DE102007015472A1

DE102007015472A1 - Aktives Fenster

Info

Publication number: DE102007015472A1
Application number: DE102007015472A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Fürst; Ralph Dr. Pätzold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-02

Abstract

Ein aktives Fenster, gegebenenfalls auch Fensterelement, soll wenigstens eine Solarzelle und eine Leuchtdiode und gegebenenfalls einen Photodetektor aufweisen. Erfindungsgemäß sind die Solarzelle (5) und die Leuchtdiode (6) jeweils polymerelektronische Bauelemente und bestehen aus dünnen organischen Schichtsystemen, die auf einer Fensterscheibe (1, 2) oder zwischen zwei Scheiben (1, 2) angeordnet sind. Gegebenenfalls ist weiterhin ein in gleicher Technologie aufgebauter Photodetektor (7) vorhanden. Über einen zugehörigen Akkumulator (32) wird tagsüber Licht über die Solarzelle (5) in elektrische Energie gewandelt und gespeichert sowie bei Bedarf die elektrische Energie aus dem Akkumulator (32) in elektrische Energie gewandelt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein aktives Fenster mit wenigstens einer Solarzelle und einer Leuchtdiode.
Polymerelektronische Bauelemente, wie Solarzellen und Leuchtdioden, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Die dabei verwendeten dünnen organischen Schichtsysteme können mit bekannten Herstellungsverfahren, wie beispielsweise sog. Spin-Coating, Rakeln oder Druckverfahren, kostengünstig hergestellt werden und ermöglichen dadurch einen beachtlichen Preisvorteil gegenüber den bekannten Halbleiterbauelementen, vor allem für großflächige Anordnungen (Devices).
Der Aufbau beispielsweise einer organischen Solarzelle ist aus der Fachliteratur vorbekannt, und besteht im Wesentlichen aus zwei elektrisch leitenden Elektroden mit mindestens einer organischen, Licht absorbierenden Schicht dazwischen. Beim relevanten Stand der Technik verwendet man als Lichtabsorber ein so genanntes „Bulk-Heterojunction"-Material. Damit ist eine Schicht definiert, die aus einer Lösung, bestehend aus einem hochleitenden Polymer, beispielsweise P3HT, und einem elektronenleitenden Fullerenderivat, beispielsweise PCBM, hergestellt wird. Auch organische Leuchtdioden sind aus zwei elektrisch leitenden Elektroden aufgebaut, bei denen sich dazwischen mindestens eine organische Schicht befindet, die bei Anlegen einer Spannung und dem damit verbundenen Stromfluss durch das Bauteil Licht emittiert. Durch geeignete Emittermaterialien kann ein entsprechender Farbton des Lichtes erzeugt werden.
Theoretisch erreicht man mit solchen Schichten man hohe Quanteneffizienten, beispielsweise von über 80%, im sichtbaren Spektralbereich. In der Praxis werden beim solaren Lichtspektrum derzeit Effizienzen von etwa 5% realisiert.
Aus einem ähnlichen Schichtaufbau wie die bereits erwähnten Solarzellen bestehen auch organische Photodektoren mit Elektroden und dazwischen liegendem Absorbermaterial. Dabei wird das Absorbermaterial entsprechend der detektierbaren Wellenlänge angepasst. Bei der Herstellung von Photodetektoren spielen weitere Aspekte – wie möglichst geringer Dunkelstrom des Photodetektors bei der Polung in Sperrrichtung – eine wichtige Rolle.
Der Einsatz der vorstehend beschriebenen Bauelemente – wie insbesondere organische Solarzelle und organische Leuchtdiode – in die Praxis ist bisher noch nicht vollzogen worden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, organische Solarzellen und Leuchtdioden in geeigneter Weise zu kombinieren und für die Gebäudetechnik einsetzbar zu machen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein sog. aktives Fenster bzw. ein Fensterelement der eingangs genannten Art, bei denen zumindest die Solarzelle und die Leuchtdiode jeweils polyelektronische Bauelemente sind und aus dünnen organischen Schichtsystemen bestehen, die an einer der Scheiben bzw. zwischen zwei Scheiben des Fensters angeordnet sind. Gegebenenfalls kann weiterhin ein nach gleichem Konzept aufgebauter organischer Photodetektor vorhanden sein.
Mit der Erfindung können durch die Kombination der organischen Bauelemente selbstleuchtende und energieautarke Fenster realisiert werden. Wesentliche Vorteile sind dabei die Eigenschaften, dass sich die Bauteile großflächig und kostengünstig herstellen lassen und dass sie insbesondere transparent sind. Insbesondere durch Wahl von transparenten Elektroden kann auch die organische Halbleiterschicht transparent im sichtbaren Spektralbereich hergestellt werden. Dabei ist gleichermaßen die Realisierung von flexiblen Baugruppen möglich, da die organischen Materialien einfach auf flexible Substrate – wie Folien oder dergleichen – aufgebracht werden können.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
1 den Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes aktives Fenster zur Tageszeit und
2 einen derartigen Querschnitt zur Nachtzeit und
3 einen Ausschnitt aus einem Fenster mit der Anordnung gemäß 1/2 und zugehörigen Hardwareelementen.
Durch Kombination einer organischen Solarzelle und Leuchtdiode kann ein aktives Fensterelement realisiert werden. Es kann weiterhin ein Photodetektor, der ebenfalls in organischer Halbleiter(HL)-Technologie aufgebaut ist, vorhanden sein.
Bei einer solchen Realisierung befinden sich organische Schichten zwischen zwei Glasscheiben. Eine organische Solarzelle liegt oberhalb einer organischen Leuchtdiode. Damit kann mit einem solchen Aufbau gleichermaßen aus Licht Strom erzeugt als auch aus gespeicherter elektrischer Leistung Licht erzeugt werden: Während des Tages fällt Sonnenlicht von außen in den Raum und wird vom Bauteil zum Teil transmittiert. Der andere Teil der elektrischen Strahlung wird von der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt und in einer Batterie zwischengespeichert. Bei einsetzender Dunkelheit, d. h. abends oder nachts, wird die gespeicherte elektrische Energie der organischen Leuchtdiode zugeführt, die daraus wiederum Licht erzeugt und so den Innenraum auf natürliche Weise beleuchtet.
Die Aktivierung des Systems kann über einen organischen Steuerdetektor, der bei beiden Betriebsmoden des Fensters eine Steuerungsfunktion übernimmt, erfolgen.
In der 1 und 2 sind mit 1 und 2 Glasscheiben bezeichnet, die in zeitgemäßer Technologie Doppelscheiben – gegebenenfalls unter Einschluss eines Vakuums im Zwischenraum – bilden. In 1 sind zwischen den beiden Glasscheiben sind übereinander eine organische Solarzelle 5 und eine organische Leuchtdiode 6 angeordnet.
Wie bereits erwähnt, wird tagsüber in der Solarzelle 5 zumindest ein Teil des einfallenden Lichtes in elektrischen Strom gewandelt und als elektrische Leistung gespeichert. Bei Dunkelheit, insbesondere bei Nacht, wird die gespeicherte Leistung als Strom zurückgegeben und erzeugt über die Photodiode elektrisches Licht entsprechender Wellenlänge.
Mit einem so konstruierten Fenster kann also in geeigneter Weise tagsüber Strom gespeichert und nachts zurückgegeben werden. Damit wird insbesondere das im Rahmen der aktuellen Klimadiskussion angestrebte Prinzip der „Sustainability", d. h. der Nachteiligkeit aller ergriffenen Maßnahmen, gewährleistet.
Bei der Anordnung gemäß 1 oder 2 ist in erster spezifischer Ausführung die Solarzelle derart aufgebaut, dass vorzugsweise der infrarote Teil des Sonnenspektrums absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt wird. Damit bleiben die Lichtverhältnisse im Raum vorteilhafterweise weitgehend unverändert.
In anderer spezifischer Ausführung der Solarzelle wird speziell der ultraviolette Teil des Sonnenspektrums absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt. Damit bleiben die Lichtverhältnisse im Raum ebenfalls weitgehend unverändert. Es kann auch in besonderer Ausführung die Solarzelle so auf gebaut sein, dass sowohl der UV- wie auch der IR-Bereich absorbiert wird.
Es ist möglich, eine Solarzelle zu verwenden, bei der auch der sichtbare Bereich des Sonnenlichtes zu einem Teil absorbiert wird. Damit kann praktischerweise auf die Verwendung von ansonsten üblichen Jalousien gegen Sonnenlicht verzichtet werden.
In besonders vorteilhafter Ausführung des aktiven Fensters kann auch eine Kombination von Solarzelle und Detektor vorhanden sein, bei der die Transmission der Solarzelle graduell der auftretenden Lichtintensität angepasst wird. Die Steuerung erfolgt dann über einen separaten Sensor.
In der 3 ist ein derartiges Fenster 30 als Ausschnitt in der Draufsicht dargestellt. Dies besteht in üblicher Weise aus einem Rahmen 31 und darin eingepasster, wenigstens einer Glasscheibe. In der Draufsicht ist dabei kein Unterschied zu einem üblichen Fenster erkennbar. Im Rahmen 31 sind allerdings diverse Hardwareelemente zur Steuerung des beschriebenen Systems angeordnet.
Im Einzelnen ist eine aufladbare Batterie bzw. Akkumulator 31 zur Energiezwischenspeicherung vorhanden, der den von der Solarzelle erzeugten Strom speichert bzw. bei Bedarf abgibt. Dazu ist eine Steuereinheit 32 vorgesehen. Gegebenenfalls wird die Steuereinheit vom in den Figuren nicht im Einzelnen dargestellten Photodetektor, der ebenfalls als Bauelement aus organischen Elementen in Schichtbauweise aufgebaut ist, aktiviert.

Claims

Aktives Fenster mit wenigstens einer Solarzelle und einer Leuchtdiode, wobei Solarzelle (5) und Leuchtdiode (6) polymerelektronische Bauelemente sind und aus organischen Schichtsystemen bestehen.
Aktives Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Solarzelle (5) aus zwei leitenden Elektroden mit mindestens einer organischen, lichtabsorbierenden Schicht besteht.
Aktives Fenster nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtabsorber eine Schicht verwendet wird, die aus einem hochleitenden Polymer und einem elektronenleitenden Derivat, insbesondere PCBM, hergestellt ist.
Aktives Fenster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Photodetektor vorhanden ist.
Aktives Fenster nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Photodetektor einen Schichtaufbau hat, bei dem das Absorbermaterial entsprechend der detektierbaren Wellenlänge angepasst ist.
Aktives Fenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Leuchtdioden (6) aus zwei leitenden Elektroden bestehen, zwischen denen sich mindestens eine organische Schicht befindet, die bei Anlegen einer Spannung und dem damit verbundenen Stromfluss Licht emittiert.
Aktives Fenster nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbton des emittierten Lichtes durch geeignete Wahl der Emittermaterialien bestimmt wird.
Aktives Fenster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Transparenz des selbstleuchtenden, energieautarken Fensters.
Aktives Fenster nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der organischen Solarzelle der infrarote Teil des Sonnenspektrums absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt wird.
Aktives Fenster nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der organischen Solarzelle der ultraviolette Teil des Sonnenlichtspektrums absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt wird.
Aktives Fenster nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der organischen Solarzelle sowohl der ultraviolette(UV)-Bereich als auch der infrarote(IR)-Bereich absorbiert wird.
Aktives Fenster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Solarzelle und der organische Detektor so aneinander angepasst sind, dass die Transmission der Solarzelle (5) graduell der auftreffenden Lichtintensität angepasst ist.
Aktives Fenster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein steuerbarer elektrischer Akkumulator vorhanden ist, der den von der Solarzelle erzeugten Strom speichert und als Speisestrom für die Leuchtdioden abgibt.
Aktives Fenster nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Lichtintensität eine Steuereinheit (33) vorhanden ist.
Aktives Fenster nach Anspruch 13 und Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (32) und die Steuereinheit im Fensterrahmen angeordnet sind.