DE102006052608B4

DE102006052608B4 - Solarzelle auf Polymerbasis

Info

Publication number: DE102006052608B4
Application number: DE102006052608A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Schindler; Achim Dr. Hansen
Original assignee: Leonhard Kurz GmbH and Co KG
Current assignee: Leonhard Kurz Stiftung and Co KG
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: DE102006052608A1

Abstract

Solarzelle (10) auf Polymerbasis, mit einem ersten Substrat (12), auf dem eine erste Elektrode (14) und eine zweite Elektrode (24) und zwischen diesen ein fotovoltaisches Funktionsschichtengebilde (22) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (24) lichtdurchlässig zwischen dem ersten fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde (22) und einem zweiten fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde (22') angeordnet ist, so dass zwischen der lichtdurchlässigen zweiten Elektrode (24) und der ersten Elektrode (14) sowie der lichtdurchlässigen zweiten Elektrode (24) und einer am zweiten fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde (22') angeordneten Gegenelektrode (26) jeweils eine photovoltaische Zelle (30, 30') gebildet ist, wobei die photovoltaischen Zellen (30, 30') in ihrer Polarität gegeneinander geschaltet sind und ein Zellenpaar (28, 28') bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (24) des Zellenpaares (28, 28') strukturiert mit Durchgangsbereichen ausgebildet ist und die Durchgangsbereiche der zweiten Elektrode (24) mit Material gefüllt sind, das durch eine an die zweite Elektrode (24) angrenzende Schicht bereitgestellt ist, die sowohl dem ersten Funktionsschichtengebilde (22) als...

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle auf Polymerbasis, mit einem Substrat, auf dem zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode ein fotovoltaisches Funktionsschichtengebilde vorgesehen ist.
Die Effizienz von Solarzellen auf Polymerbasis beträgt derzeit größenordnungsmäßig 3–5% und liegt somit weit unter der Effizienz von Solarzellen auf Silizium-Basis.
Die US 6,198,092 B1 offenbart einen Solarzellenstapel, wobei unter anderem eine Anordnung von vier Solarzellen in Stapelanordnung beschrieben ist. Dabei sind die Elektrodenschichten innerhalb des Stapels jeweils Bestandteil von zwei daran angrenzenden Solarzellen mit antiparallelen Polaritäten. Die Elektrodenschichten der Solarzellen sind so miteinander verschaltet, dass eine Parallelschaltung der Solarzellen vorliegt.
Die WO 2004/086 462 A2 beschreibt eine fotovoltaische Zelle mit Gitterelektrode, die auf Basis organischer Halbleiterschichten gebildet ist und unter anderem eine Lochblockerschicht aufweist. Weiterhin ist eine Serienschaltung von einzelnen Zellen, die nebeneinander angeordnet sind, offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine erhöhte Effizienz besitzt.
Diese Aufgabe wird für eine Solarzelle auf Polymerbasis, mit einem ersten Substrat, auf dem eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode und zwischen diesen ein fotovoltaisches Funktionsschichtengebilde angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode lichtdurchlässig zwischen dem ersten fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde und einem zweiten fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde angeordnet ist, so dass zwischen der lichtdurchlässigen zweiten Elektrode und der ersten Elektrode sowie der lichtdurchlässigen zweiten Elektrode und einer am zweiten fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde angeordneten Gegenelektrode jeweils eine fotovoltaische Zelle gebildet ist, wobei die fotovoltaischen Zellen in ihrer Polarität gegeneinander geschaltet sind und ein Zellenpaar bilden, dadurch gelöst, dass die zweite Elektrode des Zellenpaares strukturiert mit Durchgangsbereichen ausgebildet ist und die Durchgangsbereiche der zweiten Elektrode mit Material gefüllt sind, das durch eine an die zweite Elektrode angrenzende Schicht bereitgestellt ist, die sowohl dem ersten Funktionsschichtengebilde als auch dem zweiten Funktionsschichtengebilde zugehörig ist, und dass mindestens zwei Zellenpaare benachbart zueinander angeordnet sind, die miteinander durch eine Kontaktierung der zweiten Elektrode des einen Zellenpaares mit der ersten Elektrode des benachbarten Zellenpaares in Reihe geschaltet sind.
Bei der solchermaßen ausgebildeten erfindungsgemäßen Solarzelle wird das auf sie auftreffende Licht also nicht nur in einem einzigen fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde in elektrische Energie umgewandelt, sondern durch die lichtdurchlässige zweite Elektrode hindurch in einem Paar von fotovoltaischen Funktionsschichtengebilden, d. h. in einem Paar fotovoltaischen Zellen, die in ihrer Polarität gegeneinander geschaltet sind.
Die erfindungsgemäße Solarzelle weist damit den Vorteil einer entsprechend erhöhten Effizienz auf.
Die mindestens zwei Zellenpaare sind miteinander durch eine Kontaktierung der lichtdurchlässigen zweiten Elektrode des einen Zellenpaares mit der ersten Elektrode des benachbarten Zellenpaares in Reihe geschaltet sind. Durch eine derartige Reihenschaltung ist eine entsprechend vervielfachte Ausgangsspannung der Solarzelle realisierbar. Durch die Ausbildung der Solarzelle mit einer Anzahl Zellenpaare ist eine entsprechend große Stromstärke und folglich eine entsprechend große Gesamtleistung der Solarzelle realisierbar.
Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle ist die lichtdurchlässige zweite Elektrode des/jedes Zellenpaares strukturiert mit Durchgangsbereichen ausgebildet. Die Durchgangsbereiche sind mit dem Material der beiden Funktionsschichtengebilde gefüllt, zwischen welchen die lichtdurchlässige zweite Elektrode vorgesehen ist.
Um das Zellenpaar der fotovoltaischen Zellen in ihrer Polarität gegeneinander zu schalten, ist es bevorzugt, wenn die erste Elektrode und die Gegenelektrode eines jeden Zellenpaares der mindestens zwei Zellenpaare miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Die fotovoltaischen Zellen werden also miteinander kombiniert, d. h. aufeinander gestapelt. Das ist bspw. durch Laminieren realisierbar.
Das jeweilige Funktionsschichtengebilde kann bspw. eine SC-Schicht (Semiconductor-Schicht) und PEDOT/PSS-Schicht (Poly-3,4-Ethylenedioxythiophene-Schicht)/poly(sodium 4-styrenesolfonate) aufweisen. Dabei ist die SC-Schicht der ersten Elektrode zugewandt und die PEDOT/PSS-Schicht grenzt an die lichtdurchlässige zweite Elektrode der jeweiligen fotovoltaischen Zelle an.
Um die elektrische Ableitung von Ladungen vom jeweiligen fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde zu verbessern, kann das jeweilige Funktionsschichtengebilde eine Lochblocker-Schicht aufweisen. Diese Lochblocker-Schicht kann TiOx enthalten und ist zweckmäßiger Weise zwischen der ersten Elektrode und der SC-Schicht der jeweiligen fotovoltaischen Zelle vorgesehen.
Die erste Elektrode und/oder die Gegenelektrode des/jedes Zellenpaares sind zweckmäßigerweise transparent oder zumindest semitransparent. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine ITO-Schicht (Indium-Zinn-Oxid-Schicht) handeln.
Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle kann die/jede Gegenelektrode mit einem zugehörigen zweiten Substrat kombiniert sein.
Zur Reihenschaltung von Zellenpaaren können mindestens zwei bzw. eine Anzahl erster Elektroden an einem gemeinsamen ersten Substrat vorgesehen sein. Das erste Substrat und/oder das/jedes zweite Substrat können transparent oder zumindest semitransparent sein.
Die erfindungsgemäße Solarzelle kann in vorteilhafter Weise bspw. durch Prägen hergestellt werden. Ein wesentlicher Vorteil besteht in ihrer erhöhten Effizienz bei der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteil ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch verdeutlichten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Solarzelle.
Die Figur zeigt in einer Seitenansicht stark vergrößert und nicht maßstabgetreu abgeschnitten eine Ausbildung der Solarzelle 10 auf Polymerbasis. Die Solarzelle 10 weist ein Substrat 12 auf, auf dem voneinander beabstandet ersten Elektroden 14 vorgesehen sind. Auf jeder ersten Elektrode 14 ist eine Lochblocker-Schicht 16 vorgesehen. Die jeweilige Lochblocker-Schicht 16 ist mit einer SC-Schicht 18 bedeckt, auf der eine PEDOT/PSS-Schicht 20 vorgesehen ist.
Die Lochblocker-Schicht 16, die SC-Schicht 18 und die PEDOT/PSS-Schicht 20 bilden ein fotovoltaisches Funktionsschichtengebilde 22 der Solarzelle 10.
Durch das fotovoltaische Funktionsschichtengebilde 22 ist die erste Elektrode 14 von einer zweiten Elektrode 24 beabstandet. Die zweite Elektrode 24 ist lichtdurchlässig zwischen dem bereits erwähnten ersten fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde 22 und einem zweiten fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde 22' angeordnet. Dieses zweite fotovoltaische Funktionsschichtengebilde 22' weist – wie das erste fotovoltaische Funktionsschichtengebilde 22 – eine PEDOT/PSS-Schicht 20', eine SC-Schicht 18' und eine Lochblocker-Schicht 16' auf, die zu den Schichten 16, 18 und 20 spiegelbildlich vorgesehen sind, so dass sich zwischen der ersten Elektrode 14 und einer an der Lochblocker-Schicht 16' vorgesehenen Gegenelektrode 26 der Solarzelle 10 ein Zellenpaar 28 und 28' fotovoltaische Zellen 30, 30' mit entgegengesetzter Polarität ergeben.
Die lichtdurchlässige zweite Elektrode 24 des jeweiligen Zellenpaares 28, 28' ist mit der ersten Elektrode 14 eines benachbarten Zellenpaares 28, 28' mittels einer Kontaktierung 32 elektrisch leitend verbunden. Außerdem ist die Gegenelektrode 26 des jeweiligen Zellenpaares 28, 28' mit der zugehörigen ersten Elektrode 14 des gleichen Zellenpaares 28, 28' mittels einer Kontaktierung 34 kontaktiert. Bei den Kontaktierungen 32, 34 handelt es sich bspw. um einen Leitkleber.
Mit der Bezugsziffer 36 ist eine Isolierung zwischen der jeweiligen Kontaktierung 32 und der zugehörigen fotovoltaischen Zeile 30 und mit der Bezugsziffer 38 ist eine Isolierung zwischen dem jeweiligen fotovoltaischen Zellenpaar 28, 28' und der Kontaktierung 34 bezeichnet.
Die Zusammensetzungen der Schichten 18 und 18', die Zusammensetzungen der Schichten 20 und 20' und die Zusammensetzungen der Schichten 16 und 16' können jeweils gleich oder voneinander verschieden sein. Die jeweilige Gegenelektrode 26 ist an einem zugehörigen zweiten Substrat 40 vorgesehen.
Die Bezugsziffer 42 bezeichnet laminierte Aktivbereiche an der Oberseite der Solarzelle 10.
Wird die Solarzelle 10 mit Licht beaufschlagt, was durch die Pfeile 44 verdeutlicht ist, so wird an den Anschlüssen 46 und 48 der Solarzelle 10 eine elektrische Spannung, d. h. elektrische Energie erhöhter Effizienz erzeugt.

10: Solarzelle
12: Substrat (von 10)
14: erste Elektrode (an 12)
16, 16': Lochblocker-Schicht (auf 14)
18, 18': SC-Schicht (auf 16)
20, 20': PEDOT/PSS-Schicht (auf 18)
22, 22': fotovoltaisches Funktionsschichtengebilde (von 10)
24: lichtdurchlässige zweite Elektrode (von 10)
26: Gegenelektrode (von 10)
28, 28': Zellpaar (von 10)
30, 30': fotovoltaische Zellen (von 10)
32: Kontakierung
34: Kontaktierung
36: Isolierung
38: Isolierung
40: zweites Substrat (von 10)
42: laminarer Aktivbereich (von 10)
44: Pfeil/Lichtstrahl
46: Anschluss (von 10)
48: Anschluss (von 10)

Claims

Solarzelle (10) auf Polymerbasis, mit einem ersten Substrat (12), auf dem eine erste Elektrode (14) und eine zweite Elektrode (24) und zwischen diesen ein fotovoltaisches Funktionsschichtengebilde (22) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (24) lichtdurchlässig zwischen dem ersten fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde (22) und einem zweiten fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde (22') angeordnet ist, so dass zwischen der lichtdurchlässigen zweiten Elektrode (24) und der ersten Elektrode (14) sowie der lichtdurchlässigen zweiten Elektrode (24) und einer am zweiten fotovoltaischen Funktionsschichtengebilde (22') angeordneten Gegenelektrode (26) jeweils eine photovoltaische Zelle (30, 30') gebildet ist, wobei die photovoltaischen Zellen (30, 30') in ihrer Polarität gegeneinander geschaltet sind und ein Zellenpaar (28, 28') bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (24) des Zellenpaares (28, 28') strukturiert mit Durchgangsbereichen ausgebildet ist und die Durchgangsbereiche der zweiten Elektrode (24) mit Material gefüllt sind, das durch eine an die zweite Elektrode (24) angrenzende Schicht bereitgestellt ist, die sowohl dem ersten Funktionsschichtengebilde (22) als auch dem zweiten Funktionsschichtengebilde (22') zugehörig ist, und dass mindestens zwei Zellenpaare (28, 28') benachbart zueinander angeordnet sind, die miteinander durch eine Kontaktierung (32) der zweiten Elektrode (24) des einen Zellenpaares (28, 28') mit der ersten Elektrode (14) des benachbarten Zellenpaares (28, 28') in Reihe geschaltet sind.
Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (14) und die Gegenelektrode (26) eines jeden Zellenpaares (28, 28') der mindestens zwei Zellenpaare (28, 28') miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung (32) der zweiten Elektrode (24) des einen Zellenpaares (28, 28') mit der ersten Elektrode (14) des benachbarten Zellenpaares (28, 28') mittels eines Leitklebers ausgeführt ist.
Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (14) und die Gegenelektrode (26) eines jeden Zellenpaares (28, 28') der mindestens zwei Zellenpaare (28, 28') durch einen Leitkleber verbunden sind.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die, an die zweite Elektrode (24) angrenzende Schicht eine PEDOT/PSS-Schicht (20, 20') ist.
Solarzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Funktionsschichtengebilde (22, 22') jeweils eine SC-Schicht (18, 18') und die PEDOT/PSS-Schicht (20, 20') aufweisen.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Funktionsschichtengebilde (22, 22') jeweils eine Lochblocker-Schicht (16, 16') aufweisen.
Solarzelle nach Anspruch 6 sowie 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblocker-Schicht (16, 16') zwischen der ersten Elektrode (14) und der zugehörigen SC-Schicht (18, 18') der jeweiligen fotovoltaischen Zelle (30, 30') vorgesehen ist.
Solarzelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblocker-Schicht (16, 16') TiOx enthält.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (14) und/oder die Gegenelektrode (26) jedes Zellenpaares (28, 28') transparent oder zumindest semitransparent ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gegenelektrode (26) mit einem zugehörigen zweiten Substrat (40) kombiniert ist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elektroden (14) der mindestens zwei Zellenpaare (28, 28') gemeinsam auf dem ersten Substrat (12) angeordnet sind.
Solarzelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (12) und/oder das zweite Substrat (40) transparent oder zumindest semitransparent sind.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaischen Zellen (30, 30') eines jeden Zellenpaares (28, 28') durch Laminieren aufeinander gestapelt sind.