CN114765969B - 具有复合窗格结构的彩色外墙元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种外墙元件(1)，其包括着色的透明或半透明的第一窗格(2)以及机械支撑透明第二窗格(3)，所述第一窗格和所述第二窗格借助中间层(13)彼此牢固地连接，其中所述第一窗格(2)具有布置在光入射侧的前表面(4)，并具有相对的背表面(5)，其中选自所述前表面和所述背表面的至少一个表面(4，5)具有至少一个结构化区域(8，8')，其中至少一个光学干涉层(9，9')布置在选自所述前表面和所述背表面中的至少一个表面(4，5)上，用于反射预定波长范围内的光，其中所述至少一个结构化区域(8，8')具有以下特征：‑垂直于所述第一窗格(2)的平面，高度轮廓包括峰和谷，其中所述峰和所述谷之间的平均高度差至少为2微米；‑至少50％的所述结构化区域由相对于所述第一窗格(2)的所述平面倾斜的区段组成，其中相对于所述第一窗格(2)的所述平面，至少20％的所述区段的倾斜角在大于0°到最大15°的范围内，至少30％的所述区段的倾斜角在大于15°到最大45°的范围内，其中‑所述区段中的每一者均是平坦的，并且区段面积至少为1μm2，其中所述区段中每一者的平均粗糙度均小于所述至少一个光学干涉层的层厚度的15％。

Description

具有复合窗格结构的彩色外墙元件
技术领域
本发明属于外墙制造的技术领域，涉及一种具有复合窗格结构的彩色外墙元件。
背景技术
目前，将太阳能电池组件作为墙或外墙元件使用，在经济方面市场仍相对较小，但在生态方面市场却非常令人关注。特别是考虑到对分散能源解决方案和能源中性建筑的努力增多，对太阳能电池组件作为建筑围护结构的整合部件的应用需求正在增长。太阳能电池组件的其他令人关注的应用包括隔音屏障(公路、铁路)、户外隐私墙和温室墙。这些新的应用对太阳能电池组件提出了全新的要求，特别是在美观、使用寿命和其他功能方面(如密封和隔热)。特别是，用于此目的的太阳能电池组件必须有不同的形状、尺寸和颜色，并且必须尽可能地传达出均匀化的颜色印象。根据颜色的来源(吸收/发射、干涉、折射)，太阳能电池组件固有的均匀表面的颜色可以取决于观察和/或照射角度。此外，光的光谱和空间分布(漫射、定向)也决定了颜色的印象。
在效率优化方面，理想的太阳能电池组件是完全吸收入射太阳光的黑色体，以便将辐射能最佳地转化为电能。然而，每个真实体都会反射入射的辐射并释放吸收的辐射，因此，人眼的颜色印象基本上是由光谱选择的反射和释放的光造成的。太阳光谱具有最高的能量强度，人眼在可见光谱范围内具有最大的敏感性。如果太阳能电池组件被设计成彩色的，也就是说，如果人眼对太阳能电池组件的颜色印象与理想的黑色体不同，那么在光伏有源半导体中吸收的光的强度必须降低，从而太阳能电池组件的电输出或效率也降低。基本上只有黑色的太阳能电池组件才能达到最佳效率。另一方面，根据颜色的来源(吸收/发射、干涉、折射)，太阳能电池组件固有的均匀表面的颜色可以取决于观察和/或照射角度。此外，光的光谱和空间分布(漫射、定向)也决定了颜色的印象。
在未公布的欧洲专利申请EP1818615和EP18186161中，示出了太阳能电池组件，其中着色效应是通过至少一个光学干涉层实现的。通过对遮光玻璃的结构设计，获得彩色的太阳能电池组件，即使是从不同的观察方向和不同的光照条件下，其颜色效果对人眼来说也基本上是稳定的，同时仍能获得可接受的能量产出，特别是效率良好。
外墙的具体尺寸可能需要不同尺寸和形状的彩色太阳能电池组件，以使外墙的颜色尽可能均匀。一般来说，如果实际的半导堆是在大的区域内生产的，而较小的组件尺寸必须通过分割来生产，那么较小的和非矩形的太阳能电池组件会导致相当大的附加成本，因为较小的太阳能电池组件每单位输出功率所需的材料投入明显增加。此外，组件区域与组件边缘的比例对较小的太阳能电池组件来说不太有利，因此，整个组件的效率也较低。此外，某些材料的成本以及用于附加部件和边缘密封的固定成本在小的太阳能电池组件的总成本中占有较高的份额。此外，对于不同尺寸的基板，只能通过大量修改的设备概念来实施制造过程中的某些步骤。
由于上述原因，太阳能电池组件的工业化批量生产只针对少数标准的组件尺寸，而且一般来说，太阳能电池组件的形状是矩形的，因此，用太阳能电池组件覆盖整个外墙表面通常是不可能的，或在经济上无法接受。此外，太阳能电池的光伏设计和各种附加部件(如接触条、接线盒和电缆)都是为标准的组件尺寸而优化的。此外，由于不利的阳光取向或同一建筑的部分或邻近建筑的遮挡，用太阳能电池组件覆盖外墙的某些区域可能不经济，因为它们的能量产出不符合附加成本的要求。
为了解决缺乏合适尺寸和/或形状的彩色太阳能电池组件的问题，可以考虑使用由金属板或其他传统建筑材料制成的光伏无源外墙元件，而且可以理解的是，其颜色应尽可能与彩色太阳能电池组件的颜色相似。然而，存在的技术和设计方面的问题在于颜色产生的性质。事实上，根据颜色的来源(吸收/发射、干涉、折射)，太阳能电池组件的颜色在不同的光照条件下会发生变化，特别是取决于光的类型(漫射、直接、光色)以及通过改变入射角和/或观察角度。如果光伏无源外墙元件是由彩色太阳能电池组件以外的材料制成的，则这通常会导致颜色对比，从设计的角度来看是不优选的。
这个问题的解决方案可以在未公布的欧洲专利申请EP 18186175中找到。其示出了光伏无源外墙元件，其中，与未公布的欧洲专利申请EP 1818615和EP18186161类似，前玻璃是结构化的，并提供了至少一个光学干涉层。
在幕布式背面通风外墙的情况下，外墙元件与它后面的结构被一层空气隔开。根据DIN 18516-1标准，这种构造由外墙包层、背面通风区、隔热层和下部结构组成。前提是要有静态支撑的锚定基座。隔热层也要进行通风，以使冷凝水得以干燥。可以使用各种外墙包层材料(包括木材、金属、复合材料和彩色玻璃面板)，该材料通过线状托架、点状支架或夹具进行紧固。申请人所销售的具有3-4毫米厚的前玻璃、2毫米厚的基板玻璃、单片串联的CIGS薄膜太阳能电池和粘合的后导轨的太阳能电池组件也特别适合作为外墙元件。
作为幕布式背面通风外墙的另选，幕墙也被广泛使用。从结构的角度来看，柱梁式外墙与元件式外墙一起属于幕墙式外墙。幕墙外墙是自支撑的，并尽可能不承担来自建筑的其他部分的任何另外的结构载荷。它们的下部结构附接到建筑的主要支撑结构。产品标准DIN EN 13830(幕布式外墙)限定了柱梁式外墙的一般要求。柱梁式外墙可以用来创建大的开口，也可以用来创建整个外墙区域。由于型材尺寸的变化(尤其是型材深度的变化)以及不同材料(如木材、钢或铝)的使用，这种构造几乎可以适应任何安装情况，尤其是由于可以选择不同的材料(如中空玻璃和太阳能电池组件)作为填充物。柱梁式外墙的模块化设计既允许在工厂预制元件(元件式外墙)，也允许在施工现场将其连接起来。该构造是基于垂直柱型材(主型材)和水平梁型材的连接，它们共同构成了骨架式的承重结构。主要的荷载传递是通过垂直柱进行的。梁是用螺钉、塞子或焊接在这些上面的。填充物可以由透明或不透明的材料制成。在外墙和支撑外墙的框架之间使用弹性密封元件。
同样令人关注的是在大窗墙中安装太阳能电池组件。这些可以整合到不同构造形式的外墙中(例如，也可以在砌体外墙之间)。例如，太阳能电池组件可以作为不透明的元件安装在从地板到天花板的窗元件中。另选地，在窗元件中，下部区域中有光伏有源区段，上部区域中有透明区段。
当把太阳能电池组件作为外墙元件整合在幕墙背面通风外墙、幕墙或窗墙时，应满足以下要求：
均匀的颜色效果
出于静态的原因，也出于经济的原因，外墙元件应该具有一定的最小尺寸。该尺寸应根据静态和建筑美学两方面的要求而变化。这一要求可能与太阳能电池组件生产中的尺寸相冲突。在薄膜太阳能电池组件的情况下，由于技术生产的原因，一般只有一定的宽度和长度。因此，对于较大的区域，若干组件必须在梁柱构造的外墙元件中彼此相邻或上下整合。在这两者之间，有一些区域(接触条、用于绝缘的边缘区域等)具有与光伏有源区域不同的颜色效果。对于硅片技术中的太阳能电池组件，也有一些区域(接触网、接触带、电池之间的空间)具有与实际电池不同的颜色效果。此外，薄膜太阳能电池和硅片太阳能电池都有自己限定的颜色效果(灰色、蓝色或黑色)。实际的电池表面和非有源区域应该被均匀地覆盖上统一的颜色，根据用户的意愿，尽可能的任意。效率的损失不能太高，否则外墙的能量产出会太低。
机械稳定性
太阳能电池组件通常由玻璃复合材料(钢化和/或非钢化)组成，玻璃厚度相对较薄，例如，在CIGS薄膜太阳能电池组件中，3毫米的钢化安全前玻璃加上2毫米的非钢化基板玻璃，或者在标准硅太阳能电池组件中，4毫米的钢化前玻璃加上背面窗格。这些玻璃厚度通常不足以作为柱梁玻璃结构的填充物，也不足以作为包覆背面通风幕墙的面板，对于较高的建筑和/或较高的风载区尤其如此。对于更高的建筑高度，对抗风性的要求也会增加，期望推进到更高的风载区和建筑高度。
气候稳定性
与传统的外墙材料不同，太阳能电池组件由电子部件(基本上是大区域半导体二极管及其接触元件)组成，该电子部件必须防止水分和其他环境影响。这通常是通过合适的封装材料和边缘密封来保证的。
制造成本
到目前为止，建筑一体化的太阳能电池组件大多是手工或半自动制造的。这导致了相对较高的制造成本。只有当一方面的制造成本和另一方面的发电收益能够为外墙的附加成本带来可接受的投资回报时，建筑一体化光伏才会成为一个可持续发展的应用领域。
效率
为了使外墙一体化能在可接受的时间内收回因电能产生的附加成本，效率和全年平均能源产量不能太低。
发明内容
相比之下，本发明的目的是提供一种考虑到上述要求的具有复合窗格结构的彩色外墙元件。特别是，该外墙元件的颜色应尽可能少地取决于光照条件以及观察和照射角度。外墙元件应能以可接受的成本生产出不同的尺寸和形状，并具有令人满意的均匀性。此外，它应该满足更高的抗风性要求，这样它就可以在风载较大的区和更高的建筑高度上使用。
根据本发明的建议，这些和其他的目标通过具有独立权利要求的特征的外墙元件得到解决。本发明的有利实施方式由各从属权利要求的特征表示。
根据本发明，示出了一种具有复合窗格结构的彩色外墙元件。
术语"外墙元件"一般是指适合并打算作为可见表面元件安装在外墙中的部件。一般来说，外墙具有前面或外部面以及背面或内部面，其中外墙的前面可以从外部环境看到。例如，外墙是建筑墙或独立的墙，例如，作为视觉或噪音屏障。外墙元件可以作为独立的部件整合到外墙中，据此，外墙元件的前表面是外墙的外部或前表面的一部分。外墙元件的前面或外面用于光(如阳光)在外墙元件上的入射。外墙元件的背面或内侧不用于从外部环境看，也不用于光的入射。
所谓"彩色"外墙元件"或"具有颜色效果的外墙元件"是指外墙元件的前面或外侧在暴露于光(如阳光)时具有某种(可选择的)颜色。
"复合窗格结构"可以被理解为该外墙元件具有至少两个窗格，它们通过中间层彼此牢固地连接(例如，层压)。
外墙元件可以是光伏有源的(即适合并打算用于光伏发电)。然而，与此相反的是，该外墙元件也可能是光伏无源的。
根据本发明，示出了一种具有颜色效果的外墙元件，其包括透明或半透明的第一窗格以及透明的第二窗格，两者借助透明的中间层彼此牢固连接。第一窗格和第二窗格形成复合窗格。中间层优选是热塑性或交联聚合物中间层(例如，PVB＝聚乙烯醇缩丁醛或EVA＝乙烯-醋酸乙烯酯)，它将两个窗格结合在一起。使用透明的硅酮或铸造树脂也可以进行结合。
在本发明中，术语"透明度"或"透明"是指可见光透射率至少为85％，特别是至少为90％，优选是至少为95％，特别是100％。通常情况下，可见光存在于380纳米到780纳米的波长范围内。术语"不透明度"或"不透明"是指可见光透射率低于5％，特别是0％。术语"半透明"或"半透明"是指可见光透射率小于85％，至少5％。百分比指的是，在每种情况下，在要检查的二维结构(如窗格)的一侧测量的光的强度相对于照射在二维结构另一侧的光的强度。对于这样的测量，例如，可以在平面结构的一侧放置白光源(可见光源)，在平面结构的另一侧放置可见光检测器。下面给出的光学折射率值总是指380纳米至780纳米的可见光波长范围内的光学折射率。
在根据本发明的外墙元件中，透明或半透明的第一窗格用于着色，这一点将在下文中详细说明。由于第一窗格有彩色的反射，它不再是完全透明的。对于较深和较不饱和的颜色，可见光的透射率仍然可以超过85％，但对于较浅和较饱和的颜色，通常低于85％。透明的第二窗格不是用于着色，而是用于机械支撑或加强外墙元件，这样外墙元件也能满足更大的抗风要求。
着色第一窗格具有个布置在光入射侧的前表面(即前面)以及相对的背表面(即背面)。第一窗格的前表面因此面向外部环境，从那里可以看到外墙元件的前面或外侧。相应地，第一窗格的背表面朝向远离外部环境的地方。
根据本发明的外墙元件的一个实施方式，外墙元件的窗格由相同的材料制成，例如玻璃或塑料，优选是钠钙玻璃。优选的是，每个窗格均形成为刚性的玻璃或塑料窗格。在这种情况下，窗格的前表面或背表面是由窗格的各自材料形成的。根据另一个实施方式，窗格可以包括至少两种不同的材料，其中窗格的前表面和/或背表面是由不同于窗格芯的材料形成。窗格的芯优选由相同的材料制成，例如玻璃或塑料，优选是钠钙玻璃。与窗格芯不同的材料被应用于窗格芯的外部和/或内部，该材料是透明的，具有与窗格芯材料相同的光学折射率。在这种情况下，窗格的前表面或背表面是由应用于窗格芯的相应材料形成的。根据本发明，术语"窗格"因此也包括复合体，但条件是形成窗格的材料是不吸水的，并且具有相同的光学折射率。
优选的是，外墙元件的窗格没有曲率，因此是平坦的(扁平的)。然而，窗格也可以是弯曲的。窗格可以是刚性的或柔性的。柔性的窗格也可以以平坦的形式提供。在平坦(扁平)窗格的情况下，平面由窗格本身限定，在本发明的意义上，这将被理解为"窗格的平面"。在弯曲窗格的情况下，局部平面可以由窗格的任何一点的(假想的)切线平面来限定，这也属于"窗格的平面"这一术语。
根据本发明，当从外面用白光照射时(特别是用阳光照射时)，外墙元件在至少一个部分给观察者一个均匀的颜色印象，即外墙元件是彩色的。优选的是，彩色部分在外墙元件的整个前表面上延伸。在整个表面上具有均匀颜色印象的外墙元件被认为是特别有吸引力的。
外墙元件的颜色可以用三个颜色坐标L*、a*、b*来描述，其中颜色坐标指的是技术人员本身已知的(CIE)L*a*b*颜色空间，其中所有可感知的颜色都被准确限定。这一颜色空间在欧洲标准EN ISO 11664-4"测色学--第4部分：CIE 1976L*a*b*颜色空间"中作了规定，本说明中充分参考了这一标准。在(CIE)L*a*b*颜色空间中，每种颜色均由具有三个笛卡尔坐标L*、a*、b*的颜色位置来限定。在a*轴上，绿色和红色是相对的，b*轴在蓝色和黄色之间，L*轴描述了颜色的亮度(照度)。为了有更全面的描述，这些数量可以转换为Lhc颜色空间，其中L保持不变，饱和度是半径，h是a*b*平面内色点的角度。
外墙元件的颜色是指从外部环境看，即在前面窗格上看。颜色的测量或外墙元件颜色坐标的确定可以通过市面上的色度计(分光光度计)以一种简单的方式完成。为此，颜色测量设备被对准前面窗格的前表面，特别是放置在前表面。常见的颜色测量设备允许按照标准进行颜色测量，据此，它们的设计和公差通常受制于国际标准，例如由DIN 5033、ISO/CIE 10527、ISO 7724和ASTM E1347限定。例如，在颜色测量方面，完全参考DIN 5033标准。颜色测量装置具有作为光源的氙气闪光灯、卤钨灯或一个或多个LED，据此用产生的光(例如白光)照亮主体的前表面，并测量外墙元件接收的光。如前所述，色度计所测量的主体颜色是由外墙元件反射和透射的光产生的。
为了使根据本发明的外墙元件至少在一个部分具有均匀的颜色，赋予颜色第一窗格的至少一个表面(即前表面和/或背表面)具有至少一个结构化区域。此外，至少有一个赋予颜色的光学干涉层布置在第一窗格上。该至少一个光学干涉层使第一窗格成为给色的第一窗格。
至少一个光学干涉层用于在预定或可预定的波长范围内反射光。至少一个光学干涉层优选直接(即没有任何另外的中间层)布置在第一窗格的表面上。
该至少一个光学干涉层可以是单层或多层设计，即具有一个或多个光折射层(折射层)。光学干涉层用于产生第一窗格的颜色，从而产生外墙元件的颜色，光学干涉层的设计方式是可以对在光学干涉层的不同界面上反射的光进行建设性或破坏性干涉。外墙元件的颜色是由在光学干涉层界面上反射的光的干涉产生的。当用(白)光(特别是太阳光)照射时，光学干涉层作为滤色器产生均匀的颜色。优选的是，结构化区域在整个第一窗格上延伸(即在第一窗格的完整表面(前表面和/或背表面)上)，以便整个外墙元件具有均匀的颜色。外墙元件也可以具有几个外墙元件部分，每个部分均具有均匀的颜色。外墙元件部分的颜色可以是相同的，也可以是彼此不同的。
至少一个结构化区域具有垂直于给色第一窗格平面的高度轮廓，该轮廓具有峰(高凸)和谷(凹陷)，其中峰和谷之间的平均高度差至少为2微米，优选但不一定为透明或半透明第一窗格厚度的最多20％，优选最多10％，更优选最多5％。此外，表面(前面和/或背面)的结构化区域的至少50％(优选至少80％，更优选至少90％)是由不同倾斜度的区段或面组成。这些区段是着色第一窗格的表面面向外部环境的部分，并且均形成为相对于着色第一窗格的平面而倾斜的平面。这里，相对于着色第一窗格的平面，至少有20％的区段的倾斜角度在大于0°到最大15°的范围内，至少有30％的区段的倾斜角度在大于15°到最大45°的范围内。有利但不一定的是，少于30％的区段的倾斜角大于45°。这些结构优选是非周期性的和各向异性的。然而，周期性结构和各向异性结构也可用于特殊的光学效果。
此外，每个区段均是扁平的(平坦的)，并且区段面积至少为1μm2。此外，在结构化区域的至少一个区域(即子区域)中，各区段的平均粗糙度小于应用于结构化区域的光学干涉层的层厚度的15％，优选小于10％，更优选的是小于5％。如果光学干涉层由多个折射层组成，则至少一个区域的各区段的平均粗糙度小于具有最小层厚度的折射层层厚度的15％。其中各区段的平均粗糙度小于光学干涉层层厚度的15％的区域可以对应于结构化区域，即，该区和结构化区域是相同的。结构化区域可以通过例如蚀刻、喷砂或轧制第一窗格来产生。
相应地，该外墙元件的赋予颜色的第一窗格的至少一个结构化区域具有多个平坦(扁平)区段。在本发明的意义上，平面段可以由非弯曲的表面形成。然而，扁平(平坦)区段也有可能是由略微弯曲的表面形成的。在本发明的意义上，如果对区段的每一点都适用以下情况，那么区段就是略微弯曲的：如果在区段的某一点构建了面积为1μm2的(假想的)切向平面，则区段的区域与切向平面之间的距离(参考切向平面的法线方向)小于50nm。
为了本发明的目的，在外墙元件的上下文中，术语"结构化"或"结构化区域"是指赋予颜色的第一窗格的前表面或背表面的区域，在该区域中，上述特征是组合存在的。
关于结构化区域的特征，可以以一种有利的方式实现，当着色第一窗格被光照亮时，即使在光泽角(相对于着色第一窗格的平面，入射光的入射角对应于反射光的反射角)之外观察，光也会以相对高的强度反射回来。其原因在于不同的倾斜区段，这些倾斜区段有足够的数量、合适的尺寸和合适的倾斜角度，即使在光泽角之外观察，也能实现高强度的反射光。总是有足够数量的倾斜区段，当外部结构化区域在区段处利用折射并且内部结构化区域在区段处利用反射时，在提供颜色的第一窗格的光泽角之外的方向上，区段的散射强度足够大。
如本文所用，术语"光泽角"指的是对着色第一窗格的平面的法线，与"局部光泽角"相对，后者指的是对区段的平面的法线。光泽角和局部光泽角可以是相同的(区段与着色第一窗格的平面平行)，但通常是不同的(区段倾斜于着色第一窗格的平面)。
因此，在光泽角内未被反射(即散射)的光的强度可以相对较高，与没有这种结构化区域的反射表面相比，它对入射和观察的方向只有较低的角度依赖。通过光学干涉层，在光泽角外反射的光可以根据光学干涉层的折射率和层厚度进行颜色选择，从而使着色第一窗格的表面具有相对低的角度依赖性的均匀颜色。干涉层作为过滤器，具有窄带反射和宽带传输的功能。
在这方面有利的是，结构化区域具有高度轮廓，其中峰和谷之间的平均高度差至少为2微米，优选是至少10微米，特别优选是至少15微米。这样的结构化区域可以通过蚀刻第一窗格(例如，玻璃)来产生。在这方面同样有利的是，结构化区域具有高度轮廓，其中峰和谷之间的平均高度差至少为50微米，优选是至少100微米。这样的纹理区域可以通过轧制着色第一窗格(例如玻璃)来产生。因此，本发明有利地扩展到一种外墙元件，其着色第一窗格的至少一个结构化区域是通过蚀刻或轧制产生的，据此，所述高度轮廓是可以生产的。
然而，这些结构也可以通过在着色第一窗格上应用透明的结构层而产生。在这种情况下，该层必须具有与第一窗格相同(或至少非常相似)的折射率。根据本发明，着色第一窗格表面的结构化也应包括应用这种透明和结构化的层。
着色第一窗格的结构化区域的所述特性可以通过常规的测量装置来测量，例如显微镜，特别是共焦显微镜或针式轮廓仪。
优选的是，根据本发明的外墙元件的(无涂覆的)第一窗格的至少一个结构化区域实现了在45°和15°的观察角(在每种情况下都指第一窗格的平面)和偏离各自光泽角45°的入射角(在两个方向)下，反射光的亮度L至少达到10。优选的是，反射光的亮度L至少为15，更优选的是至少为20。在此测量中，黑色的盖应用于(未涂覆的)第一窗格的侧面(即背表面)，面向远离要表征的一面。在测量中，使用D65光束，并使用市面上的多角度色度计来测量亮度L(10°光圈角)。下面将结合图26更详细地说明测量的设置。在这方面，充分参考了欧洲标准EN ISO 11664-4。
在根据本发明的外墙元件中，第一窗格用于为外墙元件着色，而第二窗格则用于机械地支撑(加强)外墙元件。在本发明的一个有利的实施方式中，机械支撑第二窗格比着色第一窗格更厚，因此在机械上更坚固，这样，两层玻璃的功能就可以得到优化。然而，另一种情况是，着色第一窗格也有可能比机械支撑第二窗格厚。如果另一个(机械支撑)窗格的厚度相对较低，足以满足外墙元件所需的机械稳定性，那么这就特别有利。
在根据本发明的外墙元件的一个实施方式中，赋予颜色的第一窗格布置在中间层的光入射侧，即第一窗格形成外墙元件的前盖窗格。然而，另一种情况是，也可以将机械支撑第二窗格布置在中间层的光入射侧，即第二窗格形成外墙元件的前覆盖窗格。在后一种情况下，光穿过机械支撑第二窗格，直到射到着色第一窗格上。
外墙元件的颜色是由至少一个光学干涉层在白光(如太阳光)照射下选择的颜色产生的，选择的颜色与外墙元件所连接的二维结构(如墙)的背景颜色相结合。因此，整体印象是由选择的颜色和背景颜色产生的。
原则上，可以在没有背景元件的情况下使用外墙元件来产生颜色。在实践中，应该考虑到外墙元件所连接的平面结构的背景颜色。
为了实现独立于背景的颜色，外墙元件在其背面(即后部)具有至少一个二维背面(后部)元件。优选的是，至少一个平坦背面元件是不透明的或半透明的。至少一个二维背面元件布置在外墙元件的后面，即，在赋予颜色的第一窗格和机械支撑第二窗格的固定复合体后面的光线入射方向。
至少有一个背面元件有助于外墙元件的着色。为此目的，背面元件是例如消色的、深色的和哑光的。背面元件也有可能是彩色的，以便与布置在第一窗格上的至少一个给色光学干涉层一起给外墙元件以某种(预定的或可预定的)颜色印象。如果背面元件是光伏有源的，并且有CIGS薄膜太阳能电池，这些就有助于整体颜色。CIGS薄膜太阳能电池通常具有蓝黑色的颜色。
如上所述，第一窗格具有面向外部环境的前表面以及与之相对的背表面。同样，第二窗格具有面向外部环境的前表面(光入射侧)以及与前表面相对的背表面。在外墙元件在外墙中的安装状态下，各窗格的前表面面向外部环境。
至少一个平坦背面元件具有接触表面，该接触表面与背面(后面)窗格(第一或第二窗格)的背表面(即该窗格的背表面)牢固连接，该背表面布置在中间层远离光入射侧。
例如，至少一个平坦背面元件覆盖背面(后面)窗格的至少70％、至少90％或至少99％的背(后面)表面。特别是，平坦背面元件在其整个区域内覆盖背面窗格的背表面(100％，即完全覆盖)。然而，也有可能至少一个平坦背面元件覆盖了背面窗格背表面的70％以下，特别是50％以下。
外墙元件的二维背面元件可以具有光伏主动或无源的设计。
根据本发明的外墙元件的一个优选实施方式，至少一个二维背面元件被设计成光伏有源的，即适合并打算从太阳光产生能量。因此，彩色外墙元件可以以一种有利的方式用于光伏发电。
优选的是，至少一个光伏有源背面元件是载体基板(窗格)，上面应用有串联的太阳能电池，其中载体基板优选直接(即没有中间窗格)借助另一中间层与第一和第二窗格的复合材料的背面(后面)窗格(第一或第二窗格)牢固连接(例如，通过层压)。因此，背面窗格与载体基板形成了两个窗格的进一步复合。总的来说，这就形成了复合窗格结构，其中三个窗格(第一窗格、第二窗格、载体基板)通过层压彼此牢固地连接。通过提供颜色的第一窗格和机械支撑第二窗格的复合，太阳能电池得到了很好的保护，免受外部风化。
如果平坦背面元件相对于窗格的平面来说比前面的窗格要小，这将是有利的。因此，沿前面窗格的每个方向的平坦背面元件的尺寸都小于前面窗格的尺寸。通过这一措施，平坦背面元件，特别是如果它有太阳能电池，就能很好地保护其不受外部影响。
光伏有源背面元件提供有串联的太阳能电池，用于光伏发电。原则上，这些可以是任何类型的太阳能电池，特别是以晶圆为基础的硅基太阳能电池(以叠层配置在载体基板上的太阳能电池)或以单片整合形式串联的薄膜太阳能电池(以基板配置在载体基板上的太阳能电池)。优选的是，这些是以单片整合形式串联的薄膜太阳能电池。
通过与第一和第二窗格复合的背面(后面)窗格层压，从具有应用太阳能电池的载体基板和背面窗格中产生具有复合窗格结构的薄膜太阳能电池组件，背面窗格借助相应的中间层与前面窗格和载体基板牢固连接。
然而，也有可能将包括借助中间层(例如，具有太阳能电池(特别是薄膜太阳能电池)的载体基板，并具有盖板)彼此牢固连接的两个窗格的完整的太阳能电池组件与单个窗格(第一窗格或第二窗格)牢固连接。因此，这里也创建了具有三个窗格的复合窗格结构，这些窗格通过两个中间层彼此牢固连接。有利的是，可以用这种方式使用预制的太阳能电池组件。预制的太阳能电池组件可以选择有机械支撑第二窗格或着色第一窗格，在这种情况下，太阳能电池组件被牢固地结合在相应的其他玻璃上(着色第一窗格或机械支撑第二窗格)。每个中间层优选是热塑性或交联聚合物中间层(例如，PVB或EVA)，其将两个窗格结合在一起。使用透明的硅酮或铸造树脂进行结合也是可能的。
光伏有源背面元件优选具有薄膜太阳能电池的基板配置，其中用于生产太阳能电池的分层结构沉积在面向进光侧的支撑基板表面上。与通常的用法一致，术语"薄膜太阳能电池"指的是具有例如几微米的小厚度的层状结构，因此需要支撑基板以获得足够的机械强度。例如，载体基板可以由无机玻璃、钢或塑料组成，并根据各自的层厚度和具体的材料特性，可以设计成刚性板或柔性膜。优选的是，载体基板由玻璃组成。
在薄膜太阳能电池的情况下，该层结构以本身已知的方式包括背电极层、前电极层以及布置在背电极层和前电极层之间的光伏有源吸收器层。前电极层是光学透明的，因为光必须能够穿过该层结构。光学透明的前电极层通常包括或由掺杂的金属氧化物(TCO＝透明导电氧化物)组成，例如n型，特别是铝掺杂的氧化锌(AZO)。
优选的是，光伏有源吸收器层包括或由黄铜矿半导体组成，其优选是来自铜-铟/二硫化镓/二硒化物(Cu(In,Ga)(S,Se)2)的三元I-III-VI复合半导体。在上述公式中，铟和镓可以单独或组合存在。硫和硒也是如此，它们各自可以单独存在或组合存在。CIS(铜铟二硒/二硫化物)或CIGS(铜铟镓二硒、铜铟镓二硫、铜铟镓二硫硒)特别适合作为吸收器层的材料。吸收器层通常具有第一导电类型(电荷载体类型)的掺杂，而前电极具有相反导电类型的掺杂。通常，吸收器层是p型(p掺杂)，即有过量的缺陷电子(空穴)，而前电极层是n型(n掺杂)，因此自由电子过量存在。缓冲层通常被布置在吸收器层和前电极层之间。这尤其适用于基于Cu(In,Ga)(S,Se)2的吸收器层，其中p型Cu(In,Ga)(S,Se)2吸收器层和n型前电极之间通常需要缓冲层。根据目前的知识，缓冲层可以使吸收器和前电极之间实现电子匹配。它还提供保护，防止在前电极沉积的后续工艺步骤中，例如通过直流磁控溅射，出现溅射损伤。n型前电极层、缓冲层和p型吸收剂层的顺序形成了p-n异质结，即相反导电类型的层之间的结。光伏有源吸收器层也可以由碲化镉(CdTe)或无定形和/或微晶硅等材料制成。
在该层结构中，串联的太阳能电池是由图案区形成的。因此，至少背电极层被第一图案线(P1线)划分为完全分离的部分，形成太阳能电池的背电极。此外，至少吸收器层被第二图案线(P2线)划分为彼此完全分离的部分，形成太阳能电池的吸收器，至少前电极层被第三图案线(P3线)划分为彼此完全分离的部分，形成太阳能电池的前电极。相邻的太阳能电池通过第二图案线中的导电材料相互电连接。其中一个太阳能电池的前电极与相邻的太阳能电池的后电极电连接，并且通常与后者直接接触，但不一定。每个图案区均包括三个图案线P1-P2-P3的直接序列，每个图案线均是按照这个顺序布置。
基于非晶硅和/或微晶硅以及基于碲化镉的薄膜组件通常以叠层配置的方式构建。因此，薄膜太阳能电池涂覆在进光侧玻璃上。在背面，通常有第二玻璃用于气候稳定的封装。在这种情况下，进光侧的透明载体玻璃也可以承担机械支撑板的作用。根据本发明，与着色窗格层压的结果是彩色的层压玻璃组件。
与通常的用法一致，薄膜太阳能电池组件中的术语"太阳能电池"是指层状结构的区域，其包括一前电极、光伏有源吸收器和后电极，并由两个紧邻的图案区所限定。每个太阳能电池均具有光学有源区，该光学有源区包括堆叠在另一个上面的背电极、吸收器和前电极，并能将光转换为电流。
根据本发明的外墙元件的一个实施方式，部分覆盖至少一个背面元件的遮蔽层布置在光入射方向上，在最后一个干涉层(见下文)后面，其覆盖背面元件的光伏非有源区域(连接、母线、接线盒等)。因此，只有太阳能电池的光学有源区域从外部环境中可见，这进一步改善了外墙元件的外观。
平坦背面窗格元件与背面窗格牢固连接。平坦背面窗格元件本身可以具有颜色，其中背面窗格元件的颜色影响到外墙元件的整体颜色。
根据本发明的外墙元件的一个实施方式，平坦背面元件是光伏无源的，即不打算也不适合通过太阳光产生能量。
光伏无源背面元件例如以背面(后面)窗格(第一或第二窗格)的背表面的涂层(特别是不透明涂层)的形式形成。同样，背面元件可以形成为例如以膜的形式(特别是不透明的膜)牢固地结合在背面窗格(第一或第二窗格)的背表面，或者由刚性体(无涂层)，特别是不透明的刚性体(例如以窗格的形式)形成。刚性体可以是支撑体或非支撑体，作为支撑体特别可以是支撑板。膜或主体与背面(后面)窗格(第一或第二窗格)的结合可以通过透明粘合剂(特别是透明粘合剂膜)进行。
特别是，光伏无源平面元件的颜色可以选择与彩色太阳能电池组件的不透明背景相对应，即背面元件可以具有与光学有源太阳能电池相对应的颜色。优选的是，光伏无源平坦背面窗格元件是消色的、深色的和哑光的。然后，外墙元件的颜色印象和角度依赖性可以与基于薄膜组件的相应制造的彩色组件特别匹配。这些特性可以描述如下：
-L值最大为50，优选是小于45或小于40；
-色度c＝(a2+b2)1/2，最大为5，优选小于2或更优为小于1.5；
为了避免光泽，还可以加上以下要求：
-反射率雾度至少为90％，其中反射率雾度是指漫反射光与总反射光的比例。
进一步描述了根据本发明的外墙元件的赋予颜色的第一窗格的各种实施方式。
根据外墙元件的一个实施方式(为便于参考而称为"类型I")，着色第一窗格的前表面具有至少一个结构化区域，该结构化区域上布置有着色光学干涉层，用于反射预定或可预定波长范围内的光。该光学干涉层优选是直接(即没有任何其他的中间层)布置在第一窗格的前表面上。
在上述类型I的实施方式中，如果着色第一窗格的背表面没有结构化区域和光学干涉层，可能是有利的。那么背表面优选是平滑的(在生产误差范围内)。
在上述类型I的实施例中，如果着色第一窗格的背面没有结构化区域，其中在着色第一窗格的背面布置了进一步的光学干涉层，用于反射预定波长范围内的光，则可能是进一步有利的。背面优选是平滑的(在生产误差内)。这两个光学干涉层可以是相同的或不同的。特别是，两个光学干涉层可以被设计成在同一波长范围内反射光。然而，也有可能两个光学干涉层被设计成在不同的或只有部分重叠的波长范围内反射光。两个光学干涉层的厚度和折射率可以相同或不同。这使得外墙元件的颜色可以被优选地限定。此外，还可以产生混合色。
在上述类型I的实施方式中，如果背面(后面)表面包括至少一个结构化区域，在该结构化区域上布置光学干涉层，用于反射预定波长范围内的光，则可能是进一步有利的。背面的结构化区域和前面的结构化区域可以是相同的，也可以是不同的。两个光学干涉层的层厚和折射率可以是相同的，也可以是彼此不同的。这些措施也可以用来进一步限定外墙元件的颜色。此外，还可以产生混合色。
在I型外墙元件的实施方式中，当光照到具有干涉层的第一窗格的结构化前表面上时，即使在光泽角之外，也已经通过反射和干涉产生具有高强度和低角度依赖性的颜色。附加的干涉层和/或第一窗格背表面的结构化可以进一步加强这种效果。
根据该外墙元件的另一个实施方式(为便于参考而称为"类型II")，在提供颜色的第一窗格的背表面上布置了一个提供颜色的光学干涉层，用于反射预定或可预定的波长范围内的光。该光学干涉层优选直接(没有任何进一步的中间层)布置在着色第一窗格的背(后面)表面上。此外，着色第一窗格的背表面和/或前表面各自具有至少一个结构化区域，但条件是，要么前表面具有至少一个结构化区域，要么在前表面上布置用于反射预定或可预定波长范围内的光的另一光学干涉层。光学干涉层优选是直接(没有任何进一步的中间层)布置在着色第一窗格的前表面上。这意味着，如果前表面具有至少一个结构化区域，则在前表面上不布置光学干涉层。
因此，入射光必须至少穿过第一窗格一次，并在内部干涉层处被反射，以便在改善角度稳定性的情况下实现所需的着色效果。由于着色第一窗格的内部和/或外部结构化的表面，具有高强度和低角度依赖性的光也被反射到光泽角之外，因为位于内部的干涉层代表了具有较高折射率的边界表面。在外部结构化的情况下，光已经在空气和窗格之间的界面上发生了折射，并从各种角度扩散散射到内部干涉层上。在只有内部结构的情况下，漫散射发生在这个内部界面，因为根据本发明，有许多具有不同倾斜角度的表面区段。此外，通过赋予颜色的光学干涉层，可以获得良好的均匀颜色印象。因此，该干涉层作为具有窄带反射和宽带传输的过滤器。
在上述类型II的实施方式中，如果在着色第一窗格的背面(后面)表面上布置光学干涉层，其中着色第一窗格的背面没有结构化区域，而着色第一窗格的前表面有至少一个结构化区域，并且在着色第一窗格的前表面上没有进一步布置光学干涉层，则会是有利的。后面的表面优选是平滑的(在生产误差范围内)。对于外墙元件的前表面的结构化区域的区段没有粗糙度的条件。结构化的前表面也可以有较大的微观粗糙度。在这个界面上，只发生透射、折射和散射，但没有干涉。在根据本发明的外墙元件的这一实施方式中，如果着色第一窗格的前表面涂覆有一个(例如，薄的)抗反射层，其光学折射率小于着色第一窗格的光学折射率，则会很有利。这可以抑制着色第一窗格(例如玻璃)的基本白色反射，并提高颜色的饱和度。然而，着色第一窗格前表面上的附加层也可以具有与着色第一窗格相同的折射率。在这种情况下，该层的作用只是保护着色第一窗格不受湿气和空气中其他腐蚀性成分的影响。蚀刻的缎面玻璃已被证明比平面或轧制玻璃对湿热更敏感。在蚀刻苏打石灰玻璃的情况下，附加层可以是，例如，薄的溅射SiO2层。
在上述类型II的实施例中，可能进一步有利的是，在着色第一窗格的背面(后面)表面上设置光学干涉层，其中着色第一窗格的背面具有至少一个结构化区域，前面具有至少一个结构化区域，其中在着色第一窗格的前面上没有进一步设置光学干涉层。着色第一窗格的背表面的结构化区域和前表面的结构化区域可以彼此相同或不同。对于前表面的结构化区域的区段没有粗糙度条件。结构化前表面也可以有较大的微观粗糙度。在这个界面上，只发生透射、折射和散射，但没有干涉。对于背表面结构化区域的区段，上述粗糙度的条件适用，因为在结构化区域上放置了一个光学干涉层。当前表面是结构化的，而干涉层在背表面时，角度稳定性来自于这样一个事实，即通过结构化前表面进入的光在不同倾斜的区段发生折射，以不同的角度撞击干涉层，并在干涉和反射后，在离开提供颜色的第一窗格时第二次通过结构化前表面，再次通过折射改变方向。
在上述外墙元件的类型II的实施方式中，如果在提供颜色的第一窗格的背表面上布置光学干涉层，其中提供颜色的第一窗格的背表面具有至少一个结构化区域，提供颜色的第一窗格的前表面没有结构化区域，其中在提供颜色的第一窗格的前表面上没有进一步布置光学干涉层，则可能是进一步有利的。前面的表面优选是平滑的(在生产误差内)。对于背表面的结构化区域的区段，上述粗糙度的条件适用，因为在结构化区域上布置有光学干涉层。在根据本发明的外墙元件的这一实施方式中，如果着色第一窗格的前表面涂覆有一个(例如，薄的)抗反射层，其折射率小于着色第一窗格的折射率，则会是有利的。通过这种方式，可以抑制提供颜色的玻璃第一窗格的基本白色反射，增加颜色的饱和度。
在上述类型II的实施方式中，如果着色第一窗格的背表面具有至少一个结构化区域，而前表面没有结构化区域，其中另一个光学干涉层被布置在着色第一窗格的前表面上，这可能是进一步有利的。前面的表面优选是平滑的(在生产误差内)。对于背表面的结构化区域的区段，上述的粗糙度条件适用，因为在结构化区域上布置了一个光学干涉层。这两个光学干涉层可以是相同的，也可以是不同的。特别是，这两个光学干涉层可以被设计成在相同的波长范围内反射光。然而，也有可能两个光学干涉层被设计成在不同或仅部分重叠的波长范围内反射光。平滑外表面的干涉层也可以是一个颜色中性的抗反射层，以减少总反射光中的白色成分。颜色是通过在有干涉层的结构内侧的反射产生的。然而，平滑外侧的干涉层也可以是一个颜色产生层，它可以增强内侧产生的颜色，或将不同波长范围的另一种颜色成分与之混合。
在类型II的外墙元件的设计中，入射光因此必须至少一次通过着色第一窗格，并且必须在内部的干涉层上进行反射，以便在离开着色第一窗格的前表面后，以改进的角度稳定性达到所需的颜色。
在根据本发明的外墙元件中，结构化的第一窗格以高强度和低角度依赖性反射光，甚至在光泽角之外。由于至少有一个具有着色效果的光学干涉层，产生了非常均匀的颜色印象。
在根据本发明的外墙元件的一个有利的实施方式中，着色第一窗格的前表面或背表面(取决于哪个表面是结构化的)的结构化区域的至少80％，特别是优选的至少90％是由倾斜于着色第一窗格的平面的区段组成。通过增加区段的数量，可以进一步提高从着色第一窗格的表面的结构化区域反射的光的强度，甚至在光泽角之外，其角度稳定性。
在根据本发明的外墙元件的一个有利的实施方式中，(表面)区段的倾角与第一窗格的平面(玻璃平面)的倾角在0°和45°之间。至少50％，优选是70％的倾斜区段的攻角应小于25°。攻角的分布应该在0°至35°，优选是0°至25°的角度范围内有一个频率最大值，它位于5°-25°，优选是10°至20°之间。此外，非倾斜面(攻角＝0°)的比例应小于总角度分布的5％。
在根据本发明的外墙元件的一个有利的实施方式中，结构(区段)的宽度(B)与高度(H)的长宽比至少为B：H>2：1，B：H<50：1，优选是B：H>3：1，B：H<10：1。
如果有相对较多的具有小于10°的小倾斜角的切面，基本上在接近光泽角的观察角度仅发生(如无结构化的表面)反射强度，根据本发明，这是不优选的。根据上述条件，即使在光泽角之外也可以实现非常高的反射光强度，同时具有特别低的强度角度依赖性。这些结构优选是非周期性的和各向异性的。然而，周期性结构和/或各向异性结构也可用于特殊的光学效果。周期性和各向异性的结构(如金字塔、四边形或六边形的蜂窝状结构，或半球形)可以在玻璃拉制过程中很容易用辊子生产。它们可以用来创建有吸引力的光泽和颜色效果。当表面结构满足上述条件时，对于光泽角以外的角度，外墙元件再次示出出明显的色度下降，但此时的角度依赖性是相对于着色第一窗格平面内的方向而言的各向异性。
至少一个光学干涉层可以包括，特别是由一个或多个折射层组成。折射层由相同的材料(具有相同的成分)制成，特别是在整个层的厚度上具有均匀(相同)的折射率。如果光学干涉层包含若干折射层，则至少有两个折射层由彼此不同的材料组成，并具有不同的折射率。有利的是，至少一个折射层的折射率n大于1.7，优选大于2.0，尤其是优选大于2.3。原则上，折射率越大，反射光的角度依赖性就越低，这样就可以进一步减少颜色印象的角度依赖性。
有利的是，光学干涉层包含至少一种选自TiOx、ZrOx、SiC和Si3N4的化合物，即具有较高折射率的非吸收性材料。如果光学干涉层有两层、三层或更多，则光学干涉层优选含有至少一种选自MgF2、Al2O3、SiO2和硅氧氮的化合物。这些都是具有相对低折射率的非吸收性化合物。
在根据本发明的外墙元件中，由于结构化的表面与仅有少量折射层(例如，1至3个折射层)的光学干涉层的结合，已经可以实现良好的颜色印象。少量的折射层简化了外墙元件的制造，降低了生产成本。
有利的是，外墙元件的至少一个光学干涉层(特别是所有光学干涉层)正好包含(或由)一个折射率n大于1.9(优选大于2.3)的折射层。
有利的是，外墙元件的至少一个光学干涉层(特别是所有光学干涉层)正好包含(或由)两个折射层组成，其中，具有第一折射率n1的第一折射层存在于折射率为nd的着色第一窗格上，具有第二折射率n2的第二折射层存在于第一折射层上。对于折射率的差异量(绝对值)，适用以下情况：|n1-nd|>0.3和|n2-n1|>0.3，并且至少一个折射率n1或n2大于1.9，优选大于2.3。
有利的是，外墙元件的至少一个光学干涉层(特别是所有光学干涉层)正好包含(或由)三个折射层组成，其中具有第一折射率n1的第一折射层存在于折射率为nd的着色第一窗格上，具有第二折射率n2的第二折射层存在于第一折射层上，而具有第三折射率n3的第三折射层存在于第二折射层上。对于折射率之差的数量(绝对值)，适用以下情况：|n3-n2|>0.3，|n2-n1|>0.3，|n1-nd|>0.3。这里，折射率的值交替发生：要么n1>n2和n3>n2适用，要么n1<n2和n3<n2适用。此外，至少有一个折射率n1、n2或n3大于1.9，优选是大于2.3。
由于光学干涉层正好有一个、正好两个或正好三个折射层，可以实现外墙元件的均匀颜色印象，简化制造，降低外墙元件的生产成本。两层或三层可以增加颜色强度，即亮度和饱和度，即在特定的窄波范围内的反射。角度依赖性因相对高的折射率而减少。由三层以上的层叠构成的干涉层与根据本发明和所示的实施方式构造的赋予颜色的第一窗格也在本发明的范围内，但制造起来更复杂。例如，用高低折射率交替的四层折射层，可以进一步减少反射光的带宽，提高透射率。
在着色第一窗格的至少一个结构化区域中，入射光辐射的反射即使在光泽角之外也会发生相对较高的强度。为此，结构化区域优选形成为使得反射雾度超过50％，特别是优选超过90％的方式存在。反射雾度可以通过市面上的雾度计来确定。根据ASTM D1003标准，雾度是指反射光的漫射成分与总反射的比率。
在根据本发明的外墙元件中，至少应提供一个区，其中各区段的平均粗糙度小于前表面光学干涉层厚度的15％，从而能够对反射光进行建设性或破坏性干涉。有利的是，这个区域在整个提供颜色的第一窗格上延伸。根据一个实施方式，结构化区域具有至少一个其他的区域，即(部分)区域，其中各区段均具有在光学干涉层不发生干涉的平均粗糙度。例如，那里的区段的平均粗糙度为干涉层厚度的50％至100％。在这些区域中，外墙元件不表现出由光学干涉层产生的任何颜色。
根据本发明的外墙元件的一个实施方式，用于形成隔热窗格的第一窗格和第二窗格的复合材料通过间隔件与至少一个其他的窗格相连。隔热窗格的基本结构对于本领域的技术人员来说是已知的，因此没有必要在此进行更详细的说明。
此外，本发明还扩展到将根据本发明的外墙元件作为建筑围护结构(建筑墙)或独立墙的(整体)组件使用，例如视觉保护或噪音保护墙。特别有利的是，根据本发明的外墙元件被用作幕墙、柱梁式外墙或窗外墙的组成部分。
本发明的各种实施方式可以单独或以任何组合实现。特别是，上面提到的和将在下面说明的特征不仅可以在所示的组合中使用，而且还可以在其他组合中使用，或者单独使用，而不脱离开本发明的范围。
附图说明
下文将参考附图更详细地说明本发明。附图以简化的、不按比例的方式示出：
图1至图2是根据本发明的不带背面元件的外墙元件的各种实施方式的示意性剖视图；
图3至图5是根据本发明的具有至少一个背面元件的外墙元件的各种实施方式的示意性剖视图；
图6至图7是根据本发明的具有背面元件的外墙元件的各种实施方式的平面图；
图8是根据本发明的绝缘窗格形式的外墙元件的另一实施方式；
图9是根据本发明的外墙元件的一个实施方式的赋予颜色的第一窗格的示意性剖视图；
图10是根据本发明的外墙元件上的典型光照条件的示意图；
图11至图14是在图9的给色第一窗格的结构化区域中反射时的示例性光路的示意图；
图15是光线在光学干涉层中的干涉示意图。
图16至图17是根据本发明的外墙元件的着色第一窗格的其他实施方式的示意性剖视图；
图18是从给色第一窗格反射时的示例性光路的示意图；
图19至图20是根据本发明的外墙元件的给色第一窗格的其他实施方式的示意性剖视图；
图21是在图20的外墙元件的结构化区域中反射时的示例性光路的示意图；
图22是根据本发明的外墙元件的赋予颜色的第一窗格的其他实施方式的示意性剖视图；
图23是在图22的外墙元件的着色第一窗格处反射时的示例性光路的示意图；
图24至图25是根据本发明的外墙元件的着色第一窗格的其他实施方式的示意性剖视图；
图26是多角度颜色测量方法的示意图。
具体实施方式
在图1和图2中，以示意性的方式，通过剖视图(垂直于外墙元件表面的截面)示出了根据本发明的一个实施方式的外墙元件的结构，该外墙元件总体上以附图标记1标示。该外墙元件1用于安装在外墙中。例如，外墙元件1可以作为背面通风外墙的面板，插入到柱梁支撑结构的填充物中，或成为窗墙中的窗元件。
外墙元件1包括透明或半透明的着色第一窗格2以及机械支撑第二窗格3，第一窗格2和第二窗格3借助中间层13(例如，通过层压)彼此牢固连接。第一窗格2和第二窗格例如是玻璃窗格，并由优选具有低吸收性的玻璃(如钠钙玻璃)制成。此外，第一窗格2也被称为着色玻璃元件，而第二窗格3被称为机械支撑玻璃元件。
外墙元件1具有从外部环境观察到的前面V(光入射侧)，还具有在安装状态下面对大致平坦结构(例如墙)的背面R。为了本发明的目的，外墙元件1的前面V的周围区域U被认为是外部环境(在图1和图2中，在每种情况下，位于外墙元件1左侧的是周围区域U)。
着色第一窗格2包括面向外部环境U的前表面4和与之相对的、远离外部环境U的背表面5。同样，第二窗格3包括面向外部环境U的前表面4'和与之相对的、远离外部环境的背表面5'。为了描述本发明的目的，当表面面向外部环境U时被称为"前表面"。相应地，当表面远离外部环境U时被称为"背表面"。第一窗格2和/或第二窗格3也可以各自形成为复合体，特别是由嵌入另一种透明材料(例如，层压状)中的透明芯组成，该透明材料具有与芯相同的光学折射率。于是，前表面4、4'和背表面5、5'由这种材料形成。这在图1中没有更详细地示出。
第一窗格2借助粘合方式与第二窗格3粘合，例如通过层压膜、透明硅胶或浇注树脂来形成层压玻璃元件。第一窗格2在这里位于例如外部，即形成外墙元件1的前面V。第二窗格3位于内部，即形成外墙元件1的背面R。
外墙元件1包括由第一窗格2和第二窗格3组成的复合窗格15，承担着机械功能(风载)和天气保护功能(雨水等)。根据结构要求，窗格2、3的厚度必须有相应的尺寸。根据结构要求，两窗格2、3优选由加工的玻璃制成，如热钢化玻璃、所谓的钢化安全玻璃(ESG)或热强化玻璃(TVG)。
第一窗格2有涂层和纹理，以达到着色的目的，这一点将在下面详细说明。第二窗格3用于机械地支持(即加强)着色第一窗格2，并对外墙元件1的机械稳定性有重大帮助，使其能够承受更大的风载。
在图1所示的实施例中，着色第一窗格2比机械支撑第二窗格3要薄。例如，第一窗格的窗格厚度在2至4毫米的范围内。第二窗格3比第一窗格2厚，例如，具有超过4毫米的窗格厚度。
在图2中，示出了图1的变体，其与图1的不同之处仅在于，机械支撑第二窗格3是外墙元件1的最外部窗格，即形成外墙元件1的前面V。其后面是着色第一窗格2。
在图1和图2的外墙元件1中，给色的第一窗格2与第二窗格3牢固地连接(例如，通过层压)，两者共同构成彩色的复合窗格15。外墙元件1例如不具有背面元件。特别是，外墙元件1的颜色可以受到不属于外墙元件1的彩色背景的影响。
优选地，外墙元件1在其背面R具有至少一个平坦背面元件，例如是光伏无源背面元件。优选地，该平坦背面元件是不透明的。光伏无源背面元件例如以背面(后面)窗格(第一窗格2或第二窗格3)的背表面5',5(例如在整个表面上)的涂层(特别是不透明的涂层)形式形成。同样，背面元件可以例如以膜(特别是不透明的膜)的形式形成，该膜牢固地连接到背面窗格(第一窗格2或第二窗格3)的背表面5',5，或者以刚性体的形式，特别是不透明的刚性体，例如板的形式。这在图中没有更详细地示出。
特别优选的是，彩色外墙元件1具有至少一个平坦的背面元件，该背面元件是光伏有源的，即适合并用于从太阳光产生能量。因此，彩色外墙元件1可以以一种有利的方式用于光伏能量的产生。图3至图5示出了这种实施方式。
首先考虑图3。其中示出的是已经关于图1说明过的外墙元件1。请参考对图1的相应说明。此外，该外墙元件1具有光伏有源背面元件14。背面元件14包括载体基板16(玻璃窗格)，该载体基板在此例如是玻璃状的，其上形成有多个串联的太阳能电池18。载体基板16直接(即没有中间窗格)借助另外的中间层13'与包括第一窗格2和第二窗格3的复合窗格15的背面窗格(这里，例如第二窗格3)牢固连接(例如，通过层压)。因此，背面窗格3与载体基板16形成另外的复合窗格15'。整体结果是复合窗格结构，其中两个窗格2、3和载体基板16通过层压相互牢固地结合。用于牢固地结合背面窗格3和载体基板16的其他中间窗格13'优选热塑性或交联聚合物中间层(例如，PVB或EVA)。
太阳能电池18被第一窗格2和第二窗格3的复合窗格15很好地保护而免受外部风化。优选地，太阳能电池18是薄膜太阳能电池，其中光伏有源吸收器层由黄铜矿半导体组成，特别是来自铜铟/二硫化镓/二硒化物(Cu(In,Ga)(S,Se)2)组的三元I-III-VI化合物半导体。
图4示出了图3的变体，其与图3的实施方式不同之处在于，第二窗格3比着色第一窗格2薄。此外，第二窗格3比第一窗格2小，并且其尺寸与载体基板16对应。第二窗格3在这里设计成用于具有太阳能电池18的载体基板16的盖板的形式。在外墙元件1的生产过程中，预制的太阳能电池组件20包括作为盖板的第二窗格3和具有太阳能电池18的载体基板16，该太阳能电池组件20可以层压到第一窗格2。这在工艺技术方面会是有利的，因为太阳能电池组件20可以是预制的。然后，背面元件14与完整的太阳能电池组件20相应。太阳能电池组件20在载体基板16的平面中的尺寸小于第一窗格2的尺寸，因此，太阳能电池组件20被很好地保护免受外部的影响。也可以将着色第一窗格2形成为太阳能电池组件20的盖板(其尺寸相应地与载体基板16相同)，然后将太阳能电池组件20与布置在前面的机械支撑第二窗格3牢固地连接。
在图3和图4的实施方式中，至少一个遮蔽层19布置在最后的干涉层(见下文)的后面，即在提供颜色的第一窗格2的后面。在图3和图4中，遮蔽层19在每种情况下都被应用于第一窗格2的背表面5。遮蔽层19只覆盖背表面5的一部分，覆盖光伏非有源的区域。太阳能电池18的光伏有源区域不被覆盖。这改善了外墙元件1的外观。
在图3的实施方式中，着色的玻璃元件薄。例如，窗格厚度在2至4毫米的范围内。机械支撑玻璃元件比较厚。例如，窗格厚度超过4毫米。在机械支撑玻璃元件后面上层压有一个或多个具有太阳能电池18的载体基板16(不具有前玻璃)或者还有具有成串的硅片太阳能电池的玻璃窗格或具有成串的硅片太阳能电池的背面窗格。非有源区域(接触带、边缘区、中间区域、配合件)被不透明遮蔽层19所覆盖。不透明遮蔽层19优选位于着色玻璃元件的背表面5(即侧2)或机械支撑玻璃元件的前表面4'(即侧3)或背表面5'(即侧4)上。有源区域之间的不透明遮蔽层19还隐藏电缆、插头或接线盒。如果边缘区需要用线状支架、点状支架或粘合来附接，那么提供颜色的玻璃元件和机械支撑玻璃元件的层压窗格15可以比一个或多个支撑基板16的区域大。各种已知的层压膜(如PVB、EVA、交联TPO等)可用于层压一个或多个支撑基板16。可以使用标准尺寸和相对较薄的载体基板玻璃窗格。这在薄膜太阳能电池组件的制造中是有利的。
在图4的实施方式中，着色的玻璃元件位于外部。在这种情况下，其是相当厚的(例如，窗格厚度在3至10毫米的范围内)，因为它承担了机械稳定的很大一部分。在这种情况下，机械支撑玻璃元件更薄，宽度和/或高度也可以比着色玻璃元件小。这里，机械支撑玻璃元件是太阳能电池组件20的前面板。引入机械支撑玻璃元件在生产技术方面具有优势。因此，太阳能电池组件20可以在组件制造商处作为系列化产品生产，并配有前玻璃和接线盒，从而在玻璃外墙制造商处作为已经密封的元件被进一步加工。如图3所示，非有源区域(接触条、边缘区、中间区域、配合件)可以被不透明遮蔽层19所覆盖。不透明遮蔽层19优选位于给色玻璃元件的背表面5(即侧4)上。有源区域之间的不透明遮蔽层19还隐藏电缆、插头或接线盒。着色玻璃元件和机械支撑玻璃元件的复合窗格15可以比一个或多个太阳能电池组件20的区域大。
图5示出了图3的实施方式的变体。其与图3的不同之处在于，机械支撑玻璃元件是外墙元件1的最外层玻璃窗格。其后面是着色玻璃元件。着色玻璃元件相对较薄(窗格厚度例如在2至4毫米的范围内)。着色玻璃元件被层压到机械支撑玻璃元件上，并且两者共同形成彩色层压玻璃元件或层压窗格15'。在着色玻璃元件后面上层压有一个或多个具有太阳能电池18(优选薄膜电池)的载体基板16，也或者是具有成串的硅片太阳能电池的载体基板或具有成串的硅片太阳能电池的背面窗格。非有源区域(接触带、边缘区、中间区域、配合件)可以用至少一个不透明的遮蔽层19覆盖。至少一个不透明遮蔽层19优选位于给色玻璃元件的内表面5(侧4)上。有源区域之间的至少一个不透明遮蔽层19还隐藏电缆、插头或接线盒。如果若干个载体基板16(电路)与(薄膜)太阳能电池18层压在一起，它们的背面(基板玻璃)是不连接的。
根据供应链的设计，太阳能电池组件可以在太阳能电池组件生产厂直接与着色玻璃元件层压，然后作为密封良好、经过测试的太阳能电池组件交付给外墙元件制造商。
图6和图7中，示出了外墙元件1的各个实施方式，每一者均是背面R的俯视图。外墙元件1基于图3或图5中的设计。相应地，具有太阳能电池18(电路)的两个载体基板16层压到由第一窗格2和第二窗格3组成的复合窗格15上。两个载体基板16的太阳能电池18通过连接线21和接线盒22相互串联或并联连接。此外，这还提供了外部连接件。在图7的实施方式中，除了具有太阳能电池18(电路)的两个载体基板16之外，还提供了透明窗23。不透明的遮蔽层19覆盖光伏非有源区域。
图8示出了作为绝缘窗格的外墙元件1的一个实施方式。这里，由第一窗格2、第二窗格3和具有太阳能电池18的载体基板16组成的复合窗格15、15'经由间隔件24与另一中空玻璃窗格牢固连接。
根据外墙元件1的实施方式，着色第一窗格2的前表面4和/或背表面5被结构化(例如，在拉伸过程中通过蚀刻、喷砂或轧制)，并具有至少一个光学干涉层，这在图1至8中没有示出。这一点将在下文中更详细地说明。
图9示出了根据本发明的外墙元件1的一个实施方式，其中只示出了具有示例性结构的赋予颜色的第一窗格2。特别是，外墙元件1可以如图1至图8所示设计。相应地，着色第一窗格2的前表面4在区域8中结构化，在本实施例中，该区域在整个前表面4上延伸，即前表面4和结构化区域8是相同的。光学干涉层9直接布置在前表面4上。在结构化区域8中，前表面4提供有山有谷的高度轮廓。这里，50％以上的前表面4由平坦区段10组成，其平面均关于着色第一窗格2的平面倾斜，即与着色第一窗格2的平面具有非零角度。区段10的区段面积均至少为1μm2，平均粗糙度小于光学干涉层9的层厚度d的15％。前表面4的最高点(山)和最低点(谷)之间的平均高度子层至少为2微米，例如，最多为着色第一窗格2厚度的20％。关于着色第一窗格2的平面，至少有20％的区段具有从大于0°到最大15°范围内的倾斜角，至少有30％的区段具有从大于15°到最大45°范围内的倾斜角，并且少于30％的区段10的倾斜角大于45°。在图9的实施例中，所有的区段都具有最大45°的倾斜角。
光学干涉层9是薄的，并且其层厚度在例如0.1至几(如2)微米的范围内。此外，光学干涉层9的折射率n大于1.7，优选大于2.0，特别优选大于2.3，并且相对于入射光而言，具有最低可能的吸收。光学干涉层9可以具有单层或多层(即由一个或多个折射层组成)设计。每个折射层均具有一定的折射率，并由相同的材料组成。例如，光学干涉层9由MgO、SiONx、Si3N4、ZrO2、TiOx和/或SiC组成。各个折射层(特别是光学干涉层9)的导电性能应尽可能低。
下面，将更详细地描述赋予颜色第一窗格2的前表面4的结构化的操作模式。让我们先看图10，其中通过举例示出了外墙元件1的典型光条件。据此，来自太阳的光S直接照在着色第一窗格2上，并以光泽角反射。示出入射光束E和以光泽角反射的光束R。除了反射的光束R外，入射光也在光泽角之外漫散射。两个漫散射的光束R'作为实施例示出。颜色效应是由反射、散射和干涉引起的。如果观察者B站在外墙元件1的前面，并垂直地看着他面前的给色的第一窗格2，他的眼睛只很少遇到直接反射的光R(即观察者通常不站在光泽角)。这在图10中示出，其中观察者B在光泽角之外，并只看到漫散射的光束R'。对于没有结构化区域8的平滑表面，漫散射光R'的强度相对较低，并表现出强烈的角度依赖性。只有当漫散射部分足够大时，才会出现具有令人满意强度(亮度，L值)的清晰颜色。
图11示出了结构化区域8的倾斜区段10的基本操作原理，其中以观察者B垂直地看外墙元件1的玻璃表面或前表面4为例示出了各种光路。示出了与给色第一窗格2的示意性示出的平面GE有不同倾斜度的三个区段10以及入射在区段10上的光线E，这些光线在每种情况下均被区段10以局部光泽角反射给观察者B(反射光线R)。中间区段10平行于平面GE布置，入射光束E垂直地照在区段10上，并被垂直地反射到观察者B(反射光线R)。对于中间区段10，光泽角和局部光泽角是相同的。对于相邻的两个区段10，入射光线E与平面GE的法线表面均具有非零的角度，并且也以局部光泽角照在观察者B上。由于区段10的不同倾斜度，来自不同方向的光在每种情况下均以区段10的局部光泽角反射到垂直于组件表面看的观察者B。在图11的实施例中，入射角和反射角总计为45°。
图12中，示出了一种情况，其中观察者B以与表面法线成45°的角看着色第一窗格2的平面GE。与图11一样，作为实施例，示出了与着色第一窗格2的平面GE有不同倾斜度的三个区段10以及分别入射在区段10上的光线E，这些光线以局部光泽角从区段10反射到观察者B(反射光线R)。由于区段10的不同倾斜度，在每种情况下，来自不同方向的光都以局部光泽角反射给看组件表面的观察者B。在图12的实施例中，入射角和反射角总计为67.5°。原则上，反射光在相对较大的光泽角值下会发生蓝移。这种蓝移可以借助较高的光学干涉层的折射率来减少。在表面倾斜度相对较高的情况下，也会发相邻面元的多重反射生。
图13示出了一种情况，其中光源和相应的入射光线总是与给色第一窗格2的平面GE成45°角倾斜。观察者B以不同的角度观察外墙元件1的表面。图13中的角度指示应理解如下：入射角(参考指着色第一窗格2的GE平面)/观察或反射角(与参考GE平面上的表面法线的光泽角的偏差)。没有表示出度数符号"°"。在图13中，示出了与平面GE有不同倾斜度的区段10作为实施例。只在一个区段10中，其平面与着色第一窗格2的平面平行，观察者B位于相对于平面GE的光泽角：45/0。这是指入射光束与平面GE具有45°的角，反射光束与光泽角的角度偏差为零。对于其他区段10，观察者B在光泽角之外。对于左侧的两个区段10(45/90，45/45)，观察者分别以与光泽角成90°和45°的角看外墙元件1的表面，光以与平面GE成45°的角度入射。在右侧区段17(45/-15)的情况下，观察者处于与光泽角成-15°的角。由于不同的倾斜区段10和由此产生的以局部光泽角的反射，即使观察者不位于相对于给色第一窗格10的平面GE的光泽角处，光也能以足够的强度反射到观察者B。
在图14中，示出了一种情况，其中观察者B总是以与着色第一窗格2的组件表面或平面GE成45°的角观察外墙元件1的表面。在图14中，作为一个实施例，示出了与平面GE有不同倾斜度的四个区段10。只在一个区段10中，其平面与平面GE平行，观察者B位于光泽角处：45/0。在其他区段10中，观察者位于光泽角之外。在左侧的两个区段10(45/90，45/45)处，观察者B以45°的角看外墙元件1的表面，其中光相对于光泽角分别以90°和45°的偏差入射。在右侧区段10(45/-15)的情况下，光以相对于光泽角的-15°的角入射。由于不同的倾斜区段10和由此产生的以局部光泽角的反射，即使光线在光泽角之外入射，也能以足够的强度反射到观察者B。
在根据本发明的外墙元件1中，通过将与赋予颜色的光学干涉层9结合的赋予颜色的第一窗格2的前表面4进行结构化，可以在可预先确定的波长范围内实现均匀的颜色印象，由此，与非结构化的表面相比，颜色印象对角度的依赖性要小得多。
图15示出了层厚度为d的光学干涉层9的反射情况。入射光束E在大气-干涉层界面(R1)和干涉层-窗格界面(R2)都被反射。如果两个光束R1、R2的路径差相当于入射光束波长的倍数，则发生建设性干涉；如果路径差是波长的一半的倍数，则发生破坏性干涉。当用白光照射时，光学干涉层9因此起到了滤色器的作用，因为根据折射率n和层厚度d，只针对合适波长的光发生建设性干涉。这里α是反射光线R1、R2与表面法线的角度。光线R'例示了光泽角以外的反射光，如果干涉层-窗格界面的粗糙度太高，反射光可能会发生在结构化区域15中。为了满足干涉条件，散射中心有必要均小于波长和层的厚度。此外，R1和R2只有在它们仍在同一平坦表面区段上时才能发生干涉。因此，根据本发明主张权利的区段的最小区域及其最大粗糙度可以实现给色干涉。
如果给色第一窗格2的前表面4涂覆有由无机、化学惰性和硬层(例如用Si3N4)组成的光学干涉层9，就会给外墙元件1带来高抗划伤性、耐化学性和防污效果。使用光催化层(如TiO2)也可以产生自清洁的效果。气候测试也表明，诸如Si3N4或TiO2之类材料的干涉层也能防止玻璃第一窗格2被湿热腐蚀。
现在请参考图16，其中示出了根据本发明的外墙元件1的另一实施方式，同样只示出了着色第一窗格2。为了避免不必要的重复，只描述了与图9的不同之处，其他方面则参考以上说明。在本实施方式中，前表面4的结构化区域8具有第一区11和第二区12。这里，第一区11形成为使得区段10的平均粗糙度小于前表面4上光学干涉层9的层厚度d的15％。在图9的实施方式中，这适用于整个结构化区域8。相反，第二区12中的平均粗糙度使得防止光学干涉层9的干涉。例如，第二区12中的区段10的平均粗糙度超过了光学干涉层9的层厚度的50％。因此，外墙元件1在第一区11中具有均匀的颜色，这是由光学干涉层9的滤色效果造成的。在第二区12中，由于缺乏建设性干涉，光学干涉层9没有滤色效果，因此，基本上有对应于没有光学干涉层9的外墙元件的表面。因此，外墙元件1可以根据需要在可预先限定的第一区11中提供均匀的颜色。在图16中，以更大的粗糙度示意性地示出了第二区12。
图17示出了根据本发明的外墙元件1的另一实施方式，其中只示出了赋予颜色的第一窗格2。为了避免不必要的重复，只描述了与图9的不同之处，其他方面则参考以上说明。相应地，外墙元件1在着色第一窗格2的前表面4上的结构化区域8上具有第一光学干涉层9，并在着色第一窗格2的背表面5上具有第二光学干涉层9′。着色第一窗格2的背表面5不是结构化的，即没有类似于前表面4的结构化区域8。背表面5在生产误差限度内是平滑的。第二光学干涉层9'具有层厚度d'和光学折射率n'，它们可以与第一光学干涉层9的厚度相同，但无需相同。第二光学干涉层9'进一步增强了颜色效果。参考图9的实施方式，有具有滤色效果的二次反射源，因为在给色第一窗格2(例如玻璃)与粘合层6之间的第二光学干涉层9'的折射率比给色第一窗格2(例如玻璃)与粘合层6的光学干涉层9'的折射率大。由于光的折射，二次反射时的入射角较小。由于光总共三次穿过光学干涉层，到达观察者的光被过滤得更多。特别是，两个光学干涉涂层9、9'的涂层厚度d、d'和折射率n、n'也可以彼此明显不同。在涂层的光学厚度n*d或n'*d'明显不同的情况下，可以产生混合色，因为第一光学干涉层9就会产生与第二干涉层9'不同的反射光谱，并且当第二干涉层9'反射的光再次穿过第一干涉层9时，就会叠加。通过这种方式，可以用非常简单且具有成本效益的方式生产具有各种颜色和高角度稳定性的彩色外墙元件1。
在图18中，以高度简化的方式示出了入射光E和反射光R1、R2的光束路径。在图18中，没有示出着色第一窗格2的结构化。只示出了单个光束路径，这里是处于相对于着色第一窗格2的平面的光泽角。可以看出，穿过第一干涉层9的光在着色第一窗格9(如玻璃)中发生折射，在第二干涉层9'处第二次反射，从而被干涉过滤。当光离开着色第一窗格2时，就会穿过干涉层9，这样，干涉层就被穿过了三次。
图19示出了根据本发明的外墙元件1的另一实施方式，其中只示出了着色第一窗格2。为了避免不必要的重复，只描述了不同之处，其他方面则参考以上说明。相应地，外墙元件1在着色第一窗格2的前表面4上具有第一结构化区域8，并在着色第一窗格2的背表面5上具有第二结构化区域8'，其中，第一光学干涉层9布置在第一结构化区域8上，第二光学干涉层9'布置在第二结构化区域8'上。这两个结构化区域8、8'可以是相同或不同的设计。同样地，两个光学干涉层9、9'可以相同或不同地形成，其中特别是两个光学干涉层9、9'的层厚度d、d'和折射率n、n'可以彼此不同。如果为两个光学干涉层9、9'选择相等的光学厚度n*d，则可以增强外墙元件1的颜色。当用明显不同的光学厚度进行涂覆时，可以产生混合色。
这些实施方式的共同点是，当光照到具有干涉层的结构化前表面时，通过反射和干涉产生高强度和低角度依赖性的颜色(甚至在光泽角之外)。背表面的附加的干涉层和/或结构化可以进一步加强这种效果。
在图20中，由外墙元件1的提供颜色的第一窗格2的放大部分示出根据本发明的外墙元件1的另一个实施方式。为了避免不必要的重复，只描述了不同之处，其他方面则参考上文的说明。相应地，着色第一窗格2的前表面4在区域8中结构化，在本实施例中，该区域在整个前表面4上延伸，即，前表面4和结构化区域8是相同的。光学干涉层9直接布置在着色第一窗格2的背表面5上。背表面5没有任何结构化，在生产误差限定内是平滑的。前表面4上没有光学干涉层。图20的外墙件1的前表面4的结构化区域8的区段10没有粗糙度条件。
参考图21，更详细地说明根据图20的实施方式的结合有内部干涉层9的结构化前表面4的功能。其中示出的是着色第一窗格2的不同倾斜区段10的示例性不同光路。示出了示例性的三个区段10，其中右侧的区段10与着色第一窗格2的平面平行，其他两个区段10与着色第一窗格2的平面具有非零角度。以简化形式示出光线从干涉层9的反射。已经说明了干涉层9处的反射。在图21中，示出了三条光束的光路，其中每条光束均以与着色第一窗格2的平面的法线成相同的角度照在着色第一窗格2的前表面4的不同倾斜区段10上。区段10的相应法线用虚线绘出。由于区段10的倾斜度不同，光线的反射方式也不同。第一光束1-1冲击到区段10上，穿过着色第一窗格2成为折射光束1-2，被干涉层9(以光泽角)反射成为光束1-3，并作为折射光束1-4从着色第一窗格2向外部环境显现。最终从着色第一窗格2反射的光束1-4与着色第一窗格2的平面的法线的角度与入射光束1-1与着色第一窗格2的平面的法线的角度不同，因此没有以光泽角的反射，而是散射。以相应的方式，第二光束2-1冲击到另一区段10上，穿过着色第一窗格2成为折射光束2-2，被干涉层9反射成为光束2-3，并作为折射光束2-4从着色第一窗格2向外部环境显现。反射光束2-4从着色第一窗格2显现的方向大致与光束2-1的入射方向相反，这也是一个散射过程，而不是以光泽角的反射。第三光束3-1冲击到另一个区段10上，穿过着色第一窗格2成为折射光束3-2，被干涉层9反射成为光束3-3，并作为折射光束3-4从着色第一窗格2向外部环境显现。该区段10与着色第一窗格2的平面平行，因此，光束2-4以光泽角被反射。在此，至关重要的是，通过那些倾斜于着色第一窗格2平面的区段10，由于在各区段10的折射和随后在与干涉层9的界面上的反射以及在结构化表面的进一步折射，在光泽角(关于着色第一窗格2的平面)之外也发生了强烈的反射，因此，与干涉层9相结合，可以实现反射光的均匀颜色效果。
图21示出了位于光泽角外的观察者B的位置的实施例。由于具有外部结构化层以及内部干涉层的相对强烈(漫射)散射的提供颜色的第一窗格2，对于光泽角外的不同观看角度，通常可以找到合适的光路，这些光路已经穿过了干涉层。这导致了颜色印象，与没有结构化区域8的传统组件相比，其方向依赖性要小得多。
现在参考图22，其中示出了根据本发明的外墙元件1的另一实施方式，只示出了赋予颜色的第一窗格2。为了避免不必要的重复，只描述了不同之处，其他方面则参考以上说明。相应地，外墙元件1在着色第一窗格2的背表面5上具有结构化区域8，其中结构化区域8上布置有光学干涉层9。光学干涉层9是薄的，并遵循结构化区域8的表面。结构化区域8和光学干涉层9可以各自与前面的实施方式类似地形成。着色第一窗格2的前表面4不具有结构化区域8，并且在生产误差范围内是平滑的。此外，前表面4上布置有光学干涉层。与前表面4的结构化区域8的区段10相比，背表面5的结构化区域8具有光学干涉层9，因此，区段10必须满足的条件是：背表面5的结构化区域8的区段10均是平坦的，具有至少1μm2的区段面积，并且其平均粗糙度小于背表面5上的光学干涉层9层的厚度的15％。
图23示出了三个不同的光路作为实施例。再次以简化形式示出光束在干涉层9上的反射。由于不同的倾斜区段10，光线从给色第一窗格2的反射是不同的。第一道光束1-1冲击在给色第一窗格2的前表面4上，穿过给色第一窗格2成为折射光束1-2，从倾斜于给色第一窗格2的平面的区段10反射成光束1-3，并作为折射光束1-4从给色第一窗格2向外部环境显现。以相应的方式，第二光束2-1冲击在着色第一窗格2的前表面4上，穿过着色第一窗格2成为折射光束2-2，从平行于着色第一窗格2的平面的区段10反射成光束2-3，并作为折射光束2-4从着色第一窗格2朝外部环境显现。以相应的方式，第三道光束3-1冲击在着色第一窗格2的前表面4上，穿过着色第一窗格2成为折射光束3-2，由倾斜于着色第一窗格2的平面的区段10反射成光束3-3，并作为折射光束3-4从着色第一窗格2向外部环境显现。对于入射光束2-1和出射光束2-4来说，只有中间区段10满足入射角＝反射角的条件，即以光泽角反射。其他的光束均由区段10以局部光泽角反射，然而，这并不对应于给色第一窗格2的平面的光泽角，因此，会发生相对强烈的散射。与光学干涉层9结合起来，可以实现外墙元件1的均匀颜色效果，该效果对方向的依赖性不大。
图24示出了根据本发明的外墙元件1的另一实施方式，其中只示出了提供颜色的第一窗格2。为了避免不必要的重复，只描述了不同之处，其他方面则参考了以上说明。相应地，外墙元件1除了具有着色第一窗格2的背表面5的结构化区域8上的光学干涉层9外，还具有直接位于着色第一窗格2的前表面4上的另一光学干涉层9'。前表面4不是结构化的，即，没有类似于背表面5的结构化区域8。相反，前表面4在生产误差的限度内是平滑的。两个干涉层9，9'可以具有相同或不同的光学折射率和相同或不同的层厚度。如果为两个光学干涉层9、9'选择了相同的光学厚度n*d，那么太阳能电池板1的颜色可以得到增强，因为到达观察者的光总共要穿过光学干涉层三次，因此过滤效果优选。在具有明显不同光学厚度的涂层的情况下，可以产生混合色。
如果产生颜色的第一窗格2的前表面4涂覆有由无机的、化学惰性的且坚硬的层(如Si3N4)组成的光学干涉层9'，则可以为外墙元件1获得例如高的抗划伤性、抗化学性和防污效果。使用光催化层(如TiO2)，也可以获得自清洁的效果。
布置在前表面4上的这种附加层也可以是薄的抗反射层，其光学折射率小于着色第一窗格2的折射率，从而抑制着色第一窗格2(例如玻璃)的基本白色反射，并增加颜色的饱和程度。
图25示出了根据本发明的外墙元件1的另一实施方式，其中只示出了着色第一窗格2。为了避免不必要的重复，只描述了不同之处，其他方面则参考以上说明。相应地，外墙元件1的着色第一窗格2的背表面5具有结构化区域8，该结构化区域上布置有光学干涉层9。此外，着色第一窗格2的前表面4也具有结构化区域8'。前表面4上没有布置光学干涉层。这两个结构化区域8、8'可以是相同的，也可以是彼此不同的。在图25的实施例中，所有区段10的倾斜角最多为45°。与背表面5的结构化区域8的区段10相比，图25的外墙元件1的前表面4的结构化区域8'的区段10'不存在粗糙度的条件。
这种布置在前表面4上的附加层也可以是薄的、颜色中性的抗反射层，其光学折射率小于着色第一窗格2的折射率，从而抑制着色第一窗格2(例如玻璃)的大部分白色反射并增加颜色的饱和度。然而，布置在前表面4上的附加层也可以具有与着色第一窗格2相同的光学折射率。在这种情况下，该层仅用于保护着色第一窗格2免受空气中的湿气和其他腐蚀性成分的影响。蚀刻的予以光泽加工的玻璃已被证明比平坦玻璃或轧制玻璃对湿热更敏感。在蚀刻苏打石灰玻璃的情况下，附加层可以是例如薄的溅射SiO2层。
在这些实施方式中，光必须穿过着色第一窗格至少一次，并且必须被内部干涉层反射，以便在离开前表面后获得所需的着色与改进的角度稳定性。
原则上，外墙元件1可以通过任何合适的紧固技术(例如背轨、钻孔点保持器、夹持条等)安装在外墙上。悬挂系统经常被用于背部通风幕墙，其中的接合是借助形式的封装来实现的。
图26示出了使用市售的多角度色度计17(多角度测色)来确定根据本发明的外墙元件1的漫散射的测量布置。没被更详细地示出的结构化区域8在完整的提供颜色的第一窗格2(例如玻璃)上延伸。这里，光束以不同的入射角为特征定向到外墙元件1的前表面4上，从不同的观察角度(例如与着色第一窗格2的平面的法线成15°或45°)光谱测量散射或反射的光。在着色第一窗格2的下面是不透明的背面元件14，在这里其形成为例如黑色的、无光泽的层(例如，与具有大约1.5的折射率的液体结合)。多角度色度计17可以用于确定具有D65标准光照和10°孔径角的L-a-b系统中的亮度。已经表明，在45°和15°观察角以及45°的入射角的情况下(该观察角和入射角均从光泽角测量)，可以提供良好的角度稳定性(即散射光的角度依赖性低)，仍有至少L＝10的亮度，优选是L＝15，更优选是L＝20。由于给色第一窗格2的前表面4和/或背表面5的至少一个结构化区域8，在45°和15°的观察角度以及45°的入射角下(在每种情况下均从光泽角(在两个方向)测量)，至少可以实现L＝10的亮度。这些度数应理解如下：反射角(指表面法线/入射角(指光泽角)。例如，在观察角为45°(相对于表面法线测量)，并且入射角为45°(从光泽角测量)的情况下，入射光束正好垂直于表面入射(45/45)。在观察角为15°，并且入射角为45°的情况下，入射方向与观察方向同侧的法线成30°(15/45)。多角度色度计20相对于法线的观察角度为45°或15°。
在根据本发明的具有光伏有源背面元件的外墙元件的所有实施方式中，电有源区域有利地位于包括第一窗格和第二窗格的复合窗格的保护性外蒙皮后面。视觉干扰部件仍然隐藏在不透明的遮蔽层后面。机械部件(如接线盒和电缆)可以保持在太阳能电池组件背面的通常位置。太阳能电池组件的生产基本保持不变，只是省略了前玻璃的层压，或将成品太阳能电池组件与另一窗格(着色玻璃元件或机械支撑玻璃元件)层压。不需要框架或背轨。如果面板、填充物或窗元件要达到高层建筑中的区域尺寸，若干太阳能电池组件可以层压到较大的复合元件上，并经由电缆连接。
在图3和图4的实施方式中，因为着色玻璃元件位于外墙的外部，所以着色效果更强。在图5的实施方式中，着色玻璃元件位于内部，因此得到了更多的保护。如果只使用一个合适尺寸的太阳能电池组件，这也可以是用纹理和涂层玻璃元件制造的系列化生产的太阳能电池组件。如果要在填充物中安装若干太阳能电池组件，则使用大型设计的玻璃元件更为有利，因为中间的空间可以用不透明层覆盖。
模块化设计分离了不同的功能，每个玻璃元件均可以自行优化：着色玻璃元件在尽可能减少效率损失的情况下根据所需的着色进行优化，机械支撑玻璃元件的尺寸和后处理(柱梁式外墙，单层安全玻璃)设计成使得其满足与风荷载有关的复合材料自重的机械要求。太阳能电池组件可以在很大程度上取自标准生产。
如图3和图5所示的根据本发明的变体具有的优势在于：具有太阳能电池的载体基板可以整合到背部通风的外墙元件、柱梁构造或窗元件中。在每一种情况下，都可以独立于机械支撑玻璃元件的所需厚度来生产给色玻璃元件。机械支撑玻璃元件的尺寸是根据所需的结构分析(复合元件的总重量和风载能力)设计的。
在图4的变体中，制造过程以及某些保证都可以通过供应链有利地分开。太阳能电池组件制造商提供完全经过电气测试和密封的太阳能电池组件。
虽然组件的性能会因层压到较厚的玻璃上而有所下降，但通过使用白玻璃，可以将其最小化到可忽略的数值。对于铁含量低的白玻璃，在4毫米和12毫米的玻璃厚度之间，透射率仅从91％下降到90％。
由着色玻璃元件、带或不带光伏有源背面元件的机械支撑玻璃元件组成的彩色外墙元件可以与各种常见的幕布式背部通风外墙、元件式外墙或柱梁式外墙或大型窗元件的设计相结合。在柱梁式外墙或元件式外墙或用作窗元件的情况下，可以可选地在太阳能电池组件的背面后面至少有一个附加玻璃窗格或另一个由不同材料制成的盖，将外墙元件从房间侧封锁。接线盒和电缆于是位于太阳能电池组件与房间侧盖之间。如果房间侧盖是玻璃窗格，则根据技术水平，两者都可以与合适的框架和密封件一起设计成中空玻璃、外墙元件或带气体填充的窗元件。这在图8中举例示出。传统中空玻璃窗的外部窗格被彩色层压窗格结构所取代。然后，电缆必须被引出于框架。也可以在房间侧使用两个附加窗格作为三层装配玻璃。
层压玻璃结构和房间侧盖用合适的间隔件(因为有接线盒和电缆)和粘合密封剂连接(其中没有框架)，并且用线状托架或点状托架作为封装一起连接到柱梁支撑结构。电缆必须穿过间隔件或房间侧盖引出。在房间侧盖与太阳能电池组件之间，还可以有隔热材料(发泡塑料，如聚苯乙烯(泡沫塑料)，矿物纤维，玻璃棉等)。房间侧盖也可以挂在位于支撑玻璃元件的紧固件上。于是，可以移除房间侧盖以进行维护。
在具有太阳能电池板的窗元件的情况下，给色玻璃元件也可以选择比机械支撑玻璃元件小得多。然后，填充物或窗元件由透明区域(窗)和不透明的彩色区域组成，该彩色区域要么是光伏有源的，要么可以是完全或部分无源的(如图7所示)。
该外墙元件也可以作为背部通风幕墙的窗格使用。与目前使用的带背轨的组件相比，由于借助机械支撑玻璃元件的机械加强，复合窗格结构可以整合到普通的无背轨玻璃构造中。为此，可以使用线状支架、点状支架或机械夹具。太阳能电池组件和给色玻璃元件只在很小的程度上对实现风载能力有贡献。重要的机械芯是机械支撑玻璃元件。
从以上对本发明的描述可以看出，本发明提供了一种改进的外墙元件，其具有非常均匀、强烈的颜色，几乎没有方向性。该外墙元件可以低成本地制造成各种形状和尺寸，并能以简单的方式整合到外墙中。特别有利的是，该外墙元件具有特别高的机械强度，因此它可以承受更高的风载。因此，本发明提供了一种创新，在外墙构造的实践中带来了相当大的优势。
附图标记列表
1 外墙元件
2 第一窗格
3 第二窗格
4，4' 前表面
5,5' 背表面
6 粘合层
7 接触区域
8，8' 结构化区域
9,9' 光学干涉层
10,10' 区段
11 第一区
12 第二区
13、13' 中间层
14 背面元件
15,15' 复合窗格
16 载体基板
17 多角度色度计
18 太阳能电池
19 遮蔽层
20 太阳能电池组件
21 连接电缆
22 接线盒
23 窗
24 间隔件
25 中空玻璃窗格
前面 V
背面 R
外部环境 U

Claims (15)

1.外墙元件(1)，包括着色的透明或半透明的第一窗格(2)以及机械支撑透明第二窗格(3)，所述第一窗格和所述第二窗格借助中间层(13)彼此牢固地连接，其中所述第一窗格(2)具有布置在光入射侧的前表面(4)，并具有相对的背表面(5)，其中选自所述前表面和所述背表面的至少一个表面(4，5)具有至少一个结构化区域(8，8')，其中至少一个光学干涉层(9，9')布置在选自所述前表面和所述背表面中的至少一个表面(4，5)上，用于反射预定波长范围内的光，其中所述至少一个结构化区域(8，8')具有以下特征：
-垂直于所述第一窗格(2)的平面，高度轮廓包括峰和谷，其中所述峰和所述谷之间的平均高度差至少为2微米；
-至少50％的所述结构化区域由相对于所述第一窗格(2)的所述平面倾斜的区段组成，其中相对于所述第一窗格(2)的所述平面，至少20％的所述区段的倾斜角在大于0°到最大15°的范围内，至少30％的所述区段的倾斜角在大于15°到最大45°的范围内，其中
-所述区段中的每一者均是平坦的，并且区段面积至少为1μm2，其中所述区段中每一者的平均粗糙度均小于所述至少一个光学干涉层的层厚度的15％。
2.根据权利要求1所述的外墙元件(1)，其中所述第二窗格(3)比所述第一窗格(2)
i)更厚，或
ii)更薄。
3.根据权利要求1或2所述的外墙元件(1)，其中
i)所述第一窗格(2)，或
ii)所述第二窗格(3)
布置在所述中间层(13)的所述光入射侧。
4.根据权利要求1所述的外墙元件(1)，其中至少有一个平坦的背面元件(14)附接到其背面(R)。
5.根据权利要求4所述的外墙元件(1)，其中所述至少一个平坦的背面元件(14)适用于光伏发电。
6.根据权利要求5所述的外墙元件(1)，其中适合于光伏发电的所述背面元件(14)包括具有太阳能电池(18)的载体基板(16)，其中没有中间窗格的所述载体基板(16)借助另一中间层(13')与所述第一窗格(2)或所述第二窗格(3)牢固连接。
7.根据权利要求5或6所述的外墙元件(1)，其中所述第一窗格(2)或所述第二窗格(3)是预制太阳能电池组件(20)的盖窗格。
8.根据权利要求5所述的外墙元件(1)，其中，相对于前窗格(2，3)的所述平面，所述平坦的背面元件(14)比所述前窗格(2，3)小。
9.根据权利要求4所述的外墙元件(1)，其中，所述至少一个背面元件形成为：
-后面的所述第一窗格(2)或所述第二窗格(3)的涂层；
-薄膜，不透明的薄膜，其借助透明的粘合剂，透明的粘合剂膜牢固地结合到所述背面的第一窗格(2)或第二窗格(3)；或
-刚性体，不透明的刚性体，其借助通过透明胶粘剂，透明的粘合剂膜牢固地连接到所述后面的第一窗格(2)或第二窗格(3)。
10.根据权利要求1所述的外墙元件(1)，其中所述第一窗格(2)的所述前表面(4)具有至少一个结构化区域(8)，该结构化区域上布置有用于反射预定波长范围内的光的光学干涉层(9)。
11.根据权利要求10所述的外墙元件(1)，其中
i)所述第一窗格(2)的所述背表面(5)不具有结构化区域和光学干涉层，或
ii)所述第一窗格(2)的所述背表面(5)不具有结构化区域，并且在所述第一窗格(2)的所述背表面(5)上布置有另一光学干涉层(9')，用于反射预定波长范围内的光，或
iii)所述第一窗格(2)的所述背表面(5)具有至少一个结构化区域(8')，该结构化区域上布置有用于反射预定波长范围内的光的光学干涉层(9')。
12.根据权利要求1所述的外墙元件(1)，其中在所述第一窗格(2)的所述背表面(5)上布置有用于反射预定波长范围内的光的光学干涉层(9')，其中所述背表面(5)和/或所述前表面(4)各自具有至少一个结构化区域(8，8')，其中或者所述前表面(4)具有至少一个结构化区域(8)，或者在所述前表面(4)上布置有用于反射预定波长范围的光的另一光学干涉层(9)。
13.根据权利要求12所述的外墙元件(1)，其中
i)所述第一窗格(2)的所述背表面(5)不具有结构化区域，而所述前表面(4)具有至少一个结构化区域(8)，其中所述前表面(4)上没有布置光学干涉层；或
ii)所述第一窗格(2)的所述背表面(5)具有至少一个结构化区域(8')，并且所述前表面(4)具有至少一个结构化区域(8)，其中所述前表面(4)上没有布置光学干涉层；或者
iii)所述第一窗格(2)的所述背表面(5)具有至少一个结构化区域(8')，而所述前表面(4)不具有结构化区域，其中所述前表面(4)上没有布置光学干涉层；或者
iv)所述第一窗格(2)的所述背表面(5)具有至少一个结构化区域(8')，而所述前表面(4)不具有结构化区域，其中所述前表面(4)上布置有另一光学干涉层(9)。
14.根据权利要求1所述的外墙元件(1)，其中第一窗格(2)和第二窗格(3)的复合窗格(15)经由间隔件(24)与至少一个另外的窗格(25)连接，以形成绝缘窗格。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的外墙元件(1)在幕墙背面通风外墙、柱梁式外墙或窗外墙中的使用。
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