DE202011103301U1

DE202011103301U1 - Nanoteilchen für eine solartechnische Anlage sowie eine Solarzelle mit solchen Nanoteilchen

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Publication number: DE202011103301U1
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Filing date: 2011-06-30
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Abstract

Nanoteilchen für eine solartechnische Anlage zur Steigerung der Lichtnutzung, mit einem Kern ausgewählt aus Materialien bestehend aus Metallen, Metalllegierungen, Halbleitern, elektrisch leitenden Nichtmetallen, elektrisch leitenden Verbindungen und Mischungen daraus, dadurch gekennzeichnet, dass um den Kern (3) wenigstens eine erste Hülle (5) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Nanoteilchen für eine solartechnische Anlage zur Steigerung der Lichtnutzung, mit einem Kern ausgewählt aus Materialien bestehend aus Metallen, Metalllegierungen, Halbleitern, elektrisch leitenden Nichtmetallen, elektrisch leitenden Verbindungen und Mischungen daraus sowie eine Solarzelle mit wenigstens einem solchen Nanoteilchen.
Aus WO 2009/043340 ist ein Fotovoltaik-Modul mit wenigstens einer Solarzelle bekannt, in die Nanopartikel zur Lichtverstärkung eingebaut sind. Diese Nanopartikel können eine bestimmte Geometrie und Anordnung haben, um einfallendes Licht zu verstärken.
Es hat sich aber gezeigt, dass alleine die Geometrie und Anordnung von Nanoteilchen in einem Fotovoltaik-Modul nicht zu optimalen Ergebnissen führen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Nanoteilchen für eine solartechnische Anlage der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass diese in einer solartechnischen Anlage oder Solarzelle zu einer besseren Lichtverstärkung führen als im Stand der Technik.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass um den Kern wenigstens eine erste Hülle angeordnet ist.
Das Kern/Hülle-Prinzip in Anwendung auf Nanoteilchen für eine solartechnische Anlage gibt dem Fachmann eine Vielzahl von Möglichkeiten, Nanoteilchen physikalisch und chemisch so zu manipulieren, dass je nach Anwendung optimale Verstärkungen von Licht erreicht werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass um den Kern wenigstens eine zweite Hülle in einem größeren Abstand zum Kern als eine der wenigstens einen ersten Hülle angeordnet ist.
Durch die Bereitstellung einer zweiten Hülle können weitere Kombinationen von physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Nanoteilchens erzeugt werden. Mit der vorliegenden Erfindung ist gemeint, dass immer eine erste Hülle einen Kern umgibt und dann eine beliebige Folge von ersten und zweiten Hüllen angeordnet sind.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass zwischen dem Kern und der ersten Hülle eine erste Verbindungsschicht angeordnet ist. Mit der ersten Verbindungsschicht wird erreicht, dass zwischen dem Kern und der ersten Hülle eine gute Haftung erzeugt wird.
Ebenso ist es von Vorteil, dass zwischen der ersten Hülle und der zweiten Hülle eine zweite Verbindungsschicht angeordnet ist. Mit der zweiten Verbindungsschicht wird erreicht, dass zwischen der ersten Hülle und der zweiten Hülle jeweils eine gute Haftung erzeugt wird.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung in Bezug auf das Nanoteilchen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung in Bezug auf eine Solarzelle ist, dass eine Mehrzahl von Nanoteilchen in einer Halbleiterschicht angeordnet ist. Dadurch wird es möglich, dass die Nanoteilchen nicht nur verstreut in der Halbleiterschicht vorliegen müssen, sondern in bestimmten Ausführungsformen auch so dicht gepackt sind, dass sie die Halbleiterschicht bilden, wenn einer der ersten und zweiten Hüllen eine Halbleiterschicht ist. Dabei ist es in einigen Ausführungsformen auch vorteilhaft, wenn Lücken zwischen den Nanoteilchen mit Halbleitermaterial gefüllt sind. In anderen Ausführungsformen ergibt sich ein Vorteil, wenn die Lücken zwischen den Nanoteilchen mit anderen Materialien gefüllt sind, z. B. dielektrischem Material oder leitendem Material.
Eine solche dichte Packung ergibt sich vorteilhaft daraus, dass die Mehrzahl von Nanoteilchen so angeordnet ist, dass sich wenigstens einige der Nanoteilchen einander mit der ersten oder zweiten Hülle berühren und die sich berührenden ersten oder zweiten Hüllen der Nanoteilchen die Halbleiterschicht bilden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein schematisches rundes Nanoteilchen mit einem Kern und mit einer ersten und zweiten Hülle gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegender Erfindung;
2 ein schematisches Nanoteilchen mit einem Kern, einer ersten Verbindungsschicht, einer ersten Hülle und einer zweiten Hülle gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein schematisches Nanoteilchen mit einem Kern und einer ersten und zweiten Hülle gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein schematisches Nanoteilchen mit einem Kern, einer ersten Verbindungsschicht, einer ersten Hülle, einer zweiten Verbindungsschicht und einer zweiten Hülle gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein Nanoteilchen wie in 1, aber in einer ellipsoiden Form;
6 ein Nanoteilchen wie in 2, aber in einer ellipsoiden Form;
7 ein Nanoteilchen wie in 3, aber in einer ellipsoiden Form;
8 ein Nanoteilchen wie in 4, aber in einer ellipsoiden Form;
9 eine schematische Teilansicht einer Solarzelle mit Nanoteilchen gemäß 1;
10 eine schematische Solarzelle mit Nanoteilchen gemäß 5 aber in unterschiedlicher Größe; und
11 eine schematische Solarzelle mit Nanoteilchen gemäß 4.
12 eine schematische Solarzelle mit Nanoteilchen gemäß 1, größenmäßig sortiert.
In 1 ist ein schematisches Nanoteilchen 1 dargestellt, das einen Kern 3, eine den Kern 3 umschließende erste Hülle 5 und eine die zweite Hülle 5 umschließende zweite Hülle 7 aufweist. In dieser ersten Ausführungsform grenzen die erste Hülle 5 unmittelbar an den Kern 3 und die zweite Hülle 7 unmittelbar an die erste Hülle 5.
In 2 ist im Grunde das gleiche Nanoteilchen 1 dargestellt, das aber in einer zweiten Ausführungsform zwischen dem Kern 3 und der ersten Hülle 5 eine erste Verbindungsschicht 9 aufweist.
In 3 ist in einer dritten Ausführungsform ein Nanoteilchen 1 dargestellt, das dem Nanoteilchen 1 aus 1 in seinem Aufbau gleicht. Unterschiedlich ist nur die Eigenschaft der zweiten Hülle 7. Die erste Hülle in 3 ist üblicherweise ein Dielektrikum. Die zweite Hülle 7 in 3 ist üblicherweise aus einem anderen Material, zum Beispiel aus einem fotoaktiven Halbleiter, wie zum Beispiel CIGS oder Si.
In 4 ist eine vierte Ausführungsform eines Nanoteilchens 1 dargestellt. in dieser vierten Ausführungsform ist auch zwischen der ersten Hülle 5 und der zweiten Hülle 7 eine zweite Verbindungsschicht 11 ausgebildet. Das Nanoteilchen in 4 weist somit einen Kern 3, eine erste Verbindungsschicht 9, eine zweite Hülle 5, eine zweite Verbindungsschicht 11 und eine zweite Hülle 7 auf. Die erste Hülle in 4 ist üblicherweise ein Dielektrikum. Die zweite Hülle 7 in 4 ist üblicherweise aus einem anderen Material, zum Beispiel aus einem fotoaktiven Halbleiter, wie zum Beispiel CIGS oder Si.
5 zeigt ein Nanoteilchen 1 in einer Variante der ersten Ausführungsform. Das Nanoteilchen 1 ist in dieser Variante ellipsoid.
In 6 ist eine Variante der zweiten Ausführungsform in 2. Auch das Nanoteilchen 1 in 6 ist ellipsoid. Das Nanoteilchen 1 in 7 ist eine ellipsoide Variante der dritten Ausführungsform des Nanoteilchens 1 aus 3. Das Nanoteilchen 1 in 8 ist ebenfalls eine ellipsoide Variante des Nanoteilchens 1 aus 4.
In allen Ausführungsformen ist der Kern 3 wahlfrei aus Metallen, Übergangsmetallen, Halbmetallen, leitfähigen oder halbleitenden Nicht-Metallverbindungen, aus Gemischen, Legierungen und Verbindungen aus den vorgenannten Materialien hergestellt. Die Herstellung von Kernen ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann kann die Kerne 3 für die betreffende Anwendung wahlfrei herstellen. Die Form und Größe der Kerne 3 der Nanoteilchen 1 gemäß vorliegender Erfindung sind entweder sphärisch oder ellipsoid, zylinder- oder stäbchenförmig mit und ohne abgerundeten Endstücken, kegelförmig oder pyramidal, kubisch oder quaderförmig, unregelmäßig oder im Mikro-, Nano- bzw. Subnanometer-Maßstab in ihrer Größe variabel.
Für die Verwendung in solartechnischen Anlagen soll dem Kern gemäß vorliegender Erfindung wenigstens eine erste Hülle 5 hinzugefügt sein. Die wenigstens eine erste Hülle 5 soll bestimmte chemische oder physikalische Eigenschaften haben, die in Verbindung mit dem Kern 3 in einer solartechnischen Anlage für eine Verstärkung von Licht sorgt.
Obwohl in den Figuren immer zwei Hüllen darstellt sind, soll gemäß vorliegender Erfindung wenigstens eine erste Hülle 5 vorhanden sein. Die Bereitstellung einer zweiten Hülle 7 ist optional und dient zur Optimierung der Eigenschaften des Nanoteilchens 1 im jeweiligen Anwendungsfall. Die Form und Größe der ersten Hülle 5 oder zweiten Hülle 7 ist vorzugsweise so, dass die an den Kern 3 angrenzende erste Hülle 5 ziemlich regelmäßig um diesen herum liegt. Es sind aber in anderen Ausführungsformen auch andere Formen denkbar, z. B. pyramidaler Kern in Kugelhülle. Die Dicke der ersten Hülle 5 und der zweiten Hülle 7 kann von einer Atomlage bis in den Mikrometerbereich hin variieren.
Die erste Hülle 5 und/oder die zweite Hülle 7 können gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein und direkt mit einander bzw. mit dem Kern 3 verbunden sein oder aber über eine jeweils die erste Verbindungsschicht 9 oder die zweite Verbindungsschicht 11. Die erste und/oder zweite Hülle 5, 7 besteht somit entweder aus nichtleitenden Stoffen, zum Beispiel Halogeniden, vorzugsweise zum Beispiel Fluoriden, wie CaF2 oder MgF2, Chalkogenide, vorzugsweise zum Beispiel Oxide etc. Die erste Hülle 5 und/oder die zweite Hülle 7 können auch aus halbleitenden Materialien, aus leitfähigen Materialien (zum Beispiel TCO-Varianten, aus lichtdurchlässigen Materialien, lichtabsorbierenden und/oder lichtumwandelnden Materialien, zum Beispiel CIGS, CdTe, Si, organische Halbleiter etc.) sowie anorganischen oder organischen Stoffe bestehen. Schließlich können die erste Hülle 5 und/oder die zweite Hülle 7 auch spezielle chemische und/oder physikalische Eigenschaften haben, die dafür sorgen, dass sich die Nanoteilchen 1 in einer vorgegebenen Weise anordnen (zueinander oder zur Oberfläche in einer lokalen Umgebung). Dies kann zu einer dichten oder aufgelockerten Monolage oder zu einer kompakten Nanoteilchenschicht führen, die aus einer reinen Sorte oder einer Sortenmischung aufgebaut ist. Für die Ausbildung der Anordnung von Nanoteilchen können verschiedene Wechselwirkungen verantwortlich sein, zum Beispiel chemische oder physikalische Wechselwirkungen, zum Beispiel von der Waals-, Adhäsions-, Ionen-Kräfte oder elektrostatische oder elektromagnetische Wechselwirkungen.
In den zweiten und vierten Ausführungsform gemäß 2 und 4 sind die erste Verbindungsschicht 9 zwischen dem Kern 3 und der ersten Hülle 5 und die zweite Verbindungsschicht 11 zwischen der ersten Hülle 5 und der zweiten Hülle 7 vorgesehen. Solche ersten und zweiten Verbindungsschichten 9, 11 bestehen vorzugsweise aus organischen oder anorganischen Stoffen, die zwischen den chemischen und physikalischen Eigenschaften von Hülle und Kern (erste Verbindungsschicht 9) bzw. zwischen zwei benachbarten Hüllen (zweite Verbindungsschicht 11) vermitteln.
Solche organischen Stoffe können organische Verbindungen sein, die verschiedene funktionelle Gruppen tragen, um die Haftung jeweils zu beiden Seiten (Kern/Hülle, erste Hülle/zweite Hülle etc.) zu ermöglichen. Die ersten und zweiten Verbindungsschichten 9, 11 sind vorzugsweise so dünn wie möglich.
Die äußerste Hülle eines Nanoteilchens 1 ist in allen Figuren die zweite Hülle 7 und in 1, 2, 5 und 6 schematisch in einer gestrichelten Linie dargestellt. In anderen Ausführungsformen kann die äußerste Hülle auch die erste Hülle 5 sein. Das hängt ganz von der gewählten Wechselfolge ab.
In 9 ist schematisch ein Teil einer Solarzelle 100 dargestellt, in der mehrere Nanoteilchen 1 gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform angeordnet sind.
In 10 ist schematisch ein Teil einer Solarzelle in einer Variante darstellt, in der die in 5 wiedergegebenen Nanoteilchen 1 eine unterschiedliche Größe haben.
In 11 ist schematisch ein Teil einer Solarzelle 100 dargestellt, in der Nanoteilchen 1 gemäß der vierten Ausführungsform (4) angeordnet sind.
In 12 ist schematisch ein Teil einer Solarzelle 100 dargestellt, in der Nanoteilchen 1 gemäß der ersten Ausführungsform (1) größenmäßig sortiert angeordnet sind. Dadurch können unterschiedliche Frequenzbereiche des einfallenden Lichts an jeweiligen Eindringtiefen optimal umgesetzt bzw. verstärkt werden. Z. B. kann kurzwelliges Licht oberflächennah mit möglicherweise kleineren Nanoteilchen 1 optimal Wechselwirken und langwelliges, tiefer eindringendes Licht mit möglicherweise größeren Nanoteilchen 1 optimal Wechselwirken. In 12 fällt das Licht von der linken Seite ein. Die Darstellung in 12 kann einerseits eine einzige Solarzelle darstellen, deren aktiver Halbleiter mehrere Schichten von Nanoteilchen 1 enthält, oder aber andererseits eine Multijunction-Zeile darstellen, die stapelweise angeordnet sind.
Bei der Herstellung einer der Solarzellen 100 in beliebigen Varianten werden Nanoteilchen 1 aufgebracht, zum Beispiel durch SpinCoating, Dipping, SelfAssembling, nasschemische Deposition, Sol-Gel-Verfahren, Seggregation/Aggregation, physikalische Methoden (z. B. Verteilung durch elektromagnetische Eigenschaften oder elektrostatische Eigenschaften und Potentiale), Gasphasenabscheidung, Drucktechniken z. B. ähnlich dem Tintenstrahldruck, Direktkantaktübertragung. Nanoteilchen können komplett oder in Teilen auf der Oberfläche oder in der Nähe erzeugt und abgeschieden werden. Das erfolgt üblicherweise durch nasschemische Verfahren oder physikalische Herstellungsverfahren (zum Beispiel Gasphasenabscheidung, Plasmaverfahren etc.).
Schließlich ist es auch möglich, dass die Nanoteilchen 1 zwischen gesondert aufzubringenden Schichten des ”Einbettungs”-Materials aufgebracht werden. Die Schichten befinden sich dann „oben” und „unten” und müssen gegebenenfalls dotiert werden. Als Einbettungsmaterial für die Nanoteilchen 1 sind je nach Anwendungszweck Dielektrika, Halbleiter, TCO vorgesehen, wobei eventuell eine Dotierung erforderlich ist. Das jeweilige Enbettungsmaterial kann auch die Räume zwischen den Nanoteilchen 1 ausfüllen.
Wenn die äußere Hülle lediglich den Zweck hat, die Verteilung und/oder die Haftung der Nanoteilchen 1 in der lokalen Umgebung zu organisieren, könnte es möglich und/oder sinnvoll sein, die nicht mehr erforderlichen Teile dieser Hülle chemisch oder physikalisch zu entfernen. Äußere Hüllen können durch gezielte Reaktionsführung verschmelzen. Durch einen solchen Verschmelzungsprozess wird die Einbettung insbesondere der Kerne in eine relativ homogene oder einheitliche Umgebung verbessert. Wenn die äußere Hülle aus einem fotoaktiven Halbleiter besteht, könnte eine Verschmelzung dieser Hüllen mindestens zu größeren Kontaktflächen eventuell bis zur Ausbildung einer kompletten Halbleiterschicht führen. Somit wird durch die Reduzierung von Grenzflächen und die größeren möglichen Wege die Leitfähigkeit für erzeugte Elektron-Loch-Paare deutlich verbessert.
Optimierungsparameter für die erste Hülle 5 und/oder die zweite Hülle 7 sind zum Beispiel aus den Einzeleigenschaften von dem Kern 3 und erster Hülle 5 und/oder zweiter Hülle 7 ergeben sich in der Summe makroskopische Eigenschaften, die völlig anders aussehen als der Kern 3, die erste Hülle 5 oder die zweite Hülle 7 alleine. Eine optische Eigenschaft ist zum Beispiel, dass die erste Hülle 5 oder die zweite Hülle 7 einen höheren Brechungsindex hat als umgebende Schichten. Bei schrägem Lichteinfall wandert das Licht durch die Hülle und wechselwirkt dabei mehrfach mit den Nanoteilchen 1.
Schließlich können Veränderungen in Form und Größe unterschiedliche Frequenzbereiche bevorzugt verstärken.
In anderen Ausführungsformen besitzen die Nanoteilchen 1 neben der dielektrischen Hülle auch eine leitfähige Hülle, die den leitfähigen Kontakt zwischen den Schichten herstellt und die Leitung der Ladungsträger erlaubt. Das ist insbesondere dann interessant, wenn die Nanoteilchen 1 mit einer photoaktiven Halbleiterschicht umgeben sind, in der die Ladungsträger erzeugt werden. Zur Sicherstellung der technischen Funktion müssen diese schnell getrent und abgeleitet werden, damit sie nicht rekombinieren. Das könnte geschehen, indem unterhalb der Halbleiterschicht eine TCO-Schicht eingezogen wird und die Ladungsträger über die Innenseite der Nanoteilchen 1 abgeleitet werden. Alternativ oder zusätzlich können die TCO Schichten auch außen um den Halbleiter herum angebracht sein. In diesem Fall können die Ladungen außen herum abgeführt werden. Wichtig ist, dass die Dotierungen, die Leitfähigkeiten und die pn-Übergänge richtig eingestellt sind. Ein solches Einstellen ist dem Fachmann geläufig und nicht Teil der Erfindung.
In Ausführungsformen, in denen die TCO-Schicht unterhalb des Halbleiters liegt, können zusätzliche elektrische Kontakte geschaffen werden, um die Elektronen von der TCO-Schicht nach außen zu leiten.
Wenn die äußerste Hülle eines Nanoteilchens 1 für den Betrieb einer Solarzelle nicht notwendig ist, z. B. nur zur Anordnung derselben mittels Haftwirkung dient, kann diese Hülle nach erfolgter Anordnung der Nanoteilchen 1 wieder beseitigt werden.
Bezugszeichenliste

1: Nanoteilchen
3: Kern
5: erste Hülle
7: zweite Hülle
9: erste Verbindungsschicht
10: zweite Verbindungsschicht
100: Solarzelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/043340 [0002]

Claims

Nanoteilchen für eine solartechnische Anlage zur Steigerung der Lichtnutzung, mit einem Kern ausgewählt aus Materialien bestehend aus Metallen, Metalllegierungen, Halbleitern, elektrisch leitenden Nichtmetallen, elektrisch leitenden Verbindungen und Mischungen daraus, dadurch gekennzeichnet, dass um den Kern (3) wenigstens eine erste Hülle (5) angeordnet ist.
Nanoteilchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass um den Kern (3) wenigstens eine zweite Hülle (7) in einem größeren Abstand zum Kern (3) als eine der wenigstens einen ersten Hülle (5) angeordnet ist.
Nanoteilchen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kern (3) und der ersten Hülle (5) eine erste Verbindungsschicht (9) angeordnet ist.
Nanoteilchen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Hülle (5) und der zweiten Hülle (7) eine zweite Verbindungsschicht (11) angeordnet ist.
Nanoteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Hülle (5) eine dielektrische Hülle ist.
Nanoteilchen nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Hülle (7) eine dielektrische Hülle ist.
Nanoteilchen nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Hülle (7) eine leitende Hülle ist.
Nanoteilchen nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Hülle (7) eine halbleitende Hülle ist.
Nanoteilchen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Hülle (7) ein aktiver Halbleiter, wie zum Beispiel CIGS, ist.
Nanoteilchen nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine zweite Hülle (7) eine Haftwirkung zur Anhaftung an einer Umgebung aufweist.
Solarzelle mit wenigstens einem Nanoteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Solarzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Nanoteilchen (1) in einer Halbleiterschicht angeordnet ist.
Solarzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Nanoteilchen (1) so angeordnet sind, dass sich wenigstens einige der Nanoteilchen (1) einander mit der ersten oder zweiten Hülle (5; 7) berühren.
Solarzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die sich berührenden ersten oder zweiten Hüllen (5; 7) der Nanoteilchen (1) die Halbleiterschicht bilden.