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WO2008009428A1 - Solarzelle auf polymerbasis - Google Patents

Solarzelle auf polymerbasis Download PDF

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Publication number
WO2008009428A1
WO2008009428A1 PCT/EP2007/006359 EP2007006359W WO2008009428A1 WO 2008009428 A1 WO2008009428 A1 WO 2008009428A1 EP 2007006359 W EP2007006359 W EP 2007006359W WO 2008009428 A1 WO2008009428 A1 WO 2008009428A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
solar cell
surface profile
shrink film
elevations
semiconductor layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2007/006359
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Schindler
Achim Hansen
Andreas Schilling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leonhard Kurz Stiftung and Co KG
Original Assignee
Leonhard Kurz Stiftung and Co KG
Leonhard Kurz GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102006034095A external-priority patent/DE102006034095B4/de
Priority claimed from DE102007008610A external-priority patent/DE102007008610B4/de
Application filed by Leonhard Kurz Stiftung and Co KG, Leonhard Kurz GmbH and Co KG filed Critical Leonhard Kurz Stiftung and Co KG
Priority to EP07786139A priority Critical patent/EP2044630A1/de
Priority to US12/309,384 priority patent/US20090314340A1/en
Publication of WO2008009428A1 publication Critical patent/WO2008009428A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00
    • H10K39/10—Organic photovoltaic [PV] modules; Arrays of single organic PV cells
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/80—Constructional details
    • H10K30/87—Light-trapping means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a polymer-based solar cell and to processes for producing the same.
  • Polymer-based solar cells e.g., flexible solar cells
  • efficiencies ranging from 3 to 5%. These are efficiencies that are significantly lower than those of inorganic solar cells.
  • the invention is based on the object of providing a polymer-based solar cell with improved efficiency and of specifying the production method.
  • the object of the invention is achieved by a method for producing a solar cell unit with a polymer-based solar cell having at least one organic semiconductor layer with a top side facing a light source and a rear side facing away from the light source, wherein it is provided that the solar cell after its completion is deformed so that at least the top of the solar cell has a surface profile which increases the surface of the top in relation to a flat surface profile.
  • the object is further achieved by a method for producing a polymer-based solar cell having at least one carrier substrate and at least one organic semiconductor layer with a top side facing a light source and a rear side facing away from the light source it is provided that a surface relief is molded into a layer of the solar cell, and that on the molded surface relief one or more electrical functional layers containing the organic semiconductor layer (s) are applied so that the upper surface of the organic semiconductor layer has a surface profile which increases the surface area of the organic semiconductor layer with respect to a planar surface profile.
  • a polymer-based solar cell having at least one carrier substrate and an organic semiconductor layer with a top side facing away from a light source and a rear side facing away from the light source, wherein it is provided that at least the upper side of the organic semiconductor layer has a surface profile which forms the surface of the Enlarged upper side in relation to a flat surface profile.
  • a polymer-based solar cell referred to below as a polymer solar cell
  • a polymer solar cell can be provided with an enlarged surface in a very simple and effective manner, so that the efficiency of the solar cell thus formed is increased compared with a polymer solar cell provided with a planar top side , for example due to multiple reflections.
  • the proposed methods provide both microscopic and macroscopic deformations to form the enlarged surface, wherein further advantageous embodiments are possible by combining the method, as described in more detail below.
  • an enlarged surface of the responsible for the conversion of the radiation energy of the light into electrical energy semiconductor layer can be provided, whereby the efficiency of the polymer solar cell according to the invention is also increased due to multiple reflections over a polymer solar cell with a smooth surface ,
  • the organic semiconductor layer is generally a system of multiple semiconductor layers that interact with each other.
  • the solar cell is laminated on a shrink film, and that thereafter, the solar cell unit is subjected to a temperature treatment.
  • the solar cell can thus be prepared as before, for example in a roll-to-roll process as a mass product and by a
  • Temperature treatment can be provided with an increased active surface by the shrink film by the action of elevated temperature, for example in a range of 80 0 C to 250 0 C, which unfolds on their laminated solar cell.
  • One or more solar cells may be laminated to the shrink film to form the solar cell unit.
  • a shrink film is used for the carrier substrate of the solar cell and the solar cell is subjected to a temperature treatment after its completion. While this process is less expensive, it has a narrower process window during roll-to-roll printing because it must be ensured that the shrink film does not change dimensions during the printing and drying process. In this embodiment, the process step "laminating", whereby the manufacturing cost can be reduced.
  • the solar cell can receive a corrugated-shaped training.
  • the surface of the solar cell can thus be designed knob-shaped after shrinking, so that over the aforementioned training, a further enlarged active surface of the solar cell is reached.
  • an opaque or transparent or semi-transparent shrink film is used.
  • a transparent shrink film may be advantageous if light is to strike the active layer of the solar cell from the back of the solar cell or if it is intended to stack solar cells one above the other, as explained below.
  • an electrically nonconductive shrink film is used.
  • Such a non-conductive shrink film can be formed, for example, with plated-through holes in order to electrically connect a plurality of solar cells to one another or to lead all the connections of the solar cells to a connection area.
  • an electrically conductive shrink film is used.
  • the shrink film may be partially conductive.
  • the shrink film may include conductive traces suitable for electrically connecting a plurality of solar cells to each other, i. To make series connections and / or parallel circuits of solar cells. In this way, solar cell units can be produced, which provide a higher output voltage than a single solar cell.
  • the shrink film is at least partially painted and / or coated before the temperature treatment.
  • a coating or coating can be provided, for example, to form electrical conductors on the shrink film or to influence the shrinkage behavior of the shrink film targeted.
  • a non-shrinking strip-shaped, parallel aligned coating for example, the corrugated-shaped deformation profile described above can be particularly well formed because coated areas can act as desired bending lines, between which the shrink film bulges. It can be influenced by the shrinkage process on the layer thickness of the painted areas, the degree of curvature.
  • the shrink film can at the same time be provided for directing the light incident on the solar cell onto the active regions of the solar cell.
  • the wavelength of light spectral ranges can be used to obtain the solar power, the lie outside of the sensitization of the active layer.
  • the shrink film is at least partially prestructured. It may thus be provided, for example, that the shrink film has particularly good deformable areas where the shrink film is preferably unfolded. These may be areas of lesser thickness, but it may also be provided, for example, that these areas are weakened by perforations in their flexural strength.
  • a multilayer shrink film is used whose layers have a different shrinkage behavior. These may be full-surface-lying shrink films. However, one or more of the superimposed shrink films can be provided only in some areas and act in this way, for example, as introduced into a fabric rubber threads that put the fabric into folds.
  • the solar cell is deformed by an in-mold process.
  • a film to be deformed is pressed under pressure into a mold by means of a medium injected behind the film and is deformed in this way.
  • the injected medium may be, for example, a heated thermoplastic, such as ABS / PC or PMMA, which fixes the deformed film after solidification.
  • the mold is an injection mold which has on one side the surface relief according to which the solar cell is to be deformed.
  • the solar cell is part of an inmold film, which is inserted into the injection mold and then back-injected with liquid plastic injection molding from the side of the inmold film opposite this surface relief.
  • a vacuum between the injection molding it is still possible that a vacuum between the injection molding
  • Form half which has the surface relief, and the resting Inmold- foil is applied, so that a correct impression of the surface relief in the inmold film is not hindered by air bubbles or the like.
  • the Inmold film Due to the heat and pressure of the injected into the injection mold injection molding material is the Inmold film, which contains the solar cell, deformed according to the surface profile of the injection mold and the deformation then further stabilized and fixed by cooling the injection molding material.
  • the in-mold film is preferably constructed of a 15 to 40 .mu.m thick PET film, a release layer and a transfer layer containing the solar cell.
  • the polyester film is peeled off after cooling of the injection molding material or upon release of the molding from the injection mold. Furthermore, it is also possible that the in-mold film does not have a release layer and the polyester film remains on the molding. The latter process is less common.
  • the solar cell is deformed by a touch-forming process.
  • the solar cell is applied to a specially dilatable polyester carrier whose thickness is in the range of 100 microns.
  • a membrane press then takes place at a temperature in the range of 120 0 C, the shaping by means of a molding.
  • the individual cycle times which strongly influence the final product and have to be individually tested.
  • a film with a solar cell suitable for such a process consists, for example, of the following layers:
  • the release layer and the protective lacquer layer preferably have thicknesses in the range of 1 to 3 ⁇ m.
  • the adhesive layer also preferably has a thickness in the range of 1 to 3 microns, wherein the thickness and composition of the adhesive layer may depend on the substrate.
  • the solar cell is deformed by a deep-drawing process.
  • a film containing the Solar cell applied to a thermoformable substrate, such as an ABS plate with a thickness of 0.5 to 1 mm, preferably glued, and then the film is deformed with the substrate in a thermoforming process to form the surface relief.
  • the solar cell is applied to the ABS plate exemplified here by means of a rolling process. Thereafter, the clamping takes place in a vacuum machine and via a partially heated metal mold deep drawing by means of vacuum, with the result that the coated ABS plate has assumed the shape of the metal mold.
  • the substrate consists of a film of ABS, PVC or Plexiglas.
  • the structure of the film is similar to that already mentioned above.
  • On a support there are one or more release layers, a protective varnish or a protective varnish package, the solar cell assembly and an adhesive layer. Further layers may be provided if special end properties are required.
  • injection molding of the deformed film can be provided to permanently fix the deformation of the film.
  • the spray medium described above may be an electrically conductive spray medium if special applications are required.
  • an opaque or transparent or semitransparent spray medium is used. It is also envisaged to modify the spray medium in a comparable manner as the shrink film described above, wherein in principle any combinations are possible. So it is also possible to inject behind shrunken solar cells or to connect solar cells by injection molding together. It can also be provided that introduced metallized contact points in the back injection become.
  • At least two solar cells or solar cell units can be arranged one above the other, it also being possible to provide photovoltaic semiconductor layers which can absorb light from different wavelength ranges of light.
  • the solar cell units are multifunctional cells. These cells have active areas that adsorb light from different wavelength ranges of light, so that an increase in efficiency is achieved.
  • the solar cells or solar cell units provided on one side of the shrink film can be applied offset relative to the solar cells or solar cell units provided on the other side of the shrink film.
  • the spaces between adjacent solar cells can be filled by further, arranged on the opposite side of the shrink film or the back injection solar cells and so the active surface of the solar cell units are further increased.
  • the mounting bodies may be, for example, plate-shaped bodies which, in addition to contact tracks for the purpose of establishing electrical connections, may have fastening elements.
  • the solar cells or the solar cell units form a tubular shape, wherein it may further be provided to use the tubes as a conduit for a medium or the hoses if required on a generating line separate.
  • the aforementioned medium can be water, which is circulated by a solar-powered pump. On the one hand, the water is heated by the solar radiation, on the other hand also promoted and fed the heat energy of the water to a heat exchanger.
  • the solar cell units are encapsulated.
  • the solar cell modules can form marketable units that can be connected to photovoltaic systems.
  • the aforementioned encapsulation may extend to all said units and / or be provided several times in succession.
  • the deformations of the surface of the solar cells formed by the shrink film as a result of the method steps described above are usually formed as elevations or depressions with a height or depth in the range from 1 mm to 20 mm. They preferably have a distance of 5 mm to 25 mm. It is therefore deformations that are generally visible to the naked eye and therefore can be referred to as macroscopic deformations.
  • the elevations or depressions can also be made smaller and reach down to 30 ⁇ m. Similarly, far smaller distances can be provided, which reach down to 30 microns.
  • the surface of the organic semiconductor layer is enlarged in that the organic semiconductor layer and / or possibly further electrical functional layers of the solar cell are applied to a surface already having a corresponding surface profile, for example an embossing foil.
  • This is preferably a surface structure introduced into a replication lacquer layer or a plastic film by means of an embossing process or UV replication process, which is a microscopic surface
  • the solar cell deformed after its completion is produced by means of one of the abovementioned methods.
  • the solar cell with microscopic deformations described above is thus deformed after its completion so that at least the top of the solar cell has a surface profile which increases the surface of the top in relation to a flat surface profile.
  • a method is proposed which forms both a (macroscopic) surface profile in the solar cell, which generally also follows the active layer of the solar cell, and also forms a (microscopic) surface profile at least in the active layer of the solar cell.
  • the surface profile is designed such that it leads to multiple reflections and thus increases the efficiency of the solar cell.
  • a beam of light hits the surface of the solar cell perpendicularly - the energy of the light beam is maximally exploited - or is directed parallel to the surface of the solar cell - the energy of the light beam is not used - a part of the light is hit by the light beam Surface of the solar cell reflected. Consequently, some of the light energy is lost if the reflected beam does not strike the surface of the solar cell again.
  • a light beam incident on the surface is reflected only once. An uneven
  • the surface profile can lead to multiple reflections. If, for example, a sawtooth-shaped surface profile with a point angle of 90 ° is provided, the light beam is reflected twice on average, apart from the fact that the available surface is also enlarged relative to a flat surface. It can further be provided that the surface profile is formed from elevations and / or depressions of the carrier substrate and / or the semiconductor layer. It can also be provided that the carrier substrate is formed from a deformed foil or plate on which the polymer solar cell constructed of thin layers is arranged. The Semiconductor layer may be applied, for example, in a thickness of 150 nm to 200 nm.
  • Each of the two electrode layers may have a thickness of 10 nm to 50 nm, but also thicknesses in the range of 50 to 1000 nm may be provided, depending on the required conductivity. It may further be provided to also form the semiconductor layer with elevations and / or depressions.
  • the carrier substrate may have macroscopic elevations and / or depressions and the semiconductor layer may have microscopic elevations and / or depressions.
  • the surface profile is a stochastic surface profile.
  • the stochastic surface profile may preferably be provided for microscopic surface profiles, i. preferably as a surface profile of the semiconductor layer. Stochastic surface profiles that
  • Electrode layers with the above-mentioned thickness of 10 to 50 nm can be applied to the semiconductor layer without "smearing" the microscopic surface profile of the semiconductor layer Thin layers can follow the surface profile exactly and form a surface corresponding to the surface profile a surface that no longer follows the surface profile at least in some areas, so it "smeared".
  • a smeared surface profile can also be tolerated.
  • the surface enlargement of the semiconductor layer is independent of Forming the surface profile covering layer optically effective.
  • the surface profile is a periodic surface profile.
  • the periodic surface profile can be provided for both macroscopic and microscopic structures. It is particularly preferred for macroscopic surface structures or if a defined, the exact calculation accessible measure of
  • a periodic profile is particularly suitable for a roll-to-roll production process in which the surface profile can be transferred from a rotating roll to the semiconductor layer. Another advantage of the periodic
  • Profiles is based on the fact that to optimize the properties of the periodic profile only one period of the profile has to be designed and designed.
  • the surface profile forms a cross lattice of two base lattices.
  • Such relief structures absorb almost all visible light incident on the surface and scatter only a small fraction of the incident light back.
  • the surface profile is a self-similar surface profile.
  • the sections of self-similar profiles are similar to the profile itself. In this way, a surface profile can be further broken down without leaving the character of the surface profile. For example, the branches of a tree are similar to the tree itself. In mathematics, self-similar functions are also called fractals.
  • the mean width or the mean diameter of the elevations or depressions at the root point is in the range of 1 mm to 10 mm.
  • the mean width or the mean diameter of the elevations and / or depressions at the base point is in the range of 1 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • the resolution of the unarmed human eye is approximately 1 'under ideal conditions, i. 1 mm to 3.5 m or about 70 ⁇ m to 250 mm. In the range of 1 ⁇ m to 1000 ⁇ m, therefore, the boundary between macroscopic and microscopic structures runs.
  • the mean width or the mean diameter of the elevations and / or depressions at the base point is in the range of 100 nm to 1000 nm.
  • the surface structures may be smeared by the layer adjacent to them.
  • the depth-to-width ratio of the elevations and / or depressions is in the range of 0.5 to 5.
  • the depth-to-width ratio also referred to as the aspect ratio, gives as a dimensionless number information about the relationship between the depth of the "valleys" or the height of the "mountains” of the Surface structure to the distance between two adjacent structural elements are.
  • the depth-to-width ratio increases, the surface area of the surface structure is increased. Practical limits are set, inter alia, by the fact that the flanks of the elevations and / or depressions become steeper with increasing depth-to-width ratio, thereby making them flatter and flatter
  • flank shape can also influence the number of reflections.
  • a planar flank for example a flank of a sawtooth profile, acts as a plane mirror, while a curved flank can concentrate or disperse the beams, for example a concave flank can bundle the beams.
  • the basic gratings mentioned above, which form a cross grid, can, for example, run according to a sine-square function, but also rectangular or pyramid structures are possible. This surface structures are formed, which resemble an egg carton. Even such structures lead to a wide increase in the efficiency of the solar cell.
  • Further embodiments are directed to the geometric shape of the elevations and / or depressions.
  • the lateral surfaces of the elevations and / or the depressions are formed as lateral surface areas of a spherical body.
  • the spherical body is a sphere. It can also be provided that the lateral surfaces of the elevations and / or depressions are formed as lateral surface areas of a cone or a pyramid.
  • the surface of the base O 0 is
  • the surface of the lateral surface of the pyramid Ai is
  • the enlarged by a factor of 6 surface of the polymer solar cell can be further increased by applying the method described above, the formation of the lateral surfaces of the elevations and / or depressions with further elevations and / or depressions, for example, with three steps by a factor of 216.
  • the polymer solar cell according to the invention has a significantly increased effective surface area compared to a planar surface formed polymer solar cell with associated multiple reflections, which lead to an increase in efficiency.
  • the elevations and / or the depressions are formed with star-shaped cross-section. Under a star-shaped cross-section are understood all cross-sectional shapes, which have starting from a common starting point extensions.
  • the lateral surfaces of the elevations and / or the depressions are formed as lateral surfaces of a horizontal prism or cylinder.
  • Such unidirectional protrusions and / or depressions may have preferred orientations where the efficiency of the solar cell is greatest.
  • it can also be provided to change the orientation of the elevations and / or depressions in regions, for example, in each case by 90 ° to reduce the directional dependence or cancel.
  • Elevations are transmitted, for example by gravure printing on the surface of the semiconductor layer or semiconductor layers or the carrier substrate.
  • the elevations can be formed, for example, from a radiation-curing lacquer, for example a UV-curing lacquer. But it can also be provided other paints or printing inks. It may also be reflective paints, so that incident light is directed to both the front and on the back of the polymer solar cell.
  • a semiconductor layer with a constant layer thickness can first be applied to the (plane) carrier layer, and then the elevations and / or the depressions can be applied by means of gravure printing.
  • the areas of the gravure form which form the elevations are filled with semiconductor material and the areas which form the depressions represent as ungravêt areas on the gravure roll.
  • Organic semiconductors may have a consistency which is then suitable for such a printing process. An immediate freezing of the Pressure points is necessary in this case.
  • the height profile is formed from recesses and / or elevations introduced in the carrier layer.
  • the depressions can be introduced, for example, by thermal impressions into the carrier layer, which can be formed as a replication layer, wherein the depressions can be dimensioned so that at the same time the elevations are formed.
  • It may further be provided to form the carrier layer from a radiation-curing lacquer, such as the above-mentioned UV lacquer, and form the surface profile optically or by means of a profile roller in the radiation-curing lacquer and then cure it. But it may also be macroscopic depressions and / or elevations, as they may have, for example, packaging films.
  • the surface profile is formed by an additive superposition of a macroscopic surface profile with a microscopic surface profile.
  • the embodiments described above are not limited to polymer solar cells but can also be applied to organic solar cells in which the semiconductor layer is not formed from a polymer but from uncrosslinked organic molecules, and to inorganic solar cells, at least as far as the semiconductor layer is concerned, and to hybrid solar cells.
  • Solar cells formed of organic and inorganic components.
  • the solar cells can be both single junction cells, ie cells with a photosensitive layer, as well as multi junction cells, ie cells with several photosensitive layers.
  • the photosensitive layers of the multi-junction cell can be sensitized for different wavelength ranges, so that a comparatively larger wavelength spectrum than in the Sigle Junction cell can be used.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a polymer-based solar cell according to the invention
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a polymer-based solar cell according to the invention
  • Fig. 3 is an enlarged detail view of Fig. 2;
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of a first exemplary embodiment of a solar cell unit according to the invention before a temperature treatment;
  • FIG. 5a shows a detailed view V from FIG. 4 with a first solar cell design
  • FIG. 5b shows a detailed view V of FIG. 4 with a second solar cell design
  • FIG. 6 is a schematic sectional view of the solar cell unit in FIG. 4 after the temperature treatment
  • Fig. 7 is a schematic sectional view of a second
  • FIG. 8 is a schematic sectional view of a third
  • FIG. 9 shows an application example of the solar cell unit in FIG. 4 in a schematic sectional illustration
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of the occurrence of
  • the polymer solar cell shows a polymer-based solar cell 1, referred to below as the polymer solar cell, which is constructed on a carrier substrate 10.
  • the carrier substrate 10th it may be, for example, a polyester film of about 20 to 125 microns thick.
  • Form elements 11 are arranged on the carrier substrate 10 and, as in the illustrated exemplary embodiment, can be arranged uniformly distributed on the carrier substrate 10 or can be distributed as desired.
  • the mold elements 1 1 are formed in the embodiment shown in FIG. 1 as a spherical segment and have a height h of e.g. 6 microns and a diameter 2p, for example, 50 microns. They are printed on the carrier substrate 11 prior to the application of the first electrode layer 12. With the aid of the mold elements 11, the effective surface available for constructing the polymer solar cell 1 is increased relative to the planar surface of the carrier substrate 10.
  • the surface of a sphere segment is
  • the surface of the polymer solar cell 1 is enlarged with the same base area of the polymer solar cell 1. Because the sphere has the smallest surface area of all geometric bodies, the above calculation gives at the same time the smallest possible surface enlargement.
  • the elevations are formed from quadrilateral pyramids whose height is equal to the base side, the surface enlargement is
  • ball caps may have a maximum depth-to-width ratio of 1, for all other geometric shapes of the peaks, such as pyramids, cones, prisms, or the like, the depth-to-width ratio is not limited by the geometric shape ,
  • ball caps are particularly easy to produce, so that the disadvantage of having the lowest specific surface area of all embodiments can be compensated thereby. It may also be provided to design the mold elements as lying strip-shaped prisms, i. to make the surface of the solar cell corrugated.
  • the mold elements 11 may be printed, preferably with a gravure printing process, or they may be replicated, as described further below in FIG.
  • the mold elements 1 1 may be transparent or non-transparent, which depends on the structure of the solar cell and the light guide.
  • the achievable surface enlargement depends on the number of mold elements 11 per unit area.
  • a first electrode layer 12 is applied, which is, for example, a layer of gold, silver, copper, aluminum or an alloy of these and / or other metals can act.
  • the first electrode layer 12 can also be formed, for example, from a conductive ITO coating (indium / tin oxide).
  • the first electrode layer 12 is formed as a transparent electrode layer of several nanometers in thickness. It may also be a semitransparent electrode layer, which may be formed, for example, as a metallic layer, a structured metallic layer or an optically closed layer.
  • a photosensitive semiconductor layer system 13 e.g. from a PEDOT / PSS layer, a photoelectric
  • Semiconductor layer and a TIO 2 layer can exist.
  • Other electron layers and / or hole blocking layers are also conceivable.
  • a second electrode layer 14 is arranged, which may be formed like the first electrode layer 12 described above.
  • the second electrode layer 14 is covered by an adhesive layer 15 on which a cover layer 16 is applied. It may also be provided to dispense with the adhesive layer.
  • the cover layer can be a transparent plastic layer or a barrier layer structure that protects the system from external influences.
  • the working principle of the polymer solar cell is based on the light-induced electron transfer in a so-called Donar acceptor system. As a result of the above-described enlargement of the surface of the polymer solar cell 1, the disadvantage of the lower efficiency of the polymer solar cell can be at least partially eliminated and positively influenced, which is also due to the multiple reflection caused by the enlarged surface.
  • FIG. 2 now shows a second embodiment of the polymer solar cell according to the invention, in which the surface enlargement is not achieved as shown in FIG. 1, by elevations, but by depressions.
  • a polymer solar cell 2 has a replication layer 21, which is applied to the carrier substrate 10 and which is formed on its front side facing the first electrode layer 12 with recesses 21 v.
  • the recesses 21v may similarly have a variety of shapes as the mold elements 11 described above.
  • the replication layer 21 may be a layer or layers applied to a carrier substrate, into which by a heated mold that under pressure with the surface of the replication 21 is brought into contact, the recesses 21v are formed. It may also be provided that the replication layer is formed from a radiation-curing lacquer, for example from a UV-curing lacquer which is cured after the impressions 21 v have been shaped by irradiation with UV light.
  • the replication layers on the carrier substrate 10 can be dispensed with.
  • the carrier substrate in this case represents the replication layer 21 into which the structures (depressions) are directly molded.
  • the recesses may be molded into the carrier substrate.
  • the second electrode layer 14 applied to the photosensitive semiconductor layer system 13 as the upper electrode is covered by the adhesive layer 15 on which the cover layer 16 or even several layers are applied, as in the first exemplary embodiment (FIG. 1) described above.
  • 3 shows an enlarged section of the replication layer 21.
  • the surface of the recesses 21v has a relief structure which is similar to the macrostructure molded into the surface of the replication layer 21.
  • the surface of the recesses 21v thus has recesses 21v 'that are similar to the recesses 21v.
  • the recesses 21v ' may in turn have recesses similar to the recesses 21v', and so on.
  • the recesses 21 v have a depth of 100 microns
  • the following wells each have a depth that is 10% of the previous depth.
  • the lower limit can be achieved, for example, if diffraction occurs at the surface structures and the light can no longer penetrate into the semiconductor layer 13.
  • the surface structuring increases the effective surface area of the pits from the effective surface of smooth pits (see Figs. 1 and 2).
  • a formed surface structure may be designed as a self-similar structure or as a fractal structure.
  • An example of a fractal structure is the so-called Koch curve, which is characterized by its triangular protuberances. This surface structure can lead to multiple reflections and thus to an increase in the efficiency of the cell.
  • the shrink film 42 may preferably be a PE shrink film of 20 ⁇ m to 75 ⁇ m thickness. Other thicknesses are also conceivable.
  • the solar cell 41 is laminated after its completion on the shrink film 42, wherein it can be provided that a plurality of solar cells are laminated to the shrink film, which may be connected in parallel and / or in series, for example by interconnects.
  • the interconnects may be formed on the shrink film 42 in a wiring layer not shown in FIG. 4.
  • the conductor layer may be a structured metal layer, for example formed from gold, silver or copper.
  • FIG. 5 a shows an enlarged view of the layered structure of a solar cell unit 4 a, in which a polymer-based solar cell 41 a is applied to the shrink film 42.
  • the solar cell 41 a is in principle constructed like the solar cell 1 in FIG. 1, but it has no form elements 11. It is therefore constructed with a flat active layer without a surface profile.
  • the carrier substrate 10 may be, for example, a polyester film of about 20 to 50 .mu.m thickness.
  • the first electrode layer 12, the photosensitive semiconductor layer system 13, the second electrode layer 14, the adhesive layer 15 and the cover layer 16 are applied successively.
  • the layer structure is explained in detail above in Fig. 1.
  • FIG. 5b now shows, in an enlarged representation, the layered structure of a solar cell unit 4b, in which a polymer-based solar cell 41b is applied to the shrink film 42.
  • the solar cell 41b is constructed like the solar cell 1 in FIG.
  • the carrier substrate 10 may be, for example, a polyester film of about 20 to 50 .mu.m thickness.
  • the mold elements 11 are arranged, which are printed onto the carrier substrate 10 before the first electrode layer 12 is applied.
  • the photosensitive semiconductor layer system 13 the second electrode layer 14, the adhesive layer 15 and the cover layer 16 are applied.
  • Fig. 6 shows the solar cell unit 4 in Fig. 4 after a temperature treatment of about 3 minutes at a temperature of 80 0 C to 120 0 C.
  • the temperature range is chosen so that it is not reached during operation of the solar cell unit and that he Structure of the solar cell 41 not destroyed.
  • the shrink film 42 is a unidirectional shrink film that shrinks in one direction only when exposed to temperature.
  • the solar cell unit 4 is now sinusoidally deformed in cross section, so that the surface of the upper side of the solar cell unit 4 is enlarged in relation to a planar surface profile.
  • the surface profile thus produced is a superposition of a first (macroscopic) surface profile with a second (microscopic) surface profile, whereby a further Effiz Increasing the solar cell unit is achieved by multiple reflections.
  • the macroscopic surface profile may be further configured such that it preferably directs incident light onto the active layer of the solar cell 41.
  • the shrink film is provided with lacquer and / or a coating material to which refractive and / or light-scattering and / or light-conducting and / or light wavelength-changing particles and / or particle mixtures are added.
  • the shrink film is formed as a transparent film, the light can also be brought through the shrink film on the solar cell and thereby be influenced by the said particles and / or particle mixtures.
  • a solar cell may be provided, in which the surface profile is molded into the replication layer 21, as shown in Fig. 2 ,
  • the solar cell unit 4 shown in Fig. 6 may also be deformed by an in-mold process or by a touch-forming process.
  • the solar cell 41 is inserted into an evacuatable mold and heated and then pressed by applying a vacuum against a provided with a surface structure film.
  • the surface structure of said film is formed in the surface of the solar cell 41 or the solar cell 41 is deformed overall.
  • the deformed solar cell 41 is back-injected with thermoplastic, which in this case assumes the function of the shrink film 42.
  • the deep drawing can be provided, wherein instead of the shrink film 42 may be provided a thermoplastic film.
  • the solar cell 41 and the thermoplastic film form a thermoforming sheet, which is placed in a thermoforming mold and heated and then pressed by pressure in the thermoforming mold and thereby deformed.
  • the thermoforming mold is designed as a negative of the surface profile to be shaped into the thermoforming film. It may be provided to inject the thermoforming sheet after deformation in order to stabilize it against subsequent deformation.
  • FIG. 7 now shows a solar cell unit 7 in which two solar cells 41 b (see FIG. 5 b) are laminated on the shrink film 41 on both sides of the shrink film.
  • a front solar cell 41 bv and a rear solar cell 41 bh are arranged opposite to each other, wherein each of the support substrate 10 of the solar cell is connected to the shrink film 41.
  • the shrink film 41 is formed in this embodiment as a transparent film, so that incident light first on the photosensitive
  • the solar cell unit 7 can use solar energy more effectively. It can also be provided be arranged to arrange the front solar cells 41 bv and the rear solar cells 41 bh to each other, so that, for example, the rear solar cells 41 bh are arranged in alignment with intended for contacting areas on the front of the shrink film 41, which do not contribute to energy. It is also conceivable that the photosensitive layers are formed differently and absorb the light from different wavelength ranges. Such cells are also referred to as multi-junction cells, in contrast to the single junction cells, which have only one photosensitive layer. A multi-junction cell can use a larger spectral range than a single-junction cell and therefore has a comparatively higher level
  • the two solar cell units 8v and 8h form a common multilayer body, it being possible to provide that their shrink films 41 and 41 are made of the same material and / or have the same shrinkage behavior. But it can also be provided that the shrink films 41 v and 41 h are formed of different materials and / or have different shrinkage behavior. Further
  • Training variants can be produced by varying the orientation of the interconnected solar cell units 8v and 8h. It can thus be provided, for example, that the shrink films 41 v and 41 h are unidirectional shrink films which are arranged crossed by 90 °, so that the solar cell unit 8 has a knob-shaped surface profile after the temperature treatment.
  • the different solar cell units are the same, different, formed from single and / or multi-junction cells.
  • the solar cell units 7 and 8 shown in Figs. 7 and 8 are in the state they have before the temperature treatment, that is, the shrink films 41, 41 v and 41 h are not yet deformed. It may preferably be provided in the embodiments described in FIGS. 4 to 8 to provide the solar cell units with protective coatings and / or to shrink them onto mounting bodies. Such an application example is shown in FIG. 9.
  • the mounting surface 93 may be a roof surface of a building, preferably a roof surface on the south side of the building.
  • the solar cell module 9 has a solar cell unit 91, which is shrunk onto the front side of a mounting body 92.
  • the mounting body 92 is formed as a plate-shaped body having a protruding mounting portion which is encompassed by the shrunk solar cell unit 91.
  • the edge portions of the mounting body 92 have in the embodiment shown in Fig. 9 through holes, which are penetrated by the formed as a cylinder screws fasteners 94.
  • the solar cell unit 91 has one or more shrink films as described above.
  • the surface profile of the solar cell unit 91 after shrinking increases the surface area of the solar cell unit 91 with respect to a planar surface profile.
  • further electrical connections with electrical contacts and / or traces of the mounting body 92 may be made.
  • the electrical connections can be protected by the dome-shaped formation of the shrunken solar cell unit 91 at the same time against weathering and corrosion.
  • the solar cell unit consists of water-flowed tubes with shrunk solar cell.
  • the heat radiation of the sun can be used.
  • 10 shows a diagrammatic representation of the occurrence of multiple reflections on a surface of a solar cell 100 according to the invention.
  • the surface of the solar cell 100 has recesses 100v, into which recesses 100v 'are formed.
  • An incident on the surface of the solar cell 100 Light beam 95s is reflected several times on the surface of the solar cell, giving off part of its energy to the solar cell at each reflection. In the embodiment shown in Fig. 10, the light beam 95s is reflected five times. Under the simplifying assumption that 50% of the energy is transferred into the solar cell 100 during each reflection, the following energy balance applies:
  • a surface structure in particular, cross gratings of two base gratings, which have said depth-to-width ratio.
  • the structures may, for example, have sine-squared characteristics, but even rectangular or pyramidal structures are suitable. They are like an egg carton.

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Abstract

Es werden Verfahren beschrieben, um die Oberfläche einer Solarzelle auf Polymerbasis gegenüber einer ebenen Oberfläche zu vergrößern und/oder um die aktive Oberfläche der organischen Halbleiterschicht der Solarzelle gegenüber einer ebenen Oberfläche zu vergrößern. Es wird weiter eine Solarzelle (1) auf Polymerbasis beschrieben, bei der die aktive Oberfläche der organischen Halbleiterschicht (13) ein Oberflächenprofil aufweist, welches die Oberfläche in Bezug auf ein ebenes Oberflächenprofil vergrößert. Die Oberfläche weist Erhebungen und/oder Vertiefungen aus.

Description

Solarzelle auf Polymerbasis
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle auf Polymerbasis sowie Verfahren zur Herstellung derselben.
Solarzellen auf Polymerbasis (z.B. flexible Solarzellen) haben bislang Wirkungsgrade, die sich im Bereich von 3 bis 5 % bewegen. Das sind Wirkungsgrade, die deutlich niedriger sind als die von anorganischen Solarzellen.
Werden zur Herstellung von flexiblen Solarzellen auf Polymerbasis kostengünstige Fertigungsverfahren, wie beispielsweise das Rolle-zu-Rolle-Verfahren eingesetzt, so ist eine Massenproduktion von Solarzellen in erheblichem Umfang denkbar.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle auf Polymerbasis mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen und Herstellungsverfahren anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelleneinheit mit einer Solarzelle auf Polymerbasis mit mindestens einem Trägersubstrat und mindestens einer organischen Halbleiterschicht mit einer einer Lichtquelle zugewandten Oberseite und einer der Lichtquelle abgewandten Rückseite gelöst, wobei vorgesehen ist, dass die Solarzelle nach ihrer Fertigstellung so verformt wird, dass mindestens die Oberseite der Solarzelle ein Oberflächenprofil aufweist, welches die Oberfläche der Oberseite in Bezug auf ein ebenes Oberflächenprofil vergrößert. Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle auf Polymerbasis mit mindestens einem Trägersubstrat und mindestens einer organischen Halbleiterschicht mit einer einer Lichtquelle zugewandten Oberseite und einer der Lichtquelle abgewandten Rückseite, wobei vorgesehen ist, dass ein Oberflächenrelief in eine Schicht der Solarzelle abgeformt wird, und dass auf das abgeformte Oberflächenrelief eine oder mehrere elektrische Funktionsschichten, enthaltend die organische(n) Halbleiterschicht(en), aufgetragen werden, so dass die Oberseite der organischen Halbleiterschicht ein Oberflächenprofil aufweist, welches die Oberfläche der organischen Halbleiterschicht in Bezug auf ein ebenes Oberflächenprofil vergrößert. Die Aufgabe wird weiter durch eine Solarzelle auf Polymerbasis mit mindestens einem Trägersubstrat und einer organischen Halbleiterschicht mit einer einer Lichtquelle zugewandten Oberseite und einer der Lichtquelle abgewandten Rückseite gelöst, wobei vorgesehen ist, dass mindestens die Oberseite der organischen Halbleiterschicht ein Oberflächenprofil aufweist, welches die Oberfläche der Oberseite in Bezug auf ein ebenes Oberflächenprofil vergrößert.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Solarzelle auf Polymerbasis, im weiteren als Polymer-Solarzelle bezeichnet, in sehr einfacher und effektiver Weise mit einer vergrößerten Oberfläche versehen werden, so dass die Effizienz der so ausgebildeten Solarzelle gegenüber einer mit ebener Oberseite versehenen Polymer-Solarzelle erhöht ist, beispielsweise auch aufgrund von Mehrfachreflexionen. Die vorgeschlagenen Verfahren sehen sowohl mikroskopische als auch makroskopische Verformungen vor, um die vergrößerte Oberfläche auszubilden, wobei durch Kombination der Verfahren weitere vorteilhafte Ausbildungen möglich sind, wie weiter unten näher beschrieben.
Damit kann bei gleicher Montagefläche der Polymer-Solarzelle eine vergrößerte Oberfläche der für die Umwandlung der Strahlungsenergie des Lichtes in elektrische Energie zuständigen Halbleiterschicht bereitgestellt werden, wodurch der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Polymer-Solarzelle auch aufgrund von Mehrfachreflexionen gegenüber einer Polymer-Solarzelle mit glatter Oberfläche erhöht ist.
Bei der organischen Halbleiterschicht handelt es sich im allgemeinen um ein System aus mehreren Halbleiterschichten, die miteinander wirken.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen bezeichnet. Es kann vorgesehen sein, dass die Solarzelle auf eine Schrumpffolie laminiert wird, und dass danach die Solarzelleneinheit einer Temperaturbehandlung unterzogen wird. Die Solarzelle kann also wie bisher beispielsweise in einem Rolle-zu-Rolle- Verfahren als Massenprodukt hergestellt werden und durch eine
Temperaturbehandlung mit einer vergrößerten aktiven Oberfläche versehen werden, indem die Schrumpffolie durch Einwirkung erhöhter Temperatur, beispielsweise in einem Bereich von 80 0C bis 250 0C, die auf ihr laminierte Solarzelle auffaltet. Es können eine oder mehrere Solarzellen auf die Schrumpffolie laminiert werden und die Solarzelleneinheit bilden.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass für das Trägersubstrat der Solarzelle eine Schrumpffolie verwendet wird und die Solarzelle nach ihrer Fertigstellung einer Temperaturbehandlung unterzogen wird. Dieser Prozess ist zwar kostengünstiger, hat aber ein engeres Prozessfenster während des Rolle-zu-Rolle-Drucks, da sichergestellt werden muss, dass die Schrumpffolie während des Druck- und Trocknungsprozesses nicht ihre Dimensionen ändert. Bei dieser Ausbildung entfällt der Verfahrensschritt „Laminieren", wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden können.
Es ist möglich, dass eine unidirektionale Schrumpffolie verwendet wird. Mit einer solchen Schrumpffolie kann die Solarzelle eine wellpappenförmige Ausbildung erhalten.
Es ist auch möglich, dass eine bidirektionale Schrumpffolie verwendet wird. Die Oberfläche der Solarzelle kann damit nach dem Schrumpfen noppenförmig ausgebildet sein, so dass gegenüber der vorgenannten Ausbildung eine weiter vergrößerte aktive Oberfläche der Solarzelle erreicht ist.
Es kann vorgesehen sein, dass eine opake oder transparente oder semitransparente Schrumpffolie verwendet wird. Eine transparente Schrumpffolie kann von Vorteil sein, wenn auch von der Rückseite der Solarzelle Licht auf die aktive Schicht der Solarzelle treffen soll oder wenn vorgesehen ist, Solarzellen übereinander zu stapeln, wie weiter unten ausgeführt. Weiter kann vorgesehen sein, dass eine elektrisch nichtleitende Schrumpffolie verwendet wird. Eine solche nichtleitende Schrumpffolie kann beispielsweise mit Durchkontaktierungen ausgebildet sein, um mehrere Solarzellen miteinander elektrisch zu verbinden oder alle Anschlüsse der Solarzellen auf eine Anschlussfläche zu führen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass eine elektrisch leitende Schrumpffolie verwendet wird. Die Schrumpffolie kann partiell leitend ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Schrumpffolie Leiterbahnen aufweisen, die geeignet sind, mehrere Solarzellen miteinander elektrisch zu verbinden, d.h. Reihenschaltungen und/oder Parallelschaltungen von Solarzellen vorzunehmen. Auf diese Weise sind Solarzelleneinheiten herstellbar, die eine höhere Ausgangsspannung als eine einzelne Solarzelle liefern.
Es ist möglich, dass die Schrumpffolie vor der Temperaturbehandlung mindestens bereichsweise lackiert und/oder beschichtet wird. Eine solche Lackierung oder Beschichtung kann beispielsweise vorgesehen sein, um elektrische Leiterbahnen auf der Schrumpffolie auszubilden oder um das Schrumpfverhalten der Schrumpffolie gezielt zu beeinflussen. Durch eine nicht schrumpfende streifenförmige, parallel ausgerichtete Beschichtung kann beispielsweise das weiter oben beschriebene wellpappenförmige Verformungsprofil besonders gut ausgebildet werden, weil beschichtete Bereiche als Soll-Knicklinien wirken können, zwischen denen die Schrumpffolie sich aufwölbt. Dabei kann über die Schichtdicke der lackierten Bereiche der Grad der Wölbung nach dem Schrumpfprozess beeinflusst werden.
Weiter kann vorgesehen sein, dass dem Lack und/oder dem Beschichtungsmaterial lichtbrechende und/oder lichtstreuende und/oder lichtleitende und/oder die Lichtwellenlänge ändernde Partikel und/oder Partikelgemische beigefügt werden. Durch die genannten Beimengungen kann die Schrumpffolie zugleich dazu vorgesehen sein, das auf die Solarzelle einfallende Licht auf die aktiven Bereiche der Solarzelle zu lenken. Durch Änderungen der Lichtwellenlänge können Spektralbereiche zur Gewinnung des Solarstroms herangezogen werden, die außerhalb der Sensibilisierung der aktiven Schicht liegen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass die Schrumpffolie mindestens bereichsweise vorstrukturiert wird. Es kann also beispielsweise vorgesehen sein, dass die Schrumpffolie besonders gut verformbare Bereiche aufweist, an denen die Schrumpffolie bevorzugt aufgefaltet wird. Es kann sich dabei um Bereiche mit geringerer Dicke handeln, es kann aber beispielsweise auch vorgesehen sein, dass diese Bereiche durch Perforationen in ihrer Biegefestigkeit geschwächt sind.
Weiter kann vorgesehen sein, dass eine mehrschichtige Schrumpffolie verwendet wird, deren Schichten ein unterschiedliches Schrumpfverhalten aufweisen. Es kann sich dabei um vollflächig aufeinanderliegende Schrumpffolien handeln. Es können aber auch eine oder mehrere der übereinander liegenden Schrumpffolien nur bereichsweise vorgesehen sein und auf diese Weise beispielsweise wie in ein Gewebe eingebrachte Gummifäden wirken, die das Gewebe in Falten legen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass die Solarzelle durch einen Inmold-Prozess verformt wird. Bei dem Inmold-Verfahren wird eine zu verformende Folie mittels eines hinter die Folie eingespritzten Mediums unter Druck in eine Form gepresst und auf diese Weise verformt. Bei dem eingespritzten Medium kann es sich beispielsweise um einen erhitzten Thermoplast, wie ABS/PC oder PMMA handeln, der nach dem Erstarren die verformte Folie fixiert.
So handelt es sich bei der Form beispielsweise um eine Spritzgussform, welcher auf einer Seite das Oberflächenrelief aufweist, gemäss dem die Solarzelle verformt werden soll. Die Solarzelle ist Teil einer Inmold-Folie, die in die Spritzgussform eingelegt wird und sodann mit flüssiger Kunststoff-Spritzmasse von der diesem Oberflächenrelief gegenüberliegenden Seite der Inmold-Folie her hinterspritzt wird. Zusätzlich ist es noch möglich, dass ein Vakuum zwischen der Spritzguss-
Formhälfte, welche das Oberflächenrelief aufweist, und der aufliegenden Inmold- Folie angelegt wird, so dass eine korrekte Abformung des Oberflächenreliefs in die Inmold-Folie nicht durch Luftblasen oder Ähnliches behindert wird. Durch die Hitze und den Druck des in die Spritzgussform gepressten Spritzgussmaterials wird die Inmold-Folie, welche die Solarzelle enthält, entsprechend dem Oberflächenprofil der Spritzgussform verformt und die Verformung im Weiteren dann durch das Erkalten des Spritzgussmaterials stabilisiert und fixiert. Die Inmold-Folie ist hierbei bevorzugt aus einem 15 bis 40 μm dicken PET-Folie, einer Ablöseschicht und einer Übertragungslage aufgebaut, welche die Solarzelle enthält. Die Polyesterfolie wird nach Erkalten des Spritzgussmaterials oder bei Auslösen des Formkörpers aus der Spritzgussform abgezogen. Weiter ist es auch möglich, dass die Inmold-Folie nicht über eine Ablöseschicht verfügt und die Polyesterfolie auf dem Formkörper verbleibt. Letzterer Prozess ist aber weniger üblich.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Solarzelle durch einen Touch-Forming- Prozess verformt wird. Hierbei ist die Solarzelle auf einem speziell verdehnbaren Polyesterträger aufgebracht, dessen Dicke im Bereich von 100 μm ist. Mit Hilfe einer Membranpresse erfolgt dann bei einer Temperatur im Bereich von 120 0C die Formgebung mittels eines Formteils. Wichtig sind in diesem Zusammenhang die einzelnen Zykluszeiten, die das Endprodukt stark beeinflussen und individuell ausgetestet werden müssen.
Eine für einen derartigen Prozess geeignete Folie mit einer Solarzelle besteht beispielsweise aus folgenden Schichten:
- Trägerschicht
- Trennschicht
- Schutzlackschicht - Solarzelle/n
- Klebeschicht
Die Trennschicht und die Schutzlackschicht weisen vorzugsweise Dicken im Bereich von 1 bis 3 μm auf. Die Klebeschicht weist ebenfalls vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 1 bis 3 μm auf, wobei Dicke und Zusammensetzung der Klebeschicht vom Substrat abhängen können.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Solarzelle durch einen Tiefzieh-Prozess verformt wird. Hierzu kann vorgesehen sein, dass eine Folie enthaltend die Solarzelle auf ein tiefziehfähiges Substrat, wie beispielsweise eine ABS-Platte mit einer Stärke von 0,5 bis 1 mm appliziert, vorzugsweise aufgeklebt wird, und sodann die Folie mit dem Substrat in einem Tiefziehprozess zur Ausbildung des Oberflächen reliefs verformt wird. Auf die hier beispielhaft genannte ABS-Platte wird über ein Abrollverfahren die Solarzelle appliziert. Danach erfolgt das Einspannen in eine Vakuummaschine und über eine teilweise beheizte Metallform das Tiefziehen mittels Vakuum mit dem Ergebnis, dass die beschichtete ABS-Platte die Form der Metallform angenommen hat.
Es ist auch möglich, dass das Substrat aus einer Folie aus ABS, PVC oder Plexiglas besteht. Der Aufbau der Folie ist ähnlich zu dem schon vorstehend erwähnten. Auf einem Träger befindet sich eine oder mehrere Trennschichten, ein Schutzlack oder ein Schutzlackpaket, der Solarzellenaufbau und eine Klebeschicht. Weitere Schichten können vorgesehen sein, wenn besondere End-Eigenschaften gefordert sind.
Sowohl bei dem Touch-Forming-Prozess als auch beim Tiefziehen kann ein Hinterspritzen der verformten Folie vorgesehen sein, um die Verformung der Folie dauerhaft zu fixieren.
Bei dem vorstehend beschriebenen Spritzmedium kann es sich um ein elektrisch leitfähiges Spritzmedium handeln, wenn besondere Applikationen gefordert sind.
Es kann auch vorgesehen sein, dass ein partiell elektrisch leitfähiges Spritzmedium verwendet wird oder dass ein elektrisch nichtleitendes Spritzmedium verwendet wird.
Weiter kann vorgesehen sein, dass ein opakes oder transparentes oder semitransparentes Spritzmedium verwendet wird. Es ist auch vorgesehen, das Spritzmedium in vergleichbarer Art und Weise wie die weiter oben beschriebene Schrumpffolie zu modifizieren, wobei prinzipiell beliebige Kombinationen möglich sind. Es ist also auch möglich, geschrumpfte Solarzellen zu hinterspritzen oder Solarzellen durch Hinterspritzen miteinander zu verbinden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass metallisierte Kontaktstellen in die Hinterspritzung eingebracht werden.
Wie bereits weiter oben ausgeführt, können mindestens zwei Solarzellen oder Solarzelleneinheiten übereinander angeordnet werden, wobei auch photovoltaische Halbleiterschichten vorgesehen sein können, die Licht aus unterschiedlichen Lichtwellenlängenbereichen absorbieren können.
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass es sich bei den Solarzelleneinheiten um Multifunktions-Zellen handelt. Diese Zellen besitzen aktive Bereiche, die Licht aus unterschiedlichen Lichtwellenlängenbereichen adsorbieren, so dass somit eine Effizienzsteigerung erreicht wird.
Dabei kann vorgesehen sein, dass zwei übereinander angeordnete Solarzellen oder Solarzelleneinheiten beidseitig der Schrumpffolie aufgebracht werden.
Es ist möglich, dass die auf der einen Seite der Schrumpffolie vorgesehenen Solarzellen oder Solarzelleneinheiten gegenüber den auf der anderen Seite der Schrumpffolie vorgesehenen Solarzellen oder Solarzelleneinheiten versetzt aufgebracht werden. Auf diese Weise können beispielsweise die Zwischenräume zwischen benachbarten Solarzellen durch weitere, auf der gegenüberliegenden Seite der Schrumpffolie oder der Hinterspritzung angeordnete Solarzellen aufgefüllt werden und so die aktive Fläche der Solarzelleneinheiten weiter vergrößert werden.
Durch die vorgesehene Ausbildung der Solarzellen als Folienkörper ergeben sich weitere vorteilhafte Ausbildungen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Solarzellen und/oder die Solarzelleneinheiten auf Montagekörper aufgeschrumpft werden. Bei den Montagekörpern kann es sich beispielsweise um plattenförmige Körper handeln, die neben Kontaktbahnen zum Herstellen elektrischer Verbindungen Befestigungselemente aufweisen können.
Es kann auch vorgesehen sein, die Solarzellen bzw. die Solarzelleneinheiten schlauchförmig auszubilden, wobei weiter vorgesehen sein kann, die Schläuche als Leitung für ein Medium zu nutzen oder die Schläuche bei Bedarf an einer Mantellinie aufzutrennen. Bei dem vorgenannten Medium kann es sich um Wasser handeln, welches über eine Pumpe, die mit Solarstrom angetrieben wird, umgewälzt wird. Zum einen wird das Wasser durch die Sonneneinstrahlung erwärmt, zum anderen auch gefördert und die Wärmeenergie des Wassers einem Wärmetauscher zugeführt.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Solarzelleneinheiten verkapselt werden.
Es ist vorgesehen, Solarzellen und/oder Solarzelleneinheiten zu Solarzellenmodulen zusammenzufügen. Die Solarzellenmodule können handelsfähige Einheiten bilden, die zu Photovoltaikanlagen verbunden werden können. Die vorstehend genannte Verkapselung kann sich auf alle genannten Einheiten erstrecken und/oder mehrmals aufeinander folgend vorgesehen sein.
Die durch die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte durch die Schrumpffolie ausgebildeten Verformungen der Oberfläche der Solarzellen sind üblicherweise als Erhebungen bzw. Vertiefungen mit einer Höhe bzw. Tiefe im Bereich von 1 mm bis 20 mm ausgebildet. Sie weisen vorzugsweise einen Abstand von 5 mm bis 25 mm auf. Es handelt sich also um Verformungen, die im allgemeinen mit dem bloßen Auge erkennbar sind und daher als makroskopische Verformungen bezeichnet werden können. Die Erhebungen bzw. Vertiefungen können allerdings auch kleiner ausgebildet sein und bis zu 30 μm hinabreichen. Ebenso können weitaus kleinere Abstände vorgesehen sein, die bis zu 30 μm hinabreichen.
Weiter ist es möglich, dass die Oberfläche der organischen Halbleiterschicht dadurch vergrößert wird, dass die organische Halbleiterschicht und/oder eventuell weitere elektrische Funktionsschichten der Solarzelle auf eine bereits ein entsprechendes Oberflächenprofil aufweisende Oberfläche, beispielsweise eine Prägefolie, aufgebracht werden. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine mittels eines Prägeverfahrens oder UV-Replizierverfahrens in eine Replizierlackschicht oder eine Kunststofffolie eingebrachte Oberflächenstruktur, die ein mikroskopisches
Oberflächenprofil mit einem Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis von 0,1 bis 5 und einem Abstand der Erhebungen von 200 nm bis 100 μm aufweist. In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass die nach ihrer Fertigstellung verformte Solarzelle mittels eines der vorstehend genannten Verfahren hergestellt wird. Die vorstehend beschriebene Solarzelle mit mikroskopischen Verformungen wird damit nach ihrer Fertigstellung so verformt, dass mindestens die Oberseite der Solarzelle ein Oberflächenprofil aufweist, welches die Oberfläche der Oberseite in Bezug auf ein ebenes Oberflächenprofil vergrößert. Es wird also ein Verfahren vorgeschlagen, das bei der Solarzelle sowohl ein (makroskopisches) Oberflächenprofil ausbildet, dem im allgemeinen auch die aktive Schicht der Solarzelle folgt, als auch ein (mikroskopisches) Oberflächenprofil mindestens in der aktiven Schicht der Solarzelle ausbildet.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind auf die Gestaltung des Oberflächenprofils der durch vorstehend beschriebene Verfahren hergestellten Solarzellen bzw. Solarzelleneinheiten gerichtet.
Es kann vorgesehen sein, dass das Oberflächenprofil so ausgebildet ist, dass es zu Mehrfachreflexionen führt und somit die Effizienz der Solarzelle steigert. Abgesehen von den Spezialfällen, dass ein Lichtstrahl senkrecht auf die Oberfläche der Solarzelle auftrifft - die Energie des Lichtstrahls wird maximal ausgenutzt - oder parallel zur Oberfläche der Solarzelle gerichtet ist - die Energie des Lichtstrahls wird nicht genutzt - wird ein Teil des Lichts beim Auftreffen auf die Oberfläche der Solarzelle reflektiert. Folglich geht ein Teil der Lichtenergie verloren, wenn der reflektierte Strahl nicht wieder auf die Oberfläche der Solarzelle trifft. Bei Verwendung einer Oberfläche mit ebenem Oberflächenprofil wird ein auf die Oberfläche auftreffender Lichtstrahl nur einmal reflektiert. Ein unebenes
Oberflächenprofil kann jedoch zu Mehrachreflexionen führen. Ist beispielsweise ein sägezahnförmiges Oberflächenprofil mit einem Spitzenwinkel von 90° vorgesehen, wird der Lichtstrahl im Durchschnitt zweimal reflektiert, abgesehen davon, dass auch die zur Verfügung stehende Oberfläche gegenüber einer ebenen Oberfläche vergrößert ist. Es kann weiter vorgesehen sein, dass das Oberflächenprofil aus Erhebungen und/oder Vertiefungen des Trägersubstrats und/oder der Halbleiterschicht gebildet ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass das Trägersubstrat aus einer verformten Folie oder Platte gebildet ist, auf der die aus dünnen Schichten aufgebaute Polymer-Solarzelle angeordnet ist. Die Halbleiterschicht kann beispielsweise in einer Dicke von 150 nm bis 200 nm aufgebracht sein. Jede der beiden Elektrodenschichten kann eine Dicke von 10 nm bis 50 nm aufweisen, aber auch Dicken im Bereich von 50 bis 1000 nm können vorgesehen sein, abhängig von der verlangten Leitfähigkeit. Es kann weiter vorgesehen sein, auch die Halbleiterschicht mit Erhebungen und/oder Vertiefungen auszubilden. Beispielsweise kann das Trägersubstrat makroskopische Erhebungen und/oder Vertiefungen aufweisen und die Halbleiterschicht mikroskopische Erhebungen und/oder Vertiefungen.
Weitere Ausgestaltungen sind auf die Ausbildung des Oberflächenprofils gerichtet.
Es kann vorgesehen sein, dass das Oberflächenprofil ein stochastisches Oberflächenprofil ist. Das stochastische Oberflächenprofil kann vorzugsweise für mikroskopische Oberflächenprofile vorgesehen sein, d.h. vorzugsweise als Oberflächenprofil der Halbleiterschicht. Stochastische Oberflächenprofile, die
Strukturen unterhalb des Auflösungsvermögens eines unbewaffneten menschlichen Auges aufweisen, sind auch als Mattstrukturen bekannt. Elektrodenschichten mit der weiter oben genannten Dicke von 10 bis 50 nm können auf die Halbleiterschicht aufgebracht werden, ohne das mikroskopische Oberflächenprofil der Halbleiterschicht zu „verschmieren". Dünne Schichten können dem Oberflächenprofil exakt folgen und eine Oberfläche ausbilden, die dem Oberflächenprofil entspricht. Dicke Schichten bilden eine Oberfläche aus, die zumindest in Teilbereichen nicht mehr dem Oberflächenprofil folgt, es also „verschmiert". Durch Abstimmung der Brechungsindizes der über der Oberseite der Halbleiterschicht angeordneten Schicht bzw. Schichten, beispielsweise einer Elektrodenschicht, kann jedoch auch ein verschmiertes Oberflächenprofil toleriert werden. Wenn der Brechzahlunterschied der Brechungsindizes der das Oberflächenprofil teilweise oder vollständig ausfüllenden Schicht und der Halbleiterschicht mindestens > 0,2 ist, jedoch nicht so groß ist, dass Totalreflexion an der Grenzschicht zwischen der Schicht und der Halbleiterschicht eintritt, ist die Oberflächenvergrößerung der Halbleiterschicht unabhängig von der Ausbildung der das Oberflächenprofil bedeckenden Schicht optisch wirksam. Weiter kann vorgesehen sein, dass das Oberflächenprofil ein periodisches Oberflächenprofil ist. Das periodische Oberflächenprofil kann sowohl für makroskopische als auch für mikroskopische Strukturen vorgesehen sein. Es ist insbesondere bei makroskopischen Oberflächenstrukturen bevorzugt oder wenn eine definiertes, der exakten Berechnung zugängliches Maß der
Oberflächenvergrößerung vorgesehen ist. Es kann auch bevorzugt sein, um den Werkzeugaufwand zur Übertragung des Oberflächenprofils zu reduzieren. Ein periodisches Profil ist besonders für ein Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren geeignet, bei dem das Oberflächenprofil von einer rotierenden Profilwalze auf die Halbleiterschicht übertragen werden kann. Ein weiterer Vorteil des periodischen
Profils ist darin begründet, dass zur Optimierung der Eigenschaften des periodischen Profils nur eine Periode des Profils entworfen und gestaltet werden muss.
Weiter kann vorgesehen sein, dass das Oberflächenprofil ein Kreuzgitter aus zwei Basisgittern bildet. Das Oberflächenprofil kann beispielsweise ein Kreuzgitter aus zwei Basisgittern mit Perioden kleiner als eine Grenzwellenlänge λ am kurzwelligen Ende im Spektrum des sichtbaren Lichts sein, d.h. λ = 380 nm bis λ = 420 nm und Profiltiefen im Bereich von h = 50 nm bis h = 500 nm aufweisen. Solche Reliefstrukturen absorbieren fast alles auf die Oberfläche einfallendes sichtbares Licht und streuen nur einen kleinen Bruchteil des einfallenden Lichts zurück. Der Prozentsatz des absorbierten Lichts hängt in nicht linearer Weise von der Profiltiefe ab und kann mittels der Wahl der Strukturtiefe zwischen 50% und etwa 99 % gesteuert werden, wobei gilt, je flacher das Oberflächenprofil, desto mehr einfallendes Licht wird rückgestreut und desto weniger Licht wird absorbiert. Als besonders vorteilhaft hat sich, wie Versuche gezeigt haben, ein Tiefen-zu-Breiten- Verhältnis im Bereich von 0,5 bis 5 erwiesen, wie weiter unten näher erläutert. In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Oberflächenprofil ein selbstähnliches Oberflächenprofil ist. Die Abschnitte selbstähnlicher Profile sind dem Profil selbst ähnlich. Auf diese Weise kann ein Oberflächenprofil immer weiter aufgegliedert werden, ohne den Charakter des Oberflächenprofils zu verlassen. So sind beispielsweise die Äste eines Baumes dem Baum selbst ähnlich. In der Mathematik werden selbstähnliche Funktionen auch als Fraktale bezeichnet. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein sinusförmiges Oberflächenprofil mit einer Sinusfunktion überlagert ist, der wiederum eine Sinusfunktion überlagert sein kann und so fort. Wenn beispielsweise die Erhebungen und/oder die Vertiefungen ein Höhenprofil h = ±100 μm aufweisen, können dessen Erhebungen und/oder ein Höhenprofil h' = +10 μm aufweisen, das seinerseits mit einem
Höhenprofil h" = ±1 μm moduliert sein kann. Eine weitere Profilierung erzeugt nun Strukturelemente in der Größenordnung des sichtbaren Lichtes, das Wellenlängen von 760 nm (rot) bis 380 nm (violett) umfasst. Beugungsoptische Effekte an derart kleinen Strukturen könnten allerdings dazu führen, dass der Wirkungsgrad der Solarzelle wieder abnimmt.
Es kann vorgesehen sein, dass die mittlere Breite oder der mittlere Durchmesser der Erhebungen oder Vertiefungen am Fußpunkt in dem Bereich von 1 mm bis 10 mm liegt.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die mittlere Breite oder der mittlere Durchmesser der Erhebungen und/oder Vertiefungen am Fußpunkt in dem Bereich von 1 μm bis 1000 μm liegt. Das Auflösungsvermögen des unbewaffneten menschlichen Auges beträgt unter idealen Bedingungen etwa 1', d.h. 1 mm auf 3,5 m oder etwa 70 μm auf 250 mm. In dem Bereich von 1 μm bis 1000 μm verläuft also die Grenze zwischen makroskopischen und mikroskopischen Strukturen.
Noch weiter kann vorgesehen sein, dass die mittlere Breite oder der mittlere Durchmesser der Erhebungen und/oder Vertiefungen am Fußpunkt in dem Bereich von 100 nm bis 1000 nm liegt. Bei Oberflächenstrukturen im Nanometerbereich ist wie weiter oben ausgeführt, zu beachten, dass die Oberflächenstrukturen durch die ihnen benachbarte Schicht verschmiert sein können.
Weiter kann vorgesehen sein, dass das Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis der Erhebungen und/oder Vertiefungen in dem Bereich von 0,5 bis 5 liegt. Das auch als Aspektrate bezeichnete Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis gibt als dimensionslose Zahl Auskunft darüber, in welchem Verhältnis die Tiefe der „Täler" bzw. die Höhe der „Berge" der Oberflächenstruktur zu dem Abstand zweier benachbarter Strukturelemente stehen. Mit wachsendem Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis wird die Oberfläche der Oberflächenstruktur vergrößert. Praktische Grenzen sind unter anderem dadurch gesetzt, dass die Flanken der Erhebungen und/oder Vertiefungen mit wachsendem Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis steiler werden, wodurch diese in immer flacherem
Winkel von den auftreffenden Lichtstrahlen getroffen werden (bei senkrechtem Einfall auf die Oberfläche) oder mindestens teilweise gar nicht mehr getroffen werden (bei schrägem Einfall auf die Oberfläche).
Einerseits nimmt mit Zunahme der Flankensteilheit die Wahrscheinlichkeit von Mehrfachreflexionen zu, die wie weiter oben beschrieben, den Wirkungsgrad der Solarzelle erhöhen. Andererseits können steile Flanken abschattend wirken, insbesondere für flach zur Oberfläche einfallende Strahlen. Von Bedeutung für ein Zustandekommen von Mehrfachreflexionen, die die Effϊzierenz der Solarzelle signifikant erhöhen, hat sich ein Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis der Strukturelemente zwischen 0,5 bis 5, bevorzugt zwischen 1 und 5 erwiesen. Auch die Flankenform kann die Anzahl der Reflexionen beeinflussen. Eine ebene Flanke, beispielsweise eine Flanke eines Sägezahnprofils, wirkt als ebener Spiegel, während eine gekrümmte Flanke die Strahlen bündeln oder zerstreuen kann, beispielsweise eine konkave Flanke die Strahlen bündeln kann. Die weiter oben genannten Basisgitter, die ein Kreuzgitter bilden, können beispielsweise nach einer Sinusquadrat-Funktion verlaufen, aber auch Rechteck- oder Pyramidenstrukturen sind möglich. Dabei werden Oberflächenstrukturen ausgebildet, die einem Eierkarton gleichen. Auch derartige Strukturen führen zu einer weiten Erhöhung der Effizienz der Solarzelle.
Weitere Ausgestaltungen sind auf die geometrische Gestalt der Erhebungen und/oder Vertiefungen gerichtet.
Es kann vorgesehen sein, dass die Mantelflächen der Erhebungen und/oder der Vertiefungen als Mantelflächenbereiche eines sphärischen Körpers ausgebildet sind.
Weiter kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem sphärischen Körper um eine Kugel handelt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Mantelflächen der Erhebungen und/oder der Vertiefungen als Mantelflächenbereiche eines Kegels oder einer Pyramide ausgebildet sind.
Die erreichbare Oberflächenvergrößerung wird nun beispielhaft an einer pyramidenartigen Erhebung mit quadratischer Grundfläche berechnet, die eine Grundkantenlänge a und eine Höhe h = 2,96 a aufweist, d.h. ein Tiefen-zu-Breiten- Verhältnis von 2,96.
Die Oberfläche der Grundfläche O0 ist
O0 = a • a = a2
Die Oberfläche der Mantelfläche der Pyramide Ai ist
Oi = 4 • a/2 • (a2/4 + h2)1/2 = 2a« (a2/4 + 8,76a2)1/2 « 6 a2
Damit beträgt die Oberflächenvergrößerung O-ι/O0
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Die um den Faktor 6 vergrößerte Oberfläche der Polymer-Solarzelle kann durch Anwendung des weiter oben beschriebenen Verfahrens der Ausbildung der Mantelflächen der Erhebungen und/oder Vertiefungen mit weiteren Erhebungen und/oder Vertiefungen noch weiter erhöht werden, beispielsweise mit drei Schritten um den Faktor 216. Selbst unter der Annahme, dass nicht alle Teilflächen optimal zur Lichtquelle ausgerichtet sind, weist die erfindungsgemäße Polymer-Solarzelle eine deutlich vergrößerte wirksame Oberfläche gegenüber einer mit ebener Oberfläche ausgebildeten Polymer-Solarzelle auf mit einhergehenden Mehrfachreflexionen, die zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades führen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Erhebungen und/oder die Vertiefungen mit sternförmigem Querschnitt ausgebildet sind. Unter einem sternförmigen Querschnitt sind dabei alle Querschnittsformen verstanden, die mit von einem gemeinsamen Ausgangspunkt ausgehende Fortsätze aufweisen.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Mantelflächen der Erhebungen und/oder der Vertiefungen als Mantelflächen eines liegenden Prismas oder Zylinders ausgebildet sind. Derartige sich in einer Richtung erstreckende Erhebungen und/oder Vertiefungen können Vorzugsausrichtungen aufweisen, bei denen die Effizienz der Solarzelle am größten ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Ausrichtung der Erhebungen und/oder Vertiefungen bereichsweise zu ändern, beispielsweise jeweils um 90°, um die Richtungsabhängigkeit zu mindern oder aufzuheben.
Insbesondere zur Ausbildung mikroskopischer Oberflächenprofile können die
Erhebungen beispielsweise durch Tiefdruck auf die Oberfläche der Halbleiterschicht bzw. Halbleiterschichten oder des Trägersubstrats übertragen werden. Ist ein für die Ausbildung der Halbleiterschicht formgebendes Trägersubstrat vorgesehen, können die Erhebungen beispielsweise aus einem Strahlungshärtenden Lack ausgebildet sein, etwa einem UV-härtenden Lack. Es können aber auch andere Lacke oder Druckfarben vorgesehen sein. Es kann sich dabei auch um reflektierende Lacke handeln, so dass einfallendes Licht sowohl auf die Vorderseite als auch auf die Rückseite der Polymer-Solarzelle gelenkt wird.
Wenn die Erhebungen und/oder Vertiefungen auf der Halbleiterschicht ausgebildet sind, kann zunächst auf die (ebene) Trägerschicht eine Halbleiterschicht mit konstanter Schichtdicke aufgetragen werden und sodann können die Erhebungen und/oder die Vertiefungen mittels Tiefdruck aufgebracht werden. Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Bereiche der Tiefdruckform, welche die Erhebungen ausbilden, mit Halbleitermaterial befüllt sind und die Bereiche, welche die Vertiefungen ausbilden, als ungravierte Bereiche auf der Tiefdruckwalze darstellen. Organische Halbleiter können eine Konsistenz haben, die für einen solchen Druckprozess dann geeignet ist. Ein unmittelbares Einfrieren der Druckpunkte ist in diesem Fall notwendig.
Weiter kann vorgesehen sein, dass das Höhenprofil aus in der Trägerschicht eingebrachten Vertiefungen und/oder Erhebungen gebildet ist. Die Vertiefungen können beispielsweise durch Thermoprägen in die Trägerschicht eingebracht werden, die als Replizierschicht ausgebildet sein kann, wobei die Vertiefungen so dimensioniert sein können, dass zugleich die Erhebungen ausgeformt werden. Es kann weiter vorgesehen sein, die Trägerschicht aus einem Strahlungshärtenden Lack, wie beispielsweise dem vorstehend genannten UV-Lack auszubilden, und das Oberflächenprofil optisch oder mittels einer Profilwalze in den Strahlungshärtenden Lack abzuformen und diesen danach auszuhärten. Es kann sich aber auch um makroskopische Vertiefungen und/oder Erhebungen handeln, wie sie beispielsweise Verpackungsfolien aufweisen können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass das Oberflächenprofil von einer additiven Überlagerung eines makroskopischen Oberflächenprofils mit einem mikroskopischen Oberflächenprofil gebildet ist.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungen sind nicht auf Polymer-Solarzellen beschränkt, sondern auch auf organische Solarzellen übertragbar, bei denen die Halbleiterschicht nicht aus einem Polymer, sondern aus unvernetzten organischen Molekülen gebildet ist, sowie auf anorganische Solarzellen, zumindest was die Halbleiterschicht betrifft und auf Hybrid-Solarzellen, die aus organischen und anorganischen Komponenten ausgebildet sind.
Des Weiteren kann es sich bei den Solarzellen sowohl um Single Junction Zellen handeln, also um Zellen mit einer photosensitiven Schicht, als auch um Multi Junction Zellen handeln, also um Zellen mit mehreren photosensitiven Schichten. Die photosensitiven Schichten der Multi Junction Zelle können für unterschiedliche Wellenlängenbereiche sensibilisiert sein, so dass ein vergleichsweise größeres Wellenlängenspektrum als bei der Sigle Junction Zelle nutzbar ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft verdeutlicht. Es zeigen:
Fig. 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle auf Polymerbasis;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle auf Polymerbasis;
Fig. 3 eine vergrößerte Detailansicht aus Fig. 2;
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelleneinheit vor einer Temperaturbehandlung;
Fig. 5a eine Detailansicht V aus Fig. 4 mit einer ersten Solarzellenausführung;
Fig. 5b eine Detailansicht V aus Fig. 4 mit einer zweiten Solarzellenausführung;
Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung der Solarzelleneinheit in Fig. 4 nach der Temperaturbehandlung;
Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelleneinheit; Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelleneinheit;
Fig. 9 ein Anwendungsbeispiel der Solarzelleneinheit in Fig. 4 in schematischer Schnittdarstellung Fig. 10 eine schematische Darstellung zum Auftreten von
Mehrfachreflexionen an einer erfindungsgemäßen Oberfläche.
Fig. 1 zeigt eine Solarzelle auf Polymerbasis 1 , im folgenden Polymer-Solarzelle genannt, die auf einem Trägersubstrat 10 aufgebaut ist. Bei dem Trägersubstrat 10 kann es sich beispielsweise um eine Polyesterfolie von etwa 20 bis 125 μm Dicke handeln.
Auf dem Trägersubstrat 10 sind Formelemente 11 angeordnet, die wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gleichmäßig verteilt auf dem Trägersubstrat 10 angeordnet sein können oder beliebig verteilt sein können. Die Formelemente 1 1 sind in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Kugelsegment ausgebildet und weisen eine Höhe h von z.B. 6 μm und einen Durchmesser 2p von beispielsweise 50 μm auf. Sie sind vor dem Auftragen der ersten Elektrodenschicht 12 auf das Trägersubstrat 11 aufgedruckt. Mit Hilfe der Formelemente 11 ist die effektive Oberfläche, die zum Aufbau der Polymer-Solarzelle 1 zur Verfügung steht, gegenüber der ebenen Oberfläche des Trägersubstrats 10 vergrößert.
Die Oberfläche eines Kugelsegments ist
O1 = 2π • r • h = π • (p2 + h2)
Bei Annahme dichter Kugelpackung beansprucht jede Kugelkappe eine Grundfläche O0 = πp2
Damit beträgt die maximale Oberflächenvergrößerung mit den oben angeführten Beispielwerten
d/Oo = 1 + h2/p2 = 1 + 36/625 = 1 ,05
Auf diese Weise ist die Oberfläche der Polymer-Solarzelle 1 bei gleicher Grundfläche der Polymer-Solarzelle 1 vergrößert. Weil die Kugel die kleinste Oberfläche aller geometrischen Körper aufweist, gibt die vorstehende Berechnung zugleich die kleinste mögliche Oberflächenvergrößerung an. Die Oberflächenvergrößerung hängt sehr stark von den gewählten Parametern für p und h ab. Wird beispielsweise mit p = 25 μm der Wert h von 6 mm auf 15 mm angehoben, so ändert sich das Oberflächenverhältnis von 1 ,05 auf 1 ,28.
Unter der Annahme, dass es sich bei den Kugelsegmenten um Halbkugeln handelt, beträgt
O1ADo = (2Kr2 + Λi2 - πr^Mr2 = π/4 + 1 = 1 ,79
Werden dagegen die Erhebungen aus vierseitigen Pyramiden gebildet, deren Höhe gleich der Grundseite ist, beträgt die Oberflächenvergrößerung
O1ZO0 = (4/2 • a • _
Figure imgf000022_0001
= 2,236
Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, dass bei der Wahl von vierseitigen Pyramiden die gesamte Oberfläche so strukturiert werden kann, dass keine Zwischenräume verbleiben. Während Kugelkappen ein maximales Tiefen-zu-Breiten- Verhältnis von 1 aufweisen können, ist bei allen anderen geometrischen Formen der Erhebungen bzw. Vertiefungen, wie Pyramiden, Kegeln, Prismen oder dergleichen das Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis nicht durch die geometrische Form begrenzt.
Kugelkappen sind allerdings besonders einfach herstellbar, so dass der Nachteil, die geringste spezifische Oberfläche von allen Ausführungsformen aufzuweisen, dadurch kompensiert sein kann. Es kann auch vorgesehen sein, die Formelemente als liegende streifenförmige Prismen auszuführen, d.h. die Oberfläche der Solarzelle wellblechförmig auszuführen.
Die Formelemente 1 1 können beispielsweise aufgedruckt sein, vorzugsweise mit einem Tiefdruckverfahren oder sie können repliziert sein, wie weiter unten in Fig. 2 beschrieben. Die Formelemente 1 1 können transparent oder nicht transparent ausgebildet sein, was vom Aufbau der Solarzelle und der Lichtführung abhängt.
Bei der konstruktiven Gestaltung der Formelemente 11 ist zu beachten, dass die Effektivität einer Solarzelle unter anderem davon abhängt, unter welchem Neigungswinkel die Strahlung auftrifft und in die Solarzelle geführt wird. Parallel zur Strahlungsrichtung ausgerichtete Flächenabschnitte tragen deshalb nichts zur Energiegewinnung aus der auftreffenden Strahlung bei und erhöhen nicht den Wirkungsgrad der Polymer-Solarzelle.
Weiter hängt die erreichbare Oberflächenvergrößerung von der Anzahl der Formelemente 11 pro Flächeneinheit ab.
Auf die Formelemente 11 und auf die von den Formelementen 11 nicht bedeckten Abschnitte des Trägersubstrats 10 ist eine erste Elektrodenschicht 12 aufgetragen, bei der es sich beispielsweise um eine Schicht aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium oder einer Legierung aus diesen und/oder weiteren Metallen handeln kann. Die erste Elektrodenschicht 12 kann aber auch beispielsweise aus einer leitenden ITO- Beschichtung (Indium/Zinnoxid) ausgebildet sein. Die erste Elektrodenschicht 12 ist als eine transparente Elektrodenschicht von einigen Nanometer Dicke ausgebildet. Es kann sich dabei auch um eine semitransparente Elektrodenschicht handeln, die beispielsweise als metallische Schicht ausgebildet sein kann, um eine strukturierte metallische Schicht oder um eine optisch geschlossene Schicht handeln.
Auf der ersten Elektrodenschicht 12 ist ein photosensitives Halbleiterschichtsystem 13 angeordnet, das z.B. aus einer PEDOT/PSS-Schicht, einer photoelektrischen
Halbleiterschicht und einer TIO2-Schicht bestehen kann. Andere Elektronenschichten und/oder Lochblockerschichten sind auch denkbar.
Auf dem photosensitiven Halbleiterschichtsystem 13 ist eine zweite Elektrodenschicht 14 angeordnet, die wie die zuvor beschriebene erste Elektrodenschicht 12 ausgebildet sein kann.
Die zweite Elektrodenschicht 14 ist von einer Kleberschicht 15 überdeckt, auf der eine Deckschicht 16 aufgebracht ist. Es kann auch vorgesehen sein, auf die Kleberschicht zu verzichten. Bei der Deckschicht kann es sich um eine transparente Kunststoffschicht oder um ein Barriereschichtgebilde handeln, die bzw. das das System vor Außeneinflüssen schützt. Das Arbeitsprinzip der Polymer-Solarzelle beruht auf dem lichtinduzierten Elektronentransfer in einem so genannten Donar-Akzeptorsystem. Durch die vorstehend beschriebene Vergrößerung der Oberfläche der Polymer-Solarzelle 1 kann zumindest teilweise der Nachteil der geringere Wirkungsgrad der Polymer- Solarzelle aufgehoben und positiv beeinflusst werden, was auch auf der durch die vergrößerte Oberfläche hervorgerufenen Mehrfachreflexion beruht.
Fig. 2 zeigt nun ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Polymer- Solarzelle, bei der die Oberflächenvergrößerung nicht wie in Fig. 1 dargestellt, durch Erhebungen, sondern durch Vertiefungen erreicht ist.
Eine Polymer-Solarzelle 2 weist eine Replizierschicht 21 auf, die auf dem Trägersubstrat 10 aufgebracht ist und die auf ihrer der ersten Elektrodenschicht 12 zugewandten Vorderseite mit Vertiefungen 21 v ausgebildet ist. Die Vertiefungen 21 v können ähnlich vielfältige Formen aufweisen wie die weiter oben beschriebenen Formelemente 11. Bei der Replizierschicht 21 kann es sich um eine auf einem Trägersubstrat applizierte Schicht oder Schichten handeln, in welche durch ein erhitztes Formwerkzeug, das unter Druck mit der Oberfläche der Replizierschicht 21 in Kontakt gebracht ist, die Vertiefungen 21v abgeformt sind. Es kann dabei auch vorgesehen sein, die Replizierschicht aus einem Strahlungshärtenden Lack auszubilden, beispielsweise aus einem UV-härtenden Lack, der nach dem Abformen der Vertiefungen 21 v durch Bestrahlung mit UV-Licht ausgehärtet wird.
In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann auf die Replizierschichten auf dem Trägersubstrat 10 verzichtet werden. Das Trägersubstrat stellt in diesem Fall die Replizierschicht 21 dar, in die direkt die Strukturen (Vertiefungen) abgeformt werden. Alternativ können die Vertiefungen in das Trägersubstrat abgeformt sein.
Die als obere Elektrode auf das photosensitive Halbleiterschichtsystem 13 aufgebrachte zweite Elektrodenschicht 14 ist wie in dem weiter oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1 ) von der Kleberschicht 15 überdeckt, auf der die Deckschicht 16 oder auch mehrere Schichten aufgebracht ist bzw. sind. Fig. 3 zeigt nun einen vergrößerten Ausschnitt der Replizierschicht 21. Die Oberfläche der Vertiefungen 21v weist eine Reliefstruktur auf, die der in die Oberfläche der Replizierschicht 21 abgeformten Makrostruktur ähnlich ist. Die Oberfläche der Vertiefungen 21v weist also Vertiefungen 21v' auf, die den Vertiefungen 21 v ähnlich sind. Die Vertiefungen 21v' können wiederum Vertiefungen aufweisen, die den Vertiefungen 21v' ähnlich sind und so fort. Es kann also beispielsweise vorgesehen sein, dass die Vertiefungen 21 v eine Tiefe von 100 μm aufweisen, die Vertiefungen 21 v' eine Tiefe von 10 μm aufweisen und die folgenden Vertiefungen jeweils eine Tiefe, die 10 % der vorangehenden Tiefe beträgt. Die untere Grenze kann beispielsweise erreicht sein, wenn an den Oberflächenstrukturen Beugung eintritt und das Licht nicht mehr in die Halbleiterschicht 13 eindringen kann.
Durch die Oberflächenstrukturierung ist die effektive Oberfläche der Vertiefungen gegenüber der effektiven Oberfläche glatter Vertiefungen bzw. Erhebungen erhöht (siehe Fig. 1 und 2). Eine derart ausgebildete Oberflächenstruktur kann als selbstähnliche Struktur ausgeführt sein bzw. als fraktale Struktur. Ein Beispiel für eine fraktale Struktur ist die so genannte Koch-Kurve, die durch ihre dreieckförmigen Ausstülpungen gekennzeichnet ist. Durch diese Oberflächenstruktur kann es zu Mehrfachreflexionen und somit zu einer Erhöhung der Effizienz der Zelle kommen.
Fig. 4 zeigt nun eine Solarzelleneinheit 4, gebildet aus einer Solarzelle 41 und einer Schrumpffolie 42. Bei der Schrumpffolie 42 kann es sich bevorzugt um eine PE- Schrumpf-Folie von 20 μm bis 75 μm Dicke handeln. Andere Dicken sind auch denkbar.
Die Solarzelle 41 ist nach ihrer Fertigstellung auf die Schrumpffolie 42 laminiert, wobei vorgesehen sein kann, dass auf die Schrumpffolie mehrere Solarzellen laminiert sind, die beispielsweise durch Leiterbahnen parallel und/oder in Reihe geschaltet sein können. Die Leiterbahnen können in einer in Fig. 4 nicht dargestellten Leiterbahnschicht auf der Schrumpffolie 42 ausgebildet sein. Bei der
Leiterbahnschicht kann es sich um eine strukturierte Metallschicht handeln, beispielsweise aus Gold, Silber oder Kupfer gebildet. Die Fig. 5a zeigt nun in einer vergrößerten Darstellung den schichtweisen Aufbau einer Solarzelleneinheit 4a, bei der eine Solarzelle 41 a auf Polymerbasis auf die Schrumpffolie 42 aufgebracht ist. Die Solarzelle 41 a ist prinzipiell wie die Solarzelle 1 in Fig. 1 aufgebaut, doch weist sie keine Formelemente 11 auf. Sie ist deshalb mit einer ebenen aktiven Schicht ohne ein Oberflächenprofil aufgebaut.
Bei dem Trägersubstrat 10 kann es sich beispielsweise um eine Polyesterfolie von etwa 20 bis 50 μm Dicke handeln.
Auf der der Schrumpffolie 42 abgewandten Seite des Trägersubstrats 10 sind aufeinanderfolgend die erste Elektrodenschicht 12, das photosensitive Halbleiterschichtsystem 13, die zweite Elektrodenschicht 14, die Kleberschicht 15 und die Deckschicht 16 aufgebracht. Der Schichtaufbau ist im einzelnen weiter oben in Fig. 1 erläutert.
Die Fig. 5b zeigt nun in einer vergrößerten Darstellung den schichtweisen Aufbau einer Solarzelleneinheit 4b, bei der eine Solarzelle 41 b auf Polymerbasis auf die Schrumpffolie 42 aufgebracht ist. Die Solarzelle 41 b ist wie die Solarzelle 1 in Fig. 1 aufgebaut.
Bei dem Trägersubstrat 10 kann es sich beispielsweise um eine Polyesterfolie von etwa 20 bis 50 μm Dicke handeln.
Auf der der Schrumpffolie 42 abgewandten Seite des Trägersubstrats 10 sind, wie weiter oben in Fig. 1 beschrieben, die Formelemente 11 angeordnet, die vor dem Auftragen der ersten Elektrodenschicht 12 auf das Trägersubstrat 10 aufgedruckt sind. Auf die erste Elektrodenschicht 12 sind das photosensitive Halbleiterschichtsystem 13, die zweite Elektrodenschicht 14, die Kleberschicht 15 und die Deckschicht 16 aufgebracht.
Fig. 6 zeigt nun die Solarzelleneinheit 4 in Fig. 4 nach einer Temperaturbehandlung von etwa 3 min bei einer Temperatur von 80 0C bis 120 0C. Der Temperaturbereich ist so gewählt, dass er im Betriebseinsatz der Solarzelleneinheit nicht erreicht wird und dass er den Aufbau der Solarzelle 41 nicht zerstört. In dem in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Schrumpffolie 42 um eine unidirektionale Schrumpffolie, die nur in einer Richtung bei Temperatureinwirkung schrumpft.
Wie in Fig. 6 zu erkennen, ist die Solarzelleneinheit 4 im Querschnitt nun sinusförmig verformt, so dass die Oberfläche der Oberseite der Solarzelleneinheit 4 in Bezug auf ein ebenes Oberflächenprofil vergrößert ist.
Auf die Solarzelle gerichtete Solarstrahlung wird demnach aufgrund der gekrümmten größeren Fläche der aktiven Schicht mehrfach reflektiert, was bei der unverformten Solarzelleneinheit 4 in Fig. 4 nicht der Fall ist.
Wenn die Solarzelle 41 vom Typ der in Fig. 5a dargestellten Solarzelle 41a ist, bei der die aktive Schicht ein ebenes Oberflächenprofil aufweist, resultiert die besagte Oberflächenvergrößerung der Solarzelleneinheit 4a nur aus der Verformung der Solarzelle 41 a durch die temperaturbehandelte Schrumpffolie 42. Wenn hingegen die Solarzelle 41 vom Typ der in Fig. 5b dargestellten Solarzelle 41 b ist, bei der die aktive Schicht ein unebenes Oberflächenprofil aufweist, resultiert die besagte Oberflächenvergrößerung der aktiven Schicht der Solarzelleneinheit 4b sowohl aus der Verformung der Solarzelle 41b durch die temperaturbehandelte Schrumpffolie 42 als auch aus der Oberflächenvergrößerung des photosensitiven Halbleiterschichtsystems 13 infolge der Formelemente 11. Es handelt sich also bei dem so erzeugten Oberflächenprofil um eine Überlagerung eines ersten (makroskopischen) Oberflächenprofils mit einem zweiten (mikroskopischen) Oberflächenprofil, wodurch eine weitere Effizienzsteigerung der Solarzelleneinheit durch Mehrfachreflexionen erreicht ist. Das makroskopische Oberflächenprofil kann weiter so ausgebildet sein, dass es einfallendes Licht bevorzugt auf die aktive Schicht der Solarzelle 41 lenkt. Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Schrumpffolie mit Lack und/oder einem Beschichtungsmaterial versehen ist, dem lichtbrechende und/oder lichtstreuende und/oder lichtleitende und/oder die Lichtwellenlänge ändernde Partikel und/oder Partikelgemische beigefügt sind. Wenn die Schrumpffolie als transparente Folie ausgebildet ist, kann das Licht auch durch die Schrumpffolie auf die Solarzelle gebracht werden und dabei durch die besagten Partikel und/oder Partikelgemische beeinflusst werden. Anstelle der in Fig. 5b dargestellten Solarzelle, bei der das Oberflächenprofil durch Formelemente 11 gebildet ist, wie in Fig. 1 ausgeführt, kann auch eine Solarzelle vorgesehen sein, bei der das Oberflächenprofil in die Replizierschicht 21 abgeformt ist, wie in Fig. 2 ausgeführt.
Die in Fig. 6 gezeigte Solarzelleneinheit 4 kann auch durch einen Inmold-Prozess oder durch einen Touch-Forming-Prozess verformt werden. Dabei wird die Solarzelle 41 in eine evakuierbare Form eingelegt und erwärmt und sodann durch Anlegen eines Vakuums gegen eine mit einer Oberflächenstruktur versehene Folie gepresst. Dabei bildet sich die Oberflächenstruktur der besagten Folie in der Oberfläche der Solarzelle 41 ab bzw. die Solarzelle 41 wird insgesamt verformt. Zur Fixierung der Verformung wird die verformte Solarzelle 41 mit thermoplastischem Kunststoff hinterspritzt, der hierbei die Funktion der Schrumpffolie 42 übernimmt.
Als weiteres Fertigungsverfahren kann das Tiefziehen vorgesehen sein, wobei anstelle der Schrumpffolie 42 eine thermoplastische Folie vorgesehen sein kann. Die Solarzelle 41 und die thermoplastische Folie bilden eine Tiefziehfolie, die in eine Tiefziehform eingelegt und erwärmt wird und sodann mittels Druck in die Tiefziehform gepresst wird und dabei verformt wird. Die Tiefziehform ist als Negativ des in die Tiefziehfolie abzuformenden Oberflächenprofils ausgebildet. Es kann vorgesehen sein, die Tiefziehfolie nach der Verformung zu hinterspritzen, um sie gegen nachträgliche Verformung zu stabilisieren.
Fig. 7 zeigt nun eine Solarzelleneinheit 7, bei der zwei Solarzellen 41 b (siehe Fig. 5b) auf beiden Seiten der Schrumpffolie auf die Schrumpffolie 41 laminiert sind. In dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind eine vordere Solarzellen 41 bv und eine hintere Solarzelle 41 bh einander gegenüberstehend angeordnet, wobei jeweils das Trägersubstrat 10 der Solarzellen mit der Schrumpffolie 41 verbunden ist. Die Schrumpffolie 41 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine transparente Folie ausgebildet, so dass einfallendes Licht zunächst auf das photosensitive
Halbleiterschichtsystem 13 der vorderen Solarzelle 41 bv trifft, sodann durch die transparente Schrumpffolie 41 tritt und schließlich auf das photosensitive Halbleiterschichtsystem 13 der hinteren Solarzelle 41 bh trifft. Auf diese Weise kann die Solarzelleneinheit 7 Solarenergie effektiver nutzen. Es kann auch vorgesehen sein, die vorderen Solarzellen 41 bv und die hinteren Solarzellen 41 bh zueinander versetzt anzuordnen, so dass beispielsweise die hinteren Solarzellen 41 bh fluchtend zu für die Kontaktierung vorgesehenen Bereichen auf der Vorderseite der Schrumpffolie 41 angeordnet sind, die nicht zur Energiegewinnung beitragen. Ebenso ist denkbar, dass die photosensitiven Schichten unterschiedlich ausgebildet sind und das Licht aus unterschiedlichen Wellenlängenbereichen absorbieren. Solche Zellen werden auch als Multi Junction Zellen bezeichnet, im Gegensatz zu den Single Junction Zellen, die nur eine photosensitive Schicht aufweisen. Eine Multi Junction Zelle vermag einen größeren spektralen Bereich zu nutzen als eine Single Junction Zelle und weist deshalb einen vergleichsweise höheren
Energieumwandlungs-Wirkungsgrad als eine Single Junction Zelle auf.
Fig. 8 zeigt eine Solarzelleneinheit 8, die aus einer der Lichtquelle zugewandten vorderen Solarzelleneinheit 8v und einer dahinter angeordneten hinteren Solarzelleneinheit 8h ausgebildet ist. Die beiden Solarzelleneinheiten 8v und 8h bilden einen gemeinsamen Mehrschichtkörper, wobei vorgesehenen sein kann, dass ihre Schrumpffolien 41 v und 41 h aus dem gleichen Material ausgebildet sind und/oder das gleiche Schrumpfverhalten aufweisen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Schrumpffolien 41 v und 41 h aus verschiedenem Material ausgebildet sind und/oder verschiedenes Schrumpfverhalten aufweisen. Weitere
Ausbildungsvarianten können dadurch erzeugt werden, dass die Orientierung der miteinander verbundenen Solarzelleneinheiten 8v und 8h variiert wird. Es kann also beispielsweise vorgesehen sein, dass es sich bei den Schrumpffolien 41 v und 41 h um unidirektionale Schrumpffolien handelt, die um 90° gekreuzt angeordnet sind, so dass die Solarzelleneinheit 8 nach der Temperaturbehandlung ein noppenförmiges Oberflächenprofil aufweist. Hier kann auch vorgesehen sein, dass die verschiedenen Solarzelleneinheiten gleich, unterschiedlich, aus Single und/oder Multi Junction Zellen gebildet werden.
Die in den Fig. 7 und 8 dargestellten Solarzelleneinheiten 7 und 8 befinden sich in dem Zustand, den sie vor der Temperaturbehandlung aufweisen, d.h. die Schrumpffolien 41 , 41 v und 41 h sind noch nicht verformt. Es kann vorzugsweise in den in Fig. 4 bis 8 beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, die Solarzelleneinheiten mit Schutzüberzügen zu versehen und/oder sie auf Montagekörper aufzuschrumpfen. Ein solches Anwendungsbeispiel ist in Fig. 9 dargestellt.
Fig. 9 zeigt ein Solarzellenmodul 9, das mittels Befestigungselementen 94 auf einer Montagefläche 93 angeordnet ist und das einer Lichtquelle 95 zugewandt ist. Bei der Montagefläche 93 kann es sich um eine Dachfläche eines Gebäudes handeln, vorzugsweise um eine Dachfläche auf der Südseite des Gebäudes.
Das Solarzellenmodul 9 weist eine Solarzelleneinheit 91 auf, die auf die Vorderseite eines Montagekörpers 92 aufgeschrumpft ist. Der Montagekörper 92 ist als plattenförmiger Körper ausgebildet, der einen hervorstehenden Montageabschnitt aufweist, der von der aufgeschrumpften Solarzelleneinheit 91 umgriffen ist. Die Randabschnitte des Montagekörpers 92 weisen in dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel Durchgangslöcher auf, die von den als Zylinderschrauben ausgebildeten Befestigungselementen 94 durchgriffen sind.
Die Solarzelleneinheit 91 weist, wie vorstehend beschrieben, eine oder mehrere Schrumpffolien auf. Das Oberflächenprofil der Solarzelleneinheit 91 vergrößert nach dem Aufschrumpfen die Oberfläche der Oberseite der Solarzelleneinheit 91 in Bezug auf ein ebenes Oberflächenprofil. Beim Aufschrumpfen können weiter elektrische Verbindungen mit elektrischen Kontakten und/oder Leiterbahnen des Montagekörpers 92 hergestellt sein. Die elektrischen Verbindungen können durch die haubenförmige Ausbildung der geschrumpften Solarzelleneinheit 91 zugleich gegen Witterungseinflüsse und Korrosion geschützt sein.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Solarzelleneinheit aus wasserdurchströmten Schläuchen mit aufgeschrumpfter Solarzelle besteht. In diesem Fall kann zusätzlich auch die Wärmestrahlung der Sonne genutzt werden. Fig. 10 zeigt nun in einer schematischen Darstellung das Auftreten von Mehrfachreflexionen an einer erfindungsgemäßen Oberfläche einer Solarzelle 100. Die Oberfläche der Solarzelle 100 weist Vertiefungen 100v auf, in die Vertiefungen 100v' abgeformt sind. Ein auf die Oberfläche der Solarzelle 100 auftreffender Lichtstrahl 95s wird an der Oberfläche der Solarzelle mehrfach reflektiert, wobei er bei jeder Reflexion einen Teil seiner Energie an die Solarzelle abgibt. In dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Lichtstrahl 95s fünfmal reflektiert. Unter der vereinfachenden Annahme, dass bei jeder Reflexion 50 % der Energie in die Solarzelle 100 übertragen werden, gilt folgende Energiebilanz:
Reflexion Energieübertrag
1. Reflexion 50 %
2. Reflexion 25 %
3. Reflexion 12,5 %
4. Reflexion 6,25 %
5. Reflexion 3,13 %
96,66%
Wenngleich nicht für jeden einfallenden Lichtstrahl die in dem Beispiel genannten fünf Reflexionen auftreten (unterschiedlicher Auftreffpunkt, unterschiedliche Einfallsrichtung), so ergeben doch beispielsweise bereits zwei Reflexionen einen Energieübertrag von 75 %.
Als besonders vorteilhaft zur Ausbildung von Mehrfach reflexionen haben sich Strukturen mit einem Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis im Bereich von 0,5 bis 5 gezeigt.
Wie sich weiter gezeigt hat, sind als Oberflächenstruktur beonders Kreuzgitter aus zwei Basisgittern geeignet, die das genannte Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis aufweisen. Die Strukturen können beispielsweise sinusquadratischen Verlauf aufweisen, aber auch Rechteck- oder Pyramidenstrukturen sind geeignet. Sie gleichen damit einem Eierkarton.

Claims

Ans prüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelleneinheit (4) mit einer Solarzelle (41 ) auf Polymerbasis mit mindestens einem Trägersubstrat (10) und mindestens einer organischen Halbleiterschicht (13) mit einer einer Lichtquelle zugewandten Oberseite und einer der Lichtquelle abgewandten Rückseite, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (41) nach ihrer Fertigstellung so verformt wird, dass mindestens die Oberseite der Solarzelle (41) ein Oberflächenprofil aufweist, welches die Oberfläche der Oberseite in Bezug auf ein ebenes Oberflächenprofil vergrößert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (41) auf eine Schrumpffolie (42) laminiert wird, und dass danach die Solarzelleneinheit (4) einer Temperaturbehandlung unterzogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das Trägersubstrat (10) der Solarzelle (41) eine Schrumpffolie verwendet wird und die Solarzelle (41) nach ihrer Fertigstellung einer Temperaturbehandlung unterzogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine unidirektionale Schrumpffolie verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine bidirektionale Schrumpffolie verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine opake oder transparente oder semitransparente Schrumpffolie verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch nichtleitende Schrumpffolie verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitende Schrumpffolie verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrumpffolie (41) vor der Temperaturbehandlung mindestens bereichsweise lackiert und/oder beschichtet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lack und/oder dem Beschichtungsmaterial lichtbrechende und/oder lichtstreuende und/oder lichtleitende und/oder die Lichtwellenlänge ändernde Partikel und/oder Partikelgemische beigefügt werden.
11.Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrumpffolie (41) mindestens bereichsweise vorstrukturiert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrschichtige Schrumpffolie verwendet wird, deren Schichten ein unterschiedliches Schrumpfverhalten aufweisen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei übereinander angeordnete Solarzellen (41 v, 41h) oder Solarzelleneinheiten beidseitig der Schrumpffolie (42) aufgebracht werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der einen Seite der Schrumpffolie (42) vorgesehenen Solarzellen oder Solarzelleneinheiten gegenüber den auf der anderen Seite der Schrumpffolie (42) vorgesehenen Solarzellen oder Solarzelleneinheiten versetzt aufgebracht werden.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (41) durch einen Inmold-Prozess verformt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (41) durch einen Touch-Forming-Prozess verformt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (41) durch einen Tiefzieh-Prozess verformt wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung der Solarzelle (41) mittels einer oder mehrerer Spacer-
Schichten beeinflusst wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (41) hinterspritzt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitfähiges Spritzmedium verwendet wird.
2 I.Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein partiell elektrisch leitfähiges Spritzmedium verwendet wird.
22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch nichtleitendes Spritzmedium verwendet wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein opakes oder transparentes oder semitransparentes Spritzmedium verwendet wird.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Solarzellen (41b) oder Solarzelleneinheiten (8v, 8h) übereinander angeordnet werden.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelleneinheiten verkapselt werden.
26. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (1, 2) auf Polymerbasis mit mindestens einem Trägersubstrat (10) und einer organischen Halbleiterschicht (13) mit einer einer Lichtquelle zugewandten Oberseite und einer der Lichtquelle abgewandten Rückseite, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oberflächenrelief in eine Schicht der Solarzelle (1 , 2) abgeformt wird, und dass auf das abgeformte Oberflächenrelief eine oder mehrere elektrische Funktionsschichten, enthaltend die organische Halbleiterschicht (13), aufgetragen werden, so dass die Oberseite der organischen Halbleiterschicht (13) ein Oberflächenprofil aufweist, welches die Oberfläche der organischen Halbleiterschicht in Bezug auf ein ebenes Oberflächenprofil vergrößert.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenpofil in das Trägersubstrat (10) oder in eine auf dem Trägersubstrat aufgebrachte Replizierlackschicht (21) abgeformt wird.
28. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelleneinheit mit einer Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die nach ihrer Fertigstellung verformte Solarzelle (41b) mittels des
Verfahrens nach Anspruch 26 oder Anspruch 27 hergestellt wird.
29. Solarzelle (1, 2) auf Polymerbasis mit mindestens einem Trägersubstrat und mindestens einer organischen Halbleiterschicht (13) mit einer einer Lichtquelle zugewandten Oberseite und einer der Lichtquelle abgewandten Rückseite, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Oberseite der organischen Halbleiterschicht (13) ein Oberflächenprofil aufweist, welches die Oberfläche der Oberseite in Bezug auf ein ebenes Oberflächenprofil vergrößert.
30. Solarzelle nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil so ausgebildet ist, dass es zu Mehrfachreflexionen führt.
31. Solarzelle nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil aus Erhebungen und/oder Vertiefungen des Trägersubstrats (21) und/oder der Halbleiterschicht (13) gebildet ist.
32. Solarzelle nach einem der Ansprüche 29 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil ein stochastisches Oberflächenprofil ist.
33. Solarzelle nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil ein periodisches Oberflächenprofil ist.
34. Solarzelle nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil ein Kreuzgitter aus zwei Basisgittern bildet.
35. Solarzelle nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil ein selbstähnliches Oberflächenprofil ist.
36. Solarzelle nach einem der Ansprüche 31 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Breite oder der mittlere Durchmesser der Erhebungen (11) oder Vertiefungen (21 v) am Fußpunkt in dem Bereich von 1 mm bis 10 mm liegt.
37. Solarzelle nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Breite oder der mittlere Durchmesser der Erhebungen (11) und/oder Vertiefungen (21 v) am Fußpunkt in dem Bereich von 1μm bis 1000 μm liegt.
38. Solarzelle nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Breite oder der mittlere Durchmesser der Erhebungen (11) und/oder Vertiefungen (21v) am Fußpunkt in dem Bereich von 100 nm bis 1000 nm liegt.
39. Solarzelle nach einem der Ansprüche 31 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefen-zu-Breiten-Verhältnis der Erhebungen und/oder Vertiefungen in dem Bereich von 0,5 bis 5 liegt.
40. Solarzelle nach einem der Ansprüche 31 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen der Erhebungen (11) und/oder der Vertiefungen (21 v) als Mantelflächenbereiche eines sphärischen Körpers ausgebildet sind.
41. Solarzelle nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem sphärischen Körper um eine Kugel handelt.
42. Solarzelle nach einem der Ansprüche 31 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen der Erhebungen (11) und/oder der Vertiefungen (21 v) als
Mantelflächenbereiche eines Kegels ausgebildet sind.
43. Solarzelle nach einem der Ansprüche 31 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen der Erhebungen (11) und/oder der Vertiefungen (21 v) als
Mantelflächenbereiche einer Pyramide ausgebildet sind.
44. Solarzelle nach einem der Ansprüche 31 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (11) und/oder die Vertiefungen (21 v) mit sternförmigem
Querschnitt ausgebildet sind.
45. Solarzelle nach einem der Ansprüche 31 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen der Erhebungen (11) und/oder der Vertiefungen (21 v) als Mantelflächen eines liegenden Prismas oder Zylinders ausgebildet sind.
46. Solarzelle nach einem der Ansprüche 29 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenprofil von einer additiven Überlagerung eines makroskopischen Oberflächenprofils mit einem mikroskopischen Oberflächenprofil gebildet ist.
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