DE102007005088A1 - Solarzelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle (1) in Form eines Mehrschichtkörpers, insbesondere in Form eines flexiblen, mehrschichtigen Folienkörpers, mit einer an der Vorderseite der Solarzelle vorgesehenen Lichteintrittsseite, mit einer photovoltaischen Halbleiterschicht und mit einer partiell ausgebildeten metallischen Schicht (11), sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Solarzelle. In ersten Bereichen der Solarzelle ist die metallische Schicht vorgesehen. In zweiten Bereichen der Solarzelle ist die photovoltaische Halbleiterschicht vorgesehen, die metallische Schicht jedoch nicht vorgesehen. Die Solarzelle (1, 2) weist in Bezug auf die Lichteintrittsseite oberhalb der photovoltaischen Halbleiterschicht angeordnete lichtablenkende Strukturelemente (10l, 20l) auf. Diese sind im Register zu den ersten und/oder zweiten Bereichen angeordnet und so ausgeformt, dass sie auf einen oder mehrere erste Bereiche oder auf Teilbereiche von einem oder mehreren der ersten Bereiche einfallendes Licht auf einen oder mehrere der zweiten Bereiche lenken.

Description

  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle zu schaffen, die einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Dickenbereich der Solarzelle liegt im Bereich von 0,3 bis 0,5 mm, abhängig vom eingesetzten Barriere-Film.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen bezeichnet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind auf die Ausbildung der lichtablenkenden Strukturelemente gerichtet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es kann auch vorgesehen sein, Sammellinsen und Zerstreuungslinsen in einem Linsenarray gemeinsam anzuordnen.
  • 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.
  • Es kann weiter vorgesehen sein, dass die lichtablenkenden Strukturelemente unterschiedliche Abmessungen aufweisen.
  • 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.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass die lichtablenkenden Strukturelemente nur bereichsweise vorgesehen sind, beispielsweise lediglich in den ersten Bereichen vorgesehen sind.
  • Es kann weiter vorgesehen sein, dass die lichtablenkenden Strukturelemente eine Antireflex-Beschichtung oder eine Antireflex-Oberflächenstruktur aufweisen.
  • Die lichtablenkenden Strukturelemente können weiter mit einer Deckschicht versehen sein, beispielsweise mit einer Schutzschicht.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind auf Details des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren gerichtet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft verdeutlicht. Es zeigen
  • 1a bis 1i Fertigungsstufen eines ersten Ausführungsbeispiels in schematischer Schnittdarstellung;
  • 2a bis 2d Fertigungsstufen eines zweiten Ausführungsbeispiels in schematischer Schnittdarstellung.
  • Die 1a bis 1i zeigen nun die Fertigungsstufen eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle 1, die in 1i dargestellt ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die 1a bis 1h zeigen nun die Verfahrensschritte, die zur Ausbildung der Solarzelle 1 in 1i durchlaufen werden.
  • 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.
  • 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.
  • 1c zeigt nun einen Folienkörper 1c, bei dem auf die metallische Schicht 11m eine Photolackschicht 15 aufgebracht ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die 2a bis 2d zeigen nun ein zweites Ausführungsbeispiel.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (27)

  1. Solarzelle (1, 2) in Form eines Mehrschichtkörpers, insbesondere in Form eines flexiblen, mehrschichtigen Folienkörpers, mit einer an der Vorderseite der Solarzelle vorgesehenen Lichteintrittsseite, mit einer photovoltaischen Halbleiterschicht und mit einer partiell ausgebildeten metallischen Schicht (11), wobei in ersten Bereichen der Solarzelle die metallische Schicht vorgesehen ist und in zweiten Bereichen der Solarzelle die photovoltaische Halbleiterschicht vorgesehen ist, die metallische Schicht jedoch nicht vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (1, 2) in Bezug auf die Lichteintrittsseite oberhalb der photovoltaischen Halbleiterschicht lichtablenkende Strukturelemente (10l, 20l) 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.
  2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaischen Halbleiterschicht in den ersten und zweiten Bereichen vorgesehen ist und dass die metallische Schicht oberhalb der photovoltaischen Halbleiterschicht angeordnet ist.
  3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht in Bezug auf die Lichteintrittsseite unterhalb der lichtablenkenden Strukturelemente und oberhalb oder auf gleicher Höhe zu der photovoltaischen Halbleiterschicht angeordnet ist oder die metallische Schicht zumindest teilweise in die photovoltaische Halbleiterschicht eingebettet ist.
  4. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtablenkenden Strukturelemente (10l, 20l) aus einem die Lichtfrequenz konvertierenden Material oder Materialgemisch bestehen.
  5. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle eine transparente Strukturschicht aufweist, in der eine Oberflächenstruktur abgeformt ist, die die lichtablenkenden Strukturelemente (10l, 20l) in der Strukturschicht ausbildet.
  6. Solarzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur an der Grenzfläche zwischen der Strukturschicht und einer weiteren transparenten Schicht abgeformt ist und sich die Brechzahlen der Strukturschicht und der weiteren Schicht um mindestens 0,2 unterscheiden.
  7. Solarzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur eine Tiefe von 0,5 μm bis 50 μm aufweist.
  8. Solarzelle nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturschicht aus einem thermoplastischen Kunststoff oder aus einem UV-härtbaren Lack besteht.
  9. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der lichtablenkenden Strukturelemente (10l, 20l) jeweils als refraktive Sammellinsen ausgebildet sind.
  10. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der lichtablenkenden Strukturelemente (10l, 20l) jeweils als diffraktive Sammellinse ausgebildet sind.
  11. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der lichtablenkenden Strukturelemente (10l, 20l) jeweils als refraktive Zerstreuungslinse ausgebildet sind.
  12. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der lichtablenkenden Strukturelemente (10l, 20l) jeweils als diffraktive Zerstreuungslinse ausgebildet sind.
  13. Solarzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der lichtablenkenden Strukturelemente (10l, 20l) jeweils als Zylinderlinsen ausgebildet sind.
  14. Solarzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtablenkenden Strukturelemente (10l, 20l) unterschiedliche Abmessungen aufweisen.
  15. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtablenkenden Strukturelemente (10l, 20l) gemäß einem regelmäßigen ein oder zweidimensionalen Raster angeordnet sind.
  16. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtablenkenden Strukturelemente (10l, 20l) nur bereichsweise vorgesehen sind.
  17. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtablenkenden Strukturelemente (10l, 20l) eine Antireflex- Beschichtung oder eine Antireflex-Oberflächenstruktur aufweisen.
  18. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (1, 2) in Form eines Mehrschichtkörpers, insbesondere in Form eines flexiblen, mehrschichtigen Folienkörpers, die eine an der Vorderseite der Solarzelle vorgesehenen Lichteintrittsseite, eine photovoltaische Halbleiterschicht und eine partiell ausgebildeten metallischen Schicht (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf die Lichteintrittsseite oberhalb der metallischen Schicht in dem Mehrschichtkörper lichtablenkende Strukturelemente (10l) ausgebildet werden, die so ausgeformt sind, dass sie auf ein oder mehrere erste Bereiche der Solarzelle oder auf Teilbereiche von ein oder mehreren – ersten Bereichen der Solarzelle einfallendes Licht auf ein oder mehrere zweite Bereiche lenken, und dass 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.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (11m) durch ein Photoätzverfahren strukturiert wird, wobei auf die metallische Schicht (11m) eine Photolackschicht (15) aufgebracht wird, die Photolackschicht (15) anschließend von der Lichteintrittsseite her durch die lichtablenkenden Strukturelemente (10l) belichtet wird, und die belichteten Bereiche der Photolackschicht (15) und die zugeordneten Bereiche der metallischen Schicht (11) 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.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (11m) als Schichtverbund aus zwei oder mehr metallischen Schichten ausgebildet wird, wobei jede der Schichten des Schichtverbundes durch das Photoätzverfahren strukturiert wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens zwei der Schichten im Material unterscheiden.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtung der Photolackschicht (15) aus unterschiedlichen Richtungen erfolgt.
  23. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf die Lichteintrittsseite oberhalb der metallischen Schicht in dem Mehrschichtkörper eine Replizierschicht eingebracht wird, dass auf der Vorderseite der Replizierschicht die lichtablenkenden Strukturelemente (20l) 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 (20v) aufweist, in welche die metallische Schicht (21) 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.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vertiefungen (20v) des Oberflächenprofils ein lichtstreuendes zweites Oberflächenprofil eingebracht wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtablenkenden Strukturelemente (10l) auf eine der Lichteintrittsseite zugewandten Oberfläche einer Schicht der Solarzelle (1) aufgedruckt werden.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtablenkenden Strukturelemente (10l) auf eine der Lichteintrittsseite zugewandten Oberfläche einer Schicht der Solarzelle (1) laminiert werden.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtablenkenden Strukturelemente (10l) in einer der Lichteintrittsseite zugewandten Oberfläche einer Trägerschicht der Solarzelle abgeformt werden.
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