Die Erfindung betrifft eine stapeiförmige Mehrfachsolarzelle.

Aus der WO 2013 107 628 A2 ist eine derartige Solarzellenanordnung bekannt. Aus der US 2010 / 0 000 136 A1 , der US 2006 / 0 048 811 A1 , der US 2013 / 0 133 730 A1 , der US 2013 / 0 048 063 A1 und der EP 1 134 813 A2 sind weitere Anordnungen von Mehr- fachsolarzellen und einer Vervielfachung von einzelnen Teilzellen bekannt.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Anordnung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet. Die Aufgabe wird durch eine stapeiförmige Mehrfachsolarzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

In dem Gegenstand der Erfindung wird eine stapeiförmige Mehrfach- Solarzelle bereitgestellt, umfassend, eine erste Teilzelle mit einer ersten Bandlücke und einer ersten Dicke, und umfassend eine weitere erste Teilzelle mit einer weiteren ersten Bandlücke und einer weiteren ersten Dicke, wobei jede der Teilzellen einen Emitter und eine Basis aufweist, und zwischen den Teilzellen eine Tunneldiode ausgebildet ist, wobei die Lichtstrahlung die erste Teilzelle vor der ersten weiteren ersten Teilzelle durchdringt, wobei die erste Bandlücke um maximal 0,1 eV größer als die weitere erste Bandlücke oder die erste Bandlücke um maximal 0,07 eV größer als die weitere erste Bandlücke oder die erste Bandlücke um maximal 0,04 eV größer als die weitere erste Bandlücke oder die erste Bandlücke um maximal 0,02 eV größer als die weitere erste Bandlücke ist oder die erste Bandlücke gleich groß ist wie die weitere erste Bandlücke.

Es versteht sich, dass unter dem Begriff der stapeiförmige Mehrfachsolarzelle sowohl monolithisch integrierte Mehrfachsolarzellen als auch mittels ei- nes Wafer-Bonding Verfahrens hergestellte Mehrfachsolarzellen verstanden werden. Es sei angemerkt, dass mit der Formulierung weitere erste Teilzelle eine Teilzelle mit ähnlichen oder identischen physikalischen Eigenschaften wie die erste Teilzelle verstanden wird, oder anders ausgedrückt die erste Teilzel- le wird quasi geklont, d.h. zwei halbe erste Teilzellen hergestellt. Es versteht sich auch, dass die absorbierte Wellenlänge der beiden Teilzellen sehr ähnlich oder gleich ist. Weiterhin versteht sich, dass die Dicke insbesondere der ersten halben Teilzelle im Vergleich zu einer ganzen ersten Teilzelle nur maximal halb so groß ausgeführt wird, so dass noch ausreichend Licht der zu absor- bierenden Wellenlänge auch in die weitere erste Teilzelle gelangt. Vorzugsweise wird die Dicke der ersten Teilzelle geringer als die Dicke der weiteren ersten Teilzelle gewählt. Des Weiteren sei angemerkt, dass sich vorzugsweise III-V oder II-VI Mehrfachsolarzellen zum Verdoppeln eignen. Es sei angemerkt, dass eine Verdreifachung im Vergleich zu einer Verdopplung, wegen der wesentlich höheren Anzahl der Halbleiterschichten, die Effizienz der Mehrfachsolarzelle nicht weiter steigert, sondern wieder verringert.

Zwar erscheint eine Verdopplung der Teilzellen mit nahezu gleicher Bandlücke für den Fachmann erst einmal keinen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, da die Absorptionsbereiche der Teilzellen nicht besser ans Sonnenspektrum an- gepasst sind. Jedoch haben Untersuchungen gezeigt, dass sich in überraschender Weise bei einer Verdopplung der Zellen der Strom bei doppelter Spannung halbiert, wodurch sich die Serienwiderstandsverluste reduzieren lassen.

Alternativ lässt sich die Mehrfachsolarzelle aufgrund des geringeren Stroms auch bei höheren Sonnenkonzentrationen betreiben. Hierdurch lassen sich die erheblichen Kostenanteile von den III-V Mehrfachsolarzellen insbesondere bei den Konzentratorsystem reduzieren. Beispielsweise lässt sich bei einer 25 mm ² Mehrfachsolarzelle der Kostenanteil an dem Konzentratorsystem um ca. 50% senken, sofern sich die Konzentration verdoppeln lässt. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Konzentrationsfaktoren beispielsweise von dem Faktor 500 auf über 1000 steigern lassen. In einer Weiterbildung unterscheidet sich die erste Dicke von der weiteren ersten Dicke um wenigstens 80 % oder um wenigstens 50 % oder um wenigstens 20 % oder die beiden Dicken sind identisch. Vorzugsweise ist die erste Dicke kleiner als die weitere erste Dicke.

In einer anderen Weiterbildung ist eine zweite Teilzelle mit einer zweiten Bandlücke und einer zweiten Dicke vorgesehen. Die zweite Bandlücke ist um wenigstens 0,7 eV oder wenigstens um 0,4 eV oder wenigstens um 0,2 eV kleiner oder größer als die erste Bandlücke. Hierdurch weist der Stapel der Mehrfachsolarzelle insgesamt drei Teilzellen auf.

In einer Ausführungsform ist eine weitere zweite Teilzelle vorgesehen, wobei die weitere zweite Teilzelle eine weitere zweite Bandlücke und eine weitere zweite Dicke aufweist. Die weitere zweite Bandlücke unterscheidet sich von der zweiten Bandlücke um maximal 0,1 eV oder maximal um 0,07 eV um maximal 0,04 eV oder maximal um 0,02 eV oder die zweite Bandlücke ist gleich groß wie die weitere zweite Bandlücke. Hierdurch weist der Stapel der Mehrfachsolarzelle insgesamt vier Teilzellen auf. In einer anderen Ausführungsform unterscheidet sich die zweite Dicke von der weiteren zweiten Dicke um wenigstens 80 % oder um wenigstens 50 % oder um wenigstens 20 % oder beide Dicken sind identisch. Vorzugsweise ist die zweite Dicke kleiner als die weitere zweite Dicke. In einer anderen Weiterbildung ist eine dritte Teilzelle mit einer dritten Bandlücke und einer dritten Dicke vorgesehen. Die dritte Bandlücke ist um wenigstens 0,7 eV oder wenigstens um 0,4 eV oder wenigstens um 0,2 eV kleiner oder größer als die zweite Bandlücke. Hierdurch weist der Stapel der Mehrfachsolarzelle insgesamt fünf Teilzellen auf.

In einer Ausführungsform ist eine weitere dritte Teilzelle vorgesehen, wobei die weitere dritte Teilzelle eine weitere dritte Bandlücke und eine weitere dritte Dicke aufweist. Die weitere dritte Bandlücke unterscheidet sich von der dritten Bandlücke um maximal 0,1 eV oder maximal um 0,07 eV um maximal 0,04 eV oder maximal um 0,02 eV oder die dritte Bandlücke ist gleich groß wie die weitere dritte Bandlücke. Hierdurch weist der Stapel der Mehrfachsolarzelle insgesamt sechs Teilzellen auf. In einer anderen Ausführungsform unterscheidet sich die dritte Dicke von der weiteren dritten Dicke um wenigstens 80 % oder um wenigstens 50 % oder um wenigstens 20 % oder beide Dicken sind identisch. Vorzugsweise ist die dritte Dicke kleiner als die weitere dritte Dicke. In einer Weiterbildung umfasst die erste Teilzelle und / oder die zweite Teilzelle und / oder die dritte Teilzelle eine (AI)InGaAs-Verbindung oder eine (AI)InGaP-Verbindung oder eine (AI)GaAs-Verbindung. Es versteht sich, dass alternativ eine beide oder alle drei der Teilzellen auch aus den vorgenannten Verbindungen bestehen. Vorzugsweise umfasst die erste weitere Teilzelle und / oder die zweite weitere Teilzelle eine (AI)InGaAs-Verbindung oder eine (AI)InGaP-Verbindung oder eine (AI)GaAs-Verbindung. Es versteht sich, dass alternativ eine oder beide der weiteren Teilzellen auch aus den vorgenannten Verbindungen bestehen. Es sei angemerkt, dass das Element Aluminium optional ist und hierdurch in Klammer gesetzt ist. Es versteht sich jedoch, dass in anderen nicht erwähnten Ausführungsformen die Verbindungen auch weitere Elemente umfassen.

In einer Ausführungsform ist die dritte und oder die dritte weitere Teilzelle eine Ge basierte Teilzelle. Vorzugsweise ist zwischen der dritten Teilzelle oder der dritten weiteren Teilzelle und der zweiten Teilzelle oder der zweiten weiteren Teilzelle ein metamorpher Puffer ausgebildet.

In einer anderen Weiterbildung umfasst der Stapel der Mehrfachsolarzelle insgesamt nicht mehr als 8 einzelne Teilzellen. Es versteht sich, dass zwi- sehen allen Teilzellen Tunneldioden ausbildet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schemati- siert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt: Fig. la und Fig. lb

Eine Dreifachsolarzelle gemäß dem Stand der Technik und eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform in Form einer Fünffachsolarzelle,

Fig. 2a und Fig. 2b

Eine Dreifachsolarzelle gemäß dem Stand der Technik und eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform in Form einer Sechsfachsolarzelle.

In der Figur la ist eine stapeiförmige Mehrfachsolarzelle MS in Form einer Dreifachsolarzelle nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Dreifachsolarzelle weist eine erste Teilzelle SCla mit einer ersten Bandlücke Egl und eine zweite Teilzelle SC2a mit einer zweiten Bandlücke Eg2 und dritte Teilzelle SC3a mit einer dritten Bandlücke Eg3. Zwischen der zweiten Teilzelle SC2a und der dritten Teilzelle SC3a ist ein metamorpher Puffer MP ausgebildet. Es sei angemerkt, dass auch eine Dreifachsolarzelle ohne einen metamorphen Puffer MP verwendet werden kann. Das Licht durchdringt zuerst die erste Teilzelle SCla, danach die zweite Teilzelle SC2a und anschließend die dritte Teilzelle SC3a. Zwischen den Teilzellen ist eine Tunneldiode ausgebildet - nicht dargestellt. Die erste Bandlücke Egl ist größer als die zweite Bandlücke Eg2 und die dritte Bandlücke Eg3 ist kleiner als die zweite Bandlücke Eg2.

In der Figur lb ist eine stapeiförmige Mehrfachsolarzelle MS in Form einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform als eine Fünffachsolarzelle. Zwischen der ersten Teilzelle SCla und der zweiten Teilzelle SC2a ist eine erste weitere Teilzelle SClb angeordnet. Die erste weitere Teilzelle SClb weist eine weitere erste Bandlücke Eglb und eine weitere ersten Dicke SDlb auf. Jeder der Teilzellen SCla, SClb weist einen Emitter und eine Basis auf. Vorzugsweise ist die erste Bandlücke Egla um maximal 0,1 eV größer als die weitere erste Bandlücke Eglb oder die erste Bandlücke Egla ist um maximal 0,07 eV oder um maximal 0,02 eV größer als die weitere erste Bandlücke Eglb. In einer alternativen Ausführungsform ist die erste Bandlücke Egla gleich groß wie die weitere erste Bandlücke Eglb.

Die erste Teilzelle SCla und die erste weitere Teilzelle SClb bestehen aus einer InGaP-Verbindung. Die zweite Teilzelle SC2a und die zweite weitere Teilzelle SC2b bestehen aus einer InGaAs-Verbindung. Die dritte Teilzelle SC3a ist eine Germanium-Teilzelle.

Zwischen der zweiten Teilzelle SC2a und dem metamorphen Puffer MP ist eine zweite weitere Teilzelle SC2b angeordnet. Der metamorphe Puffer MP um- fasst eine InGaAs-Verbindung. Hierdurch ergibt sich die fünffach Mehrfachsolarzelle MS.

In der Fig. 2a ist nochmals eine Dreifachsolarzelle nach Stand der Technik dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Ausführungsform der Figur la erläutert. Die erste Teilzelle SCla besteht aus einer InGaP- Verbindung und die zweite Teilzelle SC2a besteht aus einer GaAs-Verbindung und die dritte Teilzelle SC3a besteh aus einer InGaAs-Verbindung. Die zweite Teilzelle SC2a weist eine zweite Bandlücke Eg2a und eine zweite Dicke SD2a auf. Die erste Teilzelle SCla weist eine Bandlücke von 1,9 eV und die zweite Teilzelle SC2a eine Bandlücke von 1,4 eV und die dritte Teilzelle SC3a eine Bandlücke von 0,7 eV auf. Hierbei handelt es sich um beispielhafte Werte. Andere Wertetripel sind ebenfalls möglich.

In der Fig. 2b ist eine Mehrfachsolarzelle MS aus der Dreifachsolarzelle in der Figur 2a durch Hinzufügen einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform in Form von einer sechsfach Teilzelle offenbart. Die beiden ersten Teil- zelle SCla und SClb bestehen aus InGaP-Verbindung. Die beiden zweiten Teilzelle SC2a und SC2b bestehen aus einer GaAs-Verbindung. Die beiden dritten Teilzellen SC3a und SC3b bestehen aus eine InGaAs-Verbindung.