DE102008004771A1 - Solarzelle - Google Patents

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Leonhard Kurz Stiftung and Co KG
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Abstract

Es wird eine Solarzelle in Form eines Mehrschichtkörpers, insbesondere in Form einer mehrschichtigen, flexiblen Folie, mit einer als Lichteintrittseite vorgesehenen Vorderseite beschrieben, wobei die Solarzelle ein oder mehrere aktive Bereiche, in denen die Solarzelle mindestens eine photovoltaisch aktive Schicht aufweist, und ein oder mehrere inaktive Bereiche aufweist. Die Solarzelle weist einen Schichtkörper mit ein oder mehrere transparente oder semitransparente Schichten auf, der in Bezug auf die Lichteintrittseite oberhalb der mindestens einen photovoltaisch aktiven Schicht angeordnet ist, und dass die Solarzelle lichtablenkende Strukturen aufweist, die im Bereich der inaktiven Bereiche angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Solarzelle, insbesondere eine flexible Solarzelle.
  • Solarzellen mit organischen Halbleiterschichten (OPV organische Photovoltaik) weisen gegenüber Solarzellen mit anorganischen Halbleiterschichten bei vergleichbarer aktiver Fläche einen geringeren Wirkungsgrad auf, der momentan im Bereich von 3–5% liegt. Weiter weisen solche Solarzellen beispielsweise beim Aufbau aus mehreren miteinander elektrisch verbundenen Solarzellenmodulen, inaktive Bereiche ohne photovoltaische Halbleiterschicht auf, die keinen Beitrag zur Energiegewinnung leisten. In den inaktiven Bereichen sind beispielsweise die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den Solarzellenmodulen angeordnet, die üblicherweise aus einem metallischen Material bestehen.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig zu fertigende Solarzelle zu schaffen, die einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist.
  • Diese Aufgabe wird von einer Solarzelle in Form eines Mehrschichtkörpers, insbesondere in Form einer mehrschichtigen, flexiblen Folie, mit einer als Lichteintrittseite vorgesehenen Vorderseite gelöst, wobei die Solarzelle ein oder mehrere aktive Bereiche, in denen die Solarzelle mindestens eine photovoltaisch aktive Schicht aufweist, und ein oder mehrere inaktive Bereiche aufweist, wobei die Solarzelle einen Schichtkörper mit ein oder mehreren transparenten oder semitransparenten Schichten aufweist, der im Bezug auf die Lichteintrittseite oberhalb der mindestens einen photovoltaisch aktiven Schicht angeordnet ist, und die Solarzelle lichtablenkende und/oder lichtführende Strukturen aufweist, die im Bereich der inaktiven Bereiche angeordnet sind.
  • Mittels der Erfindung ist es möglich, die Effizienz einer Solarzelle, insbesondere einer aus mehreren Einzelzellen zusammengesetzten Solarzelle, deutlich zu erhöhen. Weiter wird ein besonders kompakter und kostengünstiger Aufbau erzielt. Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen können anstelle von lichtablenkenden Strukturen auch lichtführende Strukturen oder eine Kombination von lichtführenden/lichtablenkenden Strukturen verwendet werden.
  • Vorzugsweise sind die lichtablenkenden Strukturen hierbei in den Schichtkörper abgeformt, der in Bezug auf die Lichteintrittseite oberhalb der mindestens einen photovoltaisch aktiven Schicht angeordnet ist. Der Schichtkörper bildet so ein Foliengebilde, welches eine Lichtleitfunktion erbringt und das einfallende Licht auf die aktiven Bereiche der Solarzelle leitet. Unterhalb dieses Foliengebildes ist das Modul oder Zellengebilde der Solarzelle vorgesehen, welches die optische/elektrische Energiewandlung durchführt. Hierdurch läßt sich die erfindungsgemäße Solarzelle besonders kostengünstig herstellen.
  • Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sind die lichtablenkenden und/oder lichtführenden Strukturen in die Unterseite des Schichtkörpers abgeformt. Die lichtablenkenden und/oder lichtführenden Strukturen sind hierbei bevorzugt so ausgestaltet, daß sie in Reflexion wirken und so Reflexions-Strukturen darstellen, d. h. das eingestrahlte Licht in Richtung der Vorderseite der Solarzelle reflektiert bzw. gebeugt wird. Die lichtablenkenden Strukturen sind hierzu mit einer Reflexionsschicht, beispielsweise mit einer metallischen Reflexionsschicht, belegt oder grenzen an ein Medium mit unterschiedlichem Brechungsindex an, beispielsweise Luft oder eine HRI- oder LRI-Schicht (HRI = high refraction index, LRI = low refraction index) an. Die Reflexionsschicht bzw. Schicht mit unterschiedlichem Brechungsindex ist hierbei vorzugsweise ebenfalls Teil des Schichtkörpers.
  • Bevorzugt sind die lichtablenkenden Strukturen hierbei so ausgestaltet, daß Licht, welches in inaktiven Bereichen einfällt, auf ein oder mehrere der transparenten oder semitransparenten Schichten des Schichtkörpers in einem Winkel abgelenkt wird, der geeignet ist, daß das auf die transparente oder semitransparente Schicht abgelenkte Licht von der transparenten oder semitransparenten Schicht, insbesondere von einer deren Grenzflächen zu einer angrenzenden Schicht oder gegen Luft, auf ein oder mehrere aktive Bereiche der Solarzelle rückreflektiert wird. Der Ablenkungswinkel ist hierbei bezüglich des Brechungsindex der transparenten/semitransparenten Schicht des Schichtkörpers bevorzugt so gewählt, daß bei näherungsweise senkrechtem Lichteinfall das von den lichtablenkenden Strukturen abgelenkte Licht in Totalreflexion auf die aktiven Bereiche der Solarzelle rückreflektiert wird. Der Schichtkörper weist hierzu vorzugsweise eine transparente Schicht mit einem hohem Brechungsindex, beispielsweise ZnS oder TiOx auf, welche vorzugsweise an der Oberseite des Schichtkörpers angeordnet ist. Der Schichtkörper kann aber auch einfach an Luft angrenzen. Durch eine derartige Ausgestaltung einer erfindungsgemässen Solarzelle ist es möglich, besonders hohe Effizienzsteigerungen zu erzielen.
  • Gemäß eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sind die lichtablenkenden Strukturen in die Oberseite des Schichtkörpers abgeformt. Die lichtablenkenden Strukturen sind hierbei bevorzugt so ausgestaltet, daß sie in Transmission arbeiten und so Transmissions-Strukturen darstellen, d. h. daß sie das auf die Vorderseite der Solarzelle einfallende Licht in einer vorbestimmten Weise durch Brechung und/oder Beugung vom Einfallswinkel ablenken. Solche Strukturen werden im Folgenden auch als Transmissions-Strukturen bezeichnet. Vorzugsweise sind diese lichtablenkenden Strukturen so ausgestaltet, daß sie auf der Vorderseite der Solarzelle einfallendes Licht, welches in inaktiven Bereichen einfällt, auf eine Reflexionsschicht der Solarzelle in einem Winkel ablenken, der so gewählt ist, daß das von der Reflexionsschicht reflektierte Licht auf ein oder mehrere der transparenten oder semitransparenten Schichten des Schichtkörpers in einem Winkel auftritt, der geeignet ist, daß das auf die transparente oder semitransparente Schicht reflektierte Licht von der transparenten oder semitransparenten Schicht auf ein oder mehrere aktive Bereiche der Solarzelle rückreflektiert wird. Auch hier wird der Winkel bevorzugt so gewählt, daß bei näherungsweise senkrechtem Lichteinfall auf die Vorderseite der Solarzelle die von der Reflexionsschicht rückreflektierten Lichtstrahlen in einem Winkel auf die ein oder mehreren transparenten oder semitransparenten Schichten des Schichtkörpers treffen, bei denen eine Totalreflexion stattfindet, da hier keine Reflexionsverluste auftreten. Auch diese Lösung zeichnet sich durch eine besonders hohe Effizienz der Solarzelle aus.
  • Weiter ist es auch möglich, daß die lichtablenkenden Strukturen zumindest bei bestimmten Einfallswinkeln des Lichts das einfallende Licht direkt von den nicht aktiven Bereichen der Solarzelle auf aktive Bereiche der Solarzelle ablenken. Hierbei ist es weiter auch möglich, daß die lichtablenkenden Strukturen so ausgestaltet sind, daß sie in einem ersten Lichteinfallswinkel-Bereich das auf der Vorderseite der Solarzelle einfallende Licht direkt auf aktive Bereiche der Solarzelle ablenken und in einem weiteren, an diesen Bereich anschließenden Einfallswinkel-Bereich das auf der Vorderseite der Solarzelle einfallende Licht auf die Reflexionsschicht in einem Winkel ablenken, bei dem – wie oben beschrieben – das Licht durch Reflexion an der Reflexionsschicht und weiterer Reflexion an den ein oder mehreren transparenten oder semitransparenten Schichten des Schichtkörpers auf die aktiven Bereiche abgelenkt werden.
  • Weiter ist es auch möglich, daß lichtablenkende Strukturen sowohl in die Oberseite als auch in die Unterseite des Schichtkörpers abgeformt sind und so die Ablenkung des Lichts auf die mindestens eine transparente Schicht/semitransparente Schicht des Schichtkörpers sowohl durch die auf der Oberseite als auch durch die auf der Unterseite des Schichtkörpers abgeformten Strukturen beeinflußt wird. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, daß lichtablenkende Strukturen verwendet werden können, die das einfallende Licht in geringerem Maße aus der Einfallsrichtung bzw. dem Spiegelreflex ablenken.
  • Weiter kann durch eine derartige Vorgehensweise die Effizienz von Solarzellen weiter verbessert werden, die über inaktive Bereiche größerer Ausdehnung verfügen. Durch die sich so ergebende additive Verstärkung der Ablenkwirkung der Transmissions-Strukturen und der Reflexions-Strukturen läßt sich der Winkelbereich, in dem das auf die Vorderseite einfallende Licht von den nicht aktiven Bereichen auf die aktiven Bereiche umgelenkt wird, deutlich erhöhen. Im Weiteren ergibt sich bei dieser Vorgehensweise der Vorteil für die ein oder mehreren transparenten/semitransparenten Schichten des Schichtkörpers, Materialien mit geringerem Brechungsindex einsetzen zu können.
  • Weiter haben sich folgende Maßnahmen bewährt:
    Die lichtablenkenden Strukturen sind bevorzugt in eine Reflexionsschicht abgeformt oder in einem der ein oder mehreren nicht aktiven Bereichen einer Reflexionsschicht vorgesehen. Bei der Reflexionsschicht handelt es sich bevorzugt um eine Schicht des Schichtkörpers, es ist jedoch auch möglich, daß die Reflexionsschicht von einer Schicht der Solarzelle gebildet wird, die unterhalb des Schichtkörpers und auch unterhalb der photoaktiven Schicht der Solarzelle angeordnet ist. Sind die lichtablenkenden Strukturen nicht in die Reflexionsschicht abgeformt, so ist die Reflexionsschicht bevorzugt unterhalb der lichtablenkenden Strukturen vorgesehen. Durch eine Erhöhung der Distanz zwischen der Reflexionsschicht und der lichtablenkenden Struktur ergeben sich insbesondere Vorteile bei inaktiven Bereichen, die größere Flächenbereiche einnehmen.
  • Die lichtablenkenden Strukturen können die nicht aktiven Bereiche vollständig oder partiell überdecken. Es ist hierbei auch möglich, daß die lichtablenkenden Strukturen nicht in allen nicht aktiven Bereichen der Solarzelle, sondern lediglich in ein oder mehreren der nicht aktiven Bereiche der Solarzelle vorgesehen werden. Weiter können sich die in einem nicht aktiven Bereich der Solarzelle angeordneten lichtablenkenden Strukturen untereinander unterscheiden und so beispielsweise das auf sie auftreffende Licht jeweils in unterschiedlichen Winkeln aus dem Lichteinfallswinkel bzw. Spiegelreflex ablenken um so je nach Lage der jeweiligen lichtablenkenden Strukturen zu den umgebenden aktiven Bereichen das einfallende Licht in einem im Bezug auf die oben dargelegten Grundsätze optimierten Winkel abzulenken. Vorzugsweise ist die Reflexionsschicht nicht in den aktiven Bereichen der Solarzelle, sondern lediglich in den nicht aktiven Bereichen der Solarzelle vorgesehen. Die Reflexionsschicht kann hierbei die nicht aktiven Bereiche der Solarzelle vollständig oder partiell überdecken.
  • Bei der Reflexionsschicht handelt es sich bevorzugt um eine metallische Reflexionsschicht. Im Weiteren hat sich auch der Einsatz von dielektrischen Reflexionsschichten bewährt, die beispielsweise aus einer dielektrischen, hochbrechenden Schicht oder aus einer Folge von dielektrischen, hoch- und niedrigbrechenden Schichten bestehenden. Als hochbrechenden Schichten können beispielsweise Schichten bestehend aus einem Material Al2O3, ZrO2 und ZnS verwendet werden. Der Vorteil bei der Verwendung derartiger dielektrischer anstelle von metallischen Spiegeln besteht darin, daß der Energieverlust bei Reflexion geringer sein kann.
  • Weiter ist es auch möglich, daß die lichtablenkenden Strukturen in eine Oberfläche einer Kunststoffschicht abgeformt sind, welche an ein Medium mit einem unterschiedlichen optischen Brechungsindex angrenzt, insbesondere an Luft angrenzt. Bei entsprechendem Unterschied der Brechungsindices und Abfolge der Kunststoffschicht und des angrenzenden Mediums wirkt die lichtablenkende Struktur als Reflexionsstruktur und ist somit in eine Reflexionsschicht abgeformt.
  • Vorzugsweise sind die lichtablenkenden Strukturen, insbesondere die oben und nachfolgend beschriebenen lichtablenkenden Strukturen lediglich im Bereich der inaktiven Bereiche, nicht jedoch im Bereich der aktiven Bereiche der Solarzelle vorgesehen. Es ist hierbei jedoch möglich, daß im Bereich der aktiven Bereiche andere Strukturen in den Schichtkörper abgeformt sind, die beispielsweise der Entspiegelung dienen. So ist es beispielsweise möglich, daß im Bereich der inaktiven Bereiche und/oder im Bereich der aktiven Bereiche die oben und im weiteren auch anhand von 2 bzw. 3 beschriebenen lichtablenkenden Strukturen in die Unterseite bzw. Oberseite des Schichtkörpers abgeformt sind und im weiteren in die Unterseite und/oder Oberseite des Schichtkörpers in den aktiven Bereichen andere Strukturen als in den inaktiven Bereichen abgeformt oder vorgesehen sind. So ist es beispielsweise möglich, daß zusätzlich zu den oben beschriebenen Strukturen in den aktiven Bereichen in die Unterseite des Schichtkörpers Strukturen abgeformt sind, welche die Einkopplung des Lichts in die photovoltaisch aktive Schicht verbessern bzw. den Weg im absorbierenden Material verlängern. Weiter ist es auch möglich in den inaktiven Bereich oder den aktiven Bereich an der Oberseite des Schichtkörpers Antireflexionsstrukturen vorzusehen, die die Einkopplungsverluste reduzieren (z. B. Mottenaugenstrukturen, tiefe, hochfrequente gekreuzte Sinusgitter).
  • Bei den lichtablenkenden Strukturen handelt es sich bevorzugt um Mikrostrukturen, welche das einfallende Licht, wie bereits oben dargelegt, in einem vorbestimmten und auch von ihrer Position zum nächstgelegenen aktiven Bereich abhängigen Winkel durch Reflexion, Beugung, Brechung oder Streuung ablenken. Die lichtablenkenden Strukturen besitzen hierbei bevorzugt eine Strukturtiefe zwischen 0,05 μm und 20 μm und die maximale Breite der lichtablenkenden Strukturen beträgt bevorzugt weniger als 500 μm, weiterhin bevorzugt weniger als 50 μm.
  • In einer ersten vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, daß die lichtablenkenden Strukturen Blaze-Gitterstrukturen sind. Bei einem Blaze-Gitter handelt es sich um eine Oberflächenstruktur mit asymmetrischen sägezahnförmigen Strukturelementen, die das Licht aufgrund der Asymmetrie der Strukturelemente in ein oder mehrere bevorzugte Richtungen reflektieren und/oder beugen. Die Spatialfrequenz der hier verwendeten Gitter liegt im Bereich von 20 Linien/mm bis 2000 Linien/mm. Die Gitterparameter sind hierbei vorzugsweise so gewählt, daß die Gitter als achromatische Gitter wirken.
  • Weitere vorteilhafte Ausbildungen sehen vor, daß die lichtablenkenden Strukturen von einer diffraktiven Oberflächenstruktur gebildet sind. Insbesondere werden die lichtablenkenden Strukturen von einem Kinoform gebildet, welches das Licht entsprechend dem vorbestimmten Winkel gerichtet durch Beugung ablenkt. Die Spatialfrequenz der diffraktiven Oberflächenstrukturen liegt bevorzugt in einem Bereich von 200 Linien/mm bis 2000 Linien/mm. Weiterhin ist es auch möglich, daß die lichtablenkenden Strukturen von isotropen oder anisotropen Mattstrukturen gebildet werden, die das einfallende Licht ebenfalls entsprechend gerichtet oder ungerichtet streuen. Sowohl das Kinoform als auch die isotrope oder anisotrope Mattstruktur können mittels holographischer oder nicht-holographischer Verfahren hergestellt werden.
  • Es ist weiter auch möglich, daß es sich bei den lichtablenkenden Strukturen nicht um Oberflächenstrukturen handelt, sondern um Volumenhologramme.
  • Eine weitere bevorzugte Möglichkeit besteht darin, daß die lichtablenkenden Strukturen diffraktive Strukturen, insbesondere lineare oder gekreuzte Gitterstrukturen, Sinus-Gitter oder asymmetrische Gitterstrukturen sind. Diese Strukturen werden bezüglich ihrer Spatialfrequenz und ihres Azimutwinkel derart ausgewählt, daß das Beugungs-Maximum (beispielsweise in der 1. Ordnung) bezüglich der Wellenlänge, für die die photovoltaisch aktive Schicht ein Effizienz-Maximum besitzt, welches das Licht in dem gemäß der obigen Überlegungen vorbestimmten Winkel aus dem Spiegelreflex/Einfallsrichtung beugt. Die Längsrichtung der inaktiven Bereiche stimmt hierbei bevorzugt mit der Richtung der Gitterlinien des Beugungsgitters überein.
  • Weiter ist es auch möglich, als lichtablenkende Strukturen Beugungsstrukturen nullter Ordnung zu verwenden, bevorzugt mit einer Beabstandung der Strukturelemente des Beugungsgitters unterhalb der Grenzwellenlänge des sichtbaren Lichts.
  • Weiter ist es auch möglich, als lichtablenkende Strukturen Mikroprismen zu verwenden, insbesondere in nicht aktiven Bereichen der Solarzelle Mikroprismen mit einer Rasterweite von weniger als 300 μm, und bevorzugt von weniger als 50 μm vorzusehen.
  • Weiter ist es auch möglich, als lichtablenkende Strukturen Linsenstrukturen, insbesondere Mikrolinsen vorzusehen. Die Linsenstrukturen können hierbei sphärische oder asphärische, fokussierende oder defokussierende Linsenstrukturen sein. Der Brennpunkt oder die Brennpunktlinien der Mikrolinsen sind bevorzugt weniger als 500 μm voneinander beabstandet. Die Mikrolinsen können hierbei von refraktiven Mikrolinsen oder auch von diffraktiven Mikrolinsen gebildet werden. Diese lichtablenkenden Strukturen werden bevorzugt mit anderen lichtablenkenden Strukturen kombiniert, die, wie beispielsweise oben dargelegt, beabstandet von diesen lichtablenkenden Strukturen in der Solarzelle angeordnet sind und bevorzugt als Reflexions-Strukturen ausgebildet sind.
  • Die lichtablenkenden Strukturen können vorteilhafterweise in eine Replizierschicht, insbesondere eine Replizierlackschicht aus einem thermoplastischen Kunststoff oder aus einem UV-härtbaren Lack abgeformt sein, beispielsweise mittels eines Heißprägewerkzeugs oder mittels UV-Replikation. Weiter ist es auch möglich, daß die lichtablenkenden Strukturen in eine Trägerfolie, beispielsweise bestehend aus einem biaxial gereckten transparenten Kunststoff, beispielsweise PET, PEN oder BOPP, abgeformt sind.
  • Der Schichtkörper besteht vorzugsweise aus einer Kunststofffolie, insbesondere aus einer Kunststofffolie mit einer Dicke von 6 μm bis 500 μm oder weist eine solche Kunststofffolie neben ein oder mehreren weiteren Schichten auf.
  • Bei der erfindungsgemässen Solarzelle kann es sich auch um ein Solarzellenmodul mit zwei oder mehr elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen handeln. Die Einzelzellen können hierbei parallel und/oder seriell miteinander elektrisch verschaltet sein. Bei der erfindungsgemässen Solarzelle kann es sich um eine Single- oder Multi-Junction-Solarzelle handeln. Bei den Multi-Junction-Solarzellen handelt es sich um Solarzellen, bei denen mehrere Einzelzellen mit verschiedenen Bandlückenenergien übereinander gestapelt werden und möglichst verlustfrei miteinander verschaltet werden. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Solarzelle weiter verbessert werden. Die Einzelzellen der erfindungsgemässen Solarzelle können beispielsweise auch beidseitig auf einem zentralen Träger angeordnet sein. Je nach Aufbau der erfindungsgemässen Solarzelle können die inaktiven Bereiche transparente oder semitransparente Elektroden und/oder stromleitende Elemente aufweisen. Diese Elemente können hierbei auch eine Zweitfunktion haben, beispielsweise eine dekorative Funktion oder die Funktion einer Antenne. Die Solarzelle kann beispielsweise schachbrettartig aufgebaut sein, wobei zwischen den aktiven Bereichen mit den photovoltaisch aktiven Schichten streifenförmig inaktive Bereiche angeordnet sind, in denen stromleitende Elemente vorgesehen sind, die eine Reihen- und/oder Parallelschaltung der von den aktiven Bereichen ausgebildeten Einzelzellen herstellen. Auf diese Weise kann die Solarzelle hinsichtlich der abgegebenen Spannung oder des abgegebenen Stroms optimiert werden.
  • Hierbei ist es auch weiter möglich, daß der Schichtkörper, der die Lichtleitfunktion erbringt, lediglich bereichsweise auf die darunter liegenden Schichten der Solarzelle appliziert ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es so auch möglich, daß der Schichtkörper als Halbzeug vorgefertigt wird und sodann mit dem in einem parallelen Herstellungsprozess gefertigten, die photoaktiven Schichten der Solarzelle aufweisenden Folienkörper in einem anschließenden Arbeitsschritt vorzugsweise in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess zusammen laminiert wird.
  • Bei der photovoltaischen Schicht handelt es sich vorzugsweise um eine Schicht oder ein Schichtsystem enthaltend mindestens einen photovoltaisch aktiven Halbleiter, insbesondere einen photovoltaisch aktiven organischen Halbleiter.
  • Eine photovoltaisch aktive Schicht kann neben dem photovoltaisch aktiven Halbleiter noch ein oder mehrere weitere Halbleiterschichten – vorzugsweise organische Halbleiterschichten – beinhalten, die beispielsweise als Elektronen-Donatoren oder Akzeptoren wirken. Diese Schichten können in Form eines Gemisches oder auch in Form von separaten Lagen vorliegen. Vorzugsweise wird die photovoltaisch aktive Schicht oder die Schichten der photovoltaisch aktiven Schicht mittels eines Druckverfahrens oder in einer anderen Weise aus einer Lösung bei der Herstellung der erfindungsgemässen organischen Solarzellen auf die darunter liegenden Schichten, beispielsweise eine Elektrodenschicht, aufgebracht.
  • Aber auch eine andersartige Ausgestaltung und ein andersartiger Aufbau der photovoltaisch aktiven Schicht sind möglich. So ist es beispielsweise auch möglich, daß die photovoltaisch aktive Schicht aus einem Gemisch oder einer Schichtabfolge von organischen und/oder anorganischen Halbleitern besteht.
  • Beidseitig der photovoltaisch aktiven Schicht ist weiter eine Elektrode vorgesehen, wobei sowohl die der Lichteintrittseite zugewandte Elektrode als auch die der Lichteintrittseite abgewandte Elektrode aus einem transparenten und/oder semitransparenten Material ausgebildet sein können oder aus einem feinen Metallgitter bestehen kann.
  • Die erfindungsgemäße Solarzelle ist bevorzugt als flexibler Mehrschichtkörper ausgebildet, beispielsweise als Transfer- oder Laminierfolie. Die Solarzelle kann so besonders einfach montiert und transportiert werden, beispielsweise durch Aufkleben oder Auflaminieren bzw. durch Transport als Rollenware. Die Montageflächen sind wegen der Flexibilität der Solarzelle nicht auf ebene Flächen beschränkt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft erläutert:
  • 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines aktiven Bereichs einer Solarzelle.
  • 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemässen Solarzelle für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemässen Solarzelle für ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • In 1 ist der vereinfachte Aufbau einer organischen Solarzelle (PV) dargestellt.
  • 1 zeigt eine organische Solarzelle 1, die in Form eines Mehrschichtkörpers, insbesondere in Form eines mehrschichtigen, flexiblen Folienkörpers ausgestaltet ist, und die einen Schichtkörper 10, ein Modul- oder Zellengebilde 20 und eine Verkapselungsschicht 40 in der dargestellten Reihenfolge aufweist. Es ist hierbei auch möglich, daß die Solarzelle ein oder mehrere weitere Schichten aufweist, die zwischen diesen Schichten angeordnet ist. Weiter ist es auch möglich, auf die Verkapselungsschicht 40 zu verzichten. Weiter ist es auch möglich, daß direkt auf das Modul- oder Zellengebilde 20 oder auf die Verkapselungsschicht 40 noch eine Kleberschicht, insbesondere ein Schicht aus einem thermisch aktivierbaren oder durch Druck aktivierbaren Kleber folgt, mittels der die Solarzelle 1 an einem Zielsubstrat festlegbar ist.
  • Der Schichtkörper 10 bildet die Vorderseite der Solarzelle 1, welche die Lichteintrittseite darstellt. Das auf die Solarzelle 1 eingestrahlte Licht 4 bestehend aus Lichtquanten fällt so, wie in 1 dargestellt, auf der von dem Modul- oder Zellengebilde 20 abgewandten Seite des Schichtkörpers 10 auf die Solarzelle 1 ein, wird von dem Schichtkörper 10, wie weiter unten detailliert erläutert, bereichsweise umgeleitet und trifft sodann auf das Modul- oder Zellengebilde der Solarzelle 1. Das Modul- oder Zellengebilde 20 besteht aus ein oder mehreren Einzelzellen, bevorzugt aus einer Vielzahl miteinander partiell und/oder seriell elektrisch verschalteten Einzelzellen, die die einfallenden Lichtquanten in elektrische Energie umwandeln. Die Verkapselungsschicht 40 dient dem Schutz des Moduls- oder Zellengebildes 20 vor Umwelteinflüssen. Die Funktion einer Verkapselungsschicht wird auf der Lichteintrittseite von dem Schichtkörper 10 wahrgenommen, der so eine Doppelfunktion, nämlich die einer Verkapselungsschicht und die einer die Effektivität der Solarzelle 1 verbessernden Lichtleiteinrichtung erbringt.
  • Bei dem Schichtkörper 10 handelt es sich, wie weiter unten detailliert erläutert, vorzugsweise um eine transparente Kunststofffolie von etwa 6 um bis 500 μm, bevorzugt von 20 bis 50 μm, beispielsweise um eine PET-Folie, PEN- oder BOPP-Folie, welche weiter optional noch mit ein oder mehreren weiteren Schichten versehen sein kann. Der Schichtkörper 10 erbringt so vorzugsweise auch noch die Funktion eines Trägersubstrats, welches der Solarzelle 1 die nötige mechanische Stabilität verleiht. Mögliche Ausgestaltungen des Schichtkörpers 10 werden weiter unten anhand von 2 erläutert und im Weiteren wird auf die vorgehenden Ausführungen bezüglich der Ausgestaltung eines in einer erfindungsgemässen Solarzelle vorgesehenen Schichtkörpers verwiesen.
  • Wie bereits oben dargelegt, besteht das Modul- oder Zellengebilde 20 bevorzugt aus einer Vielzahl von Einzelzellen, die über Stromleitelemente miteinander in Parallelschaltung und/oder Reihenschaltung elektrisch verbunden sind. In den aktiven Bereichen, in denen in dem Modul- oder Zellengebilde 20 eine photovoltaisch aktive Schicht vorgesehen ist, wird das in die Solarzelle 1 einfallende Licht in elektrische Energie umgewandelt. In inaktiven Bereichen, in denen beispielsweise Stromleitelemente zur elektrischen Verknüpfung von aktiven Bereichen vorgesehen sind, wird das einfallende Licht nicht in elektrische Energie umgewandelt, es ist hier so beispielsweise keine photovoltaisch aktive Schicht vorgesehen. 1 zeigt nun eine Schnittdarstellung durch einen aktiven Bereich, in dem das Modul- oder Zellengebilde 20 photovoltaisch aktive Schichten aufweist und eine photovoltaisch aktive Fläche ausbildet. In diesem Bereich weist das Modul- oder Zellengebilde 20 eine erste Elektrode 21, eine photovoltaisch aktive Schicht 23, die vorzugsweise aus mehreren aktiven Schichten besteht und eine zweite Elektrode 22 auf. Auf der ersten Elektrode 21, die transparent oder semitransparent ausgebildet sein kann, sind die aktiven Schichten wie z. B. Elektronenblocker-Schicht; SC-Schicht und Hole-Blocker-Schicht aufgebracht. (Sc = semi-conductor, d. h. photovoltaisch aktive Halbleiterschicht). Die SC-Schicht besteht vorzugsweise aus einem Gebilde aus Elektronen-Donatoren und Elektronen-Akzeptoren. Sie kann aus einer Schicht oder aus mehreren Schichten bestehen. Die Elektronen-Donatoren und Elektronen-Akzeptoren können in Form eines Gemisches (Bulk Heterojunction) oder in Form einzelner Schichten oder einer Kombination beider vorliegen. Auf die photovoltaisch aktive Schicht 23 wird sodann die zweite Elektrode 22 aufgebracht, die vorzugsweise aus einer dünnen, opaken Metallschicht besteht. Es ist jedoch auch möglich, daß es sich bei der zweiten Elektrode 22 ebenfalls um eine transparente oder semitransparente Schicht handelt.
  • Die erste Elektrode 21 besteht beispielsweise aus einer metallischen Schicht mit einer Schichtdicke von wenigen Nanometern, beispielsweise mit einer Schichtdicke von 10 bis 15 nm. Die Elektrode 21 kann jedoch auch aus einem elektrisch leitfähigen transparentem Material, beispielsweise ITO, aus IMI (ITO-Metall- ITO) oder aus einem elektrisch leitfähigen Polymer bestehen. Die metallische Schicht kann vorzugsweise aus Gold, Aluminium, Kupfer oder Silber oder aus einer Legierung aus diesen Metallen ausgebildet sein. Zwischen der transparenten und/oder semitransparenten Elektrode 21 und der vorzugsweise als organische Halbleiterschicht ausgebildeten SC-Schicht der photovoltaisch aktiven Schicht 23 ist eine Hole-Blocker-Schicht angeordnet, beispielsweise aus TiOx bestehend. Auf die SC-Schicht folgt eine Elektronen-Blocker-Schicht, die beispielsweise aus PEDOT : PSS gebildet sein kann. Die zweite Elektrode 22 kann wie die erste Elektrode 21 ausgebildet sein, wobei diese Elektrode auch aus einer Metallschicht mit einer größeren Dicke gebildet sein kann. Vorzugsweise hat diese Elektrodenblockerschicht 21 hierbei eine Schichtdicke von 10 nm bis 50 nm, die Hole-Blocker-Schicht eine Schichtdicke von 10 nm bis 15 nm, die SC-Schicht, die beispielsweise aus PCBM : P3HT besteht, eine Schichtdicke von 100 nm bis 200 nm und die Elektronen-Blocker-Schicht eine Schichtdicke von 100 nm bis 200 nm und die zwei Elektrodenschichten, die Elektrode 22, eine Schichtdicke von 10 nm bis 50 nm.
  • Fallen nun Lichtquanten in den in 1 dargestellten aktiven Bereich so erfolgt in der SC-Schicht eine Ladungstrennung, die letztendlich zu einer Potentialdifferenz an den Elektroden (21 und 22) führt (in diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß in 2 und 3 die Hole-Blocker- oder Elektronen-Blocker-Schichten nicht separat dargestellt sind).
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun detailliert anhand von 2 erläutert.
  • 2 zeigt eine Schnittdarstellung der Solarzelle 1 mit dem Schichtkörper 10, dem Modul- und Zellengebilde 20 und der Verkapselungsschicht 40. Wie in 2 dargestellt, weist das Modul- oder Zellengebilde 20 mehrere aktive Bereiche und inaktive Bereiche auf, von denen in 2 die aktiven Bereiche 52 und der nichtaktive Bereich 51 gezeigt ist. Wie bereits oben ausgeführt ist das Modul- oder Zellengebilde in den aktiven Bereichen 52 wie in 1 dargestellt ausgestaltet, so daß in diesen Bereichen das einfallende Licht in elektrische Energie umgewandelt wird und in den nichtaktiven Bereichen 51 die photovoltaisch aktive Schicht 23 nicht vorgesehen ist, so in diesen Bereichen das einfallende Licht nicht in elektrische Energie umgewandelt wird. In den nichtaktiven Bereichen 51 sind bevorzugt (in 2 nicht dargestellt) Stromleitelemente vorgesehen, welche die aktiven Bereiche elektrisch in Seriell- und/oder Parallelschaltung verbinden.
  • Weiter ist es auch möglich, daß das Modul- oder Zellengebilde 20 in den aktiven Bereichen nicht wie in 1 dargestellt als Single-Junction-Zelle aufgebaut sind, sondern als Multi-Junction-Zelle. Bei einer solchen Zelle sind mehrere Einzelzellen übereinander gestapelt vorgesehen, so daß sich der anhand von 1 dargestellte Schichtaufbau des Modul- oder Zellengebildes 20 ein oder mehrfach wiederholt. Vorzugsweise sind hierbei Einzelzellen mit verschiedenen Bandlückenenergien (unterschiedlichen SC-Schichten) übereinander gestapelt vorgesehen und möglichst verlustfrei miteinander verschaltet. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Solarzelle 1 weiter verbessert werden.
  • In dem in 2 dargestellten Fall wird als Schichtkörper 10 ein Foliengebilde mit partiell strukturierten Bereichen 11 auf das Modul- oder Zellengebilde der Solarzelle 1, wie in 2 gezeigt, aufgebracht, wobei sich die strukturierten Bereiche 11 auf der Unterseite des Trägers (Foliengebilde 10) befinden. Hierbei ist es weiter auch möglich, daß das Foliengebilde 10 auch von Anfang an vorliegt und das Modul- oder Zellengebilde 20 auf dem Foliengebilde 10 als Trägersubstrat mittels mehrerer Herstellungsschritte, insbesondere umfassend Druckprozesse bevorzugt in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren aufgebaut wird. Weiter ist es auch möglich, daß – wie auch weiter hinten erläutert – das Foliengebilde 10 in Form einer Laminierfolie separat produziert wird und dann vollflächig oder bereichsweise, vorzugsweise in Form von Streifen, auf das Modul- oder Zellengebilde 20 aufgebracht wird. Dabei bedecken die strukturierten Bereiche 11 des Foliengebildes 10 vollständig oder partiell die nichtaktiven Bereiche 51 des Modul- oder Zellengebildes 20 und führen zu einer Lichtumlenkung des Lichtes aus dem jeweiligen inaktiven Bereich 51 in den aktiven Bereich 52, wie in 2 verdeutlicht.
  • In den strukturierten Bereichen 11 sind lichtablenkende Strukturen vorgesehen, welche – wie in 2 dargestellt – in Reflexion wirken und das einfallende Licht in Richtung der Vorderseite der Solarzelle 1 durch Beugung/Reflexion umlenken. Wie bereits oben dargestellt, ist es hierbei möglich, daß lichtablenkende Strukturen lediglich in die Unterseite des Schichtkörpers, beispielsweise durch ein thermisches Replizierverfahren oder durch ein UV-Replizierverfahren, abgeformt sind und so eine entsprechend ausgeformte Grenzfläche zwischen dem Material des Foliengebildes 10 und dem an diesem angrenzenden Material, beispielsweise Luft, ausbilden. Je nach verwendeten Strukturen und dem an das Material der Unterseite des Foliengebildes 10 angrenzenden Mediums kann es weiter vorgesehen sein, daß die lichtablenkenden Strukturen weiter mit einer metallischen Reflexionsschicht oder ein oder mehreren dielektrischen als dielektrischer Spiegel wirkende Schichten versehen sind, wie dies bereits oben erläutert worden ist. So ist es beispielsweise möglich, auf der Unterseite des Foliengebildes 10 in den nichtaktiven Bereichen eine metallische Reflexionsschicht oder eine HRI-Schicht vorzusehen, welche einen Brechungsindex > als 1,7 , vorzugsweise > als 2,3 aufweist.
  • Die lichtablenkenden Strukturen werden hierbei – wie bereits oben aufgeführt – so ausgelegt, daß sie das in dem nichtaktiven Bereich 51, welcher mit den lichtablenkenden Strukturen versehen ist, einfallende Licht in einem vorbestimmten Winkel ablenken, so daß das Licht – wie in 2 durch Pfeile verdeutlicht – an der Vorderseite des Foliengebildes auf aktive Bereiche 52 der Solarzelle 1 rückreflektiert wird. Handelt es sich bei dem Foliengebilde 10 um eine transparente Trägerfolie, so wird der Winkel vorzugsweise so gewählt, daß an der Grenzfläche zwischen der Vorderseite des Foliengebildes 10 und dem angrenzenden Medium (Luft) eine Totalreflexion stattfindet und so das Licht weitgehend verlustfrei auf die aktiven Bereiche 52 zurückreflektiert wird. Wie in 2 weiter verdeutlicht, sind die lichtablenkenden Strukturen in dem nichtaktiven Bereich 51 unterschiedlich ausgestaltet und lenken das Licht abhängig von ihrer jeweiligen Position in einem unterschiedlichen Winkel ab, sodaß das in den in aktiven Bereichen 51 einfallende Licht möglichst gleichmäßig auf die angrenzenden aktiven Bereiche 52 umgeleitet wird.
  • Bei den Strukturen sind dabei folgende Strukturen denkbar:
    • – asymmetrische Gitter
    • – Mikroprismen
    • – sinusförmige Gitter
    • – lineare oder gekreuzte Gitter
    • – statistisch matte Strukturen
    • – Zero-Order Strukturen
    • – Sphärische oder asphärische fokussierende oder defokussierende Linsenstrukturen
    • – Kombinationen aus obigen Strukturen
  • In dem Ausführungsbeispiel nach 2 werden die lichtablenkenden Strukturen beispielsweise von Blaze-Gittern gebildet, bei denen die Ausrichtung der geneigten Flanken und der Neigungswinkel der geneigten Flanken abhängig von der Position des jeweiligen Strukturelements innerhalb des nichtaktiven Bereichs 51 entsprechend gewählt ist, um das einfallende Licht, wie in 2 gezeigt, auf die Grenzfläche zwischen Luft und dem Foliengebilde 10 zu reflektieren. Die Gitterlinien des Blaze-Gitters sind so parallel zur Grenzlinie zwischen dem aktiven Bereich 52 und dem inaktiven Bereich 51 orientiert, der Azimutwinkel der Gitterstruktur ist weiter in Richtung des nächstgelegenen aktiven Bereichs 52 orientiert und der Neigungswinkel der aktiven Flanke der Strukturelemente verringert sich – vorzugsweise linear – je näher das jeweilige Strukturelement an dem nächstgelegenen aktiven Bereich 52 positioniert ist. Es ist weiter auch möglich, daß in dem nichtaktiven Bereich ein symmetrisches Beugungsgitter vorgesehen ist, welches das einfallende Licht aus dem Spiegelreflex beugt – vorzugsweise wie bereits oben dargelegt – in einem Winkel in Bezug auf das Beugungsmaxima des für die photovoltaisch aktive Schicht relevanten Wellenlängenbereich, der den obigen Überlegungen entspricht. Auch hier ist es möglich, durch Veränderung der Spatialfrequenz in Abhängigkeit von der Distanz vom nächstgelegenen aktiven Bereich den Beugungswinkel zu verändern, um so eine möglichst gleichmäßige Verteilung des auf den nichtaktiven Bereich 51 einfallenden Lichts auf die angrenzenden aktiven Bereiche zu erzielen.
  • Weiter ist es auch möglich, daß das von den lichtablenkenden Strukturen der strukturierten Bereiche abgelenkte, in den nicht aktiven Bereichen einfallende Licht nicht nur einmal durch Totalreflexion innerhalb des Foliengebildes 10 reflektiert wird, sondern mehrfach reflektiert wird und so das Licht in einen größeren, aktiven Bereich eingekoppelt wird. Dies bietet sich je nach Schichtdicke des Foliengebildes, den Abmessungen der inaktiven/aktiven Bereiche und der lichtablenkenden Strukturen an. Bei einem Ablenkwinkel von 45° wäre zur Überwindung eines inaktiven Bereichs von 1 mm beispielsweise eine Dicke des Foliengebildes von 500 μm bei einer Totalreflexion, 250 μm bei zwei Totalreflexionen und 125 μm bei drei Totalreflexionen erforderlich. Bei einer Dicke des Schichtgebildes 10 von 150 μm (bei einer Schichtdicke der Elektrode 21 von 40 bis 80 nm, der Elektrode 22 von 100 bis 150 nm und der photovoltaisch aktiven Schicht von 350 bis 450 nm), einer Breite der aktiven Bereiche 52 von 8 bis 12 mm und einer Breite der inaktiven Bereiche von 1 bis 2,5 mm hat sich hierbei insbesondere die Verwendung folgender Strukturen als lichtablenkenden Strukturen bewährt:
    Lineare Sinusgitter (Wellenlänge = 550 nm) mit 1285 L/mm und einer Strukturtiefe von 0,11 μm; Verwendung eines linearen Blazegitters (Wellenlänge = 550 nm) mit einer Beabstandung der Strukturelemente von 2,3 μm und einer Strukturtiefe von 0,8 μm; Verwendung eines refraktiven Mikroprismas mit einem Abstand der Strukturelemente von 20 μm und einer Strukturtiefe von 8,3 μm (geometrischer Winkel von 22,5°).
  • Auch ist es möglich, daß in den nichtaktiven Bereichen eine konkave oder konvexe diffraktive oder refraktive Linse als lichtablenkende und/oder lichtführende Struktur abgeformt ist.
  • Weiter kann es auch vorgesehen sein, daß das Foliengebilde 10 eine transparente oder mehrere transparente Schichten vorsieht, die vorzugsweise in die Vorderseite des Foliengebildes 10 angrenzen und die speziell dazu ausgelegt sind, daß von den lichtablenkenden Strukturen auf sie gelenktes Licht möglichst verlustfrei auf die aktiven Bereiche zurückzureflektieren. Bei diesen Schichten handelt es sich vorzugsweise um eine HRI-Schicht oder um eine Abfolge von HRI und LRI-Schichten. Es ist hierbei auch möglich, daß diese Schichten in unterschiedlichen Höhenlagen des Foliengebildes 10 angeordnet sind und so durch Mehrfachreflexion eine möglichst vollständige und auch gleichmäßige Verteilung des in den inaktiven Bereichen 51 eingestrahlten Lichts auf die aktiven Bereiche 52 erzielt wird.
  • Anhand von 3 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. 3 zeigt eine Solarzelle 3 mit einem Schichtkörper 30, dem Modul- oder Zellengebilde 20 und der Vekapselungsschicht 40. Das Modul oder Zellengebilde 20 ist wie das Modul- oder Zellengebilde 20 nach den Figuren 2 und 1 ausgebildet und weist aktive Bereiche 52 und inaktive Bereiche 51 auf.
  • In dem in 3 dargestellten Fall wird das Foliengebilde 303 mit partiell strukturierten Bereichen 31 auf das Modul- oder Zellengebilde 20 der Solarzelle 3, wie in 3 gezeigt, aufgebracht, wobei sich die strukturierten Bereiche 31 auf der Oberseite des Trägers, d. h. des Foliengebilde 30 befinden und zudem „Spiegelbereiche" 32 (partieller Metallspiegel) auf der Unterseite des Foliengebildes 30 befinden. Dabei bedecken diese Bereiche, d. h. die Bereiche (31/32) des Foliengebildes 30 vollständig oder partiell die nichtaktiven Bereiche 51 des Modul- oder Zellengebildes 20 und führen, wie in 3 verdeutlicht, zu einer Lichtumlenkung des Lichtes aus den nichtaktiven Bereichen 51 in die aktiven Bereiche 52.
  • Ansonsten kann das Foliengebilde 30 in gleicher Weise wie das Foliengebilde 10 nach 2 ausgestaltet sein. Das Selbe gilt für die Applizierung des Foliengebildes 30 auf dem Modul- oder Zellengebilde 20 oder die Herstellung des aus Foliengebilde 30 und 20 bestehenden Gebildes. Es wird somit in Bezug auf diese Punkte auf die Ausführung zum Foliengebilde 10 und dem Modul- und Zellengebilde 20 nach 1 und 2 verwiesen.
  • Bei den lichtablenkenden Strukturen, die in dem strukturierten Bereich 31 vorgesehen sind, handelt es sich um in Transmission wirkende Strukturen, d. h. Strukturen, die das einfallende Licht um weniger als 180° ablenken, d. h. das einfallende Licht in das angrenzende Medium transmittieren und ablenken, und beispielsweise durch Beugung oder durch Brechung in Richtung der Unterseite des Foliengebildes 30 ablenken. Vorzugsweise sind die lichtablenkenden Strukturen hierbei in die Oberfläche des Foliengebildes 30, beispielsweise durch thermische Replikation oder UV-Replikation, abgeformt. Es ist jedoch auch weiter möglich, daß die lichtablenkenden Strukturen des strukturierten Bereichs 31 zwischen zwei Schichten des Foliengebildes 30 abgeformt sind, die über einen unterschiedlichen Brechungsindex verfügen. So ist es beispielsweise möglich, daß die lichtablenkenden Strukturen in die – in Bezug auf den Lichteinfall – Unterseite einer Replizierschicht des Foliengebildes 30 abgeformt sind, an die eine weitere Schicht des Foliengebildes 30 mit unterschiedlichem Brechungsindex, vorzugsweise eine HRI-Schicht angrenzt. Die lichtablenkenden Strukturen des strukturierten Bereichs 31 können so in einer Grenzfläche zwischen Luft und einer Schicht des Foliengebildes 30 oder in einer Grenzfläche zwischen zwei Schichten des Foliengebildes 30 abgeformt sein. Im zweiten Fall unterscheidet sich der Brechungsindex der beiden Schichten vorzugsweise um mehr als 0,2. Bei den Strukturen sind dabei folgende Strukturen denkbar:
    • – asymmetrische Gitter
    • – Mikroprismen
    • – sinusförmige Gitter
    • – lineare oder gekreuzte Gitter
    • – statistisch matte Strukturen
    • – Zero-Order Strukturen
    • – Sphärische oder asphärische fokussierende oder defokussierende Linsenstrukturen
    • – Kombinationen obiger Strukturen
  • Die lichtablenkenden Strukturen können – wie bereits bei den lichtablenkenden Strukturen nach 2 erläutert – vollflächig oder lediglich partiell im Bereich der nichtaktiven Bereiche vorgesehen sein und sich auch in Abhängigkeit von der jeweiligen Position und dem jeweiligen Abstand von dem nächstgelegenen aktiven Bereich 52 in ihren Strukturparametern unterscheiden. Wie bereits in Bezug auf 2 erläutert, werden als lichtablenkende Strukturen im Bereich 31 ebenfalls vorzugsweise Blaze-Gitter, symmetrische Beugungsgitter, Mattstrukturen und (diffraktive) Linsen verwendet, die das einfallende Licht in einem entsprechenden Winkel aus der Einfallsrichtung durch Brechung oder Beugung ablenken, bei dem durch Reflexion an der in dem Bereich 32 vorgesehenen Reflexionsschicht und nochmalige Reflexion an einer Grenzfläche des Schichtgebildes 30 das Licht in einen der aktiven Bereiche 52 gelenkt wird. Bezüglich der in dem Bereich 31 verwendbaren lichtablenkenden Strukturen sowie bezüglich der Abhängigkeit zwischen der Dicke des Foliengebildes 30 und dem von den lichtablenkenden Strukturen erzielten Ablenkungswinkel wird auf die Ausführungen zu 2 verwiesen. Auch hier ist es möglich, daß das von der lichtablenkenden Struktur abgelenkte Licht nicht nur mittels einer Totalreflexion in einen aktiven Bereich 52 eingekoppelt wird, sondern daß auch zwei oder mehr Totalreflexionen insbesondere an der Oberseite und/oder Unterseite des Schichtgebildes 30 stattfinden und auf diese Weise – wie bereits in Bezug auf 2 ausgeführt – der inaktive Bereich "überbrückt" wird bzw. durch Mehrfachreflexion die Einkopplung des Lichts in das Modul oder Zellengebilde 20, insbesondere in die photovoltaisch aktive Schicht 23 verbessert wird.
  • Die in dem Bereich 32 angeordnete Reflexionsschicht kann aus einer Metallschicht oder auch aus ein oder mehreren dielektrischen Schichten bestehen, die wie oben dargestellt einen dielektrischen Spiegel ausbilden. Die Reflexionsschicht kann hierbei den inaktiven Bereich 51 vollständig oder auch nur partiell überdecken. Bezüglich der Ausgestaltung des Foliengebildes 30 bezüglich der Rückreflexion des an dem Bereich 32 reflektierten Lichts, wird auf die Ausführungen zu dem Foliengebilde 20 nach 2 verwiesen.
  • Insbesondere wird auf folgende weitere vorteilhafte Weiterbildungen verwiesen, die einzeln oder auch in beliebiger Kombination mit den obigen Ausführungsbeispielen sowie den in den Ansprüchen definierten Gegenständen kombiniert werden können.
  • Hierbei wird der Begriff Foliengebilde für den vorgehend verwendeten Begriff Schichtkörper verwendet und ist insbesondere auf die Ausführung des Schichtkörpers als Foliengebilde 10 und/oder Foliengebilde 30 nach 2 bzw. 3 gerichtet.
    • – Es kann vorgesehen sein, daß das Foliengebilde aus einzelnen unterschiedlichen Schichten aufgebaut ist.
    • – Es kann aber auch vorgesehen sein, daß das Foliengebilde aus einzelnen gleichen Schichten aufgebaut ist.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß sich partielle weitere Schichten in unterschiedlichen Bereichen des Foliengebildes befinden.
    • – Zudem kann vorgesehen sein, daß direkt auf das Foliengebilde mit den Strukturen die aktiven Bereiche durch z. B. Tiefdruck aufgebracht werden – d. h. das Foliengebilde dient direkt als Bedruckstoff.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß sich die strukturierten Bereiche auf dem Foliengebilde in Größe, Form und Struktur unterscheiden.
    • – Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß zu den Strukturen über den nichtaktiven Bereichen zur Umlenkung des Lichtes, auch Strukturen in den aktiven Bereichen (z. B. Mottenaugenstrukturen) zur Reduzierung der Reflektion mit eingebracht werden.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß die Strukturen direkt in den Trägerstoff eingebracht werden.
    • – Vorgesehen kann aber auch sein, daß diese Strukturen in einen oder mehrere Lackschichten eingebracht werden.
    • – Es kann auch vorgesehen sein, daß diese Strukturen in Verbindung mit Hologrammen etc. aufgebracht werden, um der PV ein entsprechendes Design zu verleihen.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß das Foliengebilde nicht nur bei der OPV sondern auch bei der DSSC oder anderen PV Technologien Einsatz findet.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß das Foliengebilde in Form von einzelnen Streifen auf das PV Gebilde aufgebracht wird.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß das Foliengebilde in Form einer Laminierfolie separat produziert wird und dann in einem Streifenlaminationsverfahren auf das PV System aufgebracht wird.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß das Foliengebilde sowohl auf der Vorderals auch auf der Rückseite mit Mikrostrukturen versehen ist (Kombination der Ausführungsbeispiele nach 2 und 3).
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß die Mikrostrukturen des Foliengebildes auf der Rückseite mit reflektionsverstärkenden metallischen oder dielektrischen Schichten versehen sind. Diese Schichten können evtl. auch nur partiell mit der reflektionsverstärkenden Schicht belegt sein.
    • – Es kann ferner vorgesehen sein, daß das Foliengebilde aus mehreren Lagen besteht, bei denen in unterschiedlichen Tiefen Strukturen eingebracht sind.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß das Foliengebilde nicht in allen nichtaktiven Bereichen entsprechende Strukturen aufweist
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß die Foliengebilde sowohl auf der Font- wie auch Rückseite der PV aufgebracht werden
    • – Es kann zudem vorgesehen sein, daß sich in diesem Fall die Foliengebilde unterscheiden.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß die Foliengebilde bei Multi Junction Zellen oder Modulen Einsatz finden.
    • – Es kann ferner vorgesehen sein, daß die Foliengebilde eingefärbt sind.
    • – In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, daß die Foliengebilde gleich eine oder mehrere Barriereschichten im gesamten PV Aufbau bilden.
    • – Zudem kann vorgesehen sein, daß die Foliengebilde zudem Partikel enthalten, die selektiv Banden des einfallenden Lichtes in andere Bereiche shiften.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß die Foliengebilde zudem Partikel etc. enthalten, die als Streuzentren wirken.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß die Foliengebilde in einem R2R Verfahren auflaminiert werden.
    • – Es kann auch vorgesehen sein, daß einzelne Bereiche des Foliengebildes (1, 3) aufgeprägt werden, z. B. in über eine R2R Prägung oder eine Hubprägung.
    • – In diesem Zusammenhang kann auch sein, daß mehrere Prägungen vorgesehen sind.
    • – Es kann zudem vorgesehen sein, daß das Auflaminieren der Front- und Rückseite der PV in einem Schritt erfolgt.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß die Erzeugung des Ausführungsbeispieleüber mehr als ein Schritt erfolgt.
    • – Es kann zudem vorgesehen sein, daß die rückseitige Metallschicht (Spiegel) im Ausführungsbeispiel 2 gleich neben einander liegende Zellen eines Moduls elektrisch verschaltet.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß im Ausführungsbeispiel 2 das Foliengebilde 3 sowohl an der Front-, wie auch Rückseite Strukturen in den nichtaktiven Bereichen aufweist.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß im Ausführungsbeispiel 1 das Foliengebilde sowohl an der Front-, wie auch Rückseite Strukturen in den nichtaktiven Bereichen aufweist.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß die Mikro-Strukturen – nicht wie in 2 und 3 dargestellt – das Licht sowohl auf die rechte, wie auch linke Seite ablenken, sondern nur in eine Richtung.
    • – In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, daß sowohl Bereiche auf dem Foliengebilde vorhanden sind, die sowohl das Licht in beide Richtungen, als auch das nur zu einer Seite ablenken.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß solche Foliengebilde mit anderen Foliengebilden eingesetzt werden, die z. B. auf der Rückseite des Trägers aufgebracht werden.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß die Foliengebilde aus Material ähnlich einer Schrumpffolie bestehen – somit können z. B. nach dem Auflaminieren Wellenstrukturen erzeugt werden.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß das Foliengebilde partiell eingefärbt ist – z. B. eine zusätzliche Einfärbung in den aktiven Bereichen.
    • – Vorgesehen kann auch sein, daß diese Einfärbung partiell ist und ein Design darstellt.
    • – Es kann aber auch vorgesehen sein, daß die Einfärbung im Foliengebilde nur in den nichtaktiven Bereichen der Zelle oder des Moduls stattfindet und so gestaltet ist, daß diese in etwa die gleiche Einfärbung, wie die der aktiven Bereiche aufweist.
    • – Weiter ist möglich, daß unterschiedlichste Trägerstärken für das Foliengebilde zum Einsatz kommen.
    • – In diesem Zusammenhang ist auch möglich, daß nicht nur unterschiedliche Trägerstärken sondern auch unterschiedlichste Materialien zum Einsatz kommen können. Hier sind beispielsweise Materialien denkbar, die unterschiedliches Schrumpfverhalten in die beiden Raumrichtungen haben.
    • – Es ist weiter möglich, daß das gesamte Gebilde einschließlich des Foliengebildes oder Teilgebildes als Inmold-Folie ausgestaltet wird.
    • – In diesem Zusammenhang ist auch möglich, daß die Erzeugung des gesamten Aufbaus (Strukturen + PV) über zwei Inmold-Prozesse erfolgt – andere Verfahren sind auch hier denkbar.
    • – Es kann zudem vorgesehen sein, daß weitere Schichten auf den strukturierten Bereiche des Foliengebildes vorgesehen sind.

Claims (34)

  1. Solarzelle (1, 3) in Form eines Mehrschichtkörpers, insbesondere in Form einer mehrschichtigen, flexiblen Folie, mit einer als Lichteintrittseite vorgesehenen Vorderseite, wobei die Solarzelle ein oder mehrere aktive Bereiche (52), in denen die Solarzelle mindestens eine photovoltaisch aktive Schicht (23) aufweist, und ein oder mehrere inaktive Bereiche (51) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzelle einen Schichtkörper (10, 30) mit ein oder mehreren transparenten oder semitransparenten Schichten aufweist, der in Bezug auf die Lichteintrittseite oberhalb der mindestens einen photovoltaisch aktiven Schicht (23) angeordnet ist, und daß die Solarzelle lichtablenkende und/oder lichtführende Strukturen aufweist, die im Bereich der inaktiven Bereiche (51) angeordnet sind.
  2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen in einer Reflektionsschicht abgeformt sind oder im Bereich der ein oder mehreren nichtaktiven Bereiche der Solarzelle eine Reflektionsschicht vorgesehen ist.
  3. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektionsschicht unterhalb der lichtablenkenden Strukturen vorgesehen ist.
  4. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen die nichtaktiven Bereiche vollständig oder partiell überdecken.
  5. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektionsschicht die nichtaktiven Bereiche vollständig oder partiell überdeckt.
  6. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektionsschicht nicht in den aktiven Bereichen der Solarzelle vorgesehen ist.
  7. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen in die Unterseite des Schichtkörpers abgeformt sind.
  8. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen in die Oberseite des Schichtkörpers abgeformt sind.
  9. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen Reflektions-Strukturen sind, die das von den lichtablenkenden Strukturen reflektierte Licht ablenken.
  10. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen so ausgestaltet sind, daß sie Licht, welches in den inaktiven Bereich einfällt, auf ein oder mehrere der transparenten oder semitransparenten Schichten des Schichtkörpers in einem Winkel ablenken, der geeignet ist, daß das auf die transparente oder semitransparente Schicht abgelenkte Licht von der transparente oder semitransparente Schicht auf ein oder mehrere aktive Bereiche der Solarzelle rückreflektiert wird.
  11. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen Transmissions-Strukturen sind, die das durch die lichtablenkenden Strukturen transmittierte Licht ablenken.
  12. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen so ausgestaltet sind, daß sie Licht, welches in den inaktiven Bereich einfällt, auf die Reflektionsschicht in einem Winkel ablenken, daß das von der Reflektionsschicht reflektierte Licht auf ein oder mehrere der transparenten oder semitransparenten Schichten des Schichtkörpers in einem Winkel auftrifft, der geeignet ist, daß das auf die transparente oder semitransparente Schicht reflektierte Licht von der transparenten oder semitransparenten Schicht auf ein oder mehrere aktive Bereiche der Solarzelle rückreflektiert wird.
  13. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektionsschicht von einer Schicht des Schichtkörpers gebildet wird.
  14. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen in eine Oberfläche einer Kunststoffschicht abgeformt sind, welche an ein Medium mit einem unterschiedlichen optischen Brechungsindex angrenzt, insbesondere an Luft angrenzt, und die lichtablenkende Struktur so in eine Reflektionsschicht abgeformt ist.
  15. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektionsschicht eine metallische Reflektionsschicht ist.
  16. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektionsschicht eine dielektrische Reflektionsschicht, insbesondere ein Dünnfilmschichtsystem ist.
  17. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtkörper eine Kunststofffolie, insbesondere eine Kunststofffolie einer Dicke von 12 bis 100 μm ist oder eine solche Kunststofffolie aufweist.
  18. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die photovoltaisch aktive Schicht mindestens eine photovoltaische Halbleiterschicht, insbesondere eine organische Halbleiterschicht, vorzugsweise bestehend aus Elektronen-Donatoren und Akzeptoren, aufweist.
  19. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzelle ein Solarzellenmodul mit zwei oder mehreren elektrisch miteinander verschalteten Einzelzellen, insbesondere parallel und/oder seriell miteinander verschaltete Einzelzellen, ist.
  20. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen mikroskopische Strukturen sind.
  21. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen Blaze Gitter Strukturen sind.
  22. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen diffraktive Strukturen, insbesondere lineare oder gekreuzte Gitterstrukturen, Sinus-Gitter oder asymmetrische Gitterstrukturen sind.
  23. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen Beugungsstrukturen nullter Ordnung sind, bevorzugt von einem Beugungsgitter mit einer Beabstandung der Strukturelemente unterhalb der Grenzwellenlänge des sichtbaren Lichts.
  24. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen von Mikroprismen gebildet werden, insbesondere von einem Mikroprismenfeld mit einer Rasterweite von weniger als 300 μm, bevorzugt von weniger als 50 μm.
  25. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen Linsenstrukturen, insbesondere Mikrolinsen sind.
  26. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenstrukturen sphärische oder asphärische, fokussierende oder defokussierende Linsenstrukturen sind.
  27. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennpunkte oder Brennpunktlinien der Mikrolinsen weniger als 300 μm, bevorzugt weniger als 50 μm voneinander beabstandet sind.
  28. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrolinsen von refraktiven Mikrolinsen gebildet werden.
  29. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrolinsen von diffraktiven Mikrolinsen gebildet werden.
  30. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen von isotropen oder anisotropen Mattstrukturen gebildet werden.
  31. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen von einem Hologramm, insbesondere von einem Kinoform gebildet werden.
  32. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen eine Strukturtiefe zwischen 0,1 μm und 10 μm besitzen.
  33. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen in eine Replizierlackschicht abgeformt sind
  34. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtablenkenden Strukturen in eine Trägerfolie abgeformt sind.
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