DE102007060108B4

DE102007060108B4 - Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenmoduls

Info

Publication number: DE102007060108B4
Application number: DE102007060108A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. 90762 Schindler
Original assignee: Leonhard Kurz Stiftung and Co KG
Current assignee: Leonhard Kurz Stiftung and Co KG
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: DE102007060108A1; US20090151776A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenmoduls (200, 201, 202), welches ein schichtförmiges lichtdurchlässiges Trägersubstrat (1) und mindestens zwei, auf dem Trägersubstrat (1) angeordnete Solarzellen (100a, 100b) aufweist, wobei mindestens eine obere Solarzelle (100a) auf einer Oberseite (1a) des Trägersubstrats (1) angeordnet ist und mindestens eine untere Solarzelle (100b) auf einer Unterseite (1b) des Trägersubstrats (1) angeordnet ist, wobei die mindestens eine obere Solarzelle (100a) und die mindestens eine untere Solarzelle (100b) eine organische Solarzelle ist, wobei die mindestens eine obere Solarzelle (100a) und die mindestens eine untere Solarzelle (100b) jeweils mindestens eine lichtdurchlässige, insbesondere transparente, elektrisch leitende erste Elektrodenschicht (2a, 2b), mindestens eine photovoltaisch aktive, organische, Halbleiterschicht (4a, 4b) und mindestens eine lichtdurchlässige, insbesondere transparente, elektrisch leitende zweite Elektrodenschicht (7a, 7b) aufweisen, wobei die mindestens eine photovoltaisch aktive organische Halbleiterschicht (4a, 4b) zwischen der mindestens einen ersten Elektrodenschicht (2a, 2b) und der mindestens einen zweiten Elektrodenschicht (7a, 7b) angeordnet ist,...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenmoduls, welches ein schichtförmiges lichtdurchlässiges Trägersubstrat und mindestens zwei, auf dem Trägersubstrat angeordnete organische Solarzellen umfasst.
Organische Solarzellen bzw. organische Bauelemente 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 103 26 547 A1 beschreibt eine organische Solarzelle auf einem schichtförmigen lichtdurchlässigen Trägersubstrat, die als Tandemsolarzelle oder photovoltaische Multizelle, auch Multi-Junction-Zelle genannt, aufgebaut ist. Hierbei werden zwei Solarzellenelemente optisch und elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die Solarzellenelemente eine gemeinsame Elektrode besitzen, die sich zwischen einer photovoltaisch aktiven Schicht des einen Solarzellenelements und einer photovoltaisch aktiven Schicht des dazu benachbarten Solarzellenelements befindet.
Die US 2005/0272263 A1 beschreibt die Herstellung eines Solarzellenmoduls mit einer Vielzahl organischer Solarzellen, die in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren nebeneinander auf einer Seite eines gemeinsamen Trägersubstrats angeordnet und lediglich elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Die EP 1 603 169 A2 beschreibt photovoltaische Module sowie verwandte Systeme, Verfahren und Bestandteile. Ein Modul umfasst eine erste photovoltaische Zelle mit einer Elektrode und eine zweite photovoltaische Zelle mit einer Elektrode. Das Modul umfasst weiterhin eine Verbindung (z. B. ein elektrisch leitfähiges Element), das in der Elektrode der ersten photovoltaischen Zelle und der Elektrode der zweiten photovoltaischen Zelle so angeordnet ist, dass die Elektrode der ersten photovoltaischen Zelle und die Elektrode der zweiten photovoltaischen Zelle verbunden sind, z. B. elektrisch und/oder mechanisch.
Die WO 2005/124 802 A1 beschreibt ein photovoltaisches Modul, das drei oder mehr Substrate umfasst, die in einer eng beabstandeten parallelen Beziehung zueinander angeordnet sind. Die Substrate umfassen ein Zentralsubstrat mit einer ersten und zweiten Seite und ein erstes Außensubstrat mit einer Innen- und Außenseite, wobei das erste Außensubstrat derart angeordnet ist, dass die Innenseite und die erste Seite des Zentralsubstrats benachbart zueinander sind. Die Substrate umfassen außerdem ein zweites Außensubstrat mit einer Innen- und Außenseite, wobei das zweite Außensubstrat derart angeordnet ist, dass die Innenseite des zweiten Außensubstrates und die zweite Seite des Zentralsubstrates benachbart zueinander angeordnet sind. Vordere photovoltaische Vorrichtungen sind zwischen dem ersten Außensubstrat und der ersten Seite des Zentralsubstrates geformt. Verbindungs- und/oder Trennmittel sind zwischen zumindest einem Paar der vorderen Vorrichtungen angeordnet und rückwärtige photovoltaische Vorrichtungen sind zwischen dem zweiten Außensubstrat und der zweiten Seite des Zentralsubstrates geformt. Dabei sind die vorderen und rückwärtigen photovoltaischen Vorrichtungen derart versetzt, dass die Verbindungs- und/oder Trennmittel der vorderen Vorrichtungen den aktiven photovoltaischen Bereichen der rückwärtigen Vorrichtungen gegenüber liegen.
Derzeit besitzen organische Solarzellen Effizienzen bzw. Wirkungsgrade von etwa 3 bis 5%, die weit unter bereits mit Solarzellen auf Silizium-Basis erzielten Wirkungsgraden liegen. Die Effizienz von Solarzellenmodulen, welche elektrisch miteinander verschaltete einzelne organische Solarzellen aufweisen, ist aufgrund des Geometrischen Füllfaktors (GFF) und der auftretenden elektrischen Verluste noch weit geringer.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenmoduls mit verbesserter Effizienz – enthaltend organische Solarzellen – bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenmoduls gelöst, welches ein schichtförmiges lichtdurchlässiges Trägersubstrat und mindestens zwei, auf dem Trägersubstrat angeordnete Solarzellen aufweist, wobei mindestens eine obere Solarzelle auf einer Oberseite des Trägersubstrats angeordnet ist und mindestens eine untere Solarzelle auf einer Unterseite des Trägersubstrats angeordnet ist, wobei die mindestens eine obere Solarzelle und die mindestens eine untere Solarzelle eine organische Solarzelle ist, wobei die mindestens eine obere Solarzelle und die mindestens eine untere Solarzelle jeweils mindestens eine lichtdurchlässige, insbesondere transparente, elektrisch leitende erste Elektrodenschicht, mindestens eine photovoltaisch aktive, organische, Halbleiterschicht und mindestens eine lichtdurchlässige, insbesondere transparente, elektrisch leitende zweite Elektrodenschicht aufweisen, wobei die mindestens eine photovoltaisch aktive organische Halbleiterschicht zwischen der mindestens einen ersten Elektrodenschicht und der mindestens einen zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, wobei die Schichten der mindestens einen oberen Solarzelle und der mindestens einen unteren Solarzelle auf das Trägersubstrat gedruckt werden.
Dabei werden die Bezeichnungen „Oberseite” und „Unterseite” lediglich verwendet, um einander gegenüberliegende Seiten des Trägersubstrats begrifflich zu unterschieden, nicht aber, um eine räumliche Lage dieser Seiten zu definieren. So kann die Unterseite des Trägersubstrats nach oben, nach unten oder zur Seite weisen bzw. die Oberseite des Trägersubstrats nach oben, nach unten oder zur Seite weisen, usw.
Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Solarzellenmodul ermöglicht aufgrund der beidseitigen Nutzung des lichtdurchlässigen Trägersubstrats eine Integration einer höheren Anzahl, insbesondere einer mindestens doppelt so hohen Anzahl von Solarzellen bei gleicher Trägersubstratfläche. Die Effizienz des Solarzellenmoduls kann somit bei gleichbleibender Trägersubstratfläche deutlich erhöht werden.
Dabei hat es sich bewährt, wenn die mindestens eine obere Solarzelle und die mindestens eine untere Solarzelle senkrecht zur Ebene des Trägersubstrats gesehen zumindest bereichsweise überlappend angeordnet sind oder deckungsgleich hintereinander angeordnet sind. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein geringer Abstand zwischen benachbarten Solarzellen auf der Ober- und der Unterseite des Trägersubstrats prozesstechnisch realisiert werden kann.
Genauso ist es aber möglich, dass die mindestens eine obere Solarzelle und die mindestens eine untere Solarzelle senkrecht zur Ebene des Trägersubstrats gesehen nebeneinander, insbesondere alternierend, angeordnet sind. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein geringer Abstand zwischen benachbarten Solarzellen auf einer Seite des Trägersubstrats prozesstechnisch nicht realisiert werden kann. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn eine Herstellung einer organischen Solarzelle mit scharfen Konturen aufgrund eines Verlaufens von aufgebrachtem Funktionsschichtmaterial zum Aufbau der Solarzelle nicht möglich ist.
Bevorzugt wird das Solarzellenmodul lichtdurchlässig, insbesondere transparent ausgebildet. Ein transparentes Solarzellenmodul erlaubt die Anordnung eines solchen im Bereich von Displays, Fensterscheiben, Sicherheitsdokumenten mit gedruckten Informationen usw., wobei ein Auslesen von Informationen durch das Solarzellenmodul hindurch möglich ist. Der Lichteinfall in ein derartiges Solarzellenmodul kann im Bereich der oberen und/oder unteren Solarzellen erfolgen.
Das Solarzellenmodul kann aber auch opak sein, beispielsweise wenn eine Schicht, die auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite des Solarzellenmoduls angeordnet ist, opak ausgebildet ist.
Vorzugsweise weisen die mindestens eine obere Solarzelle und die mindestens einen untere Solarzelle jeweils mindestens eine photovoltaisch aktive, insbesondere organische, Halbleiterschicht in einer Schichtdicke im Bereich von 50 bis 300 nm, insbesondere im Bereich von 100 bis 250 nm, auf. Derart dünne photovoltaisch aktive Halbleiterschichten sind lichtdurchlässig, insbesondere transparent, ausgebildet.
Die photovoltaisch aktiven Halbleiterschichten der organischen Solarzellen sind organisch und weisen insbesondere halbleitende Polymere auf, im Gegensatz beispielsweise zu Farbstoffzellen bzw. Grätzel-Zellen, die auf der Basis von photoaktiven Farbstoffen aufgebaut sind, so dass es sich um unterschiedliche Wirkprinzipien handelt.
Es hat sich bewährt, wenn auf der Oberseite des Trägersubstrats mindestens zwei elektrisch miteinander verschaltete obere Solarzellen angeordnet sind. Die oberen Solarzellen können dabei in Serie geschaltet sein, parallel geschaltet sein oder ein Teil der oberen Solarzellen in Serie und ein Teil der oberen Solarzellen parallel geschaltet sein. Eine Verschaltung der oberen Solarzellen kann beispielsweise wie in der oben genannten US 2005/0272263 A1 erfolgen.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn die mindestens zwei oberen Solarzellen parallel zur Ebene des Trägersubstrats gesehen aufeinander gestapelt angeordnet sind und/oder nebeneinander angeordnet sind. Es kann sich hier demnach um eine Anordnung handeln, bei der auf der Oberseite des Trägersubstrats photovoltaische Multi-Junction-Zellen, beispielsweise wie in der oben genannten DE 103 26 547 A1 gezeigt, angeordnet sind.
Ebenso ist es bevorzugt, wenn auf der Unterseite des Trägersubstrats mindestens zwei elektrisch miteinander verschaltete untere Solarzellen angeordnet sind. Die unteren Solarzellen können dabei in Serie geschaltet sein, parallel geschaltet sein oder ein Teil der unteren Solarzellen in Serie und ein Teil der unteren Solarzellen parallel geschaltet sein. Eine Verschaltung der unteren Solarzellen kann beispielsweise wie in der oben genannten US 2005/0272263 A1 erfolgen.
Dabei sind vorzugsweise auch die mindestens zwei unteren Solarzellen parallel zur Ebene des Trägersubstrats gesehen aufeinander gestapelt angeordnet und/oder nebeneinander angeordnet. Es kann sich demnach auch hier um eine Anordnung handeln, bei der auf der Unterseite des Trägersubstrats photovoltaische Multi-Junction-Zellen, beispielsweise wie in der oben genannten DE 103 26 547 A1 gezeigt, angeordnet sind.
Auch eine elektrische Verschaltung von oberen und unteren Solarzellen ist möglich, wobei das Trägersubstrat mit einer durchgehenden Öffnung, einem so genannten Via, versehen wird, welches mit einem elektrisch leitenden Material gefüllt wird, das eine elektrisch leitende Verbindung zwischen einer Elektrodenschicht der mindestens einen oberen Solarzelle und einer Elektrodenschicht der mindestens einen unteren Solarzelle ausbildet. Dies kann auch durch ein Zusammennähen von Elektrodenschichten auf der Unterseite und der Oberseite des Trägersubstrats mit einem elektrisch leitfähigen Faden oder eine andere Vorgehensweise erfolgen.
Auf der Oberseite und/oder der Unterseite des Trägersubstrats sind insbesondere einzelne Solarzellen und/oder Multi-Junction-Zellen, insbesondere elektrisch miteinander verschaltet, angeordnet.
Je nachdem, von welcher Seite Licht auf das Solarzellenmodul fällt, muss/müssen dabei generell zumindest die, dem Lichteinfall zugewandte(n) Solarzelle(n) lichtdurchlässig ausgebildet sein, damit die in Lichteinfallsrichtung gesehen danach und insbesondere auch die zuletzt angeordnete Solarzelle ebenfalls noch mit Licht versorgt wird. Erfolgt der Lichteinfall beispielsweise auf Seiten der oberen Solarzelle(n) und sind die mindestens eine obere und die mindestens eine untere Solarzelle senkrecht zur Ebene des Trägersubstrats gesehen deckungsgleich hintereinander angeordnet, so ist die mindestens eine obere Solarzelle lichtdurchlässig auszugestalten. Erfolgt der Lichteinfall beispielsweise auf Seiten der oberen Solarzelle(n) und ist die mindestens eine obere Solarzelle als mindestens eine obere Multi-Junction-Zelle ausgebildet, wobei senkrecht zur Ebene des Trägersubstrats gesehen die mindestens eine obere Multi-Junction-Zelle und die mindestens eine untere Solarzelle deckungsgleich hintereinander angeordnet sind, so ist die obere Multi-Junction-Zelle lichtdurchlässig auszugestalten. Erfolgt der Lichteinfall beispielsweise auf Seiten der unteren Solarzelle(n) und ist die mindestens eine obere Solarzelle als mindestens eine obere Multi-Junction-Zelle ausgebildet, wobei senkrecht zur Ebene des Trägersubstrats gesehen die mindestens eine obere Multi-Junction-Zelle und die mindestens eine untere Solarzelle deckungsgleich hintereinander angeordnet sind, so sind die untere Solarzelle und zumindest die Solarzellen der oberen Multi-Junction-Zelle lichtdurchlässig auszugestalten, die in Richtung des Lichteinfalls gesehen eine weitere Solarzelle bedecken, usw.
Es hat sich bewährt, wenn die mindestens eine obere Solarzelle und die mindestens eine untere Solarzelle jeweils mindestens eine photovoltaisch aktive organische Halbleiterschicht aufweisen, deren spektrale Empfindlichkeit unterschiedlich ist. Insbesondere hat es sich auch bewährt, wenn mindestens zwei obere Solarzellen und/oder mindestens zwei untere Solarzellen jeweils mindestens eine photovoltaisch aktive organische Halbleiterschicht aufweisen, deren spektrale Empfindlichkeit unterschiedlich ist. So kann das an der jeweiligen Solarzelle zur Verfügung oder noch zu Verfügung stehende Lichtspektrum, insbesondere bei optisch in Reihe geschalteten Solarzellen, gezielter ausgenutzt werden.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn die mindestens eine obere Solarzelle und die mindestens eine untere Solarzelle senkrecht zur Ebene des Trägersubstrats gesehen eine unterschiedliche Flächenausdehnung aufweisen.
Dabei können sich die mindestens eine obere und die mindestens eine untere Solarzelle senkrecht zur Ebene des Trägersubstrats gesehen weiterhin in ihrer Kontur und/oder Breite unterscheiden. Auf diese Weise ist bei gleichem Solarzellenaufbau eine weitere Gestaltungsmöglichkeit gegeben. Eine unterschiedliche Breite der Solarzellen kann beispielsweise vorgesehen sein, um Solarzellen mit unterschiedlichen photovoltaisch aktiven Halbleiterschichten in ihren elektrischen Werten, wie z. B. hinsichtlich des Innenwiderstands, anzugleichen. Eine streifenförmige Ausgestaltung der mindestens einen oberen und/oder der mindestens einen unteren Solarzelle ist bevorzugt. Dabei kann die Längsrichtung der streifenförmigen mindestens einen oberen Solarzelle zur Längsrichtung der streifenförmigen mindestens einen unteren Solarzelle parallel oder senkrecht ausgerichtet sein, oder in einem beliebigen Winkel ausgerichtet sein. Auch eine spiegelbildliche Anordnung von oberen und unteren Solarzellen, wobei das Trägersubstrat die Spiegelebene bildet, hat sich bewährt.
Das lichtdurchlässige Trägersubstrat ist vorzugsweise aus Glas oder Kunststoff, insbesondere aus PET, PEN oder PVC, gebildet. Das Trägersubstrat ist dabei zumindest in den Bereichen, in denen Licht durch das Trägersubstrat hindurch zu einer Solarzelle gelangen können muss, lichtdurchlässig. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Trägersubstrat eine Schichtdicke im Bereich von 6 μm bis 1 mm, insbesondere im Bereich von 12 μm bis 150 μm, aufweist. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung flexibler bzw. biegsamer Trägersubstrate, beispielsweise in Form von Kunststofffolien oder Laminaten, die in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren schnell und kostengünstig verarbeitet werden können. Vorzugsweise ist das Trägersubstrat nicht nur lichtdurchlässig, sondern auch transparent bzw. durchsichtig ausgebildet. Aber auch ein semitransparentes lichtdurchlässiges Trägersubstrat ist verwendbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass das Trägersubstrat bereichsweise oder vollflächig uneben und/oder mit unebener Oberseite und/oder Unterseite ausgebildet ist. Auf diese Weise verfügt das Trägersubstrat über eine größere Oberfläche als ein ebenes bzw. nicht verformtes Trägersubstrat, so dass zur Energiegewinnung eine größere effektive Fläche zur Verfügung steht. Das Trägersubstrat kann so ausgebildet sein, dass die oberen und unteren Solarzellen nicht parallel, sondern in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind, indem sie der Oberseite und der Unterseite des Trägersubstrats folgen, wobei die Oberseite und die Unterseite im Querschnitt des Trägersubstrats gesehen – zumindest lokal – nicht parallel, sondern zueinander angewinkelt ausgerichtet sind.
Weiter kann vorgesehen sein, dass das Trägersubstrat eine Färbung aufweist. Die Färbung kann beispielsweise dekorative Zwecke erfüllen, etwa zur künstlerischen Gestaltung von Fensterflächen verwendet werden, oder zur Lichtfilterung vorgesehen sein.
Das Trägersubstrat kann aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein, die sich unterschiedlich verhalten, beispielsweise die sich bei Temperatureinwirkung unterschiedlich stark ausdehnen oder eindirektional oder bidirektional schrumpfen, die unterschiedlich transmissiv für das einfallende Licht sind, die bei Lichteinfall eine Farbreaktion zeigen, usw..
Weiterhin kann das Trägersubstrat elektrische Bauelemente oder Komponenten, wie eine Flüssigkristallschicht, eine Antenne oder einen IC-Chip, beispielsweise zum Aufbau eines RFID-tags, aufweisen.
Folgender Aufbau einer oberen und/oder unteren Solarzelle hat sich besonders bewährt. Die Solarzelle weist dabei in dieser Reihenfolge ausgehend vom Trägersubstrat mindestens die eine zweite Elektrodenschicht, mindestens die eine photovoltaisch aktive organische Halbleiterschicht und die mindestens eine erste Elektrodenschicht auf. Weitere Schichten, wie die nachfolgend erwähnten Funktions- oder Blocker-Schichten, können vorhanden sein.
Die mindestens eine obere Solarzelle und/oder die mindestens eine untere Solarzelle weist weiterhin insbesondere mindestens eine, die Effizienz der jeweiligen und/oder jeweils anderen Solarzelle erhöhende lichtdurchlässige, insbesondere transparente, Funktionsschicht auf.
Ein Solarzellenmodul und/oder eine Solarzelle weist dabei insbesondere mindestens eine die Effizienz der Solarzelle erhöhende lichtdurchlässige, insbesondere transparente, organische Funktionsschicht auf, die lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel aufweist, welche senkrecht zur mindestens einen Halbleiterschicht gesehen überlappend mit und/oder neben dieser angeordnet sind.
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 insbesondere in der mindestens einen photovoltaisch aktiven organischen Halbleiterschicht der Solarzelle 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 mindestens einen photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht im günstigsten Fall vollständig verhindert werden kann. Lichtstreuende Partikel, die senkrecht zur mindestens einen photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht gesehen neben dieser bzw. nicht mit dieser überlappend angeordnet sind, dienen dazu, das Licht, das die photovoltaisch aktive Halbleiterschicht verfehlt hätte und ungenutzt geblieben wäre, in Richtung der photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht der Solarzelle umzulenken. Das auf und/oder neben der Solarzelle auftreffende Licht wird somit besser genutzt und dadurch die Effizienz der Solarzelle 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 photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht 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 photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht 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/oder neben der Solarzelle auftreffende Licht wird somit besser verwertet und dadurch die Effizienz der Solarzelle erhöht.
Als lumineszierende Partikel können fluoreszierende Partikel oder phosphoreszierende Partikel eingesetzt werden, wobei auch eine Kombination aus diesen verwendbar ist.
Alternativ oder in Kombination dazu weist ein Solarzellenmodul und/oder eine Solarzelle insbesondere mindestens eine die Effizienz der Solarzelle erhöhende lichtdurchlässige, insbesondere transparente, organische oder anorganische Funktionsschicht auf, die auf einer Seite des Solarzellenmoduls angeordnet ist, die zum einfallenden Licht zeigt und die einen Brechungsindex aufweist, der zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex der unmittelbar daran angrenzenden Schicht des Solarzellenmoduls liegt.
Wird eine derartige organische oder anorganische Funktionsschicht auf der Lichteinfallseite des Solarzellenmoduls eingesetzt, so wird erreicht, dass die Reflektion des Lichtes beim Auftreffen auf das Solarzellenmodul vermindert wird. Es tritt mehr Licht über die Grenzfläche zwischen Luft und Solarzellenmodul in die Solarzellen über, als ohne diese Maßnahme. Vormals an der Grenzfläche reflektiertes Licht, das ungenutzt von dem Solarzellenmodul abgelenkt wurde, steht nun größtenteils zur Energiegewinnung zur Verfügung, wobei die Effizienz des Solarzellenmoduls 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.
Alternativ oder in Kombination zu einer Funktionsschicht enthaltend lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel und/oder einer Funktionsschicht mit definiertem Brechungsindex weist das Solarzellenmodul und/oder eine Solarzelle insbesondere mindestens eine die Effizienz der Solarzelle erhöhende lichtdurchlässige, insbesondere transparente, organische oder anorganische Funktionsschicht auf, die mindestens eine 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. Durch eine derartige organische oder anorganische Funktionsschicht tritt mehr Licht über die Grenzfläche zwischen Luft und Solarzellenmodul 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 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 lc usw., wobei die Werte 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 lc 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 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 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 aufeinander folgenden 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 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, sodass 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 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 Reliefstrukturen eingeprägt werden.
Organische oder anorganische Funktionsschichten, deren Brechungsindizes definiert eingestellt werden müssen, 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 der zur Lichteinfallsseite gewandten Schicht des Solarzellenmoduls 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 mindestens eine obere und die mindestens eine untere Solarzelle sind bevorzugt aus gleichen Materialien aufgebaut, können aber auch aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein. So können sich die Materialien zur Bildung der ersten Elektrodenschichten und/oder der zweiten Elektrodenschichten und/oder der photovoltaisch aktiven Halbleiterschichten unterscheiden. Bei mehreren oberen Solarzellen und/oder mehreren unteren Solarzellen können sich die Materialien zur Bildung der ersten Elektrodenschichten und/oder der zweiten Elektrodenschichten und/oder der photovoltaisch aktiven Halbleiterschichten auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite des Trägersubstrats unterscheiden, wobei obere und/oder untere Solarzellen aus unterschiedlichen Materialien, gegebenenfalls zudem mit unterschiedlichem Aufbau oder unterschiedlicher elektrischer Verschaltung, vorhanden sein können.
Es hat sich bewährt, wenn die mindestens eine photovoltaisch aktive Halbleiterschicht eine organische Halbleiterschicht ist, die durch mindestens zwei organische Halbleitermaterialien gebildet ist, indem ein Komposit aus mindestens einem Elektronen-Donator und mindestens einem Elektronen-Akzeptor, insbesondere in einem Verhältnis von 2:0,5 bis 0,5:2, bevorzugt im Verhältnis von 1:0,9 bis 1:1, gebildet ist. Vorzugsweise ist der mindestens eine Elektronen-Donator aus einem Polythiophen, insbesondere aus Poly(3-Hexylthiophen) (P3HT), oder aus MDMO-PPV[poly(2-methoxy-5-(3-,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenvinylen] gebildet und der mindestens eine Elektronen-Akzeptor aus Fullerenen, wie C₆₀, oder einem Fullerenderivat, insbesondere aus PCBM ([6,6]-phenyl-C₆₁-butric acid methyl ester) gebildet.
Weiter kann die photovoltaisch aktive Halbleiterschicht auch aus zwei übereinander angeordneten, insbesondere organischen, Teilschichten aufgebaut sein, die jedoch als sehr dünne Teilschichten ausgebildet sein müssen, um unerwünschte Rekombinationen der Ladungsträger zu reduzieren und den Widerstand in Richtung der Flächennormalen nicht unnötig zu erhöhen. Werden die organischen Teilschichten sehr dünn ausgebildet, dann kann die Kurzschlussfestigkeit einer aus organischen Teilschichten aufgebauten photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht geringer sein als der einer photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht von etwa 100 nm Dicke aus organischem Kompositmaterial.
Bei der aus zwei übereinander angeordneten Teilschichten ausgebildeten photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht ist vorzusehen, dass bei zueinander invertierten photovoltaischen Zellen die Orientierung der photovoltaisch aktiven Halbleiterschichten invertiert ist, d. h. dass die Schichtenabfolge der beiden Teilschichten invertiert ist und somit auch alterniert. Es handelt sich bei der aus zwei Teilschichten ausgebildeten photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht um eine polarisierte Funktionsschicht und bei der aus Kompositmaterial ausgebildeten photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht um eine unpolarisierte Funktionsschicht der Solarzelle bzw. um eine Schicht, die auch als „Bulk-Hetero-Junction” bezeichnet wird. Die photovoltaisch aktive Halbleiterschicht kann auch einen Matrixaufbau aufweisen.
Eine Elektrodenschicht zum Aufbau einer Solarzelle kann aus einem Metall, insbesondere aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel oder Legierungen aus mindestens zwei dieser Metalle gebildet sein und kann dabei, je nach Schichtdicke, opak oder lichtdurchlässig, insbesondere semitransparent oder transparent, ausgebildet sein. Eine Elektrodenschicht aus einem Material mit Eigenfarbe wie beispielsweise Gold wird dabei insbesondere in einer geringeren Schichtdicke oder als Gitterstruktur ausgebildet, um ausreichend lichtdurchlässig zu sein. Dabei wird eine Gitterstruktur hier als semitransparent bezeichnet, da diese sowohl opake als auch transparente Bereiche aufweist, jedoch überwiegend transparent erscheint. Es hat sich weiterhin bewährt, wenn eine lichtdurchlässige Elektrodenschicht aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder IMI (ITO-Metall-ITO) gebildet wird. Dieses wird üblicherweise durch Kathodenzerstäubung abgeschieden. Aber auch dotiertes Polyethylen, Polyanilin, organische Halbleiter, nanopartikuläre Lösungen und so weiter sind zur Bildung einer Elektrodenschicht verwendbar. Organische Elektrodenschichten können besonders einfach durch einen Druckprozess aufgebracht werden, so dass organische Elektrodenschichten gegenüber metallischen Elektrodenschichten bevorzugt sind.
Zwischen einer Elektrodenschicht und der mindestens einen photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht einer Solarzelle kann mindestens eine Lochblocker-Schicht, insbesondere aus TiO_x mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 bis 50 nm angeordnet werden, welche die elektrische Ableitung von Ladungen verbessert. Auf der Seite der photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht, welche der mindestens einen 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. Bevorzugt ist die Elektronenblocker-Schicht aus PEDOT/PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate)), mit einer Schichtdicke im Bereich von 50 bis 150 nm gebildet.
Weil die Art der Blocker-Schichten die Polarität einer Solarzelle bestimmen kann, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zur Bildung der ersten und der zweiten Elektrodenschicht das gleiche Material verwendet wird. In diesem Fall kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, auch die elektrisch leitenden Verbindungen zwischen zwei Solarzellen aus dem Material der Elektrodenschichten auszubilden, woraus ein besonders einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen Solarzellenmoduls folgt.
Die beiden Blockerschichten können mit den Elektrodenschichten eine Einheit bilden und/oder zugleich weitere Funktionen in einer Solarzelle übernehmen, zum Beispiel als Benetzungshilfe oder/und als Barriere vorgesehen sein. Wenn die erste Elektrodenschicht beispielsweise aus ITO gebildet ist, kann zwischen der ersten Elektrodenschicht und der photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht beispielsweise eine PEDOT/PSS-Schicht angeordnet sein. Die PEDOT/PSS-Schicht bildet die Elektronenblocker-Schicht und verbessert weiterhin die Benetzung der Elektrodenschicht mit der photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht, da die Oberflächenspannung der getrockneten PEDOT/PSS-Schicht, beispielsweise im Bereich von 40 mN/m, sehr viel größer als die Oberflächenspannung einer aufgebrachten Lösung zur Bildung einer photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht ist. Wenn die zweite Elektrodenschicht beispielsweise als eine aufgedampfte Silberschicht ausgebildet ist, dann kann eine auf die photovoltaisch aktive Halbleiterschicht aufgetragene PEDOT/PSS-Schicht als eine Barriere für die beim Bedampfen auftreffenden Silberatome wirken und die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen und/oder Fehlkontakten in der Solarzelle verringern.
Es ist bevorzugt, beide Blocker-Schichten in gleicher Schichtdicke auszubilden. Aber auch eine Ausbildung in unterschiedlichen Schichtdicken ist möglich, um eine Anpassung an die Funktionalität der jeweils angrenzenden photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht zu erreichen.
Die erste Elektrodenschicht wird beispielsweise aus einer transparenten Indiumzinnoxid-Schicht (ITO) mit einer Schichtdicke im Bereich von 40 bis 150 nm oder aus einem ITO-Metall-ITO-Verbund (IMI) mit einer Gesamtschichtdicke von 40 nm ausgebildet. Die zweite Elektrodenschicht wird beispielsweise aus einer semitransparenten oder transparenten metallischen Schicht, vorzugsweise aus Ag oder Au mit einer Schichtdicke im Bereich von 70 bis 120 nm oder aus Cr und Au mit einer Gesamtschichtdicke im Bereich von 70 bis 120 nm ausgebildet, wobei die Cr-Schicht als Haftvermittler dient und eine Schichtdicke von beispielsweise ca. 3 nm aufweist. ITO bildet eine Anode, wenn auf die ITO-Schicht die Elektronenblocker-Schicht aufgebracht wird. Wenn auf die ITO-Schicht die Lochblocker-Schicht aufgebracht wird, dann bildet die ITO-Schicht eine Kathode.
Besonders bevorzugt ist es, wenn eine Solarzelle mindestens eine Funktionsschicht aufweist, die mindestens eine diffraktive und/oder refraktive weitere Reliefstruktur aufweist, welche senkrecht zur Ebene der mindestens einen photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht gesehen überlappend mit und/oder neben dieser/diesen angeordnet ist. Durch die weitere Reliefstruktur ist es möglich, Licht gezielt in Richtung der mindestens einen photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht oder in Bereiche dieser abzulenken, zu fokussieren oder zurückzuwerfen, so dass eine weitere Erhöhung der Effizienz der Solarzelle resultiert. Die weitere Reliefstruktur kann aber auch lediglich dekorativen Zwecken dienen, um beispielsweise ein optisch variables Element, wie ein Hologramm, zu erzeugen. Auch eine Kombination aus Licht lenkenden weiteren Reliefstrukturen und zu dekorativen Zwecken dienenden weiteren Reliefstrukturen ist möglich.
Besonders bewährt hat es sich, wenn die mindestens eine weitere 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 beispielsweise eine opake reflektierende Funktionsschicht mit mindestens einer weiteren Reliefstruktur auf der, der Lichteinfallseite abgewandten Seite des Solarzellenmoduls angeordnet sein.
Zum Schutz des Solarzellenmoduls vor mechanischen oder chemischen Einflüssen hat es sich bewährt, wenn die mindestens eine obere Solarzelle und/oder die mindestens eine untere Solarzelle auf ihrer, dem Trägersubstrat abgewandten Seite eine lichtdurchlässige, insbesondere transparente, Verkapselungsschicht aufweist. 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.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Solarzellenmodul gebildet, indem die mindestens eine obere organische Solarzelle und die mindestens eine untere organische Solarzelle auf das Trägersubstrat gedruckt werden. Dies kann schnell und kostengünstig erfolgen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Solarzellenmodul gebildet, indem die mindestens eine photovoltaisch aktive organische Halbleiterschicht der mindestens einen oberen Solarzelle und der mindestens einen unteren Solarzelle gedruckt werden.
Insbesondere werden die mindestens eine obere organische Solarzelle und die mindestens eine untere organische Solarzelle in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf einem flexiblen Trägersubstrat, insbesondere aus Kunststofffolie, gebildet. Die Verwendung eines Trägersubstrats aus einer flexiblen Kunststofffolie ermöglicht die Bildung biegsamer Solarzellenmodule, da die Funktionsschichten der Solarzellen üblicherweise eine sehr viel geringere Schichtdicke als das Trägersubstrat aufweisen und dessen Biegsamkeit nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigen. Auf einem derartigen Trägersubstrat lassen sich die Funktionsschichten einer Solarzelle ohne weiteres in einem kontinuierlichen Druck-Verfahren aufbringen. Dabei sind aufeinander folgende Aufträge von Funktionsschichtmaterialien vorgesehen, wobei jede der zu bildenden Funktionsschichten den Anforderungen entsprechend strukturiert, d. h. musterförmig ausgebildet werden kann. Im Rolle-zu-Rolle-Verfahren können strukturierte Funktionsschichten registergenau aufgedruckt werden, ggf. in mehreren Durchgängen. Als Druckverfahren können beispielsweise Tiefdruck, Tintenstrahldruck oder Rakeln vorgesehen sein.
Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Funktionsschicht zunächst vollflächig aufgetragen wird und sodann strukturiert wird, beispielsweise durch Ätzen, ein Lift-Off-Verfahren, ein Prägeverfahren, Laserablation usw..
Dabei wird das Trägersubstrat 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..
Sofern eine elektrisch isolierende Trennschicht zwischen benachbarten Solarzellen vorgesehen ist, kann diese beispielsweise durch Rakeln aufgebracht werden. Sie füllt dabei die Zwischenräume zwischen den Solarzellen auf, wobei die Konturen der Trennschicht durch die Randkonturen der Solarzellen bestimmt sind. Es sind also keine Maßnahmen zum passergenauen Auftrag zu ergreifen.
Bevorzugt erfolgt zuerst eine Bildung der mindestens einen oberen Solarzelle auf der Oberseite des Trägersubstrats und anschließend eine Bildung der mindestens einen unteren Solarzelle auf der Unterseite des Trägersubstrats. Dabei wird die mindestens eine obere Solarzelle komplett ausgebildet, bevor die mindestens eine untere Solarzelle gebildet wird.
Es ist aber genauso möglich, dass eine Bildung der mindestens einen oberen Solarzelle auf der Oberseite des Trägersubstrats und eine Bildung der mindestens einen unteren Solarzelle auf der Unterseite des Trägersubstrats gleichzeitig erfolgt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die oberen und unteren Solarzellen deckungsgleich angeordnet sind und die Funktionsschichten zum Aufbau der Solarzellen bevorzugt gleiche Dimensionen aufweisen, vorzugsweise auch gleiche Zusammensetzung.
Die Bildung gleicher Funktionsschichten der oberen und unteren Solarzellen auf dem Trägersubstrat wird bevorzugt in einem Maschinendurchlauf durchgeführt, indem das Trägersubstrat über eine Wendeeinrichtung geführt wird. Aber auch spezielle Druck- und Auftragsverfahren sind dafür einsetzbar.
Es hat sich bewährt, wenn die Oberseite und/oder die Unterseite des Trägersubstrats mit mindestens einer Positionsmarkierung versehen wird und eine Positionierung der mindestens einen unteren, oder mindestens einen oberen, Solarzelle lagegenau zur mindestens einen oberen, oder unteren Solarzelle mittels einer Ausrichtung der mindestens einen unteren, oder oberen, Solarzelle an der mindestens einen Positionsmarkierung erfolgt.
Die mindestens eine Positionsmarkierung wird bevorzugt auf das Trägersubstrat gedruckt. Es kann aber auch eine lokale Verformung des Trägersubstrats, beispielsweise durch Prägen, oder eine lokale Verfärbung des Trägersubstrats, beispielsweise mittels Laserbestrahlung, zur Ausbildung einer Positionsmarkierung erfolgen.
Es ist bevorzugt, wenn das Solarzellenmodul als eine Laminierfolie ausgebildet ist, die auf Gegenstände auflaminiert werden kann, oder wenn das Solarzellenmodul als eine, in einem Inmold-Verfahren hinterspritzbare Folie ausgebildet ist, wobei dreidimensionale spritzgegossene Gegenstände ausgebildet werden.
Das erfindungsgemäß hergestellte Solarzellenmodul kann also auch als Halbzeug eingesetzt werden, um Endprodukte herzustellen, die neben ihrem eigentlichen Haupteinsatzzweck weiterhin zur umweltfreundlichen Energiegewinnung einsetzbar sind. Es können beispielsweise Fahrzeugkarosserien, Wetter-Ballons und Verkehrsleiteinrichtungen mit Solarzellenmodulen ausgestattet werden.
Die 1a bis 2 sollen ein erfindungsgemäß hergestelltes Solarzellenmodul und dessen Herstellung beispielhaft und im Querschnitt gesehen erläutern. So zeigt:
1a die Bildung einer ersten Elektrodenschicht auf einem Trägersubstrat;
1b die Bildung einer Lochblocker-Schicht auf der ersten Elektrodenschicht;
1c die Bildung einer photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht auf der Lochblocker-Schicht;
1d die Bildung einer Elektronenblocker-Schicht auf der photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht;
1e die Bildung einer elektrisch isolierenden Schicht;
1f ein erstes Solarzellenmodul;
1g ein zweites Solarzellenmodul und
2 ein drittes Solarzellenmodul.
1a zeigt ein lichtdurchlässiges, transparentes Trägersubstrat 1 aus PET in einer Dicke von 23 μm im Querschnitt. Auf der Oberseite 1a des Trägersubstrats 1 werden nebeneinander angeordnete, elektrisch in Serie geschaltete obere Solarzellen 100a, 101a, 102a, 103a (siehe 1g) aufgebaut, indem nacheinander Funktionsschicht für Funktionsschicht der oberen Solarzellen 100a, 101a, 102a, 103a, gebildet wird. Auf der Unterseite 1b des Trägersubstrats 1 werden nebeneinander angeordnete, elektrisch in Serie geschaltete untere Solarzellen 100b, 101b, 102b, 103b (siehe 1g) aufgebaut, indem nacheinander Funktionsschicht für Funktionsschicht der unteren Solarzellen 100b, 101b, 102b, 103b, gebildet wird. Dabei werden als Funktionsschichten einer jeden Solarzelle eine erste Elektrodenschicht, eine Lochblockerschicht, eine organische photovoltaisch aktive Halbleiterschicht bestehend aus Elektronen-Donatoren und Elektronen-Akzeptoren, eine Elektrodenblocker-Schicht und eine zweite Elektrodenschicht gebildet. Zudem sind weitere Funktionsschichten in Form von elektrisch isolierenden Schichten, Kleberschichten und Verkapselungsschichten vorgesehen.
Zur Bildung der oberen Solarzellen 100a, 101a, 102a, 103a auf der Oberseite 1a des Trägersubstrats 1 wird zuerst eine musterförmige transparente obere erste Elektrodenschicht 2a aus IMI in einer Gesamtschichtdicke von 60 nm durch Sputtern ausgebildet. Die obere erste Elektrodenschicht 2a kann dabei über eine Maske musterförmig auf dem Trägersubstrat 1 abgeschieden werden oder alternativ dazu vollflächig aufgebracht und anschließend partiell entfernt werden, beispielsweise mittels Laserablation oder Ätzen.
Zur Bildung der unteren Solarzellen 100b, 101b, 102b, 103b auf der Unterseite 1b des Trägersubstrats 1 wird eine musterförmige transparente untere erste Elektrodenschicht 2b aus IMI in einer Gesamtschichtdicke von 60 nm durch Sputtern ausgebildet. Die untere erste Elektrodenschicht 2b kann dabei über eine Maske musterförmig auf dem Trägersubstrat 1 abgeschieden werden oder alternativ dazu vollflächig aufgebracht und anschließend partiell entfernt werden, beispielsweise mittels Laserablation oder Ätzen.
Die obere und/oder untere erste Elektrodenschicht 2a, 2b kann weiterhin als organische Funktionsschicht ausgebildet sein, die durch musterförmiges Aufdrucken einer Lösung enthaltend organisches, elektrisch leitendes Material und anschließendes Trocknen gebildet wird. Die obere wie auch die untere erste Elektrodenschicht 2a, 2b sind hier semitransparent oder transparent auszubilden.
Die Verfahrensschritte zur Bildung der oberen ersten Elektrodenschicht 2a und zur Bildung der unteren ersten Elektrodenschicht 2b auf dem Trägersubstrat 1 können entweder gleichzeitig oder nacheinander erfolgen.
1b zeigt im Querschnitt den Schichtaufbau aus 1a, wobei gleichzeitig oder nacheinander die Bildung einer musterförmigen oberen Lochblocker-Schicht 3a auf der oberen ersten Elektrodenschicht 2a erfolgt und einer musterförmigen unteren Lochblocker-Schicht 3b auf der unteren ersten Elektrodenschicht 2b erfolgt. Die Lochblocker-Schichten 3a, 3b sind aus TiOx in einer Schichtdicke von 30 nm ausgebildet. Die Lochblocker-Schichten 3a, 3b werden entweder durch Sputtern oder durch Abscheiden aus einer Lösung gebildet.
1c zeigt im Querschnitt den Schichtaufbau aus 1b, wobei gleichzeitig oder nacheinander die Bildung einer musterförmigen oberen organischen photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht 4a auf der oberen Lochblocker-Schicht 38 und einer musterförmigen unteren organischen photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht 4b auf der unteren Lochblocker-Schicht 3b erfolgt. Die obere organische photovoltaisch aktive Halbleiterschicht 4a ist aus einem Kompositmaterial gebildet, das P3HT (Poly(3-Hexylthiophene)) und PC₇₀BM ([6,6]-phenyl-C₇₁ butyric acid methyl ester) im Verhältnis 1:1,2 enthält.
Die untere organische photovoltaisch aktive Halbleiterschicht 4b ist aus einem Kompositmaterial gebildet, das PCPDTBT (poly[2,6-(4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]) und PCBM ([6,6]-phenyl-C₆₁ butyric acid methyl ester) im Verhältnis 0,8:1,1 enthält.
Beide photovoltaisch aktiven Halbleiterschichten 4a, 4b werden im Tiefdruck gebildet, wobei jeweils eine Lösung enthaltend das entsprechende Kompositmaterial verdruckt und anschließend getrocknet wird. Auch andere Verfahren zur Bildung der Halbleiterschicht(en), die ohne Lösungen auskommen, wie z. B. Sublimationsverfahren, sind verwendbar.
Alternativ können auch andere Materialien, Materialkomposite und Materialkonzentrationen zur Bildung der photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht(en) eingesetzt werden. Weiterhin können die photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht(en) der oberen und unteren Solarzelle(n) gleiche oder unterschiedliche Schichtdicke aufweisen.
1d zeigt im Querschnitt den Schichtaufbau aus 1c, wobei gleichzeitig oder nacheinander die Bildung einer oberen Elektronenblocker-Schicht 5a auf der oberen photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht 4a und die Bildung einer unteren Elektronenblocker-Schicht 5b auf der unteren photovoltaisch aktiven Halbleiterschicht 4b erfolgt. Die Elektronenblocker-Schichten 5a, 5b sind aus PEDOT/PSS in einer Schichtdicke von 70 nm ausgebildet. Die Elektronenblocker-Schichten 5a, 5b werden durch musterförmiges Verdrucken einer Lösung enthaltend PEDOT/PSS und anschließendes Trocknen gebildet.
1e zeigt im Querschnitt den Schichtaufbau aus 1d, wobei gleichzeitig oder nacheinander die Bildung einer oberen elektrisch isolierenden Schicht 6a auf der Oberseite 1a des Trägersubstrats 1 und einer unteren elektrisch isolierenden Schicht 6b auf der Unterseite 1b des Trägersubstrats 1 erfolgt, wobei die elektrisch isolierenden Schichten 6a, 6b aus einem Lack gebildet werden, der auf Acrylaten und PVC basiert. Dabei wird die obere elektrisch isolierende Schicht 6a so angeordnet, dass diese die von der oberen ersten Elektrodenschicht 2a freien Bereiche der Oberseite 1a des Trägersubstrats 1 bedecken. Die untere elektrisch isolierende Schicht 6b wird so angeordnet, dass diese die, von der unteren ersten Elektrodenschicht 2b freien Bereiche der Unterseite 1b des Trägersubstrats 1 bedecken. Die Schichtdicke der oberen bzw. unteren elektrisch leitenden Schicht 6a, 6b ist so gewählt, dass die dem Trägersubstrat 1 abgewandte Seite der jeweils angrenzenden oberen bzw. unteren Elektronenblocker-Schicht 5a, 5b mit der, dem Trägersubstrat abgewandten Seite der oberen bzw. unteren elektrisch leitenden Schicht 6a, 6b eine Ebene bildet.
1f zeigt im Querschnitt ein erstes Solarzellenmodul 200, das gebildet wird, indem der Schichtaufbau gemäß 1e um eine musterförmige lichtdurchlässige transparente obere zweite Elektrodenschicht 7a und eine musterförmige lichtdurchlässige transparente untere zweite Elektrodenschicht 7b mittels Siebdrucks einer Silberleitpaste ergänzt wird. Alternativ kann eine der zweiten Elektrodenschichten 7a, 7b lichtundurchlässig ausgebildet werden. Der Schichtaufbau aus 1e wird gleichzeitig oder nacheinander mit der oberen zweiten Elektrodenschicht 7a auf der Oberseite 1a des Trägersubstrats 1 und der unteren zweiten Elektrodenschicht 7b auf der Unterseite 1b des Trägersubstrats 1 vervollständigt, wobei die obere zweite Elektrodenschicht 7a eine elektrisch leitende Verbindung zu der jeweils benachbart angeordneten oberen ersten Elektrodenschicht 2a ausbildet und die untere zweite Elektrodenschicht 7b eine elektrisch leitende Verbindung zu der jeweils benachbart angeordneten unteren ersten Elektrodenschicht 2b ausbildet. Das Solarzellenmodul 200 weist somit auf der Oberseite 1a des Trägersubstrats 1 die oberen Solarzellen 100a, 101a, 102a, 103a und auf der Unterseite 1b des Trägersubstrats 1 die unteren Solarzellen 100b, 101b, 102b, 103b auf. Dabei sind die oberen Solarzellen 100a, 101a, 102a, 103a mittels der oberen zweiten Elektrodenschicht 7a in Serie geschaltet und die unteren Solarzellen 100b, 101b, 102b, 103b mittels der unteren zweiten Elektrodenschicht 7b in Serie geschaltet.
1g zeigt im Querschnitt ein zweites Solarzellenmodul 201 mit einem Schichtaufbau gemäß 1f. Zusätzlich ist eine lichtdurchlässige, transparente obere Kleberschicht 8a aus einem Acrylatgemisch und eine obere Verkapselungsschicht 9a aus lichtdurchlässigem transparentem PET aufgebracht, welche die oberen Solarzellen 100a, 101a, 102a, 103a abdecken und vor schädlichen Umwelteinflüssen schützen. Weiterhin ist eine lichtdurchlässige, transparente untere Kleberschicht 8b aus einem Acrylatgemisch und eine untere Verkapselungsschicht 9b aus lichtdurchlässigem transparentem PET aufgebracht, welche die unteren Solarzellen 100b, 101b, 102b, 103b abdecken und vor schädlichen Umwelteinflüssen schützen. Die Verkapselungsschichten 9a, 9b sind auf ihrer dem Trägersubstrat 1 abgewandten Seite jeweils mit einer hier nicht gesondert dargestellten transparenten Funktionsschicht aus SiOx bedampft, die einen definierten Brechungsindex aufweist, der zwischen dem von Luft und dem der Verkapselungsschicht 9a, 9b liegt. Die Funktionsschicht aus SiOx vermindert die Reflektion des einfallenden Lichts an der Grenzfläche zwischen dem Solarzellenmodul 201 und der angrenzenden Luft und verbessert den Übergang von auf das Solarzellenmodul 201 fallendem Licht in das Solarzellenmodul, so dass mehr Licht zu den photovoltaisch aktiven Halbleiterschichten 4a, 4b gelangt und die Effizienz der Solarzellen 100a, 101a, 102a, 103a, 100b, 101b, 102b, 103b gesteigert wird.
2 zeigt ein drittes Solarzellenmodul 202, bei welchem auf der Oberseite des Trägersubstrats 1 die oberen Solarzellen 100a, 102a und auf der Unterseite des Trägersubstrats 1 die unteren Solarzellen 101b, 103b angeordnet sind. Die Schichten des Solarzellenmoduls entsprechen den in den 1a bis 1g bezeichneten. Die Anordnung der in Serie geschalteten oberen Solarzellen 100a, 102a und der in Serie geschalteten unteren Solarzellen 101b, 103b ist alternierend gewählt, wobei senkrecht zur Ebene des Trägersubstrats 1 gesehen die oberen Solarzellen 100a, 102a neben den unteren Solarzellen 101b, 103b angeordnet sind, ohne zu überlappen.
Die Verfahrensschritte zur Bildung der oberen Solarzellen 100a, 101a, 102a, 103a und zur Bildung der unteren Solarzellen 100b, 101b, 102b, 103b auf dem Trägersubstrat 1 können entweder gleichzeitig oder nacheinander erfolgen. So können die Funktionsschichten der oberen Solarzellen 100a, 101a, 102a, 103a abwechselnd mit Funktionsschichten der unteren Solarzellen 100b, 101b, 102b, 103b ausgebildet werden. Es können aber auch zuerst die oberen Solarzellen 100a, 101a, 102a, 103a vollständig ausgebildet werden und anschließend die unteren Solarzellen 100b, 101b, 102b, 103b ergänzt werden, oder umgekehrt. Jede der möglichen Vorgehensweisen besitzt eigene Vorteile, die abhängig vom Gesamtkonzept überwiegen können.
In den 1f, 1g und 2 wurde zur Vereinfachung auf die Darstellung von üblicherweise weiterhin vorhandenen, elektrisch leitenden Verbindungen, beispielsweise zur Verschaltung der Solarzellen, zum Abgreifen des bei Lichteinfall erzeugten elektrischen Stroms usw., verzichtet.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass unter Verwendung unterschiedlichster Solarzellen mit oder ohne Funktionsschichten enthaltend lichtstreuende und/oder lumineszierende Partikel und/oder aufweisend definierte Brechungsindices oder mindestens eine Reliefstruktur, gegebenenfalls auch weitere Reliefstrukturen, in einfacher Weise unterschiedlichste Variationen und Kombinationen von Einzel- und/oder Multizellen zum Aufbau eines Solarzellenmoduls gebildet werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenmoduls (200, 201, 202), welches ein schichtförmiges lichtdurchlässiges Trägersubstrat (1) und mindestens zwei, auf dem Trägersubstrat (1) angeordnete Solarzellen (100a, 100b) aufweist, wobei mindestens eine obere Solarzelle (100a) auf einer Oberseite (1a) des Trägersubstrats (1) angeordnet ist und mindestens eine untere Solarzelle (100b) auf einer Unterseite (1b) des Trägersubstrats (1) angeordnet ist, wobei die mindestens eine obere Solarzelle (100a) und die mindestens eine untere Solarzelle (100b) eine organische Solarzelle ist, wobei die mindestens eine obere Solarzelle (100a) und die mindestens eine untere Solarzelle (100b) jeweils mindestens eine lichtdurchlässige, insbesondere transparente, elektrisch leitende erste Elektrodenschicht (2a, 2b), mindestens eine photovoltaisch aktive, organische, Halbleiterschicht (4a, 4b) und mindestens eine lichtdurchlässige, insbesondere transparente, elektrisch leitende zweite Elektrodenschicht (7a, 7b) aufweisen, wobei die mindestens eine photovoltaisch aktive organische Halbleiterschicht (4a, 4b) zwischen der mindestens einen ersten Elektrodenschicht (2a, 2b) und der mindestens einen zweiten Elektrodenschicht (7a, 7b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten der mindestens einen oberen Solarzelle (100a) und der mindestens einen unteren Solarzelle (100b) auf das Trägersubstrat (1) gedruckt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Bildung der mindestens einen oberen Solarzelle (100a) auf der Oberseite (1a) des Trägersubstrats (1) und anschließend eine Bildung der mindestens einen unteren Solarzelle (100b) auf der Unterseite (1b) des Trägersubstrats (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bildung der mindestens einen oberen Solarzelle (100a) auf der Oberseite (1a) des Trägersubstrats (1) und eine Bildung der mindestens einen unteren Solarzelle (100b) auf der Unterseite (1b) des Trägersubstrats (1) gleichzeitig erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (1a) und/oder die Unterseite (1b) des Trägersubstrats (1) mit mindestens einer Positionsmarkierung versehen wird und dass eine Positionierung der mindestens einen unteren (100b), oder oberen (100a), Solarzelle lagegenau zur mindestens einen oberen (100a), oder unteren (100b), Solarzelle mittels einer Ausrichtung der mindestens einen unteren (100b), oder oberen (100a), Solarzelle an der mindestens einen Positionsmarkierung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Positionsmarkierung auf das Trägersubstrat (1) gedruckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine obere Solarzelle (100a) und die mindestens eine untere Solarzelle (100b) in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf dem flexibel ausgebildeten Trägersubstrat (1), insbesondere aus Kunststofffolie, gebildet werden.