Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energiegewinnung, insbesondere Solarzeile, mit wenigstens einer Raumladungszone und wenigstens einer Vorrichtung zur

Frequenzwandlung eingestrahlten Lichtes, insbesondere mit Quantenpunkten.

Solarzellen bestehen aus einem aus Halbleitern aufgebauten p-n Übergang. In der Raumladungszone werden in Folge Photonenabsorption erzeugte Elektronen- Loch Paare durch die in der Raumladungszone vorhandene Diffusionsspannung getrennt und am Rekombinieren gehindert, wodurch sowohl Elektronen als auch Löcher als

Ladungsträger für einen Stromfluss zur Verfügung stehen. Die eingestrahlten Photonen müssen eine, der Bandlücke des Halbleitermaterials entsprechende, gewisse

Mindestenergie aufweisen, um eine Spannung im Halbleiter generieren zu können. Die Wahrscheinlichkeit, ein Photon einer bestimmten Wellenlänge zu absorbieren und ein Elektron-Loch Paar zu erzeugen wird als Quanteneffizienz bezeichnet und ist vom eingesetzten Material und von dessen Bandstruktur (Leitungs- und Valenzband) abhängig. Zurzeit werden poly- und monokristallines Silizium, organische Halbleiter sowie Dünnschichtsolarzellen zur technischen Realisierungen von Solarzellen herangezogen.

Die Quanteneffizienz (auch Quantenausbeute oder Fluoreszenzausbeute) beschreibt im Detail das Verhältnis zwischen der Anzahl der absorbierten Photonen (Lichtquanten) und einem daraus folgenden Ereignis wie beispielsweise Fluoreszenz oder einer chemischen Reaktion. Meist ist die Quanteneffizienz kleiner als 1.

Bei Detektoren für Photonen (beispielsweise Halbleiterdetektoren wie z.B. Fotodioden und CCDs) gibt die Quanteneffizienz an, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Elektron durch den photoelektrischen Effekt freigesetzt wird und damit das in den Detektor eintretende Photon detektiert werden kann. Bei Solarzellen ist die

Quanteneffizienz für die Energieausbeute, bzw. den Wirkungsgrad entscheidend. Die Quanteneffizienz ist unter anderem für die Charakterisierung von Fotodioden,

Fotokathoden von Fotozellen, Bildverstärkern und Photomultipiiers, aber auch von Leuchtstoffen, Faserlasern und anderen (lichtgepumpten) Festkörperlasern von

Bedeutung. Bei Fotokathoden kann die Quanteneffizienz Werte von über 50 % erreichen. Derzeit erreichbare Spitzenwerte liegen beispielsweise für Cs2Te (213 nm Wellenlänge) bei -20 %, für GaAsP (460-540 nm Weilenlänge) bei -50 % und für GaAs (550...720 nm Wellenlänge) bei -25 %. Die Quanteneffizienz von einkristallinen

Fotodioden kann 90 % erreichen. Einkristalline Silizium-Fotodioden erreichen bei der optimalen Empfangswellenlänge um 900 nm eine spektrale Empfindlichkeit von etwa 0,5 A W. Solarzellen erreichen diese Werte nicht, da sie auf einen möglichst breiten Bereich im sichtbaren Spektralbereich (Sonnenlicht) optimiert sind.

Solarzellen weisen für Photonen verschiedener Wellenlängen unterschiedliche

Absorptionswahrscheinlichkeiten, also eine unterschiedliche Quantenausbeute auf. Das bedeutet, dass ein auf bestimmte Weise realisierter p-n-Übergang zwar bei einer bestimmten Wellenlänge sein Absorptionsoptimum hat, aber auch Photonen mit größerer oder mit geringerer Wellenlänge mit geringerer Wahrscheinlichkeit absorbieren kann. Da das einfallende Licht Photonen verschiedenster Wellenlängen aufweist, wird bislang bei der Konstruktion von Solarzellen versucht, eine optimale Energieausbeute dadurch zu erzielen, dass das Absorptionsspektrum der Solarzelle in einem möglichst breiten Spektral bereich mit möglichst hoher Absorptionseffizienz für verschiedenste Wellenlängen (=Quanteneffizienz) aufweist. Es wird also versucht einen möglichst großen Frequenzbereich des von der Sonne abgestrahlten Lichtes, des

Sonnenspektrums nach dem Atmosphärendurchgang, energiebringend zu absorbieren. Dazu ist es bekannt eine Solarzelle mit mehreren P-N Übergängen auszustatten (Mehrschichtsolarzelien). Der weiteren Verbreitung derartiger Lösungen stehen die hohe Fertigungskosten entgegen, die durch den wesentlich höheren

Konstruktionsaufwand verursacht werden. Das Absorptionsspekrum der Wirkschicht der Soiarzelle (des oder der entsprechenden p-n-Übergänge) möglichst breitbandig zu gestalten ist automatisch mit einem Verlust an Effizienz verbunden, da eine Optimierung hinsichtlich zweier Faktoren erforderlich ist, die einander nicht zuträglich sind, nämlich eine hohe Quantenausbeute über ein möglichst breites Frequenzband.

Nunmehr wird mit verschiedenen Ansätzen versucht von der Solarzelle nur mit geringer Effizienz nutzbare Frequenzanteiie in solche zu wandeln, bei denen die

Nutzungswahrscheinlichkeit höher ist. Gleichzeitig werden Solarzellentypen entwickelt, die eine hohe Effizienz bei der Konversion von Sonnenlicht in elektrische Energie aufweisen, und das in einem möglichst breiten Frequenzbereich, immer im Hinblick auf die im Sonnenlicht vorhandenen Frequenzanteile. Nach einem derartigen Ansatz ist es bekannt Quantenpunkte einzusetzen (WO2010/1114 5 A2). Mit Quantenpunkten können vom jeweiligen Solarzellentyp nicht nutzbare Wellenlängen in nutzbare transformiert werden.

Quantenpunkte weisen eine nanoskopische Materialstruktur, insbesondere aus

Haibleitermaterial (z. B. InGaAs, CdSe oder auch GalnP/lnP), auf. Die Ladungsträger (Elektronen, Löcher) sind in einem Quantenpunkt in ihrer Beweglichkeit in allen drei Raumrichtungen so weit eingeschränkt, dass ihre Energie nicht mehr kontinuierliche, sondern nur noch diskrete Werte annehmen kann. Quantenpunkte sind

nanotechnologisch gefertigte winzig kleine Halbleiterkristalle, die in der Lage sind Licht einer Wellenlänge zu absorbieren und dabei Licht einer anderen, größeren oder kleineren, Wellenlänge zu emittieren. Die abgestrahlte Wellenlänge hängt von der Größe dieser Nanokristalle ab. Diese Kristalle können hochgenau auf die gewünschte Emissionswellenlänge hin abgestimmt und gefertigt werden und sind somit fähig, von Rot über Orange und Gelb bis hin zu grünem Licht und darüber hinaus zu strahlen. Elektronische und optische Eigenschaften von Quantenpunkten lassen sich also in gewissen Maßen maßschneidern. Typischerweise beträgt ihre eigene atomare

Größenordnung etwa 10 ⁴ Atome bis 0 ⁶ Atome. Ausgehend von einem Stand der Technik der eingangs geschilderten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Solarzelle zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik eine merklich bessere Quanteneffizienz, also einen verbesserte

Energieausbeute und somit einen höheren Wirkungsgrad, aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die wenigstens eine Raumladungszone ein Absorptionsspektrum mit wenigstens einem Absorptionsmaximum mit einer

Quanteneffizienz von über 60% aufweist und dass der wenigstens einen

Raumladungszone wenigstens eine Vorrichtung zur Frequenzwandlung zugeordnet ist, deren Emissionsspektrum zu einem wesentlichen Teil, nämlich wenigstens zu über 50%, in jenem Frequenzbereich liegt, in dem die wenigstens eine Raumladungszone eine Absorptäonseffizienz von über 60% aufweist. Dies wird erreicht, indem das

Emissionsspektrum der Frequenzwandiung möglichst gleich ist mit jenem

Frequenzbereich des Absorptionsspektrums der Raumladungszone, der hohe

Quanteneffizienzen von über 60% aufweist. Damit wird eine Solarzelle geschaffen, die gegenüber dem Stand der Technik ein Material mit schmalbandigem

Absorptionsspektrum und hoher Quanteneffizienz aufweist und die dennoch ein breitbandiges Sonnenspektrum durch Frequenzwandlung zur Energiegewinnung nutzbar macht.

Mit der Erfindung kann eine Solarzeile mit merklich verbesserter Energieausbeute und somit höherem Wirkungsgrad dadurch geschaffen werden, dass die Quantenpunkten zueigenen Optimierungsmöglichkeiten bezüglich der Quanteneffizienz in einem engen Frequenzbereich ausnutzt, in dem eine Transformierung eines breiten Wellenspektrums hin zu einem engen, auf die Sensorzelle abgestimmtes Detektionsspektrum erfolgt. Eine Optimierung der Sensorzelle hinsichtlich eines breit angelegten bzw. auf

Sonneneinstrahlung abgestimmten Absorptionsspektrums ist somit nicht erforderlich. Im Gegenteil, es wird eine Sensorzelle mit schmaiem Absorptionsspektum, aber mit überdurchschnittlich hoher Quanteneffizienz gewählt und das breite Lichtspektrum des Sonnenlichtes mit den Quantenpunkten in das Absorptionsspektum der Sensorzelle transformiert, also in jenen Frequenzbereich, auf den die Wirkschicht der Solarzelle hin optimiert wurde. Die wenigstens eine Raumladungszone weist im Absorptionsspektrum ein Absorptionsmaximum oder mehrere Absorptionsmaxima mit einer Quanteneffizienz von jeweils über 60% auf, wobei mindestens 30% der in der Raumladungszone

absorbierten Photonen zuvor von einer oder mehreren Vorrichtungen zur

Frequenzwandlung emittiert werden, die der wenigstens einen Raumladungszone zugeordnet sind.

Zur Umsetzung der Erfindung wird der p-n-Übergang einer Solarzelle beispielsweise dahingehend optimiert, dass er eine hohe Absorptionsrate (=Quanteneffizienz) von über 60% in einem bestimmten Frequenzbereich aufweist. Darauf das Absorptionsspektrum p-n-Schicht auf das einfallende Sonnenlichtspektrum hin zu optimieren kann teilweise oder gänzlich verzichtet werden. Die Optimierungsmöglichkeiten der Quanteneffizienz in diesem bestimmten, verhältnismäßig engen, Frequenzbereich können bestmöglich ausgenutzt werden. Dieser Bereich wird insofern an die zur Verfügung stehenden Maßnahmen zur Frequenzwandlung angepasst, dass er im Zielbereich der eingesetzten bzw. einzusetzenden Quantenpunkte und somit deren abgestrahlter Wellenlänge liegt. Um den außerhalb Absorptionsspektrum p-n-Schicht liegenden Frequenzbereich dennoch nutzen zu können wird mit den Quantenpunkten ein großer Teil dieses

Anteiles in Frequenzen transformiert, die von der hinsichtlich der Quanteneffizienz optimierten Solarzelle genutzt werden können. Die Möglichkeit Photonen

„frequenzzuwandeln" ist in diesem Zusammenhang großteils oder gänzlich dafür verantwortlich, dass trotz des engen Absorptionsspektrums der p-n-Schicht der

Solarzelle dennoch große Teile des einfallenden Sonnenlichtes zur Stromerzeugung genutzt werden können. Die Frequenzwandlung kann gegebenenfalls mehrere, über verschiedenartige Frequenzwandler oder Quantenpunkte (Quantenpunkte

unterschiedlicher Anregungsfrequenz) führende, Zwischenschritte umfassen.

Auch wenn die Raumiadungszone bei einfacher Konstruktion nur ein

Absorptionsmaxima aufweist, kann es zur Wirkungsgradsteigerung im Zusammenhang mit dem Abstrahlverhalten der verschiedenen Frequenzen zugeordneten

Quantenpunkte von Vorteil sein, wenn die die Raumladungszone zwei oder mehrere Absorptionsmaxi- ma mit einer Quanteneffizienz von je mehr als 60% aufweist. Besonders hohe

Wirkungsgrade lassen sich in diesem Zusammenhang nach derzeitigem Wissensstand erzielen, wenn die wenigstens eine Raumladungszone ein Absorptionsspektum mit einer Bandbrette von bis zu 700nm, vorzugsweise von bis zu 200nm, aufweist. Kleinere Bandbreiten sind, insbesondere wenn Quantenpunkte vorliegen deren Abstrahlfrequenz innerhalb der Bandbreite liegt, auch denkbar. Die Vorrichtung zur Frequenzwandlung kann optisch nichtlineare, lumineszente, phosphoreszierende, und/oder fluoreszierende Materialien umfassen. Dabei können die Quantenpunkte selbst derart ausgebildet sein oder entsprechende zusätzliche Materialien vorgesehen sein. Beispielsweise können die Quantenpunkte in eine Matrix aus diesen Materialien eingebettet sein. Außerdem kann die Vorrichtung zur Frequenzwandlung eine oder mehrere Schichten umfassen, der bzw. denen die Quantenpunkte zugeordnet sind. Dabei ist es für die Erfindung unerheblich ob die Quantenpunkte in die Schichten eingebettet oder auf die Schichten aufgebracht sind.

In einem einfachen Fall reicht es aus, wenn der Raumladungszone Quantenpunkte zugeordnet sind, welche zumindest einen Teil des unterhalb des Absorptionsspektums der Raumladungszone liegenden Wellenspektrums in das innerhalb der

Raumladungszone liegende Wellenspektrum durch Frequenzerhöhung transformieren. Zusätzlich oder alternativ können der Raumladungszone Quantenpunkte zugeordnet sein, welche zumindest einen Teil des oberhalb des Absorptionsspektums der

Raumladungszone liegenden Wellenspektrums in das innerhalb der Raumladungszone liegende Wellenspektrum durch Frequenzsenkung transformieren. Dass die Vorrichtung zur Frequenzwandiung zwei oder mehrere Arten verschiedener Quantenpunkte umfassen kann wurde ja bereits erwähnt. Damit lassen sich verschiedene

Frequenzbereiche des eingestrahlten Sonnenlichtes in das Absorptionsspektum der Raumladungszone transformieren.

In bekannter Weise können die Quantenpunkte für sich mit einer oder mehreren transparenten Hüllen, sogenannten„shell ^' s" ausgestattet sein. Damit lässt sich beispielsweise ein Minimalabstand benachbarter Quantenpunkte gewährleisten und einstellen.

Bezüglich des Aufbaues der Solarzelle kann wenigstens eine Vorrichtung zur

Frequenzwandlung in Einstrahlrichtung hinter der Raumladungszone der Solarzelle liegen. Zusätzlich oder alternativ dazu besteht die Möglichkeit die wenigstens eine Vorrichtung zur Frequenzwandlung in Einstrahlrichtung vor der Raumladungszone der Solarzelle anzuordnen.

Um das eingestrahlte Sonnenlicht möglichst effektiv zu nutzen, kann die Solarzelle rückseitig, also auf ihrer der Einfallsrichtung des Sonnenlichtes abgewandten Seite verspiegelt ausgebildet sein. Eine konkrete Ausführung sieht eine Schicht mit

frequenzwandeindem Material vor, die eine einen Lichtdurchgang unterbindende Schichtdicke aufweist, die Licht nur nach erfolgter Frequenzwandlung zurückwirft.

Um das auf die Solarzelle auftreffende Sonnenlicht möglichst effektiv nutzen zu können, ist es von Vorteil, wenn die Raumladungszone und die Vorrichtung zur

Frequenzwandlung in einer Photonenfalle angeordnet sind, welche den Austritt von Photonen einer bestimmten oder mehrerer verschiedener Wellenlängen aus der

Photonenfalle unterbindet.

Besonders vorteilhafte Verhältnisse ergeben sich, wenn:

- die wenigstens eine Raumladungszone ein Absorptionsspektum mit einer vollen Breite bei halbem Maximum von bis zu 700nm aufweist.

- die wenigstens eine Raumladungszone in wenigstens einer Raumrichtung eine Größe kleiner als 20μίη aufweist.

- die wenigstens eine Raumladungszone eine dreidimensionale Struktur aufweist.

- die wenigstens eine Vorrichtung zur Frequenzwandlung in wenigstens einer

Raumrichtung eine Größe kleiner als 200nm aufweist.

- die wenigstens eine Vorrichtung zur Frequenzwandlung eine oder mehrere

Schichten umfasst. - die wenigstens eine Vorrichtung zur Frequenzwandlung Nanoröhrchen,

Nanodrähte, Nanorings oder Nanokristalle umfasst, die in wenigstens einer Raumrichtung eine Abmessung von unter 20nm aufweisen.

die Vorrichtung zur Frequenzwandlung von der Raumladungszone räumlich getrennt ist.

- dass der Vorrichtung zur Frequenzwandlung eine das einfallende

Photonenspektrum zur Raumladungszone leitende Leiteinrichtung zugehört.

- der Vorrichtung zur Frequenzwandlung eine einfallende Photonenspektrum

zur Raumladungszone hin konzentrierende Sammeleinrichtung, insbesondere ein Prisma oder eine Linse, zugehört.

- Vorrichtung zur Frequenzwandlung räumlich innerhalb der Raumladungszone angeordnet ist.

- die wenigstens eine Raumladungszone in wenigstens einer Raumrichtung eine Größe kleiner als 150μηι, vorzugsweise kleiner als 50μιη und insbesondere kleiner als 20μητι aufweist.

- wenigstens eine Raumladungszone im Absorptionsspektrum ein

Absorptionsmaximum oder mehrere Absorptionsmaxi ma mit einer

Quanteneffizienz von über 70% , vorzugsweise von über 80% und insbesondere vorzugsweise von über 90% aufweist.

mindestens 40%, vorzugsweise 50% und insbesondere vorzugsweise wenigstens 60%, der in der Raumladungszone absorbierten Photonen der Raumladungszone von einer oder mehreren Vorrichtungen zur

Frequenzwandlung zugeleitet sind.

- mindestens 70%, vorzugsweise 80% und insbesondere vorzugsweise

wenigstens 90% der in der Raumladungszone absorbierten Photonen der Raumladungszone von einer oder mehreren Vorrichtungen zur

Frequenzwandlung zugeleitet sind.

Für eine oder für mehrere p-n-Übergänge der erfindungsgemäßen Solarzelle können beispielsweise wahlweise folgende Materialien (ggf. dotiert)

Cs2Te, GaAsP, GaAs, InP, InGaAsP, AIGaAs, GaAsP, GaP, SiC, ZnSe, InGaN, GaN, AIN, AIGalnP, AIGaP, AIGaN, AIGaInN, ZnO, ZnSe, C, Si und/oder SiC sowie organische Halbleiter umfassen. Diese Aufzählung ist nur beispielhaft und nicht abschließend.

Ausführungsbeispiel (Fig. 3):

Es wird eine Schicht aus Sr[Si202N2], dotiert mit 4% Europium, zur Frequenzwandlung eingesetzt, entweder mit geringer Schichtdicke, wobei das frequenzgewandelte Licht durchscheint, oder in größerer Schichtdicke hinter (bezüglich Einfallsrichtung des Sonnenlichtes) der Raumladungszone der Solarzelle, wobei das frequenzgewandelte Licht zurückgestrahlt wird, und die auch ohne Frequenzwandlung nutzbaren

Spektralanteile großteils beim ersten Durchgang durch die Raumladungszone zur Energiegewinnung genutzt wurden. Diese Schicht zur Frequenzwandlung absorbiert Licht hauptsächlich bei Wellenlängen unter 450 nm. Sie emittiert Licht in einem Bereich von 500 bis 600 nm mit einem Maximum bei 542 nm. Hierbei können laut Quelle Quanteneffizienzen von bis zu 85% erzielt werden.

Als Halbleiter zur Bildung der Raumladungszone wird InGaP verwendet, das zwischen 400 und 650 nm eine Quanteneffizienz von 60% oder darüber aufweist, mit einem Maximum bei ca. 500 nm und einer Quanteneffizienz von über 80% bei diesem

Maximum.

Mit einer derartigen Anordnung kann bereits eine Solarzelle geschaffen werden, die im Frequenzbereich kleiner als 650 nm eine theoretische Effizienz von mehr als 30% aufweist (mehr als 50% Quanteneffizienz beim Frequenzwandler unter 450 nm, mehr als 60% Quanteneffizienz bei der Wirkschicht zwischen 400 und 650 nm, 0,5 x 0,6 = 0,3 = 30%). Der Wirkungsgrad kann durch Verwendung zusätzlicher Frequenzwandler, insbesondere Quantenpunkte aber erfindungsgemäß noch weiter gesteigert werden.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein den Stand der Technik darstellendes Diagramm einer Solarzelle,

Fig. 2 und 3 je ein der Erfindung entsprechendes Diagramm einer Solarzelle, Fig. 4 und 5 je ein Diagramm mit einer zwei verschiedenartige Quantenpunkte umfassenden Vorrichtung zur Frequenzwandlung und

Fig. 6a bis f Beispiele für den Schichtaufbau erfindungsgemäßer Solarzeilen.

Eine Vorrichtung zur Energiegewinnung, insbesondere eine Solarzelle, umfasst wenigstens eine Raumladungszone RLZ und wenigstens eine Vorrichtung zur

Frequenzwandlung F eingestrahlten Lichtes, die insbesondere Quantenpunkte umfassen kann. Erfindungsgemäß weist die wenigstens eine Raumladungszone RLZ ein Absorptionsspektum AR bei hoher Quanteneffizienz von über 60% auf und ist der Raumladungszone RLZ eine Vorrichtung zur Frequenzwandlung F zugeordnet, deren Emissionsspektrum EF zu einem wesentlichen Teil, insbesondere zu über 50%, in jenem Frequenzbereich liegt, in dem die wenigstens eine Raumladungszone RLZ eine Absorptionseffizienz AR von über 60 % aufweist.

In den Diagrammen ist die Quanteneffizienz über der Wellenlänge dargestellt, wobei typische Verläufe für den Absorbtionsbereich des Frequenzwandlers AF, den

Emissionsbereich des Frequenzwandlers EF und den Absorbtionsbereich der

Raumladungszone AR angegeben sind. Damit wird zumindest ein wesentlicher Teil des außerhalb des Absorptionsspektums AR der Raumladungszone RLZ liegenden

Wellenspektrums in das innerhalb der Raumladungszone RLZ liegende

Wellenspektrum transformiert. Fig.3 zeigt das konkrete Ausführungsbeispiel aus der Beschreibung.

Fig. 4 und 5 umfassen zwei Vorrichtungen zur Frequenzwandlung F, wobei gem. Fig. 4 zwei unterhalb des Absorptionsspektums der Raumladungszone AR arbeitende

Frequenzwandier Fi, F2 mit je einem Absobtionsspektrum AFi, und AF2 dargestellt sind, weiche die Emissionsspektrum EF1 , und EF2 aufweisen, welche innerhalb der

Raumladungszone AR absorbiert werden. Es erfolgt also eine Transformation des Wellenspektrums durch Frequenzerhöhung. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 liegt das Absobtionsspektrum AF1 des Frequenzwandlers Fi unterhalb und das und

Absobtionsspektrum AF2 des Frequenzwandlers F2 oberhalb des Absorpti- onsspektums der Raumladungszone AR. Es erfolgt also einerseits eine Frequenzerhöhung, als auch anderseits eine Frequenzsenkung.

Die zur Frequenzwandlung eingesetzten Materialien, insbesondere Quantenpunkte, können ein oder mehrere Photonen absorbieren oder auch emittieren. Ebenso besteht die Möglichkeit zuvor von einem Frequenzwandler emittierte Photonen einem weiteren Frequenzwandler zuzuführen.

Diverse Schichtaufbauten erfindungsgemäßer Solarzellen sind in Fig. 6 a bis f dargestellt und umfassen Frequenzwandler, Raumladungszonen und Spiegel.

Erfindungsgemäß sind weiters folgende Ausführungen der Erfindung vorgesehen:

Die Vorrichtung kann im Bereich der Raumladungszone in einem ersten

Weilenlängenbereich bei zumindest einer Wellenlänge eine Quanteneffizienz von über 60% aufweisen, wobei der erste Wellenlängenbereich begrenzt ist durch jene

Wellenlänge, deren Energie der Energie der Bandlücke der Vorrichtung im Bereich der Raumladungszone entspricht, und jener Wellenlänge, die 20% darunter liegt.

Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Frequenzwandlung zur MultiPhoton-Generation und/oder zur Photonen-Upconversion sowie zur Wandlung von Photonen einer Wellenlänge außerhalb des ersten Wellenlängenbereichs in eine Wellenlänge innerhalb des ersten Wellenlängenbereichs ausgeführt ist

Es kann weiters vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Frequenzwandlung so ausgeführt ist, dass bei einem Sonnenspektrum nach 1 ,5 Atmosphärendurchgängen mindestens 50% der emittierten Photonen im ersten Wellenlängenbereich liegen.

Die Vorrichtung zur Frequenzwandlung kann derart ausgeführt sein, dass sie bei wenigstens einer Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches einer Frequenz aus dem ersten Weilenlängenbereich ist, eine Absorption von mindestens 50% aufweist. Die downconversion von Photonen bewirkt, je nach verwendeten Materialien, eine gleichmäßige Verteilung der Energie des absorbierten Photons auf mehrere emittierte Photonen zu gleichen Teilen, wodurch eine Abstimmung erfolgen kann, dass die Vorrichtung zur Frequenzwandiung bevorzugt Photonen absorbiert, deren Energie ein ganzzahliges Vielfaches jener Energie ausmacht, welche die Raumladungszone mit großer Effizienz nutzen kann.

Ebenso kann die Vorrichtung zur Frequenzwandlung derart ausgeführt sein, dass sie bei wenigstens einer Frequenz, die der Quotient einer Frequenz aus dem ersten

Weilenlängenbereich und einer ganzen Zahl ist, eine Absorption von mindestens 50% aufweist. Genau so kann es bei upconversion sein, dass mehrere Photonen gleicher oder zumindest ähnlicher Energie zu einem Photon höherer Energie frequenzgewandelt werden. In diesem Fall kann es hilfreich sein, dass die Energie, welche bevorzugt von der Raumladungszone genutzt werden kann, ein ganzzahiiges Vielfaches jener

Photonen ist, die von der Vorrichtung zur Frequenzwandlung bevorzugt

frequenzgewandelt werden.

Die Vorrichtung kann im Bereich der Raumladungszone eine Bandiücke von 0,5eV bis 0,85eV, entsprechend einem Wellenlängenbereich von 1459nm bis 2480nm, aufweisen. Auch Materialien mit so geringer Bandiücke, sodass bei der Verwendung als

Solarzellenmaterial ein großer Teil der Energie durch Thermalisierung verlorenginge, kann mit Frequenzwandlung (z.B. downconversion) als Soiarzellenmaterial eingesetzt werden.

Die Vorrichtung kann im Bereich der Raumladungszone eine Bandlücke von 2eV bis 4,5eV, entsprechend einem Wellenlängenbereich von 275nm bis 620nm, aufweisen. Besonders solche Halbleiter, deren Bandlücke eine Energie aufweist, die so kurzwellig ist, dass sie im Sonnenlicht einen nur eher kleinen Teil der Energie ausmacht, können mit Frequenzwandlung (z.B. upconversion)dennoch zur Solarzellenherstellung verwendet werden.

Die Raumladungszone oder die Vorrichtung zur Frequenzwandlung kann als

Photonenfalle ausgebildet sein oder einer Photonenfalle zugeordnet sein.

Bei Verwendung einer Vorrichtung zur Frequenzwandlung, die mit geringer

Wahrscheinlichkeit tatsächlich zu einer Frequenzwandluing führt, aber bezüglich nicht gewandelter Photonen hinreichend transparent ist, kann die Vorrichtung zur

Frequenzwandlung als Photonenfalle ausgeführt sein, um eine vollständigere

Frequenzwandlung mittels mehrerer Durchgänge der Photonen durch die Vorrichtung zur Frequenzwandlung zu erreichen.

Die Vorrichtung zur Frequenzwandlung kann derart ausgeführt sein, dass sie zumindest 90% der einfallenden Photonen entweder wandelt oder unverändert emittiert. Bei Verwendung der Vorrichtung zur Frequenzwandlung in einer Photonenfalle ist für die Effizienz weniger der Anteil frequenzgewandeiter Photonen bei einem Durchgang ausschlaggebend, sondern das Verhältnis gewandelter Photonen zu etwaig angefallenen Verlusten.

Die Vorrichtung kann mehrere Vorrichtungen zur Frequenzwandlung umfassen, die derart angeordnet sind, dass die emittierten Photonen einer Vorrichtung zur

Frequenzwandlung zumindest zum Teil von einer weiteren Vorrichtung zur

Frequenzwandlung absorbiert werden. Bei Frequenzwandlung der einfallenden

Photonen können auch mehrere Einrichtungen zur Frequenzwandlung seriell angeordnet sein, sodaß beispielsweise Photonen unterschiedlicher Frequenzen in unterschiedlichen Vorrichtungen zur Frequenzwandlung gewandelt werden können, oder auch, daß ein einfallendes Photon sequenziell in mehreren Vorrichtungen zur Frequenzwandlung mehrfach frequenzgewandelt wird. Die mit Frequenzwandlung gegebenenfalls verbundenen Verluste sind besonders bei serieller Frequenzwandlung im Auge zu behalten.

Die Vorrichtung zur Frequenzwandlung kann unmittelbar vor der Raumladungszone, in der Raumladungszone, hinter der Raumladungszone, seitlich der Raumladungszone oder unmittelbar auf der einer Lichtquelle zugewandten Seite der Vorrichtung zur Energiegewinnung angeordnet sein.

Als Ort der Frequenzwandlung bieten sich prinzipiell alle Orte an, die mit dem

Strahlendurchgang in der Solarzelle in Zusammenhang stehen. Insbesonders hervorzuheben ist die Vorrichtung zur Frequenzwandlung in größtmöglicher Nähe zur oder zumindest zum Teil innerhalb der Raumladungszone. Weiters ist die Aufbringung an der äußersten Schicht eines Photovoltaikmoduls vorteilhaft, da hier das einfallende Spektrum unverändert vorliegt.

Die Vorrichtung zur Frequenzwandlung kann derart ausgeführt sein, dass sie zwei oder mehr Emissionsspitzen aufweist. Es kann eine oder mehrere Vorrichtungen zur Frequenzwandlung so beschaffen sein, daß Photonen mit mehr als der doppelten Energie als die Bandlückenenergie der Raumladungszone bevorzugt vermittelst downconversion frequenzgewandelt werden, Photonen mit geringerer Energie vermittelst downshift in Frequenzbereiche höherer Absorption verschoben werden.

Das Material der Vorrichtung im Bereich der Raumladungszone kann bei Energien über dem 2-fachen seiner Bandlücke eine Quanteneffizienz von unter 10% aufweisen. Es ist zu vermeiden, dass jene Photonen von der Solarzelle absorbiert werden, die bei vorausgehender verlustarmer Frequenzwandlung bei anschließender Absorption eine bessere Energieausbeute liefern. Daher kann es von Vorteil sein, dass die Solarzelle in Frequenzbereichen, die wesentlich energiereicher sind als die Energie, welche der Bandlückenenergie der Raumladungszone entspricht, so wenig wie möglich absorbiert.

Die Vorrichtung kann als singie-junction Solarzeile ausgebildet sein, die bei Energien von mehr als 50% über der Energie ihrer Bandlücke eine Quanteneffizienz von unter 50%, insbesondere unter 20% aufweist. Halbleitermaterialien, die nur in einem engen spektralen Bereich Photonen zu absorbieren vermögen, sind nur mit Frequenzwandiung sinnvoll als Solarzelle einsetzbar, zumindest, wenn es sich un eine single-junctäon-Zelle handeln soll. Materialien, die bei Multi-junction-Zelien Verwendung finden, weisen meist sehr gute Eigenschaften in einem kleinen spektralen Bereich auf, und sind damit auch für die Verwendung mit Frequenzwandlung gut geeignet.

Da die Anforderungen an ein Halbleitermaterial zur Verwendung in einem Multi-junction- Aufbau sich auch auf Eigenschaften der Kombinierbarkeit erstrecken (hinsichtlich Gitterkonstante, Ausdehnungskoeffizient, verarbeitungstechnische Eigenschaften), ist die Anzahl an verfügbaren Materialien für die Verwendung mit Frequenzwandlung weit höher als die Anzahl für die Verwendung in einer Multi-junction-Solarzelle, bei vergleichbar guten Quanteneffizienzen und spektralen Eigenschaften.

Die Vorrichtung zur Energiegewinnung kann im Bereich der Raumladungszone als Heterojunction, Multijunction, oder organische Solarzelle ausgeführt sein.

Frequenzwandlung zur Steigerung der Gesamteffizienz einer Solarzelle kann auch bei anderen Solarzelienarchitekturen sinnvoll angewandt werden. Die Verwendung unterschiedlicher Halbleiter zur Bildung eines p~n~Überganges (heterojunction), Verwendung von organischen Solarzellen, Verwendung mehrerer p-n-Übergänge (multijunction-zelle) sind jeweils Möglichkeiten, wobei eine etwaige Frequenzwandlung auf diese Gegebenheiten abgestimmt werden muß. Diese Aufzählung ist nicht abschließend.

Die Vorrichtung zur Energiegewinnung kann CiGS Teilkomposite, CZTS Teilkomposite, FeS2, ZnSe, in LEDs verwendete Materialien, Teilzellen einer Multijunction-Zelle, und/oder Cs2Te, GaAsP, GaAs, InP, InGaAsP, AIGaAs, GaAsP, GaP, SiC, ZnSe, InGaN, GaN, A1N, AIGalnP, AIGaP, AIGaN, AIGalnN, ZnO, ZnSe, C, Si, SiC,

organische Halbleiter umfassen. Mit Frequenzwandlung kommen somit Materialien in Betracht, die ohne die Vorrichtung zur Frequenzwandlung weniger zur Verwendung als Single-Junction-Solarzelle geeignet sind.

Die Vorrichtung zur Frequenzwandlung und die Vorrichtung zur Energiegewinnung kann im Bereich der Raumladungszone derart ausgeführt sein, dass die Absorption der Vorrichtung zur Frequenzwandlung zumindest in jenen Frequenzbereichen unter 20% liegt, in denen die Raumiadungszone eine Absorption von über 20% aufweist.

Frequenzabhängige Eigenschaften der Solarzelle

Der Frequenzbereich einer Solarzelle, in dem diese in der Lage ist, eintreffende

Photonen zu absorbieren, erstreckt sich von jener Frequenz, deren Energie der Energie der Bandlücke entspricht, mit einer spezifischen frequenzabhängigen Effizienz mehr oder weniger weit, und deckt damit einen gewissen Spektral bereich ab. Zusätzlich von der frequenzabhängigen Konversionswahrscheinlichkeit ist die Relation zwischen der Frequenz des eintreffenden Photons und jener Frequenz, deren Energie der Energie der Bandlücke entspricht, in Betracht zu ziehen. Je höher die Frequenz des

eintreffenden Photons, desto größer die darin vergegenständlichte Energie.

Unabhängig von der Energie des eintreffenden Photons wird aber maximal nur jene Energie generiert, die der Energie des Bandabstandes entspricht. Das heißt, die entsprechende Energiedifferenz geht verloren. Für eine Erhöhung der Gesamteffizienz einer Solarzelle kommen erstens die

wellenlängenabhängige Konversionswahrscheinlichkeit in Betracht und zweitens das Verhältnis der Energie des jeweilig eintreffenden Photons zu jener Energie, die der Energie der Bandlücke des in der Raumladungszone verwendeten Materials entspricht.

Die welieniängenabhängige Konversionswahrscheinlichkeit (externe Quanteneffizienz) sollte für sich allein betrachtet möglichst groß sein. Jede konkrete Raumladungszone einer Solarzelle weist eine frequenzabhängige Quanteneffizienz auf, die von den verwendeten Materialien und deren Verarbeitung abhängt. Das Verhältnis zwischen eingestrahlter Energie und erzielter elektrischer Energie ist dann am günstigsten, wenn die Energie des eingestrahlten Photons die der Bandlücke entsprechenden Energie möglichst wenig übersteigt.

Drittens steht die Möglichkeit einer Frequenzwandlung im Raum. Bei der Wandlung von Photonen mit hoher Frequenz zu solchen geringerer Frequenz kann dies einerseits über stark verlustbehaftete Prozesse geschehen ("downshift"), bei denen analog zu den Verlustprozessen in der Solarzelle die Energiedifferenz zwischen absorbiertem, energiereichen Photon, und emittiertem, energiearmen Photon verloren geht. Möglich ist auch die Niederkonverrsion über Prozesse, bei denen die Energie eines absorbierten Photons auf mehrere emittierte Photonen aufgeteilt wird ("downconversion"). Dabei geht weniger Energie verloren, im Idealfall geht keine Energie verloren. Bei einer Hochkonversion ist die Energie mehrerer Photonen geringerer Energie vonnöten, um die Emission eines Photons größerer Energie möglich zu machen. Eine ähnliche, generelle Verlustquelle wie beim downshift existiert für die Hochkonversion nicht.

Diese grundlegenden Bedingungen gelten für die Einsetzbarkeit von Frequenzwandlung zur Effizienzsteigerung von Solarzellen. Die größtmögliche Ausbeute an Energie wird erzielt, wenn ein Photon mit einer Energie knapp über der Energie, die der Bandlücke entspricht, absorbiert und zu elektrischer Energie konvertiert wird. Allerdings ist bei einer Vielzahl an Materialien die Konversionswahrscheinlichkeit nahe der Bandlücke gering. Dies wird bewußt in Kauf genommen, wenn über einen großen Frequenzbereich eine große Konversionswahrscheinlichkeit vorliegt. Möglichkeiten der Frequenzwandlung

Bei Verwendung eines entsprechenden Materials in einer frequenzwandelnden

Vorrichtung kann eine Frequenzwandlung in jenen Frequenzbereich erfolgen, welcher sowohl nahe an der Bandlücke der Solarzelle liegt, als auch bereits eine hohe

Konversionswahrscheinlichkeit aufweist. Speziell eine Frequenzwandlung

energiereicherer Photonen kommt aber nur dann in Frage, wenn diese mit geringen Verlusten geschieht; ein "downshift" wäre nur eine Auslagerung jener Verluste, die ansonsten in der Solarzelle selbst stattfänden, wenn das ursprüngliche, energiereiche Photon mit gleicher Konversionswahrscheinlichkeit auf die Solarzelle direkt träfe.

Ein entsprechend verlustbehafteter "downshift" ist dann mit Vorteil einsetzbar, wenn von Frequenzen, die die betreffende Solarzelle nicht oder nur mit sehr geringen

Konversionswahrscheinlichkeiten nutzen kann, in Frequenzen mit höheren

Konversionwahrscheinlichkeiten gewandelt wird. Allerdings ist auch dann eine

Niederkonversion mit geringeren Verlusten vorzuziehen, wenn folgende

Rahmenbedingungen erfüllt sind:

Bei einer Niederkonversion von Licht vermittelst Aufteilung der Energie des

absorbierten Photons auf mehrere emittierte Photonen stehen die Energien der emittierten Photonen in bestimmten Verhältnis zueinander und zur Energie des absorbierten Photons. Vor Allem kann die Energie eines Photons mit weniger als der doppelten Energie als der Bandlückenenergie nur so auf zwei Photonen "aufgeteilt" werden, dass mindestens eines der beiden Photonen zu wenig Energie aufweist, um absorbiert werden zu können. Bei einer gleichen Aufteilung der Energie können sogar beide Photonen nicht absorbiert werden. Das heißt, bei einer Energie des eingehenden Photons, die geringer ist als das Doppelte der Bandlückenenergie der

Raumladungszone können die bei downshift auftretenden Verluste auch mit

downconversion nicht vermieden werden.

Bei einer Hochkonversion ("upconversion") von Licht werden mehrere Photonen zu einem gewandelt, wobei (höchstens) die Energie mehrer Photonen auf das eine emittierte Photon vereinigt wird. Je nach angewandten Materialien kann es wahrscheinlicher sein, daß einfallende Photonen gleicher oder ähnlicher Energie zu einem Photon upconvertiert werden können, als dies bei mehreren Photonen mit jeweils stark unterschiedlicher Energie der Fall ist.

Mittels upconversion können einfallende Photonen nutzbar gemacht werden, deren Energie vor Frequenzwandlung kleiner ist als die der Bandlücke der Raumiadungszone entsprechende Energie.

Wesentlich für eine effiziente Wandlung von Photonen in elektrischen Strom vermittelst eines p-n-Überganges, welcher eine Raumladungszone mit entsprechender Bandlücke darstellt, ist erstens die Effizienz, mit der ein Photon bestimmter Frequenz absorbiert werden kann. Dies wird durch die "externe Quanteneffizienz" (EQE) bezeichnet, und bezieht sich auf das Verhältnis eingestrahlter Photonen und generierter Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare).

Das Ausmaß der maximalen Leerlaufspannung (welche maßgeblich die generierbare elektrische Leistung beeinflußt) wird durch die Bandlücke des verwendeten Halbleiters bestimmt, wobei jeder generierte Ladungsträger die selbe Leistung aufweist,

unabhängig davon, ob er von einem Photon generiert wurde, dessen Energie genau der Energie der Bandlücke entspricht, oder von einem weitaus energiereicheren Photon. Also ist zweitens für eine effiziente Konversion zu Strom relevant, wie sehr die Energie des eingestrahlten Photons die Energie der Bandlücke übersteigt, wobei ein größeres Übersteigen als ein größerer Verlust in Rechnung zu stellen ist.

Als dritter Faktor ist die spektrale Zusammensetzung des eingestrahlten Lichts für die Gesamteffizinz relevant. Je größer der Frequenzbereich des einfallenden Lichts, desto größere Kompromisse müssen bei der Optimierung der ersten beiden Faktoren eingegangen werden.

Mit geeigneter Frequenzwandlung kann die spektrale Zusammensetzung des Lichtes so optimiert werden, daß auch für die Optimierung der ersten beiden Faktoren mehr Spielraum zur Verfügung steht. Je effizienter und flexibler die Frequenzwandlung gestaltet werden kann, desto mehr läßt sich die zugeordnete Solarzelle so optimieren, dass sie die ersten beiden Bedingung bestmöglich erfüllt:

- hohes Konversionsvermögen (EQE), und zwar

- für Photonen, deren Energie die Energie der Bandlücke der Solarzelle nur geringfügig übersteigt.

Photonen, deren Energie zwischen der Energie, die der Bandlücke der

Raumladungszone entspricht, und einer um 25 % größeren Energie (Der um 25% größeren Energie entspricht eine um 20% kürzere Wellenlänge) liegen in einem

Wellenlängenbereich, der effizient von der Raumladungszone in elektrische Energie gewandelt werden kann, unter der Vorraussetzung, dass in diesem Bereich eine hohe Quanteneffizienz vorliegt. An mindestens einer Stelle dieses Wellenlängenbereiches ist eine externe Quanteneffizienz von mindestens 60 % nötig, um seitens der

Raumladungszoneeine effiziente Konversion in elektrischen Strom gewährleisten zu können.

Die Figuren 7a bis 9b zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung gemäß der oben angeführten erfindungsgemäßen Merkmale:

Fig. 7a zeigt den zeitlichen Verlauf von mehrfach erfolgender Absorption und Emission an drei unterschiedlichen erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Frequenzwandlung FW 1 , FW 2 und FW 3, wobei an drei unterschiedlichen Vorrichtungen zur

Frequenzwandlung jeweils eine Frequenzwandlung stattfindet. RLZ bezeichnet die Raumladungszone der Vorrichtung zur Energiegewinnung, WL 1 ein Photon mit Wellenlänge 1 , WL2 ein Photon mit Wellenlänge 2 und WL 3 ein Photon mit

Wellenlänge 3, sowie WL 4 ein Photon mit Wellenlänge 4.

Fig. 7b zeigt den zeitlichen Verlauf von mehrfach erfolgender Absorption und Emission an zwei unterschiedlichen Vorrichtungen zur Frequenzwandlungen FW1 und FW2, wobei an der Vorrichtung zur Frequenzwandlung 1 zweimal eine Frequenzwandlung stattfindet. RLZ bezeichnet die Raumladungszone der Vorrichtung zur

Energiegewinnung, WL 1' ein Photon mit Wellenlänge 1 , WL2' ein Photon mit

Wellenlänge 2 und WL 3' ein Photon mit Wellenlänge 3, sowie WL 4' ein Photon mit Wellenlänge 4. Fig. 7c zeigt den zeitlichen Verlauf von mehrfach erfolgender Absorption und Emission an einer Vorrichtung zur Frequenzwandlung FW1 , wobei an dieser Vorrichtung zur Frequenzwandlung dreimal eine Frequenzwandlung stattfindet. RLZ bezeichnet die Raumladungszone der Vorrichtung zur Energiegewinnung, WL 1" ein Photon mit Wellenlänge 1 , WL2" ein Photon mit Wellenlänge 2 und WL 3" ein Photon mit

Wellenlänge 3, sowie WL 4" ein Photon mit Wellenlänge 4.

Fig. 8a zeigt eine Vorrichtung zur Frequenzwandlung, angeordnet als Grenzschicht der Oberfläche der Vorrichtung zur Energiegewinnung, an der dem Lichteingang

zugewandten Seite. RLZ bezeichnet die Raumladungszone der Vorrichtung zur

Energiegewinnung.

Fig. 8b zeigt eine Vorrichtung zur Frequenzwandlung, angeordnet ais Grenzschicht der Oberfläche der Raumladungszone der Vorrichtung zur Energiegewinnung, an der dem Lichteingang zugewandten Seite. RLZ bezeichnet die Raumladungszone der

Vorrichtung zur Energiegewinnung

Fig. 9a zeigt das Absorptions- und Emissionsspektren einer Vorrichtung zur

Frequenzwandlung mit Absorptionsspektrum der Raumladungszone. Die Abkürzungen haben folgende Bedeutung: AF bezeichnet das Absorptionsspektrum der Vorrichtung zur Frequenzwandlung, EF 1 den ersten Emissionspeak des Emissionsspektrums der Vorrichtung zur Frequenzwandlung, EF 2 den zweiten Emissionspeak des

Emissionsspektrums der Vorrichtung zur Frequenzwandlung und AR das

Absorptionsspektrum der Raumladungszone der Vorrichtung zur Energiegewinnung.

Fig. 9b zeigt das Absorptionsspektren zweier Vorrichtungen zur Frequenzwandlung, mit dem Absorptionsspektrum der Raumladungszone. Die Abkürzungen haben folgende Bedeutung: AF 1 bezeichnet das Absorptionsspektrum der ersten Vorrichtung zur Frequenzwandlung, AF 2 das Absorptionsspektrum der zweiten Vorrichtung zur Frequenzwandlung, und AR das Absorptionsspektrum der Raumladungszone der Vorrichtung zur Energiegewinnung.