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Die
Erfindung betrifft eine Solarzelle in Form eines Mehrschichtkörpers, insbesondere
in Form eines flexiblen, mehrschichtigen Folienkörpers, mit einer an der Vorderseite
der Solarzelle vorgesehenen Lichteintrittsseite, mit mindestens
einer photovoltaischen Halbleiterschicht und mit einer partiell
ausgebildeten metallischen Schicht sowie ein Verfahren zur Herstellung
derselben.
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Solarzellen
auf Polymerbasis mit organischen Halbleiterschichten weisen gegenüber Solarzellen
mit anorganischen Halbleiterschichten bei vergleichbarer aktiver
Fläche
einen geringeren Wirkungsgrad auf, der derzeit im Bereich von 3
bis 5% liegt.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle zu schaffen,
die einen erhöhten Wirkungsgrad
aufweist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird von einer Solarzelle in Form eines Mehrschichtkörpers mit
einer an der Vorderseite der Solarzelle vorgesehenen Lichteintrittsseite,
mit mindestens einer photovoltaischen Halbleiterschicht und mit
einer partiell ausgebildeten metallischen Schicht gelöst, bei
der in ersten Bereichen der Solarzelle die metallische Schicht vorgesehen
ist und in zweiten Bereichen der Solarzelle die mindestens eine
photovoltaische Halbleiterschicht vorgesehen ist, die metallische
Schicht jedoch nicht vorgesehen ist, wobei die Solarzelle in Bezug
auf die Lichteintrittsseite oberhalb der photovoltaischen Halbleiterschicht
lichtablenkende Strukturelemente aufweist, die im Register zu den
ersten und/oder zweiten Bereichen angeordnet sind und die so ausgeformt
sind, dass sie auf ein oder mehrere der ersten Bereiche oder auf
Teilbereiche von ein oder mehreren der ersten Bereiche einfallendes
Licht auf ein oder mehrere der zweiten Bereiche lenken. Die Aufgabe
der Erfindung wird weiter von einem Verfahren zur Herstellung einer
Solarzelle in Form eines Mehrschichtkörpers, die eine an der Vorderseite der
Solarzelle vorgesehenen Lichteintrittsseite, mindestens eine photovoltaische
Halbleiterschicht und mindestens eine partiell ausgebildete metallische Schicht
aufweist, gelöst,
bei dem in Bezug auf die Lichteintrittsseite oberhalb der metallischen
Schicht in dem Mehrschichtkörper
lichtablenkende Strukturelemente ausgebildet werden, die so ausgeformt
sind, dass sie auf ein oder mehrere erste Bereiche oder auf Teilbereiche
von ein oder mehreren ersten Bereichen der Solarzelle einfallendes
Licht auf die ein oder mehreren zweiten Bereiche lenken, und bei
dem die metallische Schicht derart strukturiert wird, dass in den
ein oder mehreren ersten Bereichen der Solarzelle die metallische
Schicht vorgesehen ist und in den ein oder mehreren zweiten Bereichen
der Solarzelle die metallische Schicht nicht vorgesehen ist.
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Durch
die Erfindung wird eine Steigerung der Effizienz insbesondere von
organischen Solarzellen erreicht. Untersuchungen haben gezeigt,
dass es zwar möglich
ist, eine als flächige
Elektrode dienende metallische Schicht teiltransparent durch entsprechende
Verringerung der Schichtdicke der metallischen Schicht auszugestalten,
dass jedoch trotzdem aufgrund der absorbierenden Eigenschaften solcher Metallschichten
die Effizienz der Solarzelle im Bereich der metallischen Schicht
verringert ist. Dies tritt auch dann ein, wenn die metallische Schicht
strukturiert wird. Weiter haben Untersuchungen gezeigt, dass als
Elektrodenschicht zwar eine Schicht aus einem transparenten, elektrisch
leitfähigen,
nicht metallischen Materialen verwendet werden kann, welches diese
Eigenschaft metallischer Materialien nicht zeigt, was andererseits
jedoch andere Nachteile mit sich bringt (Leitfähigkeit). Durch die Erfindung
wird es so möglich,
trotz Verwendung von metallischen Elektrodenschichten Solarzellen,
insbesondere organische Solarzellen hoher Effizienz bereit zu stellen.
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Die
lichtablenkenden Strukturelemente sind weiter in die als flexibler
Mehrschichtkörper
ausgebildete Solarzelle integriert und registergenau zu der metallischen
Schicht angeordnet, so dass auch bei widrigen Umweltbedingungen über einen
langen Zeitraum eine beachtliche Effizienzsteigerung der Solarzelle
durch die Erfindung erzielt werden kann, ohne die mechanischen Eigenschaften
der Solarzelle wesentlich zu beeinflussen.
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Der
Dickenbereich der Solarzelle liegt im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm,
abhängig
vom eingesetzten Barriere-Film.
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Die
Solarzelle kann beispielsweise auch von einer Multi-Junction-Cell
etc. gebildet werden und ist somit nicht auf Solarzellen mit einem „One Stack
Aufbau" begrenzt.
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Bezüglich des
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
hat es sich besonders bewährt,
die metallische Schicht durch ein Photoätzverfahren zu strukturieren,
bei dem auf die metallische Schicht eine photoaktive Schicht aufgebracht
wird, die photoaktive Schicht anschließend von der Lichteintrittsseite
her durch die lichtablenkenden Strukturelemente belichtet wird,
und die belichteten Bereiche der photoaktive Schicht und die zugeordneten
Bereiche der metallischen Schicht sodann entfernt werden, so dass
in den ein oder mehreren ersten Bereichen der Solarzelle die metallische
Schicht vorgesehen ist und in den ein oder mehreren zweiten Bereichen
der Solarzelle die metallische Schicht nicht vorgesehen ist. Durch
dieses Verfahren wird eine „Selbstregistrierung" zwischen den lichtablenkenden
Strukturelementen und ersten und zweiten Bereichen der metallischen
Schicht erreicht, die so automatisch mit hoher Passergenauigkeit
im Register zueinander angeordnet werden. In einer Ausführungsvariante
ist so vorgesehen, die lichtablenkenden Strukturelemente zugleich
zur Ausbildung einer Ätzmaske
für ein
Photoätzverfahren
zu nutzen und auf diese Weise den weiteren Schichtaufbau im Register
zu den lichtablenkenden Strukturelementen mit hoher Genauigkeit vorzunehmen.
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Weiter
wird keine Maske für
das Photoätzverfahren
benötigt.
Die auf der Solarzelle verbleibenden, im Betrieb der Solarzelle
optisch aktiven Strukturelemente erfahren eine Doppelnutzung und
dienen im weiteren so auch der Strukturierung der metallischen Schicht
bei der Herstellung der Solarzelle. Damit wird bei verringertem
Aufwand eine besonders hohe Registergenauigkeit erzielt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Herstellungsverfahren basiert darauf, dass
in Bezug auf die Lichteintrittsseite oberhalb der metallischen Schicht
in dem Mehrschichtkörper
eine Replizierschicht eingebracht wird, dass auf der Vorderseite
der Replizierschicht die lichtablenkende Strukturelemente abgeformt
werden, die so ausgeformt sind, dass sie auf ein oder mehrere erste
und ein oder mehrere zweite Bereiche der Solarzelle einfallendes
Licht auf die ein oder mehreren zweiten Bereiche lenken, und dass
auf der Rückseite
der Replizierschicht ein Oberflächenprofil abgeformt
wird, das in den ein oder mehreren ersten Bereichen eine ebene Oberfläche aufweist
und das in den ein oder mehreren zweiten Bereichen Vertiefungen
aufweist, in welche die metallische Schicht eingebracht wird, so
dass in den ein oder mehreren ersten Bereichen der Solarzelle die
metallische Schicht vorgesehen ist und in den ein oder mehreren
zweiten Bereichen der Solarzelle die metallische Schicht nicht vorgesehen
ist.
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Hierdurch
wird es ermöglicht,
die Oberflächenstrukturen
auf der Vorder- und Rückseite
der Replizierschicht durch registergenaue Doppelreplikation abzuformen
und so ebenso eine besonders hohe Registergenauigkeit zu erzielen.
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Weitere
vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen bezeichnet.
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Die
partiell ausgebildete metallische Schicht kann von einer Elektrodenschicht
der Solarzelle gebildet werden und/oder Stromleitelemente ausbilden, die
benachbarte Solarzellenmodule der Solarzelle miteinander beispielsweise
in Serien- oder Parallelschaltung verbindet. Besonders vorteilhaft
ist hierbei, dass die metallische Schicht als teiltransparente metallische
Schicht ausgebildet ist. Die metallische Schicht besitzt so vorzugsweise
eine Schichtdicke von weniger als 50 nm. Die metallische Schicht
kann aber auch aus mehreren Schichten bestehen, als auch aus Metallkombinationen.
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Die
mindestens eine photovoltaische Halbleiterschicht, bei der es sich
vorzugsweise um eine Schicht eines mittels eines Druckverfahren
aufgebrachten organischen Halbleiters handelt, ist vorzugsweise
in den ersten und in den zweiten Bereichen vorgesehen. Die metallische
Schicht ist in Bezug auf die Lichteintrittsseite unterhalb der lichtablenkende
Strukturelemente und oberhalb oder auf gleicher Höhe zu der
mindestens einen photovoltaischen Halbleiterschicht angeordnet oder
ist zumindest teilweise in die photovoltaische Halbleiterschicht
eingebettet.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die lichtablenkenden Strukturelemente
auf der Lichteintrittsseite über
den ersten Bereichen der Solarzelle und auch über zweiten Bereichen der Solarzelle
angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine besonders gezielte Konzentration
des einfallenden Lichts auf die photoaktiven Bereiche der Solarzelle
erzielt werden.
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Die
lichtablenkenden Strukturelemente können aus einem die Lichtwellenlänge konvertierenden Material
oder Materialgemisch bestehen. Auf diese Weise kann das zur Stromerzeugung
nutzbare Frequenzspektrum erweitert werden und somit die Effizienz
der Solarzelle weiter erhöht
werden.
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Es
ist möglich,
dass die lichtablenkenden Strukturelemente als Oberflächenstruktur
einer Strukturschicht abgeformt sind. Die Solarzelle weist somit
eine transparente Strukturschicht auf, in der eine Oberflächenstruktur abgeformt
ist, die die lichtablenkenden Strukturelemente in der Strukturschicht
abformt.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass die lichtablenkenden
Strukturelemente in einer optisch transparente Schicht eingebettet
sind, d. h. die Oberflächenstruktur
an der Grenzfläche
zwischen der Strukturschicht und einer weiteren transparenten Schicht
abgeformt ist, wobei sich die Brechzahlen der Strukturschicht und
der weiteren Schicht um mindestens 0,2 unterscheiden. Mit dieser
Ausbildung wird eine Solarzelle vorgeschlagen, die an ihrer Vorderseite
eine glatte Oberfläche
aufweist, wobei die lichtablenkenden Strukturelemente keiner Abnutzung
unterliegen, weil sie eingebettet sind. Weiter ist es auch möglich, dass
die Strukturelemente an der Oberfläche der Vorderseite liegen,
und so beispielsweise in der Grenzfläche Luft-Strukturschicht abgeformt sind.
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Vorteilhafterweise
kann vorgesehen sein, dass die Oberflächenstruktur eine Tiefe von
0,5 μm bis
20 μm aufweist.
Es handelt sich bei der Oberflächenstruktur
also um eine Mikrostruktur, deren Abmessungen im allgemeinen unterhalb
der Auflösung des
menschlichen Auges liegen und daher als Struktur nicht wahrnehmbar
sind.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, dass die Strukturschicht aus einem
thermoplastischen Kunststoff oder aus einem UV-härtbaren Lack mit einer Materialstärke von
0,2 μm bis
20 μm besteh.
Beide Ausführungsvarianten
der Strukturschicht können
in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess mit der Oberflächenstruktur versehen werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind auf die Ausbildung der lichtablenkenden Strukturelemente gerichtet.
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Es
kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere der lichtablenkenden
Strukturelemente jeweils als refraktive Sammellinsen ausgebildet
sind. Bei diesen Sammellinsen handelt es sich vorzugsweise um Mikrolinsen,
deren Brennweite so gering ist, dass sie in der Größenordnung
der Dicke der Strukturschicht liegt. Beispielsweise können Mikrolinsen
mit einem Linsendurchmesser von 5 μm bis 500 μm und einer Brennweite von 5
mm bis 5 mm verwendet werden.
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Vorteilhafterweise
kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere der lichtablenkenden
Strukturelemente jeweils als diffraktive Sammellinsen ausgebildet
sind. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die ersten Bereiche
Abmessungen von mehr als 200 μm
besitzen. Durch die Verwendung von diffraktive Sammellinsen kann
auch in solchen Fällen die
Dicke der Strukturschicht minimiert werden, was den mechanischen
Eigenschaften der Solarzelle und der Effizienz der Solarzelle zu
Gute kommt.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass ein oder mehrere der lichtablenkenden
Strukturelemente jeweils als refraktive Zerstreuungslinsen oder
als diffraktive Zerstreuungslinsen ausgebildet sind. In den ersten
Bereichen angeordnete Zerstreuungslinsen können eingesetzt werden, um
einfallendes Licht aus den ersten Bereichen in die aktiven, effizienten
zweiten Bereiche zu lenken.
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Es
kann auch vorgesehen sein, Sammellinsen und Zerstreuungslinsen in
einem Linsenarray gemeinsam anzuordnen.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die lichtablenkenden Strukturelemente
als Zylinderlinsen ausgebildet sind. Zylinderlinsen können beispielsweise
vorgesehen sein, um auch bei unterschiedlich hohen Sonnenständen einen gleichmäßigen Stromertrag
zu erzielen.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, dass die lichtablenkenden Strukturelemente
unterschiedliche Abmessungen aufweisen.
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Weiter
können
die lichtablenkenden Strukturelemente gemäß einem regelmäßigen ein-
oder zweidimensionalen Raster angeordnet sein. Es ist jedoch auch
möglich,
daß die
lichtablenkenden Strukturelemente in einem unregelmäßigen Muster,
insbesondere fraktalen Muster, angeordnet sind.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die lichtablenkenden Strukturelemente
nur bereichsweise vorgesehen sind, beispielsweise lediglich in den ersten
Bereichen vorgesehen sind.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, dass die lichtablenkenden Strukturelemente
eine Antireflex-Beschichtung oder eine Antireflex-Oberflächenstruktur
aufweisen.
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Die
lichtablenkenden Strukturelemente können weiter mit einer Deckschicht
versehen sein, beispielsweise mit einer Schutzschicht.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind auf Details des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
gerichtet.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die metallische Schicht als mehrschichtiger
Schichtverbund ausgebildet wird, wobei jede der Schichten des Schichtverbundes
durch das bereits oben erläuterte Photoätzverfahren
strukturiert wird.
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Es
ist möglich,
dass sich mindestens zwei dieser Schichten im Material unterscheiden.
Die als Schichtverbund ausgebildete metallische Schicht kann beispielsweise
hinsichtlich ihrer spezifischen Leitfähigkeit und ihrer Wechselwirkung
mit der in den aktiven zweiten Bereichen ausgebildeten photovoltaischen
Halbleiterschicht optimiert werden. Letzteres ist insbesondere für organische
Halbleiterschichten vorteilhaft, um die Auskopplung der Elektronen
zu verbessern.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die lichtablenkenden Strukturelemente
auf die Lichteintrittsseite der Solarzelle oder auf eine der Lichteintrittsseite
benachbarte Schicht aufgedruckt werden. Die lichtablenkenden Strukturelemente
können
weiter mittels UV-Replikation und/oder mittels eine Prägewerkzeugs
in einer Schicht der Solarzelle abgeformt werden.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die lichtablenkenden Strukturelemente
in eine Trägerschicht
der Solarzelle abgeformt werden, beispielsweise in eine als Trägerschicht
dienende Polyesterfolie repliziert werden.
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Es
ist auch möglich,
dass die lichtablenkenden Strukturelemente auf die Lichteintrittsseite
der Solarzelle oder auf eine der Lichteintrittsseite benachbarte
Schicht laminiert werden, beispielsweise Teil einer Laminierfolie
oder Transferfolie sind, die auf die Lichteintrittseite eines die
photovoltaische Halbleiterschicht enthaltenden Mehrschichtkörpers appliziert
wird.
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Wenn
die lichtablenkenden Strukturelemente gleichzeitig eine „Ätzmaske" zur Strukturierung
der Metallschicht bilden, kann vorgesehen sein, dass die Belichtung
der Photolackschicht aus unterschiedlichen Richtungen erfolgt. Auf
diese Weise sind zusätzliche
Gestaltungsmöglichkeiten
gegeben, um die Ausbildung der im Register mit den lichtablenkenden Strukturelementen angeordnete
metallische Schicht zu beeinflussen.
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Bei
Abformung der lichtablenkenden Strukturelemente auf der Vorderseite
und gleichzeitiger Abformung eines der Strukturierung der Metallschicht
dienenden Oberflächenprofils
auf der Rückseite,
kann vorgesehen sein, dass in die Vertiefungen des Oberflächenprofils
ein lichtstreuendes Oberflächenprofil
eingebracht wird. Hierdurch kann eine weitere Effizienzsteigerung
erzielt werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen
unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft verdeutlicht.
Es zeigen
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1a bis 1i Fertigungsstufen
eines ersten Ausführungsbeispiels
in schematischer Schnittdarstellung;
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2a bis 2d Fertigungsstufen
eines zweiten Ausführungsbeispiels
in schematischer Schnittdarstellung.
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Die 1a bis 1i zeigen
nun die Fertigungsstufen eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle 1,
die in 1i dargestellt ist.
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Bei
der Solarzelle 1 handelt es sich um eine organische Solarzelle
auf Polymer-Basis.
Die Solarzelle 1 weist eine Trägerschicht 10 auf,
die aus einer Folie von etwa 25 μm
Dicke aus einem thermoplastischen Kunststoff, wie PET bestehen kann.
In die beim Gebrauch der Solarzelle 1 einer Lichtquelle
zugewandten Vorderseite der Trägerschicht 10 sind eine
Vielzahl von Strukturelementen, hier Sammellinsen 10l abgeformt.
Auf der Rückseite
der Trägerschicht 10 ist
eine strukturierte teiltransparente erste Elektrodenschicht 11 in
Form eines Musters aus Metall-Grids aufgebracht.
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Die
Elektrodenschicht 11 besteht so aus einer partiell ausgeformten,
dünnen
Schicht aus einem metallischen Material. Das metallische Material
ist, wie in 1i angedeutet, lediglich in
einem gitterförmigen
Bereich der Elektrodenschicht vorgesehen und bevorzugt aus einer
Vielzahl von Leiterbahnen gebildet, welche gemäß eines zweidimensionalen, regelmäßigen Rasters
angeordnet sind. Die Breite der Leiterbahnen beträgt hierbei
bevorzugt 100 μm bis
500 μm und
die Rasterabstände
betragen in x Richtung 100 μm
bis 500 μm
und in y Richtung 100 μm
bis 500 μm,
wobei x und y ein Koordinatensystem in einer Ebene parallel zur
Oberfläche
der Solarzelle aufspannen.
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Die
Sammellinsen 10l sind ebenfalls in einem Muster angeordnet,
welches im Register zu dem Muster ausgerichtet ist, gemäß dem die
Elektrodenschicht 11 strukturiert ist, und zwar so, dass
die Sammellinsen 10l den Bereichen der ersten Elektrodenschicht 11 gegenüberstehen,
in denen die Elektrodenschicht 11 entfernt ist.
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Auf
der ersten Elektrodenschicht 11 ist eine Schichtfolge von
Funktionsschichten aufgebracht, im Folgenden als Solarzellenschicht
bezeichnet, die eine organische photovoltaische Halbleiterschicht umfassen
und die aus PEDOT/PSS, SC und TiOx bestehen
können.
Als Material für
die photovoltaische Halbleiterschicht kann beispielsweise ein Gemisch aus
Poly-(3-Hexylthiophen)
und einem Fullerenederivat (P3HT:PCBM) verwendet werden. Die Schichtfolge 12 hat
eine Dicke von ca. 50 bis 500 nm, vorzugsweise 400 bis 500 nm. Hierauf
folgt eine zweiten Elektrodenschicht 13, die beispielsweise
ebenfalls aus einem metallischen Material besteht. Die Rückseite
der Solarzelle 1 ist durch eine Schutzschicht 14 gebildet,
so dass die Elektrodenschichten 11 und 13 sowie
die aktiven Solarzellenschichten 12 durch die Trägerschicht 10 und
durch die Schutzschicht 14 beidseitig gekapselt sind.
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Die 1a bis 1h zeigen
nun die Verfahrensschritte, die zur Ausbildung der Solarzelle 1 in 1i durchlaufen
werden.
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1a zeigt
einen Folienkörper 1a,
der die Trägerschicht 10 mit
den abgeformten Sammellinsen 10l umfasst. Die Sammellinsen 10l sind
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
durch Heißprägen in die
Vorderseite der Trägerschicht 10 abgeformt.
Die Trägerschicht 10 hat
eine Schichtdicke von 5 μm
bis 500 μm
und die max. Tiefe der in die Trägerschicht 10 abgeformten
Strukturelemente beträg
0,5 μm bis
100 μm.
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1b zeigt
einen Folienkörper 1b,
bei dem auf die Rückseite
der Trägerschicht 10 eine
teiltransparente metallische Schicht 11m beispielsweise durch
Sputtern aufgebracht ist. Die metallische Schicht kann beispielsweise
aus Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium oder aus einer metallischen
Legierung bestehen. Die Schichtdicke der metallischen Schicht ist
so gewählt,
dass sie für
sichtbares Licht und Licht im UV-Bereich teiltransparent ist, d.
h. einen Transmissionsgrad von 0,01% bis 10% aufweist. Dazu ist
eine Schichtdicke von 10 nm bis 100 nm bevorzugt, wobei zu beachten
ist, dass der Transmissionsgrad materialabhängig ist. Die optimale Schichtdicke
ist durch Versuchsreihen leicht bestimmbar. Weiter ist es auch möglich, dass
die metallische Schicht 11m opak ist.
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1c zeigt
nun einen Folienkörper 1c,
bei dem auf die metallische Schicht 11m eine Photolackschicht 15 aufgebracht
ist.
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In 1d ist
ein Folienkörper 1d dargestellt, der
sich von dem in 1c dargestellten Folienkörper 1c dadurch
unterscheidet, dass die Photolackschicht 15 belichtet ist.
Das zur Belichtung verwendete Licht – vorzugsweise UV-Licht – wird durch
die Sammellinsen 10l konzentriert, so dass auf der Photolackschicht 15 ein
Muster aus belichteten und unbelichteten Bereichen gebildet ist.
Die belichteten Bereiche korrespondieren bei senkrecht einfallenden Lichtstahlen 15l,
wie in 1d dargestellt, mit den Sammellinsen 10l.
Wenn es sich bei den Sammellinsen 10l um kreisförmige Sammellinsen 10l handelt, dann
sind die belichteten Bereiche kreisförmig ausgebildet. Es ist aber
auch möglich,
andere Linsenformen vorzusehen, beispielsweise Zylinderlinsen, wodurch
streifenförmige
belichtete Bereiche ausbildbar sind, die sich mit unbelichteten
streifenförmigen
Bereichen abwechseln. Weiter ist es auch möglich, Freiformlinsen in die
Trägerschicht 10 abzuformen,
um so beispielsweise eine gitterförmige Belichtung der Photolackschicht
zu erzielen.
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Die
Linsen 10l sind so beispielsweise an einem regelmäßigen, zweidimensionalen
Raster einer Rasterweite von 200 μm
in x Richtung und einer Rasterweite von 200 μm in y Richtung ausgerichtet.
Die Brennweite der Linsen wird in Abhängigkeit von der Dicke der
Trägerschicht 10 so
gewählt,
dass die Breite der belichteten Bereich 5% bis 50% der Rasterweite
beträgt
und die Breite der unbelichteten Bereich 50% bis 95% % der Rasterweite
beträgt.
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Bei
den Sammellinsen kann es sich sowohl um sphärische als auch um asphärische Linsen
handeln, so dass eine weitere Möglichkeit
zur Beeinflussung der Form der belichteten Bereiche gegeben ist.
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Weiter
kann das Anordnungsmuster der belichteten Bereiche dadurch variiert
werden, dass die Sammellinsen 10l eine unterschiedliche
Größe und/oder unterschiedliche
Abstände
und/oder eine unterschiedlich ausgebildete Grundfläche aufweisen.
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Weitere
Gestaltungsmöglichkeiten
ergeben sich daraus, dass die zur Belichtung der Photolackschicht 15 verwendeten
Lichtstrahlen 15l nicht senkrecht auf die Sammellinsen 10l auftreffen,
sondern um einen gegen die Senkrechte geneigten Einfallswinkel.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Lichtstrahlen unter unterschiedlichen
Einfallswinkeln auftreffen.
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1e zeigt
nun einen Folienkörper 1e,
bei dem die Photolackschicht 15 entwickelt ist, d. h. bei der
die belichteten Bereiche beispielsweise durch Abwaschen entfernt
sind. Eine derartige Photolackschicht wird auch als positiver Photoresist
bezeichnet.
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Es
ist jedoch auch möglich,
als Photolackschicht 15 einen negativen Photoresist zu
verwenden, der beispielsweise als photoaktivierbarer Waschlack zwischen
Elektrodenschicht 11 und Trägerschicht 10 angeordnet
ist und ein Entfernen der Metallschicht mittels eines Waschverfahrens
in den nicht belichteten Bereichen ermöglicht.
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Bei
den in den 1a bis 1i dargestellten
Sammellinsen 10l handelt es sich um refraktive Linsen,
hier um kugelkalottenförmige
sphärische
Linsen. Es ist aber auch möglich,
diffraktive Linsen zu verwenden, wodurch beispielsweise die Dicke
der Trägerschicht
verringert werden kann.
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Die
Auswahl der in die Trägerschicht
eingebrachten lichtablenkenden Strukturelemente ist jedoch nicht
auf Linsen beschränkt.
Es können
auch andere optisch wirksame Strukturen vorgesehen sein, beispielsweise
Blaze-Gitter, Kinoforme
oder anisotrope oder isotrope Mattstrukturen, die bereichsweise
in der Trägerschicht 10 abgeformt
werden und das einfallende Licht gezielt auf Teilbereich der Solarzelle
ablenken bzw. konzentrieren. So ist es beispielsweise möglich, gemäß einem
regelmäßigen Raster
abwechselnd erste Bereiche mit einem Blaze-Gitter und zweite Bereiche
mit einer ebenen Oberfläche
in die Trägerschicht
abzuformen, wobei die Flankenneigung der dreieckförmigen Strukturelemente
des Blaze-Gitters in Abhängigkeit
von der Rasterweite und der Dicke der Trägerschicht so gewählt ist,
dass das in den ersten Bereiche einfallende Licht auf die jeweils
benachbarten zweiten Bereich geleitet wird.
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Durch
das Entfernen der belichteten Bereiche der Photolackschicht 15,
wie weiter oben beschrieben, ist die Photolackschicht 15 nun
als Ätzmaske
verwendbar, wie in 1f dargestellt.
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1f zeigt
einen Folienkörper 1f,
bei dem in den belichteten Bereichen die metallische Schicht 11m entfernt
ist und nunmehr die in 1i weiter oben
beschriebene erste Elektrodenschicht 11 bildet. Die erste
Elektrodenschicht 11 zeichnet sich dadurch aus, dass sie
im Register zu den Sammellinsen 10l ausgebildet ist. Die
Sammellinsen 10l konzentrieren einfallendes Licht auf die
Bereiche, in denen die metallische Schicht 11m entfernt
ist. Damit sind zwei wesentliche Vorteile verbunden:
- – einfallendes
Licht wird konzentriert und
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Die
Elektrodenschicht 11 kann also so dimensioniert werden,
dass sie optimale elektrische Eigenschaften aufweist, beispielsweise
eine Dicke und/oder Breite, die einen geringen Innenwiderstand der
Solarzelle 1 garantiert.
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1f zeigt
nun einen Folienkörper 1g,
bei dem die Reste der Photolackschicht 15 entfernt sind und
die erste Elektrodenschicht 11 für weitere Verfahrensschritte
vorbereitet ist. Es kann vorgesehen sein, die in den 1a bis 1f beschriebenen
Verfahrensschritte so oft zu wiederholen, bis die für die Funktion
der Solarzelle 1 benötigte
optimale Schichtdicke der ersten Elektrodenschicht 11 erreicht
ist. Es ist aber auch möglich,
die Elektrodenschicht 11 galvanisch zu verstärken.
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Ein
weiterer Vorteil der beschriebenen Verfahrensschritte besteht darin,
dass die erste Elektrodenschicht 11 aus Schichten mit unterschiedlichem Material
aufgebaut werden kann. Ein solches Schichtdesign kann vorteilhaft
sein, um optimale Bedingungen für
den photovoltaischen Prozess zu schaffen.
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1h zeigt
nun einen Folienkörper 1h,
bei dem auf die erste Elektrodenschicht 11 die Schichtfolge
der aktiven Solarzellenschichten 12 aufgebracht ist. Wie
in 1h zu erkennen, ist die erste Elektrodenschicht
in die Solarzellenschichten 12 eingebettet.
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1i zeigt,
wie weiter oben beschrieben, die fertige Solarzelle 1,
bei der auf die aktiven Solarzellenschichten 12 die zweite
Elektrodenschicht 13 und die Schutzschicht 14 aufgebracht
sind. Es kann vorgesehen sein, weitere Schichten aufzubringen, beispielsweise
eine Kleberschicht zum Laminieren der Solarzelle 1 auf
einen Montagekörper
oder dergleichen. Vorgesehen kann auch sein, daß die aktiven Solarzellenschichten
aus Mehrschichtsystemen wie z. B. Multi-Junction-Systemen, gebildet
werden. Hierdurch wird erreicht, dass Wellenlängen aus unterschiedlichen
Bereichen des Licht- bzw. Sonnenspektrums absorbiert werden und
die Effizienz der Solarzelle bzw. des Moduls erhöht wird.
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Die 2a bis 2d zeigen
nun ein zweites Ausführungsbeispiel.
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In 2d ist
eine Solarzelle 2 dargestellt, die sich von der weiter
oben in 1i beschriebenen Solarzelle 1 dadurch
unterscheidet, dass eine erste Elektrodenschicht 21 in
die Rückseite
einer Trägerschicht 20 eingebettet
ist und mit der Trägerschicht 20 bündig abschließt. Die
Trägerschicht 20 weist
auf der Vorderseite Sammellinsen 20l auf, die einfallendes
Licht auf Bereiche der Elektrodenschicht 21 konzentrieren,
in denen das Elektrodenmaterial entfernt ist. Auf der ersten Elektrodenschicht 21 ist
eine Schichtfolge aktiver Solarzellenschichten 22 aufgebracht,
die aus PEDOT/PSS, SC und TiOx bestehen können und
von einer zweiten Elektrodenschicht 23 bedeckt sind. Die
Rückseite
der Solarzelle 2 ist durch eine Schutzschicht 24 gebildet,
so dass die Elektrodenschichten 21 und 23 sowie
die aktiven Solarzellenschichten 22 durch die Trägerschicht 20 und durch
die Schutzschicht 24 beidseitig gekapselt sind. Die 2a bis 2c zeigen
nun die Verfahrensschritte, die zur Ausbildung der Solarzelle 2 in 2d durchlaufen
werden.
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2a zeigt
einen Folienkörper 2a,
der die Trägerschicht 20 mit
den abgeformten Sammellinsen 20l umfasst. Die Sammellinsen 20l sind
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
durch Heißprägen in die
Vorderseite der Trägerschicht 10 abgeformt.
In die Rückseite
der Trägerschicht
sind durch Heißprägen Vertiefungen 20v abgeformt,
die zur Aufnahme einer metallischen Schicht bestimmt sind, welche
die erste Elektrodenschicht 23 in 2d bildet.
Es ist vorgesehen, dass das Abformen der Sammellinsen 20l und
der Vertiefungen 20v durch registergenaue Doppelreplikation
erfolgt, beispielsweise durch zwei gegenüberliegend angeordnete, mechanisch
gekoppelte und beheizte Prägewalzen,
zwischen denen eine thermoplastische Kunststofffolie hindurchgeführt wird.
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2b zeigt
nun einen Folienkörper 2b,
bei dem in die Vertiefungen 20v der Trägerschicht 20 die erste
Elektrodenschicht eingebracht ist. Beispielsweise wird hierzu eine
ein metallisches Material enthaltener Druckstoff in die Vertiefungen 20v eingerakelt,
in die Vertiefung ein elektrisch leitfähige Material durch einrakeln
eingebracht und sodann galvanisch verstärkt, oder die Rückseite
vollflächig
bedampft und sodann die metallische Schicht im Bereich der Erhebungen
durch ein mechanisches oder chemisches Verfahren wieder entfernt.