CN102203950A - 用于光电装置的基质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于光电装置的基质，其具有由单纤维和/或含有聚合物的纤维组成的织物，所述织物被设计用于实现和/或承载电极层，其中所述纤维具有介于20μm与100μm之间，尤其介于30μm与80μm之间的纤维直径，织物具有网眼，所述网眼占据了70％至85％的敞开面积，并且所述织物设有含有透明的不导电聚合物材料的涂层，从而使纤维至少局部地被所述聚合物材料包裹。

Description

用于光电装置的基质
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序所述的用于光电装置的基质。
背景技术
从现有技术中公知大量用于获得用于光电装置、例如太阳能电池的基质层(基质)的途径。在此，最先被公知而且被推广的是，在所谓第一代的太阳能电池上设置硅基质。
最近，这些产品在电效率以及在可(大规模)制造性方面正显示出越来越高的功效，同时，为了能够进一步推广这种太阳能电池，主要的决定性费用，包括硅的材料费用，始终太高。
所谓第二代的太阳能电池不再需要硅。此时借助于各种分离技术，如等离子溅射或者CVD离析到透明的基质，通常指玻璃板或者柔韧的聚合物上，借助于价格较低廉的基质获得价格优势，但是在这种第二代基质的费用(以及此外还有在应用时的灵活性)上，显然始终仍有改进的必要。
因此，力求借助于所谓第三代的光电技术，进一步地降低基质的费用(被作为重要的费用推动者)，其中，应该始终可以获得合理的效率(通常约为10％)。用于实现该目标的关键技术，一方面以用于有源部件的价格低廉的基质(例如薄膜或者织物)为前提条件，另一方面以在低温以及环境压力(例如数字或者丝网印刷)下的制造过程以及在制造时的高生产量为前提条件。因此希望，尤其有机的太阳能电池、串联式电池或者所谓的DSC太阳能电池(dyesensitized nano-structured solar cells)能够提供实现目标的潜能。
此外，在采用上述以硅为基质的第一代太阳能电池而以半导体为基础的基质始终占主导地位期间，越来越多不以半导体为基础的基质，被当成高效率的技术上的替代方案：例如有些非硅光电材料的导电能力表明，在较低的光线入射角或者较低的光线强度或者甚至在偏振的光源条件下，可以比硅有利地产生电流(还有对较宽的光谱的充分利用)；同样，如果必须将太阳能电池卷起来或者折叠起来，或者对于各种使用环境要求不同的自由可塑性，那么就利用基质(即，例如以薄膜或者织物为基质)的柔韧性优点。但是，却始终缺少一种价格低廉的、高效的以及尤其还便于可靠地以大批量进行制造的用于光电装置，例如太阳能电池的基质材料。
发明内容
因此本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于光电装置，尤其光电管或者太阳能电池(或者OLED)的基质，在对所述光电管或者太阳能电池的光学性能，尤其用于配合作用的活性层的透射性能进行改善的情况下，可以凭借较低的材料和制造费用以及较高的可再生性，获得简化的、尤其适合大批量制造的可加工性。
所述技术问题通过具有独立权利要求所述特征的基质加以解决；本发明有利的扩展设计，在附属权利要求中加以说明。按照本发明，另外要求保护的是，由从本申请文献中可见的至少两个方法特征组成的全部组合，；这些被作为本发明的一部分，要求保护。
按照本发明，有利地先对被采用用于制造织物的纤维(纤维质)进行调整或者选取，使得所述纤维(纤维质)具有介于20μm与100μm之间，尤其介于30μm与80μm之间的纤维直径，通常，对于一种实施形式，纤维具有一种恒定不变的直径。另外，在本发明的范畴中，有利地将织物设计成，使得形成在交织的纤维之间的网眼，占据了介于约70％与约85％之间的敞开面积；也就是说，其余的15％至30％的总面积，被纤维所占据。
此外，按照本发明，有利地使织物在至少一侧涂有一种(例如部分地)填料式的透明涂层，所述涂层通过不导电的聚合物构成。
按照本发明，可以以此方式有利地实现，基质在第一侧(未被涂层的表面一侧)是导电的，因为导电的纤维和/或织物的导电涂层在此未受到透明的聚合物涂层的影响，而在另一侧(在第二被涂层的表面一侧)，设置透明的聚合物材料用于电绝缘。
所述聚合物材料可以另外设有，尤其被涂上ORMOCER或者SiOx或者其它的无机材料。
必要时被以此方法敷设的聚合物材料或者因此而形成的透明的不导电涂层，可以有利地实现基质(以及因此构造在所述基质上的光电装置)防湿气和/或防紫外线的耐抗性(例如通过适当地添加紫外线吸收剂)，另外，这种涂层材料可以被有利地进一步设计成起氧化阻隔层的作用。
借助于被调节为小于织物厚度、通常约为织物厚度的70％至85％且至少局部地渗透所述织物的涂层厚度，可以实现一种紧凑的、在光学和物理学上效率高的，并且同时便于以较少的费用进行制造的基质结构。
按照本发明的一种优选的扩展设计，为聚合物材料所选取的材料，可以是丙烯酸树脂、硅树脂材料、含氟聚合物，或者从由PU、PEN、PI、PET、PA、EVA或者类似材料组成的组中选取聚合物，进一步优选热硬化的或者辐射射硬化的材料，其中特别优选一种尤其紫外线硬化的漆。
鉴于按照本发明设想的纤维(纤维质)，首先要被本发明所包括，织物基本上由不导电的纤维制成，所述不导电的纤维随后为了达到电极的功效，被配备了导电能力。适用的纤维(纤维质)，尤其是PA、PP、PET、PEEK、PI、PPS或者类似的化学纤维的半透明的单纤维。
为了形成导电能力，在此优选使被采用用于按照本发明设想的基质的织物，具有＜50Ω/sq，优选＜20Ω/sq，进一步优选＜10Ω/sq的表面电阻，一方面被本发明所包括，在织物中设有被扩展设计的纤维或者被作为带有金属镀层的纤维，所述被扩展设计的纤维由金属组成(金属纤维)。适合用于构成金属纤维的金属，例如是Ti、Ag、Al、Cu、Pa、Pt、Ni、W、Mo、Nb、Ba、Sn、Zr之类的金属，其中织物的导电能力(或者表面电阻)，可以利用几何图形适当地进行调节，借助于所述几何图形，这种金属纱或者被金属镀层的纱可以与不导电的纱交织在一起：在本发明适当的实施形式的范畴中，则在于，这种导电的纱设有1∶1，或者优选1∶2、1∶3或者更高的编织式样，作为补充或者替代方式，通过选取(纬纱、经纱)方向，其中金属纤维或者被金属镀层的纤维应该完全沿所述方向交织，进行导电能力的调节(尤其还可以设定沿纬纱、经纱两个方向交织)。
另一方面，在本发明的优选实施形式的范畴中，可以而且设定，借助于通常本身只由不导电的聚合物纤维组成(其中原则上也可以织入金属纤维)的织物的金属镀层，对导电能力或者所要求的低欧姆表面电阻进行调节。织物的这种金属涂层，可以适当地通过等离子溅射加以实现(例如借助于Ag、Au、Ti、Mo、Cr、Cu、ITO、ZAO之类的物质)，作为替代方式，通过蒸镀(Al、Ag、Cu等等)或者还可以通过类似于电解的湿式化学方法，例如Ag、Ni的离析加以实现。织物的这种金属化镀层，通常导致特别高的导电能力，这种特别高的导电能力在表面电阻＜10Ω/sq时显现出来。
正如本文开头已经说明的那样，本发明的一个特别的优点在于，按照本发明设想构成的基质的高度透光性或者透射性。可以通过对按照本发明设想设置的网眼进行调节，尤其有利地对所述透光性或者透射性加以影响，其中可以尤其有利地应用公知的用于制造精细织物的方法。为了在按照本发明设想的70％与85％之间的敞开面积上形成按照本发明设想设置的网眼，将网眼尺寸调节到200μm与300μm之间的范围，或者将每个网眼(面积优选恒定不变)的面积调节到约80.000μm2与约800.000μm2之间的范围，被证明是尤其有利的。
此外，按照本发明制成的基质的总透射率(以％表示)通常高于织物的敞开面积，按照本发明，这是有利的；除了所谓直接的透射，即光线通过网眼以及透明的纤维传输，还要加上扩散的透射，即要考虑(例如在被金属化涂层的纤维上)纤维的反射或者通过纤维的反射，结果，在按照本发明的介于70％与85％之间的敞开面积范围中，可获得实际上介于75％与95％之间的总透射率。
本发明因此可以以潜在的简便、完美而且价廉物美的方式，制造用于多种用途的光电装置：当光电管可以被证实主要应用于本发明时，此时尤其可以将有机的太阳能电池、薄膜电池、DSC电池或者串联式电池以按照本发明的方式，敷设到基质上去，利用所述基质获得其它的光电装置，这仍然是有利的并且被本发明所包括。有机的LED、其它的显示器技术、各种无源的电子部件以及例如被应用于建筑用途之类的大面积构件，都属于此类。
因此希望，本发明不仅例如比公知的TCO(Transparent Conductive Oxide，被用作透明的电极)电极具有大量的优点，例如明显降低的制造和材料费用，不需要专用的真空压力设备(TCO是在高真空中进行制造的)，在提高导电能力和降低脆性以及改善基质粘附性的同时，还简化了工艺，也只有借助于按照本发明设想获得的基质，才完全能够开辟一条途径，将大面积柔韧的表面，构造成尤其用于光电技术用途(还可以用于生产OLEDs)的光电装置。
附图说明
本发明其它的优点、特征和详情，从下列对优选实施例所作的说明中以及根据附图得出；附图中：
图1示出按照本发明的第一优选实施形式的基质的侧向剖视图；
图2示出按照第二优选实施形式的基质的一种替代实施方式；
图3示出借助于按照图1的第一实施形式的基质获得的有机太阳能电池的剖示示意图；以及
图4示出本发明的另一种实施形式，在所述实施形式中，涂层这样敷设到织物中，即，可以在两侧获得导电层并且可以以此构成例如串联式太阳能电池。
具体实施方式
图1示出一种由透明的PA纤维10组成的织物的侧向剖示示意图，所述透明的PA纤维10具有介于30μm和35μm之间范围的粗度。纬纱中的每第二根纤维(也可以以经纱替代)，是相当于纱线粗度介于约30μm和35μm之间范围的铝金属纱12。
这种织物被涂上了一种由透明的聚合物(此处为紫外线硬-化的丙烯酸树脂)组成的涂层14，所述涂层14占据了织物10、12层厚的75％至85％，约60μm，构成了绝缘层，而在具有至少部分地被裸露的金属纤维12的上面区域中，结构是导电的并且可以被当作电极起作用。涂层14在此这样进行敷设，即，使得该涂层局部地渗透织物，也就是说，涂层的有效厚度与织物的层厚重叠。在所示出的编织式样1∶1(也就是说，沿一个方向的每第二根纱是金属的)中，可获得一种典型的5Ω/sq的表面电阻，作为替代方式，可以进一步减小该表面电阻，为此编织式样是1∶2或者1∶3，也就是对金属纱12和非金属(不导电的)纱10之间的比例适当地进行调整。
在制造工艺上规定，涂层(也就是例如丙烯酸树脂)在液体的状态下进入织物中，从而产生例如按照图1的浸润或者局部的渗透。这种浸润或者局部的渗透可以例如通过下列方式发生，即，织物被敷上薄薄的一层液态树脂，并且接着随即进行树脂的聚合。作为替代方式，可以而且也被本发明所包括的是下列处理方式，在所述处理方式中，涂层以薄膜之类的固体状态形式存在，并且随即通过压力、热或者压制过程(例如通过胶合)与织物产生接触，从而产生在图1中所示出的结构。
可以将光电装置敷设到这种结构上，例如如结合图3所示出的那样。(此时图1的基质位于上方，其中与图1的视图相反，涂有涂层10的封闭的外表面被画在上面)。箭头16表示入射到透明层4上的入射光；光线透过其聚合物材料以及透明的纤维10(或者处于中间的网眼)，射入敷设在下面的与导电纤维12产生接触的有源层18中。这种有源层，例如可由PEDOT+P3HT：PCBM/C60(对于有机的太阳能电池而言)或者由TiO2/着色剂/电解液(对于DSC而言)构成，并且在反向一侧被对应电极封闭。原则上这种对应电极也可以由按照本发明设想的基质构成。
借助于例如通过适当地选择网眼尺寸而调整成的约80％的敞开面积以及以此实现的约90％的光线16的透射率，可以获得一种有机的太阳能电池或者DSC太阳能电池，其不仅具有有利的电性能，而且可以以最少的材料费用以及被大大简化的制造工序，比公知的太阳能电池节省更多的费用并且获得明显的效率潜能。
图2示出相对于图1发生了变化的按照本发明的第二实施例的基质的实施形式：在此，由单纤维构成的织物(PA，纤维粗度为30μm至35μm)，先被制成织物，并且在编织之后进行金属敷设，例如通过等离子溅射将银敷设到织物上。图2的剖视图对应地示出了织物纤维的结构30，其具有薄薄的银涂层(0.5μm)，可能的话另外借助于薄薄的钛涂层进行加固。
与图1的实施例中所采用的方法类似，随后给这种结构涂上不导电的透明聚合物，从而再次使(图中下面的)一侧被完全封闭并且因此不导电，同时，通过适当地选择涂层厚度，使由于涂层而导电的纤维的表面区域高出。在此，还可以通过其它的涂装之类的装置，对要实现的值＜10Ω/sq的表面电阻进行调整，并且与按照图3的另一种处理方法类似地提供将太阳能电池、有机的LED或者诸如此类的光电装置构造在所述结构上的方法。
本发明不局限于所示出的实施例或者所说明的方法或者所选取的材料组；相反，可以在适当地确定尺寸的范畴中，根据所要求的用途，对适当的材料厚度、柔韧性以及基质材料的承载能力与所要求的导电性能进行组合，其中，在所说明的方法以及在本发明的范畴中，不仅可以相应地选择或者改变所采用的纤维的材料、粗度、网眼尺寸，而且用于实现电极效应的方法，即，以适当的比例织入导电的(金属的或者金属化的)纤维和/或以所述方法对织物进行金属化处理，也可以相应地选择或者改变。
原则上，在本发明的范畴中也可以而且设定，将按照本发明设想的透明的不导电涂层设计成，使得该涂层不是被构造为例如一侧不导电的表面，而是被设置在基质中的中心区域，这样，中心区域两侧的纤维或者纤维段，分别高出聚合物，可以以此在基质的两侧形成导电层，例如可参见图4中的视图。这种配置因此提供了例如随后在基质的两侧，构造双重太阳能(串联式)电池的可能性。
结果，借助于本发明提供的基质，提供了在材料应用和制造中迅速有效地提高功效的可能性，从而希望，可以为光电技术或者OLED技术(还有其它的光电应用)开发众多的新型应用领域。

Claims (18)

1.一种用于光电装置的基质，具有由单纤维和/或含有聚合物的纤维组成的织物，所述织物被设计用于实现和/或承载电极层，其特征在于，所述纤维具有介于20μm与100μm之间，尤其介于30μm与80μm之间的纤维直径，织物具有网眼，所述网眼占据了70％至85％的敞开面积，并且所述织物设有含有透明的不导电的聚合物材料的涂层，从而使纤维至少局部地被所述聚合物材料包裹。
2.按照权利要求1所述的基质，其特征在于，将涂层设计成，使得位于基质一侧或者两侧的纤维或者纤维段突出于所述涂层。
3.按照权利要求1或2所述的基质，其特征在于，将涂层敷设成，使得基质在第一未被涂层的表面一侧是导电的，而在第二被涂层的表面一侧是不导电的。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的基质，其特征在于，将聚合物材料设计和/或选取为，使得涂层是耐紫外线的和/或促进了基质的抗紫外线能力。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的基质，其特征在于，将聚合物材料设计成辐射硬化的，尤其可紫外线聚合的或者热硬化的。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的基质，其特征在于，将聚合物材料选取和/或敷设成，使得涂层能起到在基质的至少一侧的湿气和/或氧化阻隔的作用。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的基质，其特征在于，从含有丙烯酸树脂、硅树脂、含氟聚合物、PU、PEN、PI、PET、PA、EVA以及这些材料的混合物，尤其含有SiOx、ORMOCER或者其它无机材料的组中选取所述聚合物材料。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的基质，其特征在于，涂层具有涂层厚度，所述涂层厚度小于织物的编织厚度，尤其介于编织厚度的70％与85％之间的范围中。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的基质，其特征在于，纤维由下列材料组成，所述材料从由PA、PP、PET、PEEK、PI、PPS、PBT、PEN组成的组中选取和/或被实施成半透明的或者透明的单纤维。
10.按照权利要求1至9中任一项所述的基质，其特征在于，网眼的孔眼尺寸，介于200μm与300μm之间范围中，和/或网眼的面积介于80.000μm2与800.000μm2之间范围中。
11.按照权利要求1至10中任一项所述的基质，其特征在于，以优选有规律的间距存在于织物中的纤维，具有被金属化镀层的纤维部分和/或金属纤维部分。
12.按照权利要求11所述的基质，其特征在于，所述金属纤维含有Ti、Mo、W、Cr、Cu、Ag、Al、Au。
13.按照权利要求11或12所述的基质，其特征在于，将金属纤维沿纬纱或者经纱方向编织到具有不导电纤维的织物中，其中所述织物不具有另外的金属化镀层。
14.按照权利要求1至12中任一项所述的基质，其特征在于，所述织物具有被作为涂层敷设到织物上的金属化镀层。
15.按照权利要求14所述的基质，其特征在于，将金属化镀层通过溅射，尤其等离子溅射、蒸镀和/或通过湿式化学方法，尤其电解，敷设到织物上。
16.按照权利要求1至15中任一项所述的基质，其特征在于，织物具有＜50Ω/sq，优选＜20Ω/sq，进一步优选＜10Ω/sq的表面电阻。
17.一种按照权利要求1至16中任一项所述基质的应用，其应用于被设计成太阳能电池的光电装置，尤其有机的太阳能电池、薄膜电池、DSC太阳能电池或者串联式电池。
18.一种按照权利要求1至16中任一项所述基质的应用，其应用于被实施成OLED、显示器元件、建筑物的表面构件或者无源电子部件的光电装置。
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