DE102009033357B4 - coating system - Google Patents
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Abstract
Beschichtungssystem (1) für Oberflächen, insbesondere für Wände und/oder Dachoberflächen (2), das als Fotovoltaikmodul oder Solargenerator eingesetzt und zur Erzeugung von Energie dem Licht ausgesetzt wird, bestehend aus auf der Wand oder Dachoberfläche (2) aufgebrachtem Material, bestehend aus zumindest einer p-dotierten leitenden Halbleiterschicht (9) mit einer Grenzschicht (11), einer auf dieser aufgebrachten n-dotierten Halbleiterschicht (8), in der Leitelemente (5) eingebracht sind, und einer auf die n-dotierte Halbleiterschicht (8) aufgebrachten Isolierschicht, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Halbleiterschicht (9) unmittelbar auf die Wand oder Dachoberfläche (2) aufgebracht und mit dieser verbünden ist, wobei beide Halbleiterschichten (8, 9) aus einem Material gebildet sind, in das Halbleiterelemente eingebracht sind.Coating system (1) for surfaces, in particular for walls and / or roof surfaces (2), which is used as a photovoltaic module or solar generator and exposed to light for generating energy, consisting of on the wall or roof surface (2) applied material consisting of at least a p-doped conductive semiconductor layer (9) having a barrier layer (11), an n-doped semiconductor layer (8) deposited thereon, in which conductive elements (5) are introduced, and an insulating layer applied to the n-type semiconductor layer (8) , characterized in that at least one semiconductor layer (9) is applied directly to the wall or roof surface (2) and is connected thereto, wherein both semiconductor layers (8, 9) are formed from a material in which semiconductor elements are introduced.
Description
Die Erfindung betrifft ein Beschichtungssystem für Oberflächen, insbesondere für Wände und/oder Dachoberflächen, das als Fotovoltaikmodul oder Solargenerator eingesetzt und zur Erzeugung von Energie dem Licht ausgesetzt wird, bestehend aus auf der Wand oder Dachoberfläche aufgebrachtem Material, aus zumindest einer p-dotierten leitenden Halbleiterschicht mit einer Grenzschicht, einer auf dieser aufgebrachten n-dotierten Halbleiterschicht, in der Leitelemente eingebracht sind und einer auf die n-dotierte Halbleiterschicht aufgebrachten Isolierschicht.The invention relates to a coating system for surfaces, in particular for walls and / or roof surfaces, which is used as photovoltaic module or solar generator and exposed to the production of energy light, consisting of applied to the wall or roof surface material, at least one p-doped conductive semiconductor layer with an interface layer, an n-doped semiconductor layer applied thereto, in which conducting elements are introduced, and an insulating layer applied to the n-doped semiconductor layer.
Es sind bereits Solarmodule, Photovoltaikmodule oder Solargeneratoren allgemein bekannt, die das Licht der Sonne direkt in elektrische Energie umwandeln. Als wichtigste Bestandteile enthalten die Module mehrere Solarzellen.There are already known solar modules, photovoltaic modules or solar generators that convert the light of the sun directly into electrical energy. The most important components of the modules are several solar cells.
Solarmodule werden einzeln oder in Gruppen verschaltet in Fotovoltaikanlagen, kleinen Stromnetz unabhängigen Verbrauchern oder zur Stromversorgung von Raumfahrzeugen verwendet.Solar modules are used singly or in groups interconnected in photovoltaic systems, small electricity independent consumers or for the power supply of spacecraft.
Ein Solarmodul wird durch seine elektrischen Anschlusswerte (z. B. Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom) charakterisiert. Diese hängen von den Eigenschaften der einzelnen Solarzellen und der Verschaltung der Solarzellen innerhalb des Moduls ab.A solar module is characterized by its electrical connection values (eg open circuit voltage and short-circuit current). These depend on the properties of the individual solar cells and the interconnection of the solar cells within the module.
Um den Anforderungen einer Anlage für solar erzeugten Strom gerecht zu werden, fasst man Solarzellen mittels mehrerer verschiedener Materialien zu einem Solarmodul zusammen. Dieser Verbund erfüllt folgende Zwecke: transparente, strahlungs- und witterungsbeständige Abdeckung, robuste elektrische Anschlüsse, Schutz der spröden Solarzelle vor mechanischen Einflüssen, Schutz der Solarzellen und elektrischen Verbindungen vor Feuchtigkeit, ausreichende Kühlung der Solarzellen, Berührungsschutz der elektrisch leitenden Bauteile sowie einfache Handhabungs- und Befestigungsmöglichkeit.In order to meet the requirements of a plant for solar-generated electricity, solar cells are combined by means of several different materials to form a solar module. This composite fulfills the following purposes: transparent, radiation- and weather-resistant cover, robust electrical connections, protection of the brittle solar cell from mechanical influences, protection of the solar cells and electrical connections against moisture, adequate cooling of the solar cells, contact protection of the electrically conductive components and simple handling and mounting option.
Es gibt verschiedene Bauformen von Solarmodulen mit verschiedenen Arten von Solarzellen. Im Folgenden wird anhand des weltweit am häufigsten eingesetzten Modultyps der Aufbau erwähnt.There are different types of solar modules with different types of solar cells. In the following, the structure is mentioned based on the most commonly used module type worldwide.
Die Solarzelle oder fotovoltaische Zelle ist ein elektrisches Bauelement, das kurzwellige Strahlungsenergie, in der Regel Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie wandelt. Die physikalische Grundlage der Umwandlung ist der fotovoltaische Effekt, der ein Sonderfall des inneren fotoelektrischen Effekts ist.The solar cell or photovoltaic cell is an electrical component that converts shortwave radiant energy, usually sunlight, directly into electrical energy. The physical basis of the transformation is the photovoltaic effect, which is a special case of the internal photoelectric effect.
Solarzellen unterscheiden sich dadurch grundsätzlich von anderen Arten der regenerativen Elektrizitätserzeugung, bei denen lediglich die Antriebsenergie für den Generator nicht konventionell erzeugt wird.As a result, solar cells fundamentally differ from other types of regenerative electricity generation in which only the drive energy for the generator is not conventionally generated.
Unter dem Begriff fotoelektrischer Effekt, auch lichtelektrischer Effekt oder kurz Fotoeffekt werden vier nahe verwandte, aber unterschiedliche Phänomene in der Physik zusammengefasst. In allen vier Fällen wird ein Foton von einem Elektron, das z. B. in einem Atom oder im Leitungsband eines metallischen Körpers gebunden ist, absorbiert und das Elektron dadurch aus der Bindung gelöst. Die Energie des Fotons muss dazu mindestens so groß sein, wie die Bindungsenergie des Elektrons.The term photoelectric effect, also photoelectric effect or short photo effect, summarizes four closely related but different phenomena in physics. In all four cases, a photon of an electron, the z. B. is bound in an atom or in the conduction band of a metallic body, absorbed and thereby dissolved the electron from the bond. The energy of the photon must be at least as great as the binding energy of the electron.
Je nach dem Zustand des Elektrons vor der Energieübertragung unterscheidet man vier Arten des fotoelektrischen Effekts:
Als äußeren fotoelektrischen Effekt auch Fotoemission oder Hallwachs-Effekt) bezeichnet man das Herauslösen von Elektronen aus Metalloberflächen durch Bestrahlung mit Licht bestimmter Frequenzen.Depending on the state of the electron before the transfer of energy, four types of photoelectric effect are distinguished:
As an external photoelectric effect also photoemission or Hall wax effect) refers to the elution of electrons from metal surfaces by irradiation with light of certain frequencies.
Der innere fotoelektrische Effekt tritt in Halbleitern auf. Darauf aufbauend ermöglicht der fotovoltaische Effekt die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie.The internal photoelectric effect occurs in semiconductors. Based on this, the photovoltaic effect allows the conversion of light energy into electrical energy.
Unter Foto-Ionisation auch atomarer oder molekularer Fotoeffekt) versteht man die Ionisierung von Atomen durch Bestrahlung mit Licht genügend hoher Frequenzen.By photo-ionization also atomic or molecular photo effect) is meant the ionization of atoms by irradiation with light of sufficiently high frequencies.
Eine derartige Vorrichtung und Anordnung bzw. der Aufbau derartiger Module ist in der Herstellung aufwändig und teuer. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.Such a device and arrangement or the construction of such modules is complicated and expensive to manufacture. The invention aims to remedy this situation.
Es ist ein Beschichtungssystem für Oberflächen, insbesondere für Wände und/oder Dachoberflächen, das als Fotovoltaikmodul oder Solargenerator, eingesetzt und zur Erzeugung von Energie dem Licht ausgesetzt wird aus der
Ferner ist es aus der
Ferner ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Photovoltaikmodule oder Solargeneratoren und das Beschichtungssystem auf einfache und kostengünstige Weise herzustellen.The invention has for its object to produce the photovoltaic modules or solar generators and the coating system in a simple and cost-effective manner.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest eine Halbleiterschicht unmittelbar auf die Wand oder Dachoberfläche aufgebracht und mit dieser verbunden ist, wobei beide Halbleiterschichten aus einem Material gebildet sind, in das Halbleiterelemente eingebracht sind. Die Solarmodule werden durch Reihen- und Parallelschaltung zu einer elektrisch und mechanisch größeren Einheit, dem Solargenerator (PV-Generator), zusammengefügt. Bei der vorliegenden Erfindung ist es nicht mehr nötig, einzelne Module miteinander zu verschalten, da die gesamte Fläche ein einziges Modul darstellt. Zur Herstellung einer solchen Fläche sind daher keine vorbereitenden Arbeiten, wie die Montage von Unterkonstruktionen auf Dachflächen zur Aufnahme von Solarmodulen, erforderlich, womit erhebliche Kosten eingespart werden können. Die Herstellung wird auch dadurch wesentlich vereinfacht und somit auch preiswerter, da das Fotovoltaikmodul oder der Solargenerator bzw. das Beschichtungssystem direkt auf Wände oder Dächer aufgebracht werden kann, ohne die Oberflächenstruktur bzw. das Aussehen der Oberfläche wesentlich zu verändern. Es kann also auf eine Schicht zwischen Halbleiterschicht und Dachoberfläche oder einer Wand verzichtet werden, wodurch eine erhebliche Kosteneinsparung erzielt wird. Da das Material des Beschichtungssystems aus einem fließfähigen, schüttfähigen oder flockigen Material besteht, kann es problemlos auf die Oberfläche eines Untergrunds, z. B. eines Dachs oder auf Wände aufgetragen, gestrichen, gespachtelt und fixiert werden.The object is achieved in that at least one semiconductor layer is applied directly to the wall or roof surface and connected thereto, wherein both semiconductor layers are formed of a material in which semiconductor elements are introduced. The solar modules are assembled by series and parallel connection to an electrically and mechanically larger unit, the solar generator (PV generator). In the present invention, it is no longer necessary to interconnect individual modules because the entire surface is a single module. For the preparation of such a surface therefore no preparatory work, such as the installation of substructures on roof surfaces for receiving solar modules, required, which can be saved considerable costs. The production is thereby considerably simplified and thus cheaper, since the photovoltaic module or the solar generator or the coating system can be applied directly to walls or roofs, without significantly changing the surface structure or the appearance of the surface. It can therefore be dispensed with a layer between the semiconductor layer and the roof surface or a wall, whereby a considerable cost saving is achieved. Since the material of the coating system consists of a flowable, free-flowing or flaky material, it can be easily applied to the surface of a substrate, eg. As a roof or applied to walls, painted, filled and fixed.
Hierzu ist es vorteilhaft, dass das Material als streich-, schütt-, fließfähiges Material ausgebildet ist, in das die als Chips ausgebildeten Halbleiterelemente derart zahlreich eingebracht sind, dass sie untereinander in Kontakt stehen und die Halbleiterschicht bilden.For this purpose, it is advantageous that the material is formed as a spread, pourable, flowable material, in which the semiconductor elements formed as chips are introduced in such a number that they are in contact with each other and form the semiconductor layer.
Auch ist es von Vorteil, dass auf oder in die n-dotierte Halbleiterschicht Leitelemente eingebracht sind, die aus zahlreichen, untereinander in Verbindung stehenden Leiterbahnen, Leitflächenteilen oder einem Leitgitter gebildet sind.It is also advantageous that on or in the n-doped semiconductor layer guide elements are incorporated, which are formed of numerous, interconnected interconnects, Leitflächenteilen or a guide grid.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die Leitelemente in die Oberfläche einer Lichtenergie ausgesetzten, lichtdurchlässigen Schicht eingebracht sind.Furthermore, it is advantageous that the guide elements are introduced into the surface of a light-energy exposed, translucent layer.
Vorteilhaft ist es auch, dass die der Lichtenergie ausgesetzte Schicht eine n-dotierte Schicht aus Silizium oder Galliumarsenid oder Kupfer-Indium-Diselenid ist und die der Lichtenergie ausgesetzte, negativ geladene Schicht auf der p-dotierten Schicht aufgebracht ist, die unmittelbar auf einer Wand oder Dachoberfläche aufgebracht ist.It is also advantageous that the layer exposed to the light energy is an n-doped layer of silicon or gallium arsenide or copper indium diselenide and the negatively charged layer exposed to light energy is applied to the p-doped layer directly on a wall or roof surface is applied.
Von Vorteil ist es auch, dass zwischen der positiv-dotierten Schicht und der Wand oder der Dachoberfläche eine Klebeverbindung vorgesehen ist.It is also advantageous that an adhesive connection is provided between the positively-doped layer and the wall or the roof surface.
Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, dass die Halbleiterschichten eine streichbare Farbemasse sind, in der Halbleiterelemente eingebracht sind und die schichtweise auf der Wand oder Dachoberfläche aufgebracht werden. Durch das schichtweise Aufbringen wird der Fertigungsprozess wesentlich schneller durchgeführt. Außerdem ist es vorteilhaft, dass als Trägerschicht ein Spinnvlies oder ein Bändchengewebe verwendet wird.Of particular importance for the present invention is that the semiconductor layers are a brushable colorant in which semiconductor elements are introduced and which are applied in layers to the wall or roof surface. The layered application of the manufacturing process is much faster. Moreover, it is advantageous that a spunbonded fabric or a ribbon fabric is used as the carrier layer.
Auch ist es vorteilhaft, dass die Halbleiterschicht eine elektrisch leitende Farbe ist, die insbesondere auf der Basis einer Kunststoffdispersionsfarbe mit Bindemittel aufgebaut ist. Mit Hilfe der Kunststoffdispersionsfarbe kann die Oberfläche beliebig gestaltet werden und gleichzeitig auch zur Stromgewinnung eingesetzt werden.It is also advantageous that the semiconductor layer is an electrically conductive paint, which is constructed in particular on the basis of a plastic dispersion paint with a binder. With the help of the plastic dispersion paint, the surface can be designed as desired and at the same time used for power generation.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die Halbleiterschichten aus einem fließfähigen, schüttfähigen oder flockigen Material bestehen, in das Halbleiterelemente wie Silizium, Galliumarsenid oder Kupfer-Indium-Diselenid als kleine Teilchen eingebracht, insbesondere mittels eines Werkzeugs eingeschossen werden und eine leitfähige Masse bilden, die als p-dotierte und dann als n-dotierte Schicht auf die Wand oder Dachoberfläche, insbesondere nacheinander, aufgebracht werden, wobei die obere Halbleiterschicht eine lichtdurchlässige Schutzschicht aufweist und die die Halbleiterelemente aufweisende Schicht in ein Klebebett eingebracht wird.Furthermore, it is advantageous that the semiconductor layers consist of a flowable, free-flowing or flaky material in which semiconductor elements such as silicon, gallium arsenide or copper indium diselenide are introduced as small particles, in particular by means of a tool and form a conductive mass, which are applied as p-doped and then n-doped layer on the wall or roof surface, in particular successively, wherein the upper semiconductor layer has a light-transmitting protective layer and the layer comprising the semiconductor elements is introduced into an adhesive bed.
Vorteilhaft ist es auch, dass zumindest die p-Schicht als elektrisch leitende Kunststofffarbe ausgebildet ist, in der die Halbleiterelemente wie Silizium, oder Kupfer-Indium-Diselenid oder Galliumarsenid eingebracht sind.It is also advantageous that at least the p-layer is formed as an electrically conductive plastic paint, in which the semiconductor elements such as silicon, or copper indium diselenide or gallium arsenide are introduced.
Ferner ist es vorteilhaft, dass zwischen den beiden Halbleiterschichten die nichtleitende Grenzschicht vorgesehen ist, die ebenfalls als streichbare Masse ausgebildet ist.Furthermore, it is advantageous that between the two semiconductor layers, the non-conductive boundary layer is provided, which is also formed as a brushable mass.
Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, dass auf der oberen n-dotierten Halbleiterschicht aufgebrachte Leiterbahnen, Leitflächenteile oder ein Leitgitter mit Hilfe eines Haftverbinders fixiert sind.An additional possibility is, according to an embodiment of the invention, that on the upper n-doped semiconductor layer applied conductor tracks, Leitflächenteile or a guide grid are fixed by means of an adhesive connector.
Von Vorteil ist es auch, dass die einzelnen Schichten aus einem fließ- oder schüttfähigen Material bestehen und nacheinander auf eine Oberfläche aufgetragen werden.It is also advantageous that the individual layers consist of a flowable or pourable material and are applied successively to a surface.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt.Further advantages and details of the invention are explained in the patent claims and in the description and illustrated in the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In
Die Energieerzeugung mit Solarzellen sowie deren Entwicklung, Fertigung und Einsatz werden hier Fotovoltaik genannt. Die Umwandlung der Strahlungs- in elektrische Energie in den Solarzellen beruht auf dem inneren Fotoeffekt im Halbleitermaterial. Die Solarzellen sind nachstehend näher erläutert. Elektrische Kontakte. werden nachträglich aufgeklebt, aufgedruckt oder aufgedampft.The generation of energy with solar cells and their development, production and use are called photovoltaics here. The conversion of the radiation into electrical energy in the solar cells is based on the internal photoelectric effect in the semiconductor material. The solar cells are explained in more detail below. Electrical contacts. are subsequently glued on, printed or vapor-deposited.
Die Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien z. B. Silizium, Germanium, Galliumarsenid oder einem ähnlich einsatzfähigen Stoff, der das Sonnenlicht absorbiert und in Gleichstrom umwandelt. Diese direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie in einem Festkörper wird als fotovoltaischer Effekt bezeichnet. Die Lichteinstrahlung setzt im Halbleiter negative und positive Ladungsträger frei. Ein internes elektrisches Feld trennt diese Ladungsträger. Auf diese Weise entsteht eine elektrische Spannung zwischen den Metallkontakten, die an der Oberfläche der Solarzellen angebracht sind. Wird der äußere Kreis über eine Leitung
Das in
Die in
Den besten Wirkungsgrad erreichen monokristalline Zellen. Allerdings ist die Herstellung von Silizium-Einkristallen aufwendig und teuer. Etwas preiswerter lassen sich polykristalline Zellen (aus vielen Kristallen) fertigen, die aber weniger effizient sind. Es ist mit dieser Anlage möglich, 30% der einfallenden Sonnenenergie in Strom umzuwandeln.The best efficiency is achieved by monocrystalline cells. However, the production of silicon monocrystals is complicated and expensive. A little cheaper polycrystalline cells (made of many crystals), but they are less efficient. It is possible with this system to convert 30% of the incident solar energy into electricity.
Beispielsweise kann amorphes Silizium (die Moleküle sind nicht als Kristallgitter regelmäßig angeordnet) in Form von kleinen Plättchen bzw. Flitter in ein Trägermaterial, insbesondere auf ein streichfähiges, schüttfähiges, fließfähiges Material, wenige mm dick eingebracht werden, z. B. Material aus Gallium-Arsenid (GaAs) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CIS).For example, amorphous silicon (the molecules are not regularly arranged as a crystal lattice) in the form of small platelets or baubles in a carrier material, in particular a spreadable, pourable, flowable material, a few mm thick are introduced, for. Gallium arsenide (GaAs) or copper indium diselenide (CIS) material.
Für technische Anwendungen schaltet man mehrere Zellen in Reihe, wobei sich die Spannungen summieren. Nach diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine sehr große zusammenhängende Grundfläche zu schaffen und damit hohe Wattzahlen zu erzielen.For technical applications, several cells are connected in series, whereby the voltages accumulate. According to this embodiment, it is possible to provide a very large contiguous base and thus to achieve high wattage.
Das hier eingesetzte Material ist, wie bereits erwähnt, als streichfähiges, schüttfähiges, fließfähiges Material gebildet. Es kann beispielsweise Kunststoffdispersionsfarbe auf der Basis eines geeigneten Bindemittels sein. Die als Chips ausgebildeten Halbleiterelemente wie Silizium (SI), Gallium-Arsenid (GaAs) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) sind derart zahlreich in die Halbleiterschichten
Das Beschichtungssystem
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Beschichtungssystemcoating system
- 22
- Wand, DachoberflächeWall, roof surface
- 33
- Photovoltaikmodul, SolargeneratorPhotovoltaic module, solar generator
- 55
- Leitelement, Leiterbahn, Leitflächenteil, LeitgitterGuide element, conductor track, guide element, guide grid
- 66
- Verbraucherconsumer
- 88th
- n-dotierte Schicht, Halbleiterschichtn-doped layer, semiconductor layer
- 99
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- 1010
- Klebeverbindung, KlebeschichtAdhesive bond, adhesive layer
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- Grenzschichtinterface
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