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Die
Erfindung betrifft ein aus photovoltaischen Zellen mit organischer
Polymer-Halbleiterschicht
bzw. Halbleiterschichten gebildetes photovoltaisches Modul.
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Photovoltaische
Zellen mit photoaktiven organischen Schichten auf Polymerbasis haben
bislang Wirkungsgrade, die sich im Bereich von 3 bis 5% bewegen.
Das sind Wirkungsgrade, die deutlich niedriger sind als die von
anorganischen Solarzellen.
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Werden
zur Herstellung von flexiblen Solarzellen auf Polymerbasis kostengünstige Fertigungsverfahren,
wie beispielsweise das Rolle-zu-Rolle-Verfahren eingesetzt, so ist eine Massenproduktion
von Solarzellen in erheblichem Umfang denkbar. Um zu praktisch anwendbaren
Lösungen
zu gelangen, müssen
dabei jeweils mehrere photovoltaische Zellen zu Modulen zusammengeschlossen
werden, die für
den jeweiligen Anwendungsfall eine angemessene Ausgangsspannung
und/oder einen angemessenen Ausgangsstrom bereitstellen.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein photovoltaisches Modul
auf Polymerbasis zu schaffen, das einfach in der Herstellung ist
und einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit dem Mehrschichtkörper
nach Anspruch 1 und dem Verfahren nach Anspruch 18 gelöst. Es wird
ein als Mehrschichtkörper
ausgebildetes photovoltaisches Modul vorgeschlagen, mit zwei oder
mehr auf einer Trägerschicht
angeordneten photovoltaischen Zellen, die in einer Serienschaltung
elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die photovoltaischen
Zellen eine erste und eine zweite Elektrodenschicht und mindestens
eine organische photoaktive Schicht auf Polymerbasis aufweisen,
die zwischen einer Lochblocker-Schicht und einer Elektronen-Blocker-Schicht
angeordnet ist, wobei vorgesehen ist, dass die Lochblocker-Schichten
und die Elektronenblocker-Schichten in der Serienschaltung aufeinander
folgende benachbarte photovoltaische Zellen in Bezug auf die Trägerschicht
zueinander in inverser Abfolge angeordnet sind, und dass die durch
einen elektrisch leitenden Verbindungsabschnitt elektrisch miteinander
verbundenen Elektrodenschichten der aufeinander folgenden benachbarten
photovoltaischen Zellen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
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Weiter
wird ein Verfahren zur Herstellung eines als Mehrschichtkörper ausgebildeten
photovoltaischen Moduls mit zwei oder mehr in Serie geschalteter
photovoltaischer Zellen vorgeschlagen, wobei die photovoltaischen
Zellen eine erste und eine zweite Elektrodenschicht und mindestens
eine organische photoaktive Schicht auf Polymerbasis aufweisen,
die zwischen einer Lochblocker-Schicht und einer Elektronenblocker-Schicht
angeordnet ist, aufweisen, wobei vorgesehen ist, dass bei dem Verfahren
auf eine Trägerschicht
die weiteren Schichten so aufgebracht werden, dass die Lochblocker-Schichten und
die Elektronenblocker-Schichten in der Serienschaltung aufeinander
folgender benachbarter photovoltaischer Zellen in Bezug auf die
Trägerschicht zueinander
in inverser Abfolge angeordnet sind, und dass die durch einen elektrisch
leitenden Verbindungsabschnitt elektrisch miteinander verbundenen Elektrodenschichten
der aufeinander folgenden benachbarten photovoltaischen Zellen in
einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
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Die
photoaktiven Schichten der photovoltaischen Zellen des erfindungsgemäßen photovoltaischen
Moduls weisen, wie weiter unten näher beschrieben, halbleitende
Polymere auf, im Gegensatz beispielsweise zu Farbstoffzellen bzw.
Grätzel-Zellen,
die auf der Basis von photoaktiven Farbstoffen aufgebaut sind, so
dass es sich um unterschiedliche Wirkprinzipe handelt.
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Durch
die Ausbildung in der Serienschaltung aufeinander folgender benachbarter
photovoltaischer Zellen mit inverser Abfolge nehmen die Zellen eine solche
Lage ein, dass zumindest die Außenflächen, d.
h. die von der photoaktiven Schicht abgewandten Oberflächen in
Serie geschalteter Elektroden in einer Ebene liegen und daher mit
einem in dieser gemeinsamen Ebene verlaufenden elektrischen Verbindungsabschnitt
verbindbar sind. Es werden also keine senkrecht verlaufenden Verbindungsabschnitte zwischen
in der Serienschaltung aufeinander folgenden benachbarten Zellen
benötigt,
die zum einen die nutzbare Fläche
des photovoltaischen Moduls einschränken und die zum anderen einen
gegenüber der
erfindungsgemäßen Lösung erhöhten Fertigungsaufwand
erfordern, weil sie in einer zu den Schichtebenen senkrechten Ebene
ausgebildet sind. Unterschiedliche Schichtdicken der Elektrodenschichten
stellen also die erfindungsgemäße Lösung nicht
in Frage. In der Serienschaltung aufeinanderfolgende photovoltaische
Zellen sind vorteilhafterweise als benachbarte Zellen ausgebildet,
so dass besonders einfache Zellenanordnungen mit besonders hoher
Flächenausnutzung
möglich
sind.
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Das
erfindungsgemäße photovoltaische
Modul kann in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren kostengünstig hergestellt werden, wobei
aufeinander folgende Schichtaufträge vorgesehen sind. Dabei kann jede
der Schichten den Anforderungen entsprechend strukturiert sein,
wobei die Strukturierung ausdrücklich
umfasst, dass bereichsweise in einer Schicht unterschiedliches Material
aufgetragen ist, beispielsweise eine Schicht bereichsweise aus dem
für die erste
Elektrodenschicht vorgesehenen Material, dem für die zweite Elektrodenschicht
vorgesehen Material und dem für
die Verbindungsabschnitte vorgesehen Material ausgebildet ist. Im
Rolle-zu-Rolle-Verfahren können
strukturierte Schichten beispielsweise registergenau aufgedruckt
werden, ggf. in mehreren Durchgängen.
Als Druckverfahren können
beispielsweise Tiefdruck, Tintenstrahldruck oder Rakeln vorgesehen
sein. Es können
aber auch andere Auftragstechnologien, wie Aufschleudern, Sputtern
oder Aufdampfen vorgesehen sein.
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Sofern
eine elektrisch isolierende Trennschicht zwischen benachbarten photovoltaischen Zellen
vorgesehen ist, kann diese vor dem Aufbringen der letzten Elektrodenschichten
und der Verbindungsabschnitte beispielsweise durch Rakeln aufgebracht
werden. Sie füllt
dabei die Zwischenräume zwischen
den Zellen auf, wobei die Konturen der Trennschicht durch die Randkonturen der
Zellen bestimmt sind. Es sind also keine Maßnahmen zum passergenauen Auftrag
zu ergreifen.
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Weitere
vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen bezeichnet.
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Vorteilhafterweise
kann vorgesehen sein, dass die Schichtdicken der photovoltaischen
Zellen so gewählt
sind, dass benachbarte Schichten aufeinander folgender benachbarter
photovoltaischer Zellen jeweils mit gleicher Dicke ausgebildet sind.
Hierdurch ergeben sich im produktionstechnischen Verfahren Vorteile,
da beispielsweise im Tiefdruck die Rasterwalze gleichmäßig aufliegt
und somit ein gleichmäßigerer
Ausdruck gewährleistet
wird, wogegen die freie Gestaltungsmöglichkeit der photovoltaischen
Zelle nur unwesentlich eingeschränkt
ist. Zwei Zahlenbeispiele sollen das verdeutlichen:
Bei 5 Schichten
sind die 1. und die 5. Schicht sowie die 2. und die 4. Schicht mit
gleicher Schichtdicke auszubilden, d. h. es sind bei einer ungeraden Schichtanzahl
jeweils die Schichten mit gleicher Schichtdicke auszubilden, die
von der mittleren Schicht her die gleiche Position einnehmen. Bei
6 Schichten sind die 1. und die 6. Schicht, die 2. und die 5. Schicht
sowie die 3. und die 4. Schicht mit gleicher Schichtdicke auszubilden,
d. h. es sind bei einer geraden Schichtanzahl jeweils die zueinander
symmetrisch liegenden Schichten mit gleicher Schichtdicke auszubilden.
Auf diese Weise sind nebeneinander angeordnete benachbarte Bereiche
ausbildbar, die unter Berücksichtigung
von Dickentoleranzen in einer Ebene angeordnet sind. Vorteilhafterweise
sollen die Dickentoleranzen nicht mehr als 50% der Solldicke betragen.
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Unter
Elektrodenschichten, die in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind,
ist so eine Anordnung von Elektrodenschichten zu verstehen, bei denen
eine gemeinsame Ebene durch die Elektrodenschichten legbar ist.
Vorzugsweise liegen hierbei die Oberseite und/oder Unterseite der
Elektroden jeweils in einer gemeinsamen Ebene. Es ist jedoch auch
möglich,
dass insbesondere bei unterschiedlicher Schichtdicke die Elektroden
nicht miteinander fluchten, jedoch die oben beschriebene gemeinsame Schnittebene
besteht.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die Schichten der photovoltaischen Zellen
zwischen den Elektroden mit ähnlichen
Schichtdicken ausgebildet sind (Schichtdickenvariation < 20%).
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Es
kann bzw. können
neben den für
die Funktion der organischen photovoltaischen Zelle primär vorgesehenen
Schichten, nämlich
Elektrodenschichten, Blocker-Schichten und photoaktive Schicht(en)
eine weitere Schicht bzw. weitere Schichten vorgesehen sein, die
beispielsweise für eine
bessere Effizienz des Moduls oder der Zellen sorgen können. Es
kann sich dabei um Schichten handeln, die im Schichtverbund der
photovoltaischen Zelle eine feste Lage einnehmen, wie die weiter
unten beschriebenen Blocker-Schichten,
oder die im Schichtverbund des photovoltaischen Moduls eine feste
Lage einnehmen. Ist letzteres vorgesehen, nimmt die Schicht bzw.
nehmen die Schichten nicht an der Invertierung teil, d. h. sie bilden
jeweils im photovoltaischen Modul eine gemeinsame Ebene. Es kann
sich dabei beispielsweise um eine Filterschicht oder um eine Lichtkonzentratorschicht
oder dergleichen handeln, die jeweils von der Invertierung ausgenommen
sind und in der regulären
Zelle und in der inversen Zelle eine unterschiedliche Position in
Bezug auf die restlichen Schichten einnehmen.
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Die
photoaktive Schicht kann beispielsweise aus einem Gemisch aus als
Donator wirkendem konjugiertem Polymer, wie P3HT (regioreguläres poly(3-hexyl thiophene)
oder MDMO-PPV [poly(2-methoxy-5-(3-,7-dimethyloctyloxy)- 1,4-phenylenvinylen],
und als Akzeptor wirkenden Fullerenen, wie C60, oder
PCBM ([6,6]-phenyl-C61-butric acid methyl
ester) aufgebaut sein.
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Es
sind auch photoaktive Schichten möglich, bei denen sowohl der
Akzeptor als auch der Donator aus halbleitenden Polymeren aufgebaut
sind und die deshalb besonders kostengünstige Ausführungen erlauben.
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Es
kann ein Mischungsverhältnis
von 2:0,5 bis 0,5:2 zwischen dem Elektronen-Donator und dem Elektronen-Akzeptor
bevorzugt sein.
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Weiter
kann die photoaktive Schicht auch aus zwei übereinander angeordneten Teilschichten aufgebaut
sein, die jedoch als sehr dünne
Teilschichten ausgebildet sein müssen,
um unerwünschte
Rekombinationen der Ladungsträger
zu reduzieren und den Widerstand in Richtung der Flächennormalen nicht
unnötig
zu erhöhen.
Werden die Teilschichten sehr dünn
ausgebildet, dann kann die Kurzschlussfestigkeit einer aus Teilschichten
aufgebauten photoaktiven Schicht geringer sein als der als relativ
dicke Schicht von etwa 100 nm Dicke ausgebildeten weiter oben genannten
Mischschicht.
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Bei
der aus zwei übereinander
angeordneten Teilschichten ausgebildeten photoaktiven Schicht ist vorzusehen,
dass bei zueinander invertierten photovoltaischen Zellen die Orientierung
der photoaktiven Schichten invertiert ist, d. h. dass die Schichtfolge
der beiden Teilschichten invertiert ist und somit auch alterniert.
Es handelt sich also bei der aus zwei Teilschichten ausgebildeten
photoaktiven Schicht um eine polarisierte photoaktive Schicht und
bei der als Mischschicht ausgebildeten photoaktiven Schicht um eine
unpolarisierte photoaktive Schicht.
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Die
photoaktive Schicht kann auch einen Matrixaufbau aufweisen.
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Betrachtet
man die Elektroden, so kann die erste Elektrodenschicht beispielsweise
aus einer transparenten Indiumzinnoxid-Schicht (ITO) mit einer Schichtdicke
von 40 bis 150 nm oder aus einem ITO-Metall-ITO-Verbund mit einer
Gesamtschichtdicke von ~40 nm ausgebildet sein, die zweite Elektrodenschicht
aus einer transparenten metallischen Schicht, vorzugsweise aus Ag
oder Au mit einer Schichtdicke von 70 bis 120 nm oder aus Cr und
Au mit einer Gesamtschichtdicke von 70 bis 120 nm, wobei die als
Haftvermittler dienende Cr-Schicht eine Dicke von ca. 3 nm aufweisen
kann. ITO bildet eine Anode, wenn auf die ITO-Schicht die Elektronenblocker-Schicht
aufgebracht wird. Wenn auf die ITO-Schicht die Lochblocker-Schicht
aufgebracht wird, dann bildet die ITO-Schicht eine Kathode.
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Es
kann aber auch vorgesehen sein, dass die Funktion der Elektronenblocker-Schicht und/oder der
Lochblockerschicht von der jeweiligen Elektrodenschicht erbracht
wird und so die Elektronenblocker-Schicht und/oder die Lochblocker-Schicht von der jeweiligen
Elektrodenschicht gebildet wird. In diesem Fall sind beispielsweise
die Austrittsarbeiten der Elektroden für die Polarität der photovoltaischen
Zelle verantwortlich. Die Austrittsarbeiten der ersten und der zweiten
Elektrodenschicht sollten in diesem Fall eine möglichst große Differenz haben, um in der
photoaktiven Schicht ein großes
inneres Potential aufzubauen, das die Trennung der gebildeten Ladungsträger (Elektronen
und Löcher)
erleichtert. Eine mögliche
Materialkombination ist beispielsweise ITO mit einer Austrittsarbeit
von 4,7 eV und Aluminium mit einer Austrittsarbeit von 4,3 eV, wobei
ITO die Anode bildet und Aluminium die Kathode.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die in einer gemeinsamen Ebene angeordneten
Elektrodenschichten nicht nur wegen der inversen Schichtfolge benachbarter
in der Serienschaltung verbundener photovoltaischer Zellen aus unterschiedlichem Material
ausgebildet sind, beispielsweise aus einer transparenten ITO-Schicht
und aus einer semitransparenten metallischen Schicht, sondern dass
drei oder mehr Ausbildungen der Elektrodenschicht alternieren, beispielsweise
in der Abfolge transparente ITO-Schicht, semitransparente metallische
Schicht und metallische Gitterstruktur. Die metallische Gitterstruktur
kann beispielsweise zugleich eine elektrische Kontaktschicht bilden.
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Es
kann vorgesehen sein, dass eine Elektronenblocker-Schicht zwischen
der ersten Elektrodenschicht und der photoaktiven Schicht und/oder
eine Lochblocker-Schicht zwischen der zweiten Elektrodenschicht
und der photoaktiven Schicht angeordnet sind bzw. ist oder umgekehrt.
Wenn zwischen der ersten Elektrodenschicht und der photoaktiven Schicht
die Elektronenblocker-Schicht angeordnet ist, dann ist die erste
Elektrodenschicht die Anode, und wenn zwischen der zweiten Elektrodenschicht und
der photoaktiven Schicht die Lochblocker-Schicht angeordnet ist,
dann ist die zweite Elektrodenschicht die Kathode. Die Elektronenblocker-Schicht
kann beispielsweise aus PEDOT/PSS (Poly(3,4-ethylendioxythiophen)/Polystyrolsulfonat) mit
einer Schichtdicke von 50 bis 150 nm gebildet sein. Die Lochblocker-Schicht
kann beispielsweise aus TiOx mit einer Schichtdicke
von 10 bis 50 nm gebildet sein. Weil die Art der Blocker-Schichten
die Polarität
der photovoltaischen Zelle bestimmen kann, kann auch vorgesehen
sein, dass für
die erste und die zweite Elektrodenschicht das gleiche Material verwendet
wird. In diesem Fall kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, auch
die Verbindungsabschnitte aus dem Material der Elektrodenschichten
auszubilden, woraus ein besonders einfacher Aufbau des erfindungsgemäßen photovoltaischen
Moduls folgt.
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Die
beiden Blockerschichten können
mit den Elektrodenschichten eine Einheit bilden und/oder zugleich
weitere Funktionen in der photovoltaischen Zelle übernehmen,
zum Beispiel als Benetzungshilfe oder/und als Barriere vorgesehen
sein. Wenn die erste Elektrodenschicht beispielsweise aus ITO ist,
kann zwischen der ersten Elektrodenschicht und der photoaktiven
Schicht beispielsweise eine PEDOT/PSS-Schicht angeordnet sein. Die
PEDOT/PSS-Schicht
ist in diesem Beispiel zum einen die Elektronenblocker-Schicht und
verbessert in diesem Fall die Benetzung der Elektrodenschicht mit
der photoaktiven Halbleiterschicht, da die Oberflächenspannung
der getrockneten PEDOT/PSS-Schicht sehr viel größer als die Oberflächenspannung
der flüssig
aufgebrachten Halbleiterschicht ist. Wenn die zweite Elektrodenschicht
beispielsweise als eine aufgedampfte Silberschicht ausgebildet ist,
dann kann eine auf die Halbleiterschicht aufgetragene PEDOT/PSS-Schicht
als eine Barriere für
die beim Bedampfen auftreffenden Silberatome wirken und die Wahrscheinlichkeit
von Kurzschlüssen
und/oder Fehlkontakten verringern.
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Wegen
der vorgesehenen inversen Ausbildung der Schichtfolgen der photovoltaischen
Zellen kann es bevorzugt sein, beide Blocker-Schichten mit gleicher
Schichtdicke auszubilden.
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Es
kann vorgesehen sein, dass horizontal benachbarte photovoltaische
Zellen eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die photovoltaischen Zellen zwei oder
mehr photoaktive Schichten mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit aufweisen.
Solche Zellen werden auch als Tandem-Zellen (im Falle eines doppelten
Aufbaus) oder generell als Multi-Junction-Zellen bezeichnet. Dadurch,
dass die Umwandlung der Lichtenergie in elektrische Energie für mehr als
einen Spektralbereich vorgesehen ist, ist der Wirkungsgrad der Multi-Junction-Zelle gegenüber einer
photovoltaischen Zelle mit nur einer photoaktiven Schicht erhöht. Photovoltaische
Zellen mit nur einer photoaktiven Schicht werden auch als Single-Junction-Zellen
bezeichnet. Zum Aufbau von Multi-Junction-Zellen können mehrere
Schichtfolgen aus Lochblocker-Schicht, photovoltaischen Halbleiterschicht
und Elektronenblocker-Schicht vorgesehen sein, die zwischen den Elektrodenschichten
angeordnet sind.
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Die
mit unterschiedlicher spektraler Emprfindlichkeit ausgebildeten
photoaktiven Schichten können
weiter einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen, wie weiter oben
für Single-Junction-Zellen
beschrieben.
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Vorteilhafterweise
kann vorgesehen sein, zwischen aufeinander folgende Elektronenblocker-Schicht
und Lochblocker-Schicht oder umgekehrt zum Beispiel eine aus metallischen
Clustern gebildete Schicht einzubringen. Unter Clustern wird in
der Physik eine Ansammlung von Atomen oder Molekülen verstanden, deren Atomanzahl
zwischen n = 3 und n = 50.000 liegt.
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Es
ist weiter möglich,
dass horizontal benachbarte photovoltaische Zellen eine unterschiedliche
Breite und/oder Kontur aufweisen. Auf diese Weise ist bei gleichem
Zellenaufbau eine weitere Gestaltungsmöglichkeit gegeben. Eine unterschiedliche Breite
der photovoltaischen Zellen kann beispielsweise vorgesehen sein,
um Zellen mit verschiedenen photovoltaischen Schichten in ihren
elektrischen Werten, wie z. B. den Innenwiderstand, anzugleichen.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, dass die Trägerschicht flexibel ausgebildet
ist. Die Trägerschicht
kann beispielsweise als eine Trägerfolie
mit einer Dicke von 12 μm
bis 150 μm
ausgebildet sein. Als Material kommen insbesondere PET, PEN oder PVC
in Betracht. Auch Kombinationen daraus sind möglich.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Trägerschicht starr ausgebildet
ist, beispielsweise aus Glas. Eine starre Trägerschicht kann vorteilhaft
sein, um beispielsweise Verglasungen für Fenster oder transparente
Wandflächen
auszubilden, die gleichzeitig als Energiequelle nutzbar sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass die
Trägerschicht
uneben und/oder mit unebener Oberfläche ausgebildet ist. Auf diese
Weise verfügt
die Trägerschicht über eine größere Oberfläche auf
als eine ebene bzw. nicht verformte Trägerschicht, so dass zur Energiegewinnung eine
größere effektive
Fläche
zur Verfügung
steht.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die Trägerschicht eine Färbung aufweist.
Die Färbung
kann beispielsweise dekorative Zwecke erfüllen, etwa zur künstlerischen
Gestaltung von Fensterflächen
verwendet werden, oder zur Lichtfilterung vorgesehen sein. So kann
beispielsweise ein Sonnenschutz mit einem erfindungsgemäßen photovoltaischen
Modul beschichtet sein, das wie weiter oben beschrieben, als biegsamer
Folienkörper
ausgebildet ist.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Trägerschicht die Lichtführung beeinflussende
Elemente aufweist. Die Trägerschicht
kann beispielsweise lichtstreuende oder lichtleitende Partikel aufweisen.
Sie kann aber auch geometrische Elemente aufweisen, d. h. beispielsweise
so geformt sein, dass sie Licht zu bündeln vermag.
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Weitere
Ausbildungen sind auf die Gestaltung der Elektrodenschichten gerichtet.
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Es
kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Elektrodenschichten
der photovoltaischen Zelle eine metallische Schicht ist, insbesondere
aus einem Metall oder einer Legierung aus mehreren Metallen. Es
kann sich dabei um eine homogene Schicht handeln oder auch um eine
leitfähige
Schicht mit Nanopartikeln, sogenannten Clustern.
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Es
kann aber auch vorgesehen sein, dass mindestens eine der Elektrodenschichten
der photovoltaischen Zelle eine elektrisch leitende organische Schicht
ist. Organische Schichten können
besonders einfach durch einen Druckprozess aufgebracht werden, so
dass organische Schichten gegenüber
metallischen Schichten bevorzugt sein können. Dotiertes Polyethylen,
Polyanilin und organische Halbleiter haben sich beispielsweise als
Elektrodenschichten bewährt.
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Zwecks
transparenter Ausbildung, d. h. ausreichend strahlungsdurchlässiger Ausbildung,
kann vorgesehen sein, der Strahlungsquelle zugewandte Elektrodenschichten
als transparente, semitransparente (Metallschichten mit sehr geringer
Schichtdicke), als Gitterstruktur oder als Kombination dieser Ausführungen
auszubilden. Die Gitterstruktur kann vorzugsweise so dimensioniert
sein, dass sie mit bloßem
Auge nicht sichtbar ist.
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Wegen
der inversen Anordnung benachbarter photovoltaischer Zellen des
erfindungsgemäßen photovoltaischen
Moduls ist es bevorzugt, dass beide Elektrodenschichten transparent
und/oder mit einer Gitterstruktur ausgebildet sind.
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Weitere
Ausbildungen sind auf die Konfektionierung des photovoltaischen
Moduls gerichtet.
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Es
kann vorgesehen sein, dass das Modul als eine Präge-Folie oder eine Laminier-Folie
oder eine Touchform-Folie oder eine Inmold-Folie ausgebildet ist.
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Das
erfindungsgemäße photovoltaische
Modul kann also auch als Halbzeug eingesetzt werden, um Endprodukte
herzustellen, die neben dem Haupteinsatzzweck zur umweltfreundlichen
Solar-Energiegewinnung einsetzbar sind. Es können beispielsweise Fahrzeugkarosserien,
Wetter-Ballons und Verkehrsleiteinrichtungen mit Hilfe der genannten
Folien ausgebildet und/oder beschichtet werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausbildungen sind auf das Herstellungsverfahren gerichtet.
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Vorteilhafterweise
kann vorgesehen sein, dass die organische photoaktive Schicht durch
einen Druckprozess partiell aufgebracht wird. Die Schichtdicke kann
vorteilhafterweise im Bereich von 50 nm bis 250 nm gewählt sein.
Unter dem partiellen Aufbringen ist hier und im folgenden verstanden,
dass die photoaktive Schicht nicht ganzflächig aufgetragen ist, sondern
eine partiell ausgebildete Schicht bildet, die Bereiche aufweist,
in denen kein photoaktives Material aufgetragen ist.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die photoaktive Schicht zunächst vollflächig aufgetragen wird
und sodann strukturiert wird, beispielsweise durch Ätzen oder
durch Laserablation. Die Bereiche ohne photoaktives Material grenzen
die photovoltaischen Zellen des photovoltaischen Moduls voneinander
ab und können
beispielsweise partiell oder vollständig durch ein isolierendes
Material aufgefüllt sein.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass die Lochblocker-Schicht und/oder die
Elektronenblocker-Schicht durch einen Druckprozess partiell aufgebracht
werden bzw. wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Blocker-Schichten zunächst vollflächig aufgebracht
werden und sodann strukturiert bzw. partiell abgetragen werden,
wie weiter oben beschrieben.
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Es
kann also vorgesehen sein, dass mindestens eine der Schichten des
photovoltaischen Moduls vollflächig
aufgebracht wird und sodann durch partielles Abtragen der Schicht
strukturiert wird.
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Es
kann weiter vorgesehen sein, dass die erste Elektrodenschicht und/oder
die zweite Elektrodenschicht und/oder der Verbindungsabschnitt durch einen
Druckprozess partiell aufgebracht werden bzw. wird. Falls die erste
und die zweite Elektrodenschicht sowie die Verbindungsabschnitte
aus dem gleichen Material mit der gleichen Schichtdicke ausgebildet sind,
kann auch vorgesehen sein, dass die genannten Schichten zunächst als
vollflächige
Schicht aufgebracht werden und sodann strukturiert bzw. partiell abgetragen
werden, wie weiter oben beschrieben.
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Vorzugsweise
kann vorgesehen sein, dass der Schichtaufbau des photovoltaischen
Moduls vollständig
gedruckt wird, wie weiter oben beschrieben.
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Es
kann aber auch vorgesehen sein, dass die erste Elektrodenschicht
und/oder die zweite Elektrodenschicht und/oder der Verbindungsabschnitt aufgedampft
oder aufgesputtert werden bzw. wird. Es kann sich dabei vorzugsweise
um metallische Elektroden oder anorganische Elektroden handeln,
die durch Sputtern oder Aufdampfen in höherer Qualität zu fertigen
sind, als durch Aufdrucken einer mit Elektrodenpartikeln versetzten
Druckpaste.
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Weiter
ist möglich,
dass mindestens eine der Schichten des photovoltaischen Moduls durch
einen Laminier-Prozesse aufgebracht wird. Es können beispielsweise unterschiedliche
Laminierfolien vorgesehen sein, die in unterschiedlicher Weise kombinierbar sind
und so insbesondere für
Kleinserien eine sehr kostengünstige
Lösung
bei hoher Qualität
des Endprodukts ermöglichen.
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Weiter
kann vorgesehen sein, dass das photovoltaische Modul einlaminiert
wird. Insbesondere photovoltaische Module auf Folienbasis können sehr einfach
einlaminiert werden und so zuverlässig gegen die Lebensdauer
begrenzende Umwelteinflüsse, wie
Feuchtigkeit und Luftsauerstoff, geschützt werden.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines photovoltaischen Moduls nach dem
Stand der Technik;
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2 eine
schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen photovoltaischen
Moduls;
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3 eine
schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen photovoltaischen
Moduls.
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1 zeigt
ein photovoltaisches Modul 1 nach dem Stand der Technik,
das als Mehrschichtkörper
ausgebildet ist und das an von außen zugänglichen Kontaktflächen eine
Klemmenspannung U bereitstellt, wenn es Licht, beispielsweise Sonnenlicht, ausgesetzt
ist.
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Auf
einer Trägerschicht 10 sind
photovoltaische Zellen 11 von Art der sogenannten Single
Junction Zellen angeordnet, die in einer Serienschaltung miteinander
verbunden sind. Bei der Trägerschicht kann
es sich beispielsweise um eine PET-Folie handeln mit einer Dicke
von etwa 20 bis 25 μm.
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Die
photovoltaischen Zellen 11 bestehen aus übereinander
angeordneten Schichten und zwar aus einer ersten Elektrodenschicht 111,
die unmittelbar auf der Trägerschicht 10 aufgebracht
ist und einfallenden Lichtstrahlen 15 zugewandt ist, einer
Elektronenblocker-Schicht 112, einer organischen photoaktiven
Schicht 113, einer Lochblocker-Schicht 114 und einer
zweiten Elektrodenschicht 115. Zwei in der Serienschaltung
aufeinanderfolgende photovoltaische Zellen 11 sind durch
auf der Trägerschicht 10 senkrecht
angeordnete elektrisch leitfähige
Verbindungsabschnitte 12 elektrisch leitend miteinander
verbunden, wobei jeweils die zweite Elektrodenschicht 115 der
vorangehenden photovoltaischen Zelle 11 mit der ersten
Elektrodenschicht 111 der nachfolgenden photovoltaischen
Zelle 11 verbunden ist. Der Verbindungsabschnitt 12 ist
durch einen Trennabschnitt 13 von der photovoltaischen
Zelle 11 elektrisch isoliert. Der Trennabschnitt 13 ist
an einer Schmalseite der photovoltaischen Zelle 11 angeordnet.
Es kann sich dabei beispielsweise um eine elektrisch isolierende Kleberschicht
oder um einen aushärtbaren
Isolator, beispielsweise ein Zweikomponentensystem aus Epoxidharz
und Härter
handeln. Der Verbindungsabschnitt 12 ist von der nachfolgenden
photovoltaischen Zelle durch einen Luftspalt 14 getrennt.
Anstelle des Luftspalts 14 könnte auch eine den Spaltraum ausfüllende Isolierschicht
vorgesehen sein. Bei den photoaktiven Schichten handelt es sich
Schichten vom Polymer-Typ, wie weiter unten in 2 näher beschrieben.
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In
den Bereichen des Verbindungsabschnitts 12, des Trennabschnitts 13 und
des Luftspalts 14 tragen die auf das photovoltaische Modul 1 auftreffenden
Lichtstrahlen 15 nicht zur Energiegewinnung bei und verringern
deshalb die Effektivität
des photovoltaischen Moduls 1.
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2 zeigt
nun in einem ersten Ausführungsbeispiel
ein erfindungsgemäßes photovoltaisches
Modul 2 mit einer Trägerschicht 20,
das sich von dem in 1 dargestellten photovoltaischen
Modul 1 nach dem Stand der Technik dadurch unterscheidet,
dass aufeinander folgende photovoltaische Zellen mit inverser Schichtfolge
ausgebildet sind.
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Eine
in der Serienschaltung vorangehende photovoltaische Zelle 21 weist
ausgehend von der Trägerschicht 20 eine
erste Elektrodenschicht 211, eine Elektronenblocker-Schicht 212,
einer organische photoaktive Schicht 213, eine Lochblocker-Schicht 214 und
eine zweite Elektrodenschicht 215 auf. Eine in der Serienschaltung
auf die photovoltaische Zelle 21 folgende photovoltaische
Zelle 21i weist eine inverse Schichtfolge auf, d. h. nunmehr
ist die zweite Elektrodenschicht 215 auf der Trägerschicht 20 angeordnet
und die erste Elektrodenschicht 211 ist die oberste, von
der Trägerfolie 20 abgewandte
Schicht der photovoltaischen Zelle 21i. Auch die Blocker-Schichten
haben folglich in der inversen Zelle ihre Plätze getauscht.
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Die
erste Elektrodenschicht 211 kann als eine transparente
Indiumzinnoxid-Schicht
(ITO) mit einer Schichtdicke von 10 bis 15 nm ausgebildet sein, die
zweite Elektrodenschicht 215 aus einer semitransparenten
metallischen Schicht, vorzugsweise aus Silber, Gold oder Chrom/Gold,
mit einer Schichtdicke von 10 bis 30 nm ausgebildet sein. Die zweite Elektrodenschicht
kann aber auch in Form eines Gitters obiger Metalle oder Metallkombinationen
aufgebaut sein, wobei nun die metallischen Bereiche Dicken bevorzugt
bis zu 120 nm aufweisen können.
Die photoaktive Schicht 213 kann beispielsweise aus einem
Gemisch aus als Donator wirkendem konjugiertem Polymer, wie P3HT
(regioreguläres
poly(3-hexyl thiophene) oder MDMO-PPV [poly(2-methoxy-5-(3-,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenvinylen], und
als Akzeptor wirkenden Fullerenen, wie C60,
oder PCBM ([6,6]-phenyl-C61-butric acid
methyl ester) aufgebaut sein.
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In
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist bei der
bevorzugten Materialpaarung die erste Elektrodenschicht 211 die
Anode, d. h. der Pluspol, und die zweite Elektrodenschicht 215 die Kathode,
d. h. der Minuspol der photovoltaischen Zellen 21, 21i.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass eine oder beide der Blocker-Schichten 212, 213 entfallen. Beispielsweise
kann nur zwischen der aus ITO ausgebildeten ersten Elektrodenschicht 211 und
der photoaktiven Schicht 213 eine PEDOT/PSS-Schicht als
Elektronenblocker-Schicht vorgesehen sein. Bei einer solchen Anordnung
ist zu beachten, dass die photoaktiven Schichten 213 benachbarter
Zellen 21, 21i nicht in einer gemeinsamen Ebene
angeordnet sind. Wenn die photoaktiven Schichten 213 weiter
als Schichtsystem aus zwei übereinander
angeordneten Teilschichten vom p-Halbleitertyp bzw. vom n-Halbleitertyp ausgebildet
sind, ist zu beachten, dass auch diese Schichtfolge invertiert werden
muss.
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In
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden
Elektrodenschichten 211, 215 mit gleicher Schichtdicke
ausgebildet, so dass die Elektrodenschichten der benachbarten photovoltaischen
Zellen 21, 21i in einer Ebene liegen. Sie können deshalb
unmittelbar durch einen elektrisch leitfähigen Verbindungsabschnitt 22,
der vorzugsweise die gleiche Dicke wie die beiden Elektrodenschichten 211, 215 aufweist,
elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Zur elektrischen
Trennung zwischen den beiden benachbarten photovoltaischen Zellen 21, 21i ist
ein auf der Trägerschicht 20 senkrecht
angeordneter Trennabschnitt 23 vorgesehen. Der Trennabschnitt 22 kann
beispielsweise als Kleberschicht oder aus einem aushärtbaren
System, beispielsweise einem Zweikomponentensystem, ausgebildet
sein.
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Die
photovoltaische Zelle 21i weist den gleichen Schichtaufbau
wie die photovoltaische Zelle 21 auf, jedoch in inverser
Schichtfolge.
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Unter
der Annahme, dass die drei in der 1 genannten,
den Lichteinfall maskierenden Elemente Verbindungsabschnitt 12,
Trennabschnitt 13 und Luftspalt 14 die gleiche
Dicke aufweisen wie der in 2 dargestellte
Trennabschnitt 23, so ist in dem erfindungsgemäßen photovoltaischen
Modul 2 (2) der Abschattungsbereich gegenüber dem photovoltaischen
Modul 1 (1) nach dem Stand der Technik
auf 1/3 reduziert. Durch diese Vorgehensweise wird der geometrische
Füllfaktor
des Moduls – auch
mit GFF bezeichnet – erhöht.
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3 zeigt
ein photovoltaisches Modul 3 mit sogenannten Tandem-Zellen.
Eine Tandem-Zelle besteht aus zwei photovoltaischen Zellen mit verschiedenem
photoaktivem Material, die übereinander
geschichtet sind. Auf eine erste Elektrodenschicht 311 folgt
eine erste Elektronenblocker-Schicht 312, eine erste photoaktive
Schicht 313, eine erste Lochblocker-Schicht 314,
eine zweite Elektronenblocker-Schicht 315, eine zweite
photoaktive Schicht 316, eine zweite Lochblocker-Schicht 317 sowie
eine zweite Elektrodenschicht 318. Zwischen der ersten Lochblocker-Schicht 314 und
der zweiten Elektronenblocker-Schicht 315 kann eine oder
können
mehrere in 4 nicht dargestellte Schicht
bzw. Schichten angeordnet sein.
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Das
photovoltaische Modul 3 nutzt also die Energie des einfallenden
Lichtes in einem großen Spektralbereich
aus und verfügt
deshalb über
einen höheren
Wirkungsgrad als das weiter oben in 2 beschriebene
photovoltaische Modul 2 mit nur einer photoaktiven Schicht.
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Die
in den vorgenannten Ausführungsbeispielen
vorgesehenen Elektrodenschichten sind vorzugsweise transparent oder
semitransparent ausgebildet, wobei die jeweils der Lichteintrittsseite
abgewandte Elektrodenschicht auch semitransparent oder nicht transparent
ausgebildet sein kann.
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Die
erste und die zweite Elektrodenschicht 211 und 215 bzw. 311 und 318 (2 und 3) können auch
aus dem gleichen Material ausgebildet sein, beispielsweise aus Silber,
Gold oder Chrom/Gold. Vorteilhafterweise können auch die Verbindungsabschnitte 22 bzw. 32 aus
dem einheitlichen Elektrodenmaterial ausgebildet sein, so dass benachbarte
Elektrodenschichten zusammen mit den sie elektrisch verbindenden
Verbindungsabschnitten einen gemeinsamen Bereich bilden können, woraus ein
besonders einfacher Aufbau der Module 2 bzw. 3 folgt.
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Weil
die einzelnen Schichten der erfindungsgemäßen photovoltaischen ModuleDicken
im Nanometer-Bereich, maximal im Mikrometer-Bereich aufweisen, können diese
Module nahezu beliebig verformt werden, so dass sie beispielsweise
auch zu Schläuchen
geformt werden können
oder auf Schläuche
aufgebracht werden können.
Schlauchförmige photovoltaische
Module können
durch ein durch die Schläuche
fließendes
Medium, beispielsweise Wasser, die als Wärmeenergie vorliegende Restenergie des
Lichtes nutzen, indem das Medium einer Wärmepumpe oder einem Wärmetauscher
zugeführt
wird.
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Halbleitersolarzellen
werden zur Energiegewinnung meist zu großen Solarmodulen verschaltet. Die
Zellen werden dafür
mit Leiterbahnen an Vorder- und
Rückseite
in Reihe geschaltet. Dadurch addiert sich die Spannung der Einzelzellen
und es können dünnere Drähte für die Verschaltung
verwendet werden als bei einer Parallelschaltung. Als Schutz vor
einem Lawinendurchbruch in den einzelnen Zellen (z. B. bei Teilabschattung)
müssen
jedoch zusätzlich Schutz-Dioden
(Bypass-Dioden) parallel zu den Zellen eingebaut, die von Abschattung
betroffene Zellen überbrücken können.