SOLAR CELL ARRANGEMENT

Abstract: 1. Solar cell arrangement comprising groups of series-connected solar cells that supply a series voltage to a load, characterized in that a fluorescent layer (10) is provided, above the groups of solar cells (11) and in the direction of incidence of the light, which operates to convert the short-wave portion of the impinging light to fluorescent radiation in the sensitivity range of the solar cells, and that a refractive index matching material (12) is interposed between the fluorescent layer (10) and the solar cell groups (11) such that the total light consisting of the impinging radiation and the re-emitted converted radiation is uniformly distributed over the groups of solar cells.

Description: SOLARZELLENANORDNUNG Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Solarzellen, von denen mindestens einige Gruppen von Photoelementen in Serie geschaltet sind, um eine Belastung mit erhöhter Spannung zu versorgen. Eine einzelne Solarzelle oder ein Photoelement liefert eine elektrische Spannung in der Grössenordnung der Energielücke oder Bandlücke des verwendeten Halbleiters. Um höhere Spannungen zu erhalten, ist es daher notwendig, eine Anzahl von Photoelementen in Serie zu schalten. Die Ausgangsspannung einer solchen Gruppe von Photoelementen ist die Summe der einzelnen Spannungsanteile, die von den einzelnen Zellen geliefert werden. Ein mögliches Problem besteht darin, dass bei einer Serienschaltung der gelieferte Strom nur dem des schwächsten Gliedes der Kette entsprechen kann. Wenn bei einer Solarzellenanordnung beispielsweise eine am Rande liegende Zelle nicht die volle Strahlung erhält, so kann sie nur einen geringeren Strom liefern und setzt somit den Gesamtstrom der Anordnung herab. Es ist bekannt, bei Solarzellen fluoreszierendes Material als Ueberzug oder Zwischenschicht zu verwenden, das kurzwellige Anteile des einfallenden Lichtesin Flu oreszenzl.icht im Arbeitsbereich der Solarzelle umwandelt. Es wird beispielsweise auf die US Patentschrift 3'484'606 verwiesen. Die Ausbeute des Photoelementes wird auf diese Weise erhöht. Es ist bis jetzt jedoch noch keine Solarzellenanordnung bekannt geworden, bei der die Stärke des einfallenden Lichtes bezüglich der Oberfläche der Anordnung örtlich verschieden beeinflusst wird. Die Solarzellenanordnung nach der Erfindung ist durch die Patentansprüche definiert. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. FIG. 1 zeigt schematisch eine Gruppe von Photoelementen, die in Serie geschaltet sind und eine Belastung mit erhöhter Spannung versorgen. FIG. 2 ist eine graphische Darstellung der Intensität des einfallenden Lichtes in Abhängigkeit vom Abstand oder Radius vom Zentrum der Einstrahlung. FIG. 3 zeigt schematisch eine Solarzellenanordnung nach der Erfindung und darüber eine graphische Darstellung der Verteilung der Lichtintensität. FIG. 4 ist eine graphische Darstellung der Verteilung der Lichtintensität in Abhängigkeit vom Radius sowohl des einfallenden als auch des re-emmitierten Lichtes. Die Einfügung eines Gliedes aus fluoreszierendem Material zwischen dem einfallenden konzentrierten Licht und einer Anordnung von in Serie geschalteten Solarzellen nach der Erfindung bewirkt die# Verteilung der Intensität des Lichtes, das in die Photozellen einfällt, in einer solchen Weise, dass sichergestellt wird, dass jedes einzelne Photoelement der Solarzellenanordnung eine gleiche Strahlungsmenge erhält. In der FIG. 1 ist schematisch eine Solarzellengruppe 1 dargestellt, deren einzelne Photoelemente 2, 3, 4 und 5 in Serie geschaltet sind, um eine Belastung 6 mit erhöhter Spannung zu versorgen. Die Solarzellenanordnung ist zweidimensional. In der Zeichnung ist nur eine Dimension 7 dargestellt, die auch als Durchmesser D bezeichnet ist. Durch die Hintereinanderschaltung der Photoelemente ist sichergestellt, dass der Belastung 6 eine erhöhte Spannung zugeführt wird. Eine Reihenschaltung hat bekanntlich die Eigenschaft, dass der Gesamtstrom dadurch begrenzt ist, dass er nicht grösser sein kann, als der Strom, den die schwächste Zelle der Reihenschaltung liefert. Es ist daher notwendig, dafür zu sorgen, dass jedes Photoelement einen gleichen Anteil von Strahlung erhält. In der FIG. 2 zeigt eine Kurve 8 die Abhängigkeit der Intensität I des Lichtes vom Ort des Strahlungseinfalls als Abstand vom Zentrum oder Radius R einer der bisher gebräuchlichen Anordnungen. Diese verwenden Mittel zur Konzentration des Lichtes. Die Dimension 7 ist als Durchmesser D dargestellt und ein schraffiertes Gebiet von etwa 20 der Gesamtmenge des Lichtes zeigt den Strahlungsanteil, der unwirksam ist und damit verlorengeht. Um dieses schraffierte Gebiet so klein als möglich zu machen, ist eine spezielle Optik mit beispielsweise asphärischen Linsen erforderlich. Bei den bekannten Einrichtungen machen sich Fehler in der Nachführung der Anordnung mit der Bewegung der Sonne drastisch bemerkbar, wenn dadurch am Rande liegende Solarzellen weniger Strahlung erhalten. In der Darstellung nach FIG. 2 würde dem eine Verschiebung der Kurve in Bezug auf die zentrale Achse gleichbedeutend sein. In der FIG. 3 zeigt eine Kurve 9 die Abhängigkeit der Intensi-tät I des Lichtes vom Ort oder Radius R bei einer Anordnung, die ein mehr gebräuchliches System für die Lichtkonzentration verwendet. Das bedeutet eine einfache Optik und weniger strenge Anforderungen an die Nachführung der Anordnung mit der Bewegung der Sonne. Ein fluoreszierendes Lichtverteilungsglied 10 nach der Erfindung ist dargestellt in Verbindung mit einer Solarzellenanordnung 11 der Art, wie sie in der FIG. 1 dargestellt ist. Das fluoreszierende Glied lässt die langwelligen Anteile des einfallenden Lichtes 9 direkt zu der Solarzellenanordnung durch und absorbiert Anteile der einfallenden Strahlung mit kürzeren Wellenlängen. Die absorbierte Strahlungsenergie wird dann durch das Glied 10 als Licht mit grösserer Wellenlänge re-emittiert. Nahezu alles so re-emittierte Licht findet seinen Weg in die Solarzellenanordnung 11. Eine Schicht 12 den Brechungsindex anpassendes Material kann zwischen dem fluoreszierenden Glied 10 und der Solarzellenanordnung 11 vorgesehen sein. Wenn der Brechungsindex der Schicht 12 an allen Stellen gleich ist, wird der Anteil des Fluoreszenzlichtes gleichmässig auf die Solarzellenanordnung 11 verteilt, weil das re-emittierte Licht im Mittel mehrere innere Reflexionen erfährt, bevor es in die Solarzellenanordnung einfällt. Die aus dem durchgelassenen und dem re-emittierten Anteil bestehende Gesamtstrahlung ist dann gleichmässiger als die Intensität 9 des einfallenden Lichtes all,ein. Wenn jedoch die Einrichtung so getroffen wird, dass die Schicht 12 des den Brechungsindex anpassenden Materials eine ungleichmässige Verteilung des Brechungsindex aufweist, in der Weise, dass sie im mittleren Bereich niedrig ist und mit der Entfernung von der Mitte anwächst, dann wird das re-emittierte Fluoreszenzlicht wirkungsvoller zu den Randbereichen geleitet als zu den mittleren Bereichen der Anordnung. So kann die Gleichmässigkeit der Gesamtstrahlung wesentlich verbessert werden. Die FIG. 4 ist eine Darstellung der beiden Anteile des verwendeten Lichtes. Die graphische Darstellung zeigt in einer ausgezogenen Kurve 13 den direkt übertragenen Lichtfluss. Die gestrichelte Kurve 14 zeigt den re-emittierten Lichtfluss, der durch das fluoreszente Material 10 umgewandelt wurde. Gegebenenfalls wird die Verteilung dieses Lichtanteils noch durch das Material der Schicht 12 in einer Weise verändert, dass die in die Solarzellenanordnung einfallende Gesamtstrahlung noch gleichmässiger verteilt ist. Die Summe der beiden Lichtflüsse nach den Kurven 13 und 14 ist die Gesamtstrahlung, die in die Solarzellenanordnung 11 einfällt. Es folgen einige nützliche Angaben für die Umsetzung der Erfindung in die Praxis. Jedes Photoelement kann aus Silizium hergestellt sein. Eine Gruppe von N Zellen, wobei N eine beliebige Zahl beispielsweise im Bereich von 4 bis 120 ist, werden in Reihe geschaltet und liefern eine erhöhte Spannung an die Belastung 6 in der Grössenordnung von etwa 0,5 N Volt. Wenn die Photoelemente beispielsweise aus Galliumarsenid bestehen, dann liegt die Ausgangsspannung der Reihenschaltung einer Gruppe solcher Zellen in der Grössenordnung von etwa N Volt. Die das Licht konzentrierenden Linsen haben Abmessungen von etwa 15 bis 45 cm in Länge und Breite. Der mittlere Durchmesser in der Dimension 7 einer Solarzellenanordnung liegt in der Grössenordnung von etwa 1 bis -5cm. Als fluoreszierendes Lichtverteilungsglied 10 verwendet man zweckmässig mit Chrom dotiertes Aluminiumoxyd, das als Rubin bekannt ist. Auch mit seltenen Erden dotierte Gläser sind verwendbar. Für die Schicht 12 zur Anpassung des Brechungsindex verwendet man Materialien auf der Grundlage von Silizium oder Silikonen. Der Zusatz von dotierendem Material in den Schichten liegt in der Grössenordnung von 0,1 bis 10%.

Claims: PATENTANSPRUECHE 1) Anordnung von Solarzellen, von denen mindestens einige Gruppen (1) von Photoelementen (2 bis 5) in Serie geschaltet sind, um eine Belastung (6) mit erhöhter Spannung zu versorgen, dadurch gekennzeich net, dass oberhalb der Solarzellenanordnung (11) in der Einfallsrichtung des Sonnenlichtes ein fluores zierendes Lichtverteilungsglied (10, 12) vorgesehen ist, das sowohl kurzwellige Anteile des einfallenden Lichtes in Fluoreszenzlicht im Arbeitsbereich der Photoelemente umwandelt als auch das gesamte Licht aus einfallender Strahlung und re-emittierter umge wandelter Strahlung in gleichmässiger Verteilung in der Solarzellenanordnung (11) wirksam werden lässt. 2) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das fluoreszierende Material aus Aluminium oxyd besteht mit einem Anteil von 0,1% bis 10% Chrom ionen. 3) - Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photoelemente aus Silizium bestehen. 4) Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photoelemente aus Galliumarsenid bestehen. 5) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Photoelemente aus halbleitendem Gallium arsenid auf einem halbisolierenden Substrat aus Galliumarsenid bestehen. 6) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex des die Intensitätsverteilung der einfallenden Strahlung beeinflussenden Materials in der Zwischenschicht (12) örtlich variiert.

Inventors: HODGSON, RODNEY TREVOR, HOVEL, HAROLD JOHN
Applicants: INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORPORATION
Application year: 1980
Main classification: H01L31
IPC codes: H01L31