DE102007005090A1

DE102007005090A1 - Organische Solarzelle

Info

Publication number: DE102007005090A1
Application number: DE102007005090A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Schindler; Achim Dr. Hansen; Andreas Dr. Schilling
Original assignee: Leonhard Kurz GmbH and Co KG
Current assignee: Leonhard Kurz Stiftung and Co KG
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2008-08-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine organische Solarzelle, welche mindestens eine die Effizienz der Solarzelle erhöhende lichtdurchlässige, insbesondere transparente, organische Funktionsschicht aufweist, die entweder lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel aufweist und/oder mindestens eine die Effizienz der Solarzelle erhöhende lichtdurchlässige, insbesondere transparente, organische oder anorganische Funktionsschicht aufweist, die einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex einer lichtdurchlässigen Elektrodenschicht der Solarzelle liegt und/oder die mindestens eine reflektionsvermindernde erste Reliefstruktur aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine organische Solarzelle, umfassend mindestens drei Funktionsschichten, wobei eine erste Funktionsschicht in Form mindestens einer elektrisch leitenden ersten Elektrodenschicht, eine zweite Funktionsschicht in Form mindestens einer organischen Halbleiterschicht und eine dritte Funktionsschicht in Form mindestens einer lichtdurchlässigen, insbesondere transparenten, elektrisch leitenden zweiten Elektrodenschicht ausgebildet ist, wobei die mindestens eine organische Halbleiterschicht photovoltaisch aktiv ist und zwischen der mindestens einen ersten Elektrodenschicht und der mindestens einen zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist.
Organische Solarzellen und Verfahren zu deren Herstellung sind bekannt. Unter einem organischen Bauelement wird im allgemeinen ein solches verstanden, das mindestens eine Funktionsschicht aufweist, die zumindest teilweise auf einem organischen Material basiert. Eine Funktionsschicht ist insbesondere eine elektrisch leitende Schicht, eine Halbleiterschicht, eine elektrisch isolierende Schicht oder ein Substrat. Als organische Materialien werden alle Arten von organischen, metallorganischen und/oder anorganischen Kunststoffen bezeichnet, wobei eine Beschränkung auf ein kohlenstoffhaltiges Material nicht vorgesehen ist. Vielmehr werden auch Silikone, Polymere oder Oligomere sowie die so genannten „small molecules" dazugerechnet.
Die DE 10 2004 045 211 A1 beschreibt einen flexiblen Folienkörper umfassend eine organische Solarzelle, welche im einfachsten Fall eine Schicht aus konjugiertem Polymer umfasst, welche zwischen einer transparenten Elektrodenschicht und einer metallischen Elektrodenschicht angeordnet ist. Um die Effizienz der Solarzelle zu erhöhen, wird Licht aus den die Solarzelle umgebenden Bereichen mittels Reliefstrukturen in Richtung der Solarzelle geleitet. Dabei ist die Solarzelle gegebenenfalls von einem optisch variablen Element, wie einem Kinegram^®, bedeckt.
Derzeit besitzen organische Solarzellen eine Effizienz bzw. einen Wirkungsgrad von etwa 3 bis 5%, der weit unter bereits mit Solarzellen auf Silizium-Basis erzielten Wirkungsgraden liegt.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine organische Solarzelle mit verbesserter Effizienz bereitzustellen.
Die Aufgabe wird für die Solarzelle, umfassend mindestens drei Funktionsschichten, wobei eine erste Funktionsschicht in Form mindestens einer elektrisch leitenden ersten Elektrodenschicht, eine zweite Funktionsschicht in Form mindestens einer organischen Halbleiterschicht und eine dritte Funktionsschicht in Form mindestens einer lichtdurchlässigen, insbesondere transparenten, elektrisch leitenden zweiten Elektrodenschicht ausgebildet ist, wobei die mindestens eine organische Halbleiterschicht photovoltaisch aktiv ist und zwischen der mindestens einen ersten Elektrodenschicht und der mindestens einen zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, gelöst, indem die Solarzelle mindestens eine die Effizienz der Solarzelle erhöhende lichtdurchlässige, insbesondere transparente, organische Funktionsschicht aufweist, die lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel aufweist, welche senkrecht zur mindestens einen Halbleiterschicht gesehen überlappend mit und/oder neben dieser angeordnet sind, und/oder mindestens eine die Effizienz der Solarzelle erhöhende lichtdurchlässige, insbesondere transparente, organische oder anorganische Funktionsschicht aufweist, die einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex der zweiten Elektrodenschicht liegt, wobei die mindestens eine organische oder anorganische Funktionsschicht auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht abgewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, und/oder mindestens eine die Effizienz der Solarzelle erhöhende lichtdurchlässige, insbesondere transparente, organische oder anorganische Funktionsschicht aufweist, wobei die mindestens eine organische oder anorganische Funktionsschicht auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht abgewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist und an ihrer der mindestens einen Halbleiterschicht abgewandten Grenzfläche mindestens eine erste Reliefstruktur aufweist, welche eine Reflektion von in die Solarzelle einfallendem Licht an dieser Funktionsschicht im Vergleich zu einer Reflektion an einer solchen Funktionsschicht mit einer ebenen Grenzfläche, insbesondere um mindestens 20%, vermindert.
Wird eine organische Funktionsschicht mit lichtstreuenden Partikeln eingesetzt, so streuen und/oder lenken diese das einfallende Licht. Das Licht wird dabei in eine oder mehrere Richtungen abgelenkt, so dass das Licht einerseits in der aktiven Schicht der Solarzelle bzw. der mindestens einen organischen Halbleiterschicht eine längere Wegstrecke zurücklegt, als es ohne die Partikel der Fall wäre. Dabei treffen die bereits abgelenkten Lichtstrahlen gegebenenfalls auf weitere, das Licht erneut streuende Partikel, so dass ein Austritt des Lichts oder von Teilen des Lichts aus der aktiven Schicht im günstigsten Fall vollständig verhindert werden kann. Lichtstreuende Partikel, die senkrecht zur mindestens einen Halbleiterschicht gesehen neben dieser bzw. nicht mit dieser überlappend angeordnet sind, dienen dazu das Licht, das die aktive Schicht verfehlt hätte und ungenutzt geblieben wäre, in Richtung der aktiven Schicht der Solarzelle umlenken. Das auf und neben der Solarzelle auftreffende Licht wird somit besser genutzt und dadurch die Effizienz der Solarzelle um bis zu 100% erhöht.
Wird eine organische Funktionsschicht mit lumineszierenden Partikeln eingesetzt, so werden diese von auftreffendem Licht mindestens einer Wellenlänge angeregt und emittieren Licht einer anderen Wellenlänge. Die lumineszierenden Partikel werden dabei so gewählt, dass die emittierte Wellenlänge von der aktiven Schicht der Solarzelle besser genutzt oder zumindest genutzt werden kann. Dabei kann das die lumineszierenden Partikel anregende Licht insbesondere Licht einer Wellenlänge sein, die von der aktiven Schicht der Solarzelle nicht oder nur schlecht verwertet werden kann. Das von einem lumineszierenden Partikel ausgesandte Licht wird allseitig gleichmäßig abgestrahlt und ist somit richtungsunabhängig nutzbar. Das auf und neben der Solarzelle auftreffende Licht wird somit besser verwertet und dadurch die Effizienz der Solarzelle um bis zu 100% erhöht.
Als lumineszierende Partikel können fluoreszierende Partikel oder phosphoreszierende Partikel eingesetzt werden, wobei auch eine Kombination aus diesen verwendbar ist.
Wird eine organische oder anorganische Funktionsschicht, die einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex der zweiten Elektrodenschicht liegt, auf der Lichteinfallseite der Solarzelle, also im wesentlichen vor der zweiten Elektrodenschicht angeordnet, so wird erreicht, dass die Reflektion des Lichtes beim Auftreffen auf die Solarzelle vermindert wird. Es tritt mehr Licht über die Grenzfläche zwischen Luft und Solarzelle in die Solarzelle über als ohne diese Maßnahme. Vormals an der Grenzfläche reflektiertes Licht, das ungenutzt von der Solarzelle abgelenkt wurde, steht nun größtenteils zur Energiegewinnung zur Verfügung, wobei die Effizienz der Solarzelle um bis zu 20% erhöht wird.
Bevorzugt werden derartige organische oder anorganische Funktionsschichten, die einen definierten Brechungsindex aufweisen, jeweils in einer Schichtdicke im Bereich von 15 bis 300 nm ausgebildet. Besonders geeignete Materialien zur Bildung von Funktionsschichten sind dielektrische Materialien, die in einer derartigen Schichtdicke lichtdurchlässig, insbesondere transparent, sind, wie SiO₂, ZnS, Al₂O₃, ZrO₂, MgF₂, Ca₂O₃ usw.
Weiterhin kann eine organische oder anorganische Funktionsschicht, die mindestens eine erste Reliefstruktur aufweist, die eine Reflektion des Lichtes beim Auftreffen auf die Solarzelle vermindert, auf der Lichteinfallseite der Solarzelle, also im wesentlichen vor der zweiten Elektrodenschicht, angeordnet sein. Es tritt mehr Licht über die Grenzfläche zwischen Luft und Solarzelle in die Solarzelle über als ohne diese Maßnahme. Vormals an der Grenzfläche reflektiertes Licht, das ungenutzt von der Solarzelle abgelenkt wurde, steht nun größtenteils zur Energiegewinnung zur Verfügung, wobei die Effizienz der Solarzelle um bis zu 20% erhöht wird.
Dabei hat es sich bewährt, wenn die mindestens eine erste Reliefstruktur in Form einer Mattstruktur ausgebildet ist. Mattstrukturen besitzen im mikroskopischen Maßstab feine Reliefstrukturelemente, die das Streuvermögen bestimmen und nur mit statistischen Kenngrößen beschrieben werden können, wie z. B. Mittenrauhwert Ra, Korrelationslänge Ic usw., wobei die Werfe für den Mittenrauhwert Ra im Bereich 20 nm bis 2000 nm liegen mit Vorzugswerten im Bereich von 50 nm bis 1000 nm, während die Korrelationslänge Ic in wenigstens einer Richtung Werte im Bereich von 200 nm bis 50000 nm, vorzugsweise im Bereich von 500 nm bis 10000 nm, aufweist.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn die mindestens eine erste Reliefstruktur in Form einer periodischen Struktur, insbesondere als Blazegitter, Linienstruktur, Kreuzgitter, lineares oder gekreuztes Sinusgitter, Kreisgitter, Linsenstruktur oder einer Kombination aus zwei oder mehreren dieser Strukturen ausgebildet ist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die mindestens eine erste Reliefstruktur ein Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis von > 0,3 und insbesondere von > 1 aufweist, da dadurch in der Regel eine verbesserte Funktion, d. h. eine verminderte Reflektion erreicht wird.
Als Tiefe ist hier der Abstand zwischen dem höchsten und dem tiefsten aufeinanderfolgenden Punkt einer solchen Reliefstruktur bezeichnet, d. h. es handelt sich um den Abstand zwischen „Berg" und „Tal". Als Breite ist der Abstand zwischen zwei benachbarten höchsten Punkten, d. h. zwischen zwei „Bergen", bezeichnet. Je höher nun das Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis ist, desto steiler sind die „Bergflanken" ausgebildet. Beispielsweise kann es sich bei der ersten Reliefstruktur um periodische Reliefstrukturen oder quasi-periodische Reliefstrukturen mit diskret verteilten linienförmigen Bereichen handeln, die nur als ein „Tal" ausgebildet sind, wobei der Abstand zwischen zwei „Tälern" um ein Vielfaches höher ist als die Tiefe der „Täler". Das berechnete Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis von quasi-periodischen Reliefstrukturen kann dabei annähernd Null sein, so dass bei diskret angeordneten Reliefstrukturen, die im wesentlichen nur aus einem „Tal" gebildet sind, die Tiefe des „Tales" zur Breite des „Tales" ins Verhältnis zu setzen ist, um das Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis zu bestimmen.
Es hat sich bewährt, wenn die mindestens eine erste periodische Reliefstruktur eine Spatialfrequenz im Bereich von 300 bis 4000 Linien/mm aufweist.
Dabei werden zur Bildung einer lichtdurchlässigen, insbesondere transparenten organischen Funktionsschicht vorzugsweise Druckmedien verwendet, die mindestens ein organisches Bindemittel aufweisen und denen lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel zugegeben oder in die die ersten Reliefstrukturen eingeprägt werden.
Organische oder anorganische Funktionsschichten, deren Brechungsindex definiert eingestellt werden muss, werden in Abhängigkeit vom Brechungsindex der zur Bildung verwendeten Materialien ausgewählt, wobei insbesondere bis zu drei Funktionsschichten übereinander gestapelt verwendet werden.
Anorganische Funktionsschichten mit einem Brechungsindex, der zwischen dem von Luft und dem der zweiten Elektrodenschicht liegt, werden insbesondere aus Magnesiumfluorid oder SiO₂ gebildet.
Organische Materialien zur Bildung organischer Funktionsschichten werden bevorzugt in einem organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch gelöst, ein Druckmedium hergestellt und dieses bevorzugt im Tiefdruck verdruckt. Alternativ kann auch Flexodruck, Siebdruck oder eine Düse zum strukturierten Applizieren des Druckmediums eingesetzt werden.
Die erste Elektrodenschicht wird vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel oder Legierungen aus mindestens zwei dieser Metalle gebildet und kann dabei, je nach Schichtdicke, opak oder lichtdurchlässig, insbesondere auch transparent, ausgebildet sein.
Es hat sich bewährt, wenn die zweite Elektrodenschicht aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) gebildet wird. Dieses wird üblicherweise durch Kathodenzerstäubung abgeschieden. Aber auch dotiertes Polyethylen, Polyanilin, Silber, Gold, organische Halbleiter, nanopartikuläre Lösungen und so weiter sind verwendbar. Eine zweite Elektrodenschicht aus einem Material mit Eigenfarbe wie beispielsweise Gold wird dabei insbesondere in einer geringen Schichtdicke oder als Gitterstruktur ausgebildet, um ausreichend lichtdurchlässig zu sein.
Zwischen einer Elektrodenschicht und der organischen Halbleiterschicht der Solarzelle kann eine Lochblocker-Schicht, insbesondere aus TiO₂ angeordnet werden, welche die elektrische Ableitung von Ladungen verbessert. Auf der Seite der organischen Halbleiterschicht, welche der Lochblocker-Schicht abgewandt ist, wird mitunter eine Schicht angeordnet, die die Funktion einer Elektronenblocker-Schicht übernimmt. Hierbei hat sich elektrisch leitfähiges Polymer, insbesondere Poly-3,4-Ethylenedioxythiophene (PEDOT), bewährt.
Die mindestens eine photovoltaisch aktive, organische Halbleiterschicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 50 bis 300 nm, insbesondere im Bereich von 100 bis 250 nm, auf. Besonders bewährt hat es sich, wenn die mindestens eine organische Halbleiterschicht durch mindestens zwei organische Halbleitermaterialien gebildet ist, indem ein Komposit aus mindestens einem Elektronen-Donator und mindestens einem Elektronen-Akzeptor in einem Verhältnis von 2:0,5 bis 0,5:2, insbesondere im Verhältnis von 1:0,9 bis 1:1, gebildet ist. Besonders bevorzugt ist hierbei, wenn der mindestens eine Elektronen-Donator aus einem Polythiophen, insbesondere aus Poly(3-Hexylthiophen) (P3HT), und der mindestens eine Elektronen-Akzeptor aus einem Fullerenderivat, insbesondere aus PCBM, gebildet ist.
Als Solarzelle kann nicht nur eine vom Typ „Single-Junction" eingesetzt werden, welche eine photovoltaisch aktive Halbleiterschicht aus einem Material aufweist, sondern auch eine Solarzelle vom Typ „Multi-Junction", welche zwei oder mehr photovoltaisch aktive Halbleiterschichten aus unterschiedlichen Materialien aufweist und wobei die unterschiedlichen Materialien unterschiedliche Wellenlängen des einfallenden Lichtes verwerten können.
Folgender Aufbau einer Single-Junction-Solarzelle hat sich besonders bewährt. Die Solarzelle weist dabei in dieser Reihenfolge optional ein transparentes Substrat, mindestens eine zweite Elektrodenschicht, mindestens eine lichtdurchlässige photovoltaisch aktive organische Halbleiterschicht, mindestens eine, optional transparente, erste Elektrodenschicht und eine Verkapselungsschicht auf. Weitere Schichten, wie die oben bereits erwähnten Blocker-Schichten, können vorhanden sein. Die Verkapselungsschicht dient zur Abschirmung der Funktionsschichten der Solarzelle vor schädlichen Umwelteinflüssen und ist vorzugsweise aus einer anorganisch beschichteten Polymerfolie, wobei die Beschichtung insbesondere auf Tantal, SiO_x oder SiO_x/Na basiert, gebildet.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Solarzelle mindestens zwei, die Effizienz der Solarzelle erhöhende Funktionsschichten aufweist. Dadurch wird erreicht, dass die Effizienz der Solarzelle weiter gesteigert wird. So können mehrere organische Funktionsschichten enthaltend Partikel gemäß Fall a) vorhanden sein oder eine oder mehrere organische Funktionsschichten enthaltend Partikel gemäß Fall a) mit Funktionsschichten mit definiertem Brechungsindex und/oder erster Reliefstruktur gemäß Fall b) kombiniert eingesetzt werden. Weiterhin können mehrere Funktionsschichten mit definiertem Brechungsindex und/oder erster Reliefstruktur gemäß Fall b) kombiniert eingesetzt werden
Es hat sich bewährt, wenn auch die erste Elektrodenschicht lichtdurchlässig, insbesondere durchsichtig, ausgebildet ist. Somit wird die Ausbildung einer im wesentlichen transparenten bzw. durchsichtigen Solarzelle möglich, die beispielsweise auf einem Fenster, Etikett, Sicherheitselement, einem Schriftzug oder ähnlichem aufgebracht werden kann, nachdem auch die organische Halbleiterschicht üblicherweise lichtdurchlässig bzw. durchsichtig ist. Eine erste Elektrodenschicht aus einem Material mit Eigenfarbe wie beispielsweise Gold wird dabei insbesondere in einer geringen Schichtdicke oder als Gitterstruktur ausgebildet, um ausreichend lichtdurchlässig zu sein.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Solarzelle mindestens eine Funktionsschicht aufweist, die mindestens eine diffraktive und/oder refraktive zweite Reliefstruktur aufweist, welche senkrecht zur Ebene der Halbleiterschicht gesehen überlappend mit und/oder neben der Halbleiterschicht, insbesondere auf der, der Halbleiterschicht abgewandten Seite der ersten Elektrodenschicht, angeordnet ist. Durch die zweite Reliefstruktur ist es möglich, Licht gezielt in Richtung der aktiven Schicht bzw. mindestens einen organischen Halbleiterschicht oder in Bereiche dieser abzulenken, zu fokussieren oder zurückzuwerfen, so dass eine weitere Erhöhung der Effizienz der Solarzelle resultiert. Die zweite Reliefstruktur kann aber auch lediglich dekorativen Zwecken dienen, um beispielsweise ein optisch variables Element, wie ein Hologramm oder Kinegram^®, zu erzeugen. Auch eine Kombination aus Licht lenkenden zweiten Reliefstrukturen und zu dekorativen Zwecken dienenden zweiten Reliefstrukturen ist möglich.
Besonders bewährt hat es sich, wenn die mindestens eine zweite Reliefstruktur in Form einer Mattstruktur, einer asymmetrischen Reliefstruktur, eines linearen oder gekreuzten Lineargitters, einer diffraktiven oder refraktiven Linsenstruktur oder einer Kombination von mindestens zwei derartigen Strukturen ausgebildet ist. Derartige Reliefstrukturen sind besonders gut geeignet, darauf auftreffendes Licht zu streuen, zu sammeln, zu fokussieren oder abzulenken. Funktionsschichten mit zweiten Reliefstrukturen können je nach Anordnung im Hinblick auf den Lichteinfall in die Solarzelle lichtdurchlässig oder opak ausgebildet ein. So kann mindestens eine opake reflektierende Funktionsschicht mit mindestens einer zweiten Reliefstruktur auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht abgewandten Seite einer lichtdurchlässigen ersten Elektrodenschicht angeordnet sein und/oder eine lichtdurchlässige Funktionsschicht mit mindestens einer zweiten Reliefstruktur auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht abgewandten Seite der lichtdurchlässigen zweiten Elektrodenschicht angeordnet sein.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel eine maximale Partikelgröße im Bereich von 5 nm bis 10 μm aufweisen. Nachdem die Schichtdicken der einzelnen Funktionsschichten einer organischen Solarzelle jeweils üblicherweise in Bereich unterhalb von 1 μm liegen, lassen sich derart kleine Partikel ohne weiteres in eine Funktionsschicht einbauen.
Es ist von Vorteil, wenn die lichtstreuenden Partikel transparent oder semitransparent, insbesondere aus einem Oxid, einem Sulfid, einem Karbid oder einem Nitrid, ausgebildet sind. Besonders bewährt haben sich hierbei Partikel aus SiO₂ oder ZnS. Derartige Partikel lassen auftreffendes Licht zumindest zum Teil passieren, so dass die Lichtverteilung gegenüber lichtundurchlässigen Partikeln verbessert ist.
Fluoreszierende Partikel sind beispielsweise unter der Bezeichnung Lumogen^® erhältlich. Lumogen^® Gelb S 0790 beispielsweise streut das Licht nicht und bewirkt eine Verschiebung von Wellenlängen mit 300 bis 500 nm in einen Bereich von 500 bis 650 nm.
Die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel weisen vorzugsweise eine stäbchen-, plättchen- oder kugelförmige Form auf. Dabei können stäbchen- oder plättchenförmige Partikel in einer bestimmten räumlichen Ausrichtung oder ungeordnet in der organischen Funktionsschicht vorliegen. Weiterhin hat es sich bewährt, wenn die mindestens eine organische Funktionsschicht ein Gemisch aus lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikeln unterschiedlicher Form aufweist.
Vorzugsweise sind lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-% in der mindestens einen organischen Funktionsschicht enthalten. Weniger, aber auch mehr Partikel führen zu einer Verminderung der Effizienz der Solarzelle.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel selektiv für eine Wellenlänge des elektromagnetischen Spektrums ausgebildet sind. Insbesondere hat es sich als günstig erwiesen, wenn die mindestens eine organische Funktionsschicht lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel aufweist, die selektiv für mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums ausgebildet sind.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die lichtstreuenden Partikel zudem lumineszierend ausgebildet sind, und eine Wellenlänge des elektromagnetischen Spektrums in eine andere Wellenlänge umzuwandeln. Dadurch lassen sich zusätzlich zu den erzielbaren Streuungseffekten Wellenlängen, die von der Solarzelle nur wenig ausgenutzt werden können, in Wellenlängen umwandeln, die besser genutzt werden können. Insbesondere hat es sich bewährt, wenn die mindestens eine organische Funktionsschicht lichtstreuende Partikel aufweist, die unterschiedlich fluoreszierend und/oder phosphoreszierend ausgebildet sind.
Dabei können die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel gleichmäßig in der mindestens einen organischen Funktionsschicht verteilt sein. Es kann jedoch auch Vorteile bieten, wenn die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel ungleichmäßig über eine Fläche und/oder eine Schichtdicke der mindestens einen organischen Funktionsschicht verteilt sind. So hat es sich beispielsweise bewährt, wenn im Randbereich der Funktionsschichten der Solarzelle mehr lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel angeordnet sind, als in der Mitte der Funktionsschichten, um einen Austritt von Licht aus der Solarzelle zu vermeiden.
Es hat sich bewährt, wenn die mindestens eine organische Funktionsschicht enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel der mindestens einen Halbleiterschicht entspricht. Die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel werden somit im Material der mindestens einen Halbleiterschicht verteilt eingesetzt. Die Verteilung der Partikel erfolgt hier insbesondere gleichmäßig innerhalb der mindestens einen photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht.
Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn die mindestens eine organische Funktionsschicht enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht abgewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist. Die Verteilung der Partikel in der mindestens einen organischen Funktionsschicht erfolgt hier entweder gleichmäßig oder lediglich partiell. Eine lichtdurchlässige, insbesondere transparente Abstandshalterschicht kann zwischen der Funktionsschicht enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet sein, um den zurückzulegenden Weg für das einfallende Licht zu verändern, um es schließlich genau in die aktive Schicht bzw. die mindestens eine Halbleiterschicht einzukoppeln. Anstatt einer Abstandshalterschicht, oder in Kombination mit dieser, kann auch ein lichtdurchlässiges, insbesondere transparentes Substrat eingesetzt werden.
Die mindestens eine organische Funktionsschicht enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel kann aber auch auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht abgewandten Seite der ersten Elektrodenschicht angeordnet sein, sofern diese lichtdurchlässig, insbesondere transparent ausgebildet ist. Die Verteilung der Partikel in der mindestens einen organischen Funktionsschicht erfolgt auch hier entweder gleichmäßig oder lediglich partiell. Eine lichtdurchlässige, insbesondere transparente Abstandshalterschicht kann zwischen der Funktionsschicht enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel und der ersten Elektrodenschicht angeordnet sein, um den zurückzulegenden Weg für das einfallende Licht zu verändern, um es schließlich genau in die aktive Schicht bzw. die mindestens eine Halbleiterschicht einzukoppeln. Anstatt einer Abstandshalterschicht, oder in Kombination mit dieser, kann auch ein lichtdurchlässiges, insbesondere transparentes Substrat eingesetzt werden.
Die mindestens eine organische Funktionsschicht, die einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex der transparenten elektrisch leitenden zweiten Elektrodenschicht liegt, ist auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht abgewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht angeordnet. Dabei hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens zwei transparente organische Funktionsschichten, die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex der zweiten Elektrodenschicht liegt, vorhanden sind, wobei die mindestens zwei transparenten organischen Funktionsschichten einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen und auf der zweiten Elektrodenschicht derart übereinander gestapelt angeordnet sind, dass der Brechungsindex der mindestens zwei transparenten organischen Funktionsschichten ausgehend von der zweiten Elektrodenschicht abnimmt. Die Anordnung mindestens einer organischen Funktionsschicht mit einem demgemäß definierten Brechungsindex auf der zweiten Elektrodenschicht bewirkt, dass eine Reflektion des einfallenden Lichts an der Grenzfläche zwischen Luft und Solarzelle reduziert und die Effizienz der Solarzelle weiter gesteigert wird. Sofern Licht auch auf der Seite der ersten Elektrodenschicht her auf die Solarzelle auftrifft und diese lichtdurchlässig ist, kann natürlich auch auf dieser mindestens eine derartige organische Funktionsschicht, die einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex der transparenten elektrisch leitenden ersten Elektrodenschicht liegt, angeordnet sein.
Vorzugsweise weist die Solarzelle weiterhin ein lichtdurchlässiges, insbesondere transparentes Substrat auf. Es hat sich bewährt, wenn das Substrat eine Dicke im Bereich von 6 μm bis 1 mm, insbesondere im Bereich von 12 μm bis 150 μm aufweist. Die Verwendung eines Substrats aus einer flexiblen Folie ermöglichst die Bildung biegsamer organischer Solarzellen, da deren Funktionsschichten üblicherweise eine sehr viel geringere Schichtdicke als das Substrat aufweisen und dessen Biegsamkeit nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigen. Als Substratmaterialien kommen generell anorganische oder organische Materialien in Frage, insbesondere PET, PEN, PVC oder Glas. Auf einem derartigen Substrat lassen sich die Funktionsschichten der Solarzelle ohne weiteres in einem kontinuierlichen Verfahren, die aktive Schicht insbesondere in einem Druckverfahren, aufbringen. Dabei wird das Substrat insbesondere als langgestreckter, flexibler Folienstreifen verwendet, welcher von Rolle zu Rolle transportiert werden kann, so dass eine Vielzahl von Solarzellen darauf gebildet werden können. Dabei wird der langgestreckte Folienstreifen auf eine Vorratsrolle aufgewickelt bereitgestellt, von dieser abgezogen, darauf sukzessive die einzelnen Funktionsschichten der Solarzellen gebildet und schließlich der Folienstreifen inklusive einer Vielzahl von darauf gebildeten, gegebenenfalls miteinander elektrisch verschalteten Solarzellen auf eine weitere Vorratsrolle aufgewickelt. Daran kann sich eine Vereinzelung von Solarzellen und/oder Solarzellengruppen, insbesondere durch Schneiden oder Stanzen, anschließen oder weitere Verfahrensschritte vorgenommen werden, wie beispielsweise eine thermische, chemische oder mechanische Behandlung, eine Beschichtung, eine Bestrahlung usw.
Innerhalb des Aufbaus der Solarzelle hat es sich bewährt, wenn die mindestens eine organische Halbleiterschicht die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel aufweist und/oder wenn die mindestens eine transparente organische Funktionsschicht enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel zwischen dem optional vorhandenen Substrat und der mindestens einen zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist. Sofern ein lichtdurchlässiges, insbesondere transparentes Substrat vorhanden ist, so ist es auch von Vorteil, wenn die mindestens eine transparente organische Funktionsschicht enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel auf der, der zweiten Elektrodenschicht abgewandten Seite des Substrats angeordnet ist. Weiterhin hat es sich bewährt, wenn die mindestens eine transparente organische Funktionsschicht enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel zwischen der mindestens einen transparenten ersten Elektrodenschicht und der Verkapselungsschicht angeordnet ist.
Besonders bevorzugt ist es, gegebenenfalls in Kombination zu mindestens einer Funktionsschicht enthaltend lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel, wenn ein lichtdurchlässiges, insbesondere transparentes Substrat vorhanden ist und mindestens drei transparente Funktionsschichten mit unterschiedlichem Brechungsindex auf der, der zweiten Elektrodenschicht abgewandten Seite des Substrats angeordnet sind. Der Brechungsindex des Substrats ist bei der Auswahl der Funktionsschichten zu berücksichtigen.
Weiterhin hat sich es bewährt, wenn ein lichtdurchlässiges, insbesondere transparentes Substrat vorhanden ist und mindestens eine transparente organische Funktionsschicht, die erste und/oder zweite Reliefstrukturen aufweist, auf der, der zweiten Elektrodenschicht abgewandten Seite des Substrats angeordnet ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens eine reflektierende Funktionsschicht, die die mindestens eine zweite Reliefstruktur aufweist, auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht abgewandten Seite der lichtdurchlässigen ersten Elektrodenschicht und unmittelbar an die Verkapselungsschicht angrenzend angeordnet ist. Bei der reflektierenden Funktionsschicht handelt es sich insbesondere um eine opake metallische Schicht, aber auch der Einsatz von transparenten hochbrechenden dielektrischen Schichten, sogenannten HRI-Schichten, hat sich bewährt, insbesondere, wenn die Solarzelle insgesamt transparent ausgebildet werden soll.
Durch eine Kombination unterschiedlicher, die Effizienz der Solarzelle erhöhender Funktionsschichten ist eine Erhöhung des Wirkungsgrads einer organischen Solarzelle um insgesamt bis zu 100% möglich.
Die 1 bis 9 sollen erfindungsgemäße Solarzellen beispielhaft erläutern. So zeigt:
1 eine erste Solarzelle im Querschnitt, welche eine Halbleiterschicht enthaltend Partikel aufweist;
2 eine zweite Solarzelle im Querschnitt, welche eine organische Funktionsschicht enthaltend Partikel auf der zweiten Elektrodenschicht aufweist;
3 eine dritte Solarzelle im Querschnitt, welche eine organische Funktionsschicht enthaltend Partikel auf einem transparenten Substrat aufweist;
4 eine vierte Solarzelle im Querschnitt, welche eine organische Funktionsschicht enthaltend Partikel auf einer transparent ausgebildeten ersten Elektrodenschicht aufweist;
5 eine fünfte Solarzelle im Querschnitt, welche drei Funktionsschichten mit unterschiedlichem Brechungsindex aufweist;
6 eine sechste Solarzelle im Querschnitt, welche drei Funktionsschichten mit unterschiedlichem Brechungsindex und eine Halbleiterschicht enthaltend Partikel aufweist;
7 eine siebente Solarzelle im Querschnitt, welche drei organische Funktionsschichten enthaltend Partikel unterschiedlicher Form und Verteilung aufweist;
8 eine achte Solarzelle im Querschnitt, welche eine Funktionsschicht mit definiertem Brechungsindex und zwei organische Funktionsschichten enthaltend Partikel unterschiedlicher Form und Verteilung aufweist; und
9 eine neunte Solarzelle im Querschnitt, welche eine Funktionsschicht mit definiertem Brechungsindex, eine organische Funktionsschicht mit zweiten Reliefstrukturen und zwei organische Funktionsschichten enthaltend Partikel unterschiedlicher Form und Verteilung aufweist.
1 zeigt eine erste Solarzelle im Querschnitt, welche eine erste Elektrodenschicht 1 aus Gold, eine aktive Schicht enthaltend mindestens eine organische Funktionsschicht in Form einer photovoltaisch aktiven organischen Halbleiterschicht 2 aus einem Komposit aus P3HT und PCBM im Verhältnis 1:1, sowie eine zweite Elektrodenschicht 3 aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) aufweist. Die erste Elektrodenschicht 1 ist opak und mittels Kathodenzerstäubung in einer Schichtdicke von 25 nm ausgebildet. Die Halbleiterschicht 2 ist durch Drucken gebildet und weist eine Schichtdicke von 200 nm auf. Die Halbleiterschicht 2 weist 1 Gew.-% lichtstreuende Partikel 4a auf, die einen maximalen Durchmesser von 100 nm aufweisen und die gleichmäßig in der Halbleiterschicht 2 verteilt vorliegen. Die zweite Elektrodenschicht 3 ist transparent und durch Kathodenzerstäubung in einer Schichtdicke von 10 nm gebildet. Die Funktionsschichten 1, 2, 3 der Solarzelle befinden sich auf einem transparenten Substrat 10 aus PET mit einer Schichtdicke von 12 μm und sind mit einer Verkapselungsschicht 11 aus einer Tantal-beschichteten PET-Folie vor schädlichen Umwelteinflüssen geschützt. Der Lichteinfall erfolgt bei der ersten Solarzelle gemäß 1 von Seiten des transparenten Substrats 10 und der zweiten Elektrodenschicht 3. Das Licht durchdringt das Substrat 10 sowie die zweite Elektrodenschicht 3 und gelangt zur aktiven Schicht umfassend die Halbleiterschicht 2. An den lichtstreuenden Partikeln 4a wird das Licht gestreut und optimal in der Halbleiterschicht 2 verteilt.
2 zeigt eine zweite Solarzelle im Querschnitt, welche ähnlich zur ersten Solarzelle gemäß 1 aufgebaut ist (gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Bauteile) und eine erste Elektrodenschicht 1 aus Gold, eine photovoltaisch aktive Schicht enthaltend mindestens eine organische Funktionsschicht in Form einer organischen Halbleiterschicht 2 aus einem Komposit aus P3HT und PCBM im Verhältnis 1:1, sowie eine zweite Elektrodenschicht 3 aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) aufweist. Hier enthält die Halbleiterschicht 2 jedoch keine lichtstreuenden Partikel, sondern es ist eine organische Funktionsschicht 5b aus einem transparenten Lack auf der zweiten Elektrodenschicht 3 vorgesehen, die lichtstreuende Partikel 4a enthält. Die organische Funktionsschicht 5b weist 1 Gew.-% lichtstreuende Partikel 4a auf, die einen maximalen Durchmesser von 100 nm aufweisen und die gleichmäßig in der organischen Funktionsschicht 5b verteilt vorliegen. Der Lichteinfall erfolgt bei der zweiten Solarzelle gemäß 2 ebenfalls von Seiten des transparenten Substrats 10. Das Licht durchdringt das Substrat 10, die organische Funktionsschicht 5b sowie die zweite Elektrodenschicht 3 und gelangt zur aktiven Schicht umfassend die Halbleiterschicht 2. An den lichtstreuenden Partikeln 4a in der organischen Funktionsschicht 5b wird das Licht gestreut und optimal verteilt.
3 zeigt eine dritte Solarzelle im Querschnitt, welche ähnlich zur zweiten Solarzelle gemäß 2 aufgebaut ist (gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Bauteile) und eine opake erste Elektrodenschicht 1 aus Gold, eine photovoltaisch aktive Schicht enthaltend mindestens eine organische Funktionsschicht in Form einer Halbleiterschicht 2 aus einem Komposit aus P3HT und PCBM im Verhältnis 1:1, sowie eine transparente zweite Elektrodenschicht 3 aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) aufweist. Es ist eine organische Funktionsschicht 5 aus einem transparenten Lack auf der, der zweiten Elektrodenschicht 3 abgewandten Seite des Substrats 10 vorgesehen, welche lichtstreuende Partikel 4a enthält. Die organische Funktionsschicht 5 weist 1 Gew.-% lichtstreuende Partikel 4a auf, die einen maximalen Durchmesser von 100 nm aufweisen und die gleichmäßig in der organischen Funktionsschicht 5 verteilt vorliegen. Der Lichteinfall erfolgt bei der dritten Solarzelle gemäß 3 ebenfalls von Seiten des transparenten Substrats 10. Das Licht durchdringt die organische Funktionsschicht 5, wobei eine optimale Streuung an den lichtstreuenden Partikeln 4a erfolgt, das Substrat 10 sowie die zweite Elektrodenschicht 3 und gelangt zur aktiven Schicht umfassend die Halbleiterschicht 2.
4 zeigt eine vierte Solarzelle im Querschnitt, welche ähnlich zur zweiten Solarzelle gemäß 2 aufgebaut ist (gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Bauteile) und eine erste Elektrodenschicht 1 aus Gold, eine photovoltaisch aktive Schicht enthaltend mindestens eine organische Funktionsschicht in Form einer organischen Halbleiterschicht 2 aus einem Komposit aus P3HT und PCBM im Verhältnis 1:1, sowie eine transparente zweite Elektrodenschicht 3 aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) aufweist. Die erste Elektrodenschicht 1 ist hier jedoch in einer Schichtdicke von 8 nm lichtdurchlässig ausgebildet. Es ist eine organische Funktionsschicht 5a aus einem transparenten Lack auf der ersten Elektrodenschicht 1 vorgesehen, die lichtstreuende Partikel 4a enthält. Die organische Funktionsschicht 5a weist eine Schichtdicke von 100 nm auf und enthält 1 Gew.-% lichtstreuende Partikel 4a, die einen maximalen Durchmesser von 100 nm aufweisen und gleichmäßig in der organischen Funktionsschicht 5a verteilt vorliegen. Der Lichteinfall erfolgt bei der vierten Solarzelle gemäß 4 ebenfalls von Seiten des transparenten Substrats 10. Das Licht durchdringt das Substrat 10, die zweite Elektrodenschicht 3 und gelangt zur aktiven Schicht umfassend die Halbleiterschicht 2. Die Anteile des Lichts, die ungenutzt durch die Halbleiterschicht 2 hindurch zur ersten Elektrodenschicht 1 gelangen, werden von dieser im wesentlichen durchgelassen, so dass das verbleibende Licht an den lichtstreuenden Partikeln 4a der organischen Funktionsschicht 5a gestreut und in die Halbleiterschicht 2 zurückgeworfen wird, so dass eine weitere Ausnutzung dieser Lichtanteile erfolgen kann.
5 zeigt eine fünfte Solarzelle im Querschnitt, welche ähnlich zur dritten Solarzelle gemäß 3 aufgebaut ist (gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Bauteile) und eine opake erste Elektrodenschicht 1 aus Gold, eine photovoltaisch aktive Schicht enthaltend mindestens eine organische Funktionsschicht in Form einer organischen Halbleiterschicht 2 aus einem Komposit aus P3HT und PCBM im Verhältnis 1:1, sowie eine transparente zweite Elektrodenschicht 3 aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) aufweist. Auf der, der zweiten Elektrodenschicht 3 abgewandten Seite des transparenten Substrats 10 sind drei Funktionsschichten 6, 7, 8 mit unterschiedlichen Brechungsindices angeordnet. Eine anorganische Funktionsschicht 6 ist hier aus Magnesiumfluorid gebildet und weist einen Brechungsindex n₁ auf, der zwischen dem Brechungsindex n_L von Luft und dem Brechungsindex n_E2 der zweiten Elektrodenschicht 3 liegt. Eine organische Funktionsschicht 7 ist aus einem Polymer gebildet und weist einen Brechungsindex n₂ auf, der zwischen dem Brechungsindex n₁ der Funktionsschicht 6 und dem Brechungsindex n_E2 der zweiten Elektrodenschicht 3 liegt. Eine weitere organische Funktionsschicht 8 ist aus einem weiteren Polymer gebildet und weist einen Brechungsindex n₃ auf, der zwischen dem Brechungsindex n₂ der Funktionsschicht 7 und dem Brechungsindex n_E2 der zweiten Elektrodenschicht 3 liegt. Nachdem auch das Substrat 10 aus PET hier vor der zweiten Elektrodenschicht 3 angeordnet ist, ist dessen Brechungsindex n_s von ca. 1,6 so ausgewählt, dass dieser zwischen dem Brechungsindex n₃ der Funktionsschicht 8 und dem Brechungsindex n_E2 der zweiten Elektrodenschicht 3 liegt. Es gilt somit für den Schichtstapel aus den Schichten 6, 7, 8, 10, 3 folgender Zusammenhang: n_L < n₁ < n₂ < n₃ < n_s < n_E2
Der Lichteinfall erfolgt bei der fünften Solarzelle gemäß 5 von Seiten des transparenten Substrats 10. Das Licht durchdringt die drei Funktionsschichten 6, 7, 8 mit unterschiedlichen Brechungsindices, das Substrat 10, die zweite Elektrodenschicht 3 und gelangt zur photovoltaisch aktiven Schicht umfassend die Halbleiterschicht 2. Würde das Licht unmittelbar auf die Oberfläche des Substrats 10 auftreffen, so würde dies dazu führen, dass Anteile des Lichts an der Oberfläche des Substrats 10 reflektiert werden und nicht zur Halbleiterschicht 2 gelangen. Die Funktionsschichten 6, 7, 8 verhindern eine derartige Reflektion weitgehend, so dass nun weitaus mehr Licht zur Halbleiterschicht 2 gelangen kann und auch eine Ausnutzung der andernfalls reflektierten Lichtanteile erfolgen kann.
6 zeigt eine sechste Solarzelle im Querschnitt, welche einen gemäß 1 und 5 kombinierten Aufbau aufweist. Gemäß der fünften Solarzelle, siehe 5, sind drei Funktionsschichten 6, 7, 8 mit unterschiedlichen Brechungsindices auf dem transparenten Substrat 10 angeordnet, jedoch ist weiterhin gemäß der ersten Solarzelle, siehe 1, eine Halbleiterschicht 2 enthaltend lichtbrechende Partikel 4a ausgebildet.
7 zeigt eine siebente Solarzelle im Querschnitt, welche eine transparente erste Elektrodenschicht 1 aus Gold, eine aktive Schicht enthaltend mindestens eine organische Funktionsschicht in Form einer photovoltaisch aktiven organischen Halbleiterschicht 2 aus einem Komposit aus P3HT und PCBM im Verhältnis 1:1, sowie eine transparente zweite Elektrodenschicht 3 aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) aufweist. Zwischen der Verkapselungsschicht 11 und der ersten Elektrodenschicht 1 befindet sich eine organische Funktionsschicht 5a enthaltend erste lichtbrechende, fluoreszierende Partikel 4a, welche gleichmäßig verteilt vorliegen.
Die Halbleiterschicht 2 weist zu den ersten lichtstreuenden, fluoreszierenden Partikeln 4a unterschiedliche, kugelförmige zweite lichtstreuende phosphoreszierende Partikel 4c auf, die einen maximalen Durchmesser von 15 nm aufweisen und die ungleichmäßig in der Halbleiterschicht 2 verteilt bzw. nur in deren Randbereichen vorliegen. Zwischen der transparenten zweiten Elektrodenschicht 3 und dem transparenten Substrat 10 befindet sich eine weitere organische Funktionsschicht 5b enthaltend erste lichtstreuende Partikel 4a sowie dazu unterschiedliche dritte lichtstreuende Partikel 4b. Dabei sind die ersten lichtstreuenden Partikel 4a in einem Bereich oberhalb der zweiten Elektrodenschicht 3 angeordnet, während die dritten lichtstreuenden Partikel 4b sich lediglich in einem Randbereich der weiteren Funktionsschicht 5b befinden, der sich neben der zweiten Elektrodenschicht 3 befindet. Weiterhin ist die Konzentration der dritten Partikel 4b im Randbereich größer gewählt als die Konzentration der ersten Partikel 4a im Bereich oberhalb der zweiten Elektrodenschicht 3. Die dritten Partikel 4b sind plättchenförmig und zueinander in paralleler räumlicher Ausrichtung angeordnet.
Der Lichteinfall erfolgt bei der siebenten Solarzelle gemäß 7 von Seiten des transparenten Substrats 10 und der zweiten Elektrodenschicht 3. Das Licht durchdringt das Substrat 10, die weitere organische Funktionsschicht 5b, die zweite Elektrodenschicht 3 und gelangt zur aktiven Schicht umfassend die Halbleiterschicht 2. An den ersten lichtstreuenden Partikeln 4a der weiteren organischen Funktionsschicht 5b wird das Licht gestreut und optimal verteilt. An den dritten lichtstreuenden Partikeln 4b der weiteren organischen Funktionsschicht 5b wird das Licht in Richtung der Halbleiterschicht 2 umgelenkt. Die zweiten lichtstreuenden Partikel 4c im Randbereich der Halbleiterschicht 2 verhindern eine Auskopplung des Lichts aus der Halbleiterschicht 2 in diesem Bereich. Die ersten lichtstreuenden Partikel 4a in der organischen Funktionsschicht 5a streuen durch die erste Elektrodenschicht 1 hindurchtretendes Licht und werfen es wieder zurück in Richtung der Halbleiterschicht 2.
8 zeigt eine achte Solarzelle im Querschnitt, welche einen ähnlichen Aufbau aufweist, wie die siebente Solarzelle gemäß 7. Hier ist allerdings die organische Funktionsschicht 5a weggelassen worden und statt dessen eine Funktionsschicht 6 mit definiertem Brechungsindex n₁, der zwischen dem Brechungsindex n_L von Luft und dem Brechungsindex n_s des Substrats 10 liegt, und wobei der Brechungsindex n_s des Substrats 10 zwischen dem Brechungsindex der Funktionsschicht 6 und dem Brechungsindex n_E2 der zweiten Elektrodenschicht 3 liegt, auf dem Substrat 10 angeordnet.
9 zeigt eine neunte Solarzelle im Querschnitt, welche einen ähnlichen Aufbau aufweist, wie die siebente Solarzelle gemäß 7. Hier ist ebenfalls die organische Funktionsschicht 5a weggelassen worden und statt dessen eine transparente Funktionsschicht 7 aus Magnesiumfluorid mit definiertem Brechungsindex n₂ angeordnet, der zwischen dem Brechungsindex n_L von Luft und dem Brechungsindex n_s des Substrats 10 aus PET mit einem Brechungsindex n_s von ca. 1,6 liegt, der wiederum größer ist als der Brechungsindex n_E2 der zweiten Elektrodenschicht 3. Zwischen dem Substrat 10 und der Funktionsschicht 7 mit dem, Brechungsindex n₂ ist eine transparente organische Funktionsschicht 9 in Form einer Lackschicht angeordnet, welche auf ihrer dem Substrat 10 abgewandten Seite mit einer zweiten Reliefstruktur 9a in Form einer Sägezahnstruktur beprägt ist. Die zweite Reliefstruktur 9a befindet sich im Randbereich über und neben der aktiven Schicht der Solarzelle, so dass Licht aus diesem Bereich zur Halbleiterschicht 2 umgelenkt werden kann.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass unter Verwendung unterschiedlichster Funktionsschichten enthaltend lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel und/oder aufweisend definierte Brechungsindices oder mindestens eine erste Reliefstruktur, gegebenenfalls auch zweite Reliefstrukturen, in einfacher Weise unterschiedlichste Variationen einer effizienten Single Junction- oder Multi Junction-Solarzelle gebildet werden können, die in den 1 bis 9 nicht explizit gezeigt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004045211 A1 [0003]

Claims

Organische Solarzelle, umfassend mindestens drei Funktionsschichten, wobei eine erste Funktionsschicht in Form mindestens einer elektrisch leitenden ersten Elektrodenschicht (1), eine zweite Funktionsschicht in Form mindestens einer organischen Halbleiterschicht (2) und eine dritte Funktionsschicht in Form mindestens einer lichtdurchlässigen, insbesondere transparenten, elektrisch leitenden zweiten Elektrodenschicht (3) ausgebildet ist, wobei die mindestens eine organische Halbleiterschicht (2) photovoltaisch aktiv ist und zwischen der mindestens einen ersten Elektrodenschicht (1) und der mindestens einen zweiten Elektrodenschicht (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle mindestens eine die Effizienz der Solarzelle erhöhende lichtdurchlässige, insbesondere transparente, organische Funktionsschicht (2, 5, 5a, 5b) aufweist, die lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel (4a, 4b, 4c) aufweist, welche senkrecht zur mindestens einen Halbleiterschicht (2) gesehen überlappend mit und/oder neben dieser angeordnet sind, und/oder mindestens eine die Effizienz der Solarzelle erhöhende lichtdurchlässige, insbesondere transparente, organische oder anorganische Funktionsschicht (6, 7, 8) aufweist, die einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex der zweiten Elektrodenschicht (3) liegt, wobei die mindestens eine organische oder anorganische Funktionsschicht (6, 7, 8) auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht abgewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht (3) angeordnet ist, und/oder mindestens eine die Effizienz der Solarzelle erhöhende lichtdurchlässige, insbesondere transparente, organische oder anorganische Funktionsschicht aufweist, wobei die mindestens eine organische oder anorganische Funktionsschicht auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht (2) abgewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht (3) angeordnet ist und an ihrer der mindestens einen Halbleiterschicht (2) abgewandten Grenzfläche mindestens eine erste Reliefstruktur aufweist, welche eine Reflektion von in die Solarzelle einfallendem Licht an dieser Funktionsschicht im Vergleich zu einer Reflektion an einer solchen Funktionsschicht mit einer ebenen Grenzfläche vermindert.
Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Reliefstruktur die Reflektion an der Grenzfläche um mindestens 20% vermindert.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle mindestens zwei, die Effizienz der Solarzelle erhöhende Funktionsschichten (2, 5, 5a, 5b, 6, 7, 8) aufweist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenschicht (1) lichtdurchlässig, insbesondere transparent, ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Reliefstruktur in Form einer Mattstruktur ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Reliefstruktur in Form einer periodischen Struktur, insbesondere als Blazegitter, Linienstruktur, Kreuzgitter, lineares oder gekreuztes Sinusgitter, Kreisgitter, Linsenstruktur oder Kombinationen aus mindestens zwei dieser Strukturen ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Reliefstruktur ein Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis von > 0,3, insbesondere von > 1 aufweist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Reliefstruktur eine Spatialfrequenz im Bereich von 300 bis 4000 Linien/mm aufweist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle mindestens eine Funktionsschicht (9) aufweist, die mindestens eine diffraktive und/oder refraktive zweite Reliefstruktur (9a) aufweist, welche senkrecht zur Ebene der Halbleiterschicht (2) gesehen überlappend mit und/oder neben der Halbleiterschicht (2), insbesondere auf der, der Halbleiterschicht (2) abgewandten Seite der ersten Elektrodenschicht (1), angeordnet ist.
Solarzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Reliefstruktur (9a) in Form einer Mattstruktur, eines linearen oder gekreuzten Lineargitters, einer asymmetrischen Reliefstruktur, einer diffraktiven oder refraktiven Linsenstruktur, oder einer Kombination mindestens zwei solcher Strukturen ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel (4a, 4b, 4c) eine maximale Partikelgröße im Bereich von 5 nm bis 10 μm aufweisen.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuenden Partikel (4a, 4b, 4c) transparent oder semitransparent, insbesondere aus einem Oxid, einem Sulfid, einem Karbid oder einem Nitrid, ausgebildet sind.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel (4a, 4b, 4c) eine stäbchen-, plättchen- oder kugelförmige Form aufweisen.
Solarzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine organische Funktionsschicht (5b) ein Gemisch aus lichtstreuenden Partikeln (4a, 4b) unterschiedlicher Form aufweist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel (4a, 4b, 4c) im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-% in der mindestens einen organischen Funktionsschicht (2, 5, 5a, 5b) enthalten sind.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel (4a, 4b, 4c) selektiv für eine Wellenlänge des elektromagnetischen Spektrums ausgebildet sind.
Solarzelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine organische Funktionsschicht (2, 5, 5a, 5b) lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel (4a, 4b, 4c) aufweist, die selektiv für mindestens zwei unterschiedliche Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums ausgebildet sind.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuenden Partikel (4a, 4b, 4c) fluoreszierend oder phosphoreszierend ausgebildet sind, und eine Wellenlänge des elektromagnetischen Spektrums in eine andere Wellenlänge umwandeln.
Solarzelle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine organische Funktionsschicht (2, 5, 5a, 5b) lichtstreuende Partikel (4a, 4b, 4c) aufweist, die unterschiedlich fluoreszierend oder phosphoreszierend ausgebildet sind.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuenden Partikel (4a) gleichmäßig in der mindestens einen organischen Funktionsschicht verteilt sind.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuenden Partikel (4c) ungleichmäßig über eine Fläche und/oder eine Schichtdicke der mindestens einen organischen Funktionsschicht (2, 5b) verteilt sind.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine organische Funktionsschicht (2) enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel (4a, 4c) der mindestens einen Halbleiterschicht (2) entspricht.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine organische Funktionsschicht (5b) enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel (4a, 4b) auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht (2) abgewandten Seite der zweiten Elektrodenschicht (3) angeordnet ist.
Solarzelle nach Anspruch 4 in Verbindung mit einem der Ansprüche 5 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine organische Funktionsschicht (5a) enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel (4a) auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht (2) abgewandten Seite der lichtdurchlässigen ersten Elektrodenschicht (1) angeordnet ist.
Solarzelle nach Anspruch 4 in Verbindung mit einem der Ansprüche 5 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine organische oder anorganische Funktionsschicht (6, 7, 8), die einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem Brechungsindex der Luft und dem Brechungsindex der lichtdurchlässigen ersten Elektrodenschicht (1) liegt, auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht (2) abgewandten Seite der ersten Elektrodenschicht (1) angeordnet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei transparente Funktionsschichten (6, 7, 8), die jeweils einen Brechungsindex aufweisen, der zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex der zweiten Elektrodenschicht (3) liegt, vorhanden sind, wobei die mindestens zwei transparenten Funktionsschichten (6, 7, 8) einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen und auf der zweiten Elektrodenschicht (3) derart übereinander gestapelt angeordnet sind, dass der Brechungsindex der mindestens zwei transparenten Funktionsschichten (6, 7, 8) ausgehend von der zweiten Elektrodenschicht (3) abnimmt.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle weiterhin ein lichtdurchlässiges, insbesondere transparentes Substrat (10), insbesondere aus PET, PEN, PVC oder Glas, aufweist.
Solarzelle nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) eine Dicke im Bereich von 6 μm bis 1 mm, insbesondere im Bereich von 12 μm bis 150 μm, aufweist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, die mindestens eine Halbleiterschicht (2) in einer Schichtdicke im Bereich von 50 bis 300 nm, insbesondere im Bereich von 100 bis 250 nm, ausgebildet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine organische Halbleiterschicht (2) durch mindestens zwei organische Halbleitermaterialien gebildet ist, indem ein Komposit aus mindestens einem Elektronen-Donator und mindestens einem Elektronen-Akzeptor in einem Verhältnis von 2:0,5 bis 0,5:2, insbesondere im Verhältnis von 1:0,9 bis 1:1, gebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektronen-Donator aus einem Polythiophen und der mindestens eine Elektronen-Akzeptor aus einem Fullerenderivat gebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Elektronen-Donator aus Poly(3-Hexylthiophen) (P3HT) und der mindestens eine Elektronen-Akzeptor aus PCBM gebildet wird.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle in dieser Reihenfolge optional ein transparentes Substrat (10), mindestens eine zweite Elektrodenschicht (3), mindestens eine organische Halbleiterschicht (2), mindestens eine, optional lichtdurchlässige, erste Elektrodenschicht (1) und eine Verkapselungsschicht (11) aufweist.
Solarzelle nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine organische Halbleiterschicht (2) die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel (4a, 4b, 4c) aufweist.
Solarzelle nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine transparente organische Funktionsschicht (5b) enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel (4a, 4b) zwischen dem optional vorhandenen Substrat (10) und der mindestens einen zweiten Elektrodenschicht (3) angeordnet ist.
Solarzelle nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Substrat (10) vorhanden ist und die mindestens eine transparente organische Funktionsschicht (5) enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel (4a) auf der, der zweiten Elektrodenschicht (3) abgewandten Seite des Substrats (10) angeordnet ist.
Solarzelle nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine transparente organische Funktionsschicht (5a) enthaltend die lichtstreuenden und/oder lumineszierenden Partikel (4a) zwischen der mindestens einen lichtdurchlässigen ersten Elektrodenschicht (1) und der Verkapselungsschicht (11) angeordnet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 33 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Substrat (10) vorhanden ist und mindestens drei transparente organische Funktionsschichten (6, 7, 8) mit unterschiedlichem Brechungsindex auf der, der zweiten Elektrodenschicht (3) abgewandten Seite des Substrats (10) angeordnet sind.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 33 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Substrat (10) vorhanden ist und mindestens eine transparente organische Funktionsschicht (9), die erste und/oder zweite Reliefstrukturen (9a) aufweist, auf der, der zweiten Elektrodenschicht (3) abgewandten Seite des Substrats (10) angeordnet ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 33 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine reflektierende Funktionsschicht, die die mindestens eine zweite Reliefstruktur aufweist, auf der, der mindestens einen Halbleiterschicht (2) abgewandten Seite der lichtdurchlässigen ersten Elektrodenschicht (1) und unmittelbar an die Verkapselungsschicht (11) angrenzend angeordnet ist.