transmissiven Modus der zumindest einen schaltbaren Reflexionsschicht, also bei einmaligen Durchlaufen der

Absorberschicht, nur wenig Licht absorbiert wird, während im reflektiven Modus der zumindest einen schaltbaren Reflexionsschicht aufgrund der Resonanzen durch beispielsweise effektiv 10-faches Durchlaufen der Absorberschicht eine hohe Absorption zustande kommt. Der Wert bei einmaligem Durchlaufen hängt vom Material und der Dicke der Absorberschicht hab, nicht jedoch vom Schaltzustand des Reflektors.

Um einerseits im transparenten Modus des schaltbaren Absorberelements eine möglichst neutrale Farbe zu gewährleisten und andererseits im blockierenden Modus eine möglichst breitbandige Absorption zu gewährleisten, muss die durch die

Absorberschicht gegebene optische Weglänge zwischen

Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht so gering wie möglich sein. Daher beträgt die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht in einer bevorzugten Ausführungsform weniger als 200 nm.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht und Rückseitenreflexionsschicht zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht weniger als 100 nm.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Grenzfläche zwischen

Absorberschicht und Vorderseitenreflexionsschicht eine Reflektivität von mindestens 10% auf.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Absorberschicht amorphes Germanium und / oder eine darauf aufbauende Legierung aufweist.

In einer alternativen Ausführungsform weist die Absorberschicht Übergangsmetall- Dichalcogenide (TMDCs) und / oder andere metallbasierte Halbleitermaterialien, wie beispielsweise MoS ₂ , WS ₂ , MoSe ₂ , WSe ₂ , SnS _x , MoO _x auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Absorberschicht selbst eine schaltbare Absorption auf, wodurch der schaltbare Hub weiter erhöht wird.

Die beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen bewirken u.a. Optimierungen in der Energieausbeute, wenn das schaltbare Absorberelement photoelektrisch aktiv ausgeführt ist. Eine erfinderische photovoltaische Zelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaische Zelle ein erfinderisches Absorberelement aufweist, wobei die Solarzelle weiterhin ladungsträgerselektive Elektroden und mindestens eine

Vorderseitenelektrode und mindestens eine Rückseitenelektrode aufweist. Zwischen der Vorderseitenelektrode und der Rückseitenelektrode ist die Absorberschicht angeordnet, die photoelektrisch aktiv ausgestaltet ist.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die photovoltaische Zelle weitere

Elektroden zum Abtransport des erzeugten elektrischen Stroms aufweist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der photovoltaischen Zelle ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Schichten der Absorberschicht, der Vorderseitenreflexionsschicht und / oder der Rückseitenreflexionsschicht

dreidimensional strukturiert ist. Beispielsweise kann bei Dünnschichtsolarzellen eine Strukturierung der unterschiedlichen Schichten mittels Laserlinien erfolgen, um eine elektrische Serienverschaltung einzelner Zellstreifen der photovoltaischen Zelle zu erzielen und somit eine höhere Spannung statt eines hohen Stroms zu generieren.

Die mindestens eine schaltbare Reflexionsschicht kann auf elektrochromen, gasochromen, thermochromen, oder photochromen Materialien basieren. Auch sind Flüssigkristalle oder chirale Materialien als Basis möglich. Insbesondere kann die mindestens eine schaltbare Reflexionsschicht einen Mehrschichtstapel aufweisen, wobei die Schichten eines oder mehrere der vorgenannten schaltbaren Materialien enthalten, optional ergänzt durch zusätzliche katalytische Schichten, sowie im Falle elektrochromer Materialien ergänzt um Elektrodenschichten, beispielsweise ITO- Schichten. Grundsätzlich ist aber unerheblich, wie genau die mindestens eine schaltbare Reflexionsschicht aufgebaut ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform basiert zumindest eine der

Reflexionsschichten auf einem elektrochromen Material, wobei diese

Reflexionsschicht mit der photovoltaischen Zelle eine gemeinsame Elektrode aufweist. Hierdurch kann eine Elektrode eingespart werden. Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.

Von den Abbildungen zeigt:

Fig. 1 den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absorberelements.

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Absorberelements mit einer Germanium-Absorberschicht.

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Absorberelements mit schaltbarer Rückseitenreflexionsschicht mit n-Schicht als Teil der Vorderseitenreflexionsschicht

Fig. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Absorberelements 1. Licht fällt nahezu senkrecht auf das Absorberelement 1 , wie durch die drei breiten Pfeile angedeutet. Das Absorberelement 1 weist eine Vorderseitenreflexionsschicht 5 und eine Rückseitenreflexionsschicht 6 auf. Eine Absorberschicht 4 ist zwischen der Vorderseitenreflexionsschicht 5 und der Rückseitenreflexionsschicht 6 angeordnet. Die Absorberschicht 4 weist eine Dicke auf, die so bemessen ist, dass die optische Weglänge zwischen Vorderseitenreflexionsschicht 5 und Rückseitenreflexionsschicht 6 zumindest für senkrecht auf die Zelle einfallendes Licht kleiner 400 nm ist.

Zwischen der reflektierenden Vorderseitenreflexionsschicht 5 und

Rückseitenreflexionsschicht 6 entstehen dann breitbandige Resonanzen oder stehende Wellen bzw. Vielfach-Reflexionen. Dies hat eine gegenüber dem einfachen Durchlaufen der Schicht vervielfachte Absorption zur Folge. Die Absorberschicht 4 bildet somit einen Resonator 8. Die Absorberschicht 4 kann dabei aus einer einzelnen Schicht oder einem Schichtstapel unterschiedlicher Schichten bestehen. Mindestens eine der Reflexionsschichten (Vorderseitenreflexionsschicht 5 und / oder Rückseitenreflexionsschicht 6) weist eine schaltbare Reflektivität auf.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Absorberelements 1 mit einer Germanium-Absorberschicht 4. Die Vorderseitenreflexionsschicht 5 ist als Metall-Gitter-Struktur, insbesondere aus Silber, ausgeformt, in welcher das Metall die Oberfläche des Absorberelements 1 nur zu einem geringen Anteil, beispielsweise 10%, bedeckt, während vorderseitig dieses Metallgitters eine weitere Schicht aus einem TCO (Transparent Conductive Oxide), insbesondere aus einem der

Materialien ZnO:AI (AZO), Sn02:F (FTO), ln203:F (ITO)ausgeformt ist, derart, dass beide Schichten zusammen eine Bedeckung des Absorptionselements 1 von zumindest 80% ergeben. Da beide Materialien beispielsweise an der Grenzfläche zu amorphem oder mikrokristallinem Silizium eine hohe Reflektivität aufweisen, bilden sie in diesem Fall zusammen eine Vorderseitenelektrode 2 sowie gleichzeitig eine Vorderseitenreflexionsschicht 5 von beispielsweise 80 nm Dicke. Diese

Vorderseitenreflexionsschicht 5 weist vorwiegend einen Brechungsindex von ca. 2 auf.

Die Absorberschicht 4 ist als amorphe oder mikrokristalline Germaniumschicht ausgebildet. Die Absorberschicht 4 besteht dabei aus einem Schichtstapel mit einer lichteinfallseitigen ersten Schicht 4a aus einer amorphen, n-dotierten

Siliziumlegierung mit einer Dicke von ca. 10 nm. Auf die erste Schicht 4a folgt eine zweite Schicht 4b aus einer amorphen intrinsischen Germaniumlegierung mit einer Schichtdicke von ca. 3 bis 30 nm. Eine letzte, dritte Schicht 4c weist eine

mikrokristalline p-dotierte Siliziumlegierung mit einer Schichtdicke von ca. 10 nm auf. Dieser Schichtstapel bildet den Resonator 8 mit einem Brechungsindex von ca. 3,5 bis 4,5.

Das Absorberelement 4 wird von einer flächig ausgebildeten schaltbaren

Rückseitenreflexionsschicht 6 abgeschlossen.

In dieser Ausführungsform ist die n-Schicht als Teil des Inneren des Resonators 8 ausgebildet, indem ihr Brechungsindex demjenigen der angrenzenden zweiten Schicht 4b der Absorberschicht im Wesentlichen ähnelt.

Fig. 3 zeigt ein schaltbares Absorberelement 1 mit n-Schicht als Teil der

Vorderseitenreflexionsschicht 5. Der Aufbau entspricht dabei dem des zuvor gezeigten Ausführungsbeispiels mit dem Unterschied, dass die n-Schicht nicht erste Schicht 4a der Absorberschicht 4 und damit des Resonators 8 ist, sondern zweite Schicht 5b der Vorderseitenreflexionsschicht 5, indem der Brechungsindex der zweiten Schicht 5b der Vorderseitenreflexionsschicht sich wesentlich von demjenigen der zweiten Schicht 4b der Absorberschicht unterscheidet. Der Resonator 8 besteht hier nur aus der zweiten Schicht 4b aus einer amorphen intrinsischen

Germaniumlegierung mit einer Schichtdicke von ca. 3 bis 30 nm und einer letzten Schicht 4c, die eine mikrokristalline p-dotierte Siliziumlegierung mit einer

Schichtdicke von ca. 10 nm aufweist. Dieser Schichtstapel bildet den Resonator 8 mit einem Brechungsindex von ca. 3,5 bis 4,5. Die Vorderseitenreflexionsschicht 5 besteht in dieser Ausführungsform aus einer ersten Schicht 5a aus einem TCO (Transparent Conductive Oxide), insbesondere aus einem ITO. Weiterhin beinhaltet die Vorderseitenreflexionsschicht 5 eine zweite Schicht 5b aus einer amorphen, n- dotierten Siliziumlegierung mit einer Dicke von ca. 10 nm. Die Brechungsindizes von ca. 2 der Vorderseitenreflexionsschicht 5 und von ca. 3,5 bis 4,5 des Resonators werden von dieser Änderung nicht berührt.

Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind

gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.

Bezugszeichenliste:

1 Absorberelement

2 Vorderseitenelektrode

3 Rückseitenelektrode

4 Absorberschicht

4a erste Schicht

4b zweite Schicht

4c dritte Schicht

5 Vorderseitenreflexionsschicht

5a erste Schicht

5b zweite Schicht

6 Rückseitenreflexionsschicht

7 Photovoltaische Zelle

8 Resonator