DE102008059728A1

DE102008059728A1 - Photovoltaik-Schichtanordnung

Info

Publication number: DE102008059728A1
Application number: DE200810059728
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof. Dr. Schrey
Original assignee: Fachhochschule Koeln
Current assignee: Fachhochschule Koeln
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2010-06-02
Also published as: WO2010063614A2; WO2010063614A3

Abstract

Die Photovoltaik-Schichtanordnung (10) weist eine elektrisch leitende erste Elektrodenschicht (16) und eine für Sonnenstrahlung transparente elektrisch leitende zweite Elektrodenschicht (32) auf. Ferner weist die Photovoltaik-Schichtanordnung (10) eine zwischen den beiden Elektrodenschichten (16, 32) angeordnete, elektrisch isolierende Einbettmassenschicht (18) und eine Vielzahl von Halbleiterpartikeln (24) auf, die jeweils ein p-dotiertes Gebiet (26) sowie ein n-dotiertes Gebiet (28) und einen pn-Übergang (30) aufweisen. Die Halbleiterpartikel (24) sind nebeneinander angeordnet in der Einbettmassenschicht (8) derart eingebettet, dass die p-dotierten und die n-dotierten Gebiete (26, 28) über jeweils derselben Seite (22, 20) der Einbettmassenschicht (18) von dieser vorstehen und in der jeweils benachbarten ersten bzw. zweiten Elektrodenschicht (16, 32) zur elektrischen Verbindung mit dieser hineinragen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Schichtanordnung zur Anbringung an dem Sonnenlicht ausgesetzten Flächen bzw. Trägern durch insbesondere einen Lackierungsprozess.
Aus Umweltschutzgesichtspunkten gewinnt die Erzeugung von Elektrizität aus regenerativen Energiequellen in zunehmendem Maße an Bedeutung. Neben den regenerativen Energiequellen Wind und Wasser kommt hierbei insbesondere der Solartechnik eine zunehmend bedeutendere Rolle zu. Es existieren Solarzellenanordnungen in den unterschiedlichsten Ausgestaltungen, die jedoch sämtlich den Nachteil aufweisen, dass sie sich nur bedingt an die von ebenen Strukturen abweisenden geometrischen Formen von potenziell in Frage kommenden Träger bzw. Trägerflächen anpassen lassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Photovoltaik-Schichtanordnung zu schaffen, die sich auf einfache Art und Weise auf nahezu beliebig geformte Träger bzw. Trägerflächen aufbringen lässt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Photovoltaik-Schichtanordnung vorgeschlagen, die versehen ist mit

– einer elektrisch leitenden ersten Elektrodenschicht,
– einer für Sonnenstrahlung transparenten elektrisch leitenden zweiten Elektrodenschicht,
– einer zwischen den beiden Elektrodenschichten angeordneten, elektrisch isolierenden Einbettmassenschicht und
– einer Vielzahl von Halbleiterpartikeln, die jeweils ein p-dotiertes Gebiet sowie ein n-dotiertes Gebiet und einen pn-Übergang aufweisen,
– wobei die Halbleiterpartikel nebeneinander angeordnet in der Einbettmassenschicht derart eingebettet sind, dass die p-dotierten und die n-dotier ten Gebiete über jeweils derselben Seite der Einbettmassenschicht von dieser vorstehen und in der jeweils benachbarten ersten bzw. zweiten Elektrodenschicht zur elektrischen Verbindung mit dieser hineinragen.

Wesensmerkmal des erfindungsgemäßen Konzepts der Photovoltaik-Schichtanordnung ist die Tatsache, dass sich die Photovoltaik-Anordnung in Form einzelner Schichten auf einen Träger bzw. eine Trägerfläche aufbringen lässt. Dabei werden zweifach dotierte Halbleiterpartikel verwendet, die in eine Einbettmassenschicht, welche elektrisch isolierend wirkt, eingebettet sind. Jeder Halbleiterpartikel weist ein p-dotiertes Gebiet, in n-dotiertes Gebiet und einen pn-Übergang zwischen diesen Gebieten auf. Bei den Halbleiterpartikeln handelt es sich beispielsweise um Photodioden-Dies, die durch Schneiden eines Wafer vereinzelt worden sind, oder aber auch um Bruchstücke von beispielsweise sogenannten ”rejected wafer”, wobei jedes Bruchstück einen pn-Übergang mit (genau einem) n-dotierten und (genau einem) p-dotierten Gebiet aufweist.
Die Halbleiterpartikel sind sämtlich elektrisch gleich ausgerichtet, was z. B. durch Einbringen der Halbleiterpartikel in ein elektrisches Feld realisiert werden kann. Damit weisen also die p-dotierten Gebiete (und die n-dotierten Gebiete) sämtlicher Halbleiterpartikel jeweils in die gleiche Richtung (nämlich beispielsweise nach oben oder nach unten). Dabei können die Halbleiterpartikel mit ihren p- und n-Gebietsausrichtungen rechtwinklig oder in einem anderen, d. h. spitzen Winkel zur Erstreckungsebene der Einbettmasse angeordnet sein. Ferner sind die Halbleiterpartikel derart in die Einbettmassenschicht eingebettet, dass ihre p-dotierten Gebiete über die eine Hauptseite der Einbettmassenschicht und die n-dotierten Gebiete sämtlicher Halbleiterpartikel über die andere Hauptfläche der Einbettmassenschicht überstehen. Wird nun eine derartige Einbettmassenschicht zwischen zwei elektrisch leitenden Elektrodenschichten angeordnet, so werden die einzelnen Halbleiterpartikel über die Elektrodenschichten elektrisch kontaktiert. Damit entsteht ein Schichtenaufbau mit einer Vielzahl von eine Monopartikelschicht bildenden Photodioden. Die der Sonnenstrahlung ausgesetzte Elektrodenschicht ist dabei für die Sonnenstrahlung transparent, was für die der Trägerfläche bzw. dem Träger zugewandte Elektrodenschicht nicht erforderlich sein muss. Hier bietet es sich insbesondere an, wenn diese (untere) Elektrodenschicht die Sonnenstrahlung reflektiert.
Außerdem ist hervorzuheben, dass durch die unregelmäßige Oberflächenstruktur der Silizium-Partikel der Lichtfangfaktor erheblich größer ist als bei üblichen Solarzellen, die eine glatte, stark reflektierende Oberfläche haben.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schichtanordnung ist vor allem darin zu sehen, dass sich sämtliche Schichten wie Lack auf einen Träger bzw. ein Substrat auftragen lassen.
Ferner ist von Vorteil, dass kein spezielles Gehäuse o. dgl. zum Schutz vor Umwelteinflüssen benötigt wird. Die Kosten für ein derartiges wetterfestes Gehäuse können beträchtlich sein.
Als Materialien für die beiden Elektrodenschichten kommt beispielsweise ein OSC-(organic semi conductor)Material in Frage. Alternativ lässt sich aber auch ein Material einsetzen, das an sich elektrisch isolierend wirkt und mit elektrisch leitenden Partikeln versehen ist. Beispielsweise kann für die elektrisch leitenden Elektrodenschichten auch Silberlack eingesetzt werden. Bei der Einbettmassenschicht handelt es sich zweckmäßigerweise um beispielsweise PMMA (Polymethylmetacrylat). Bei den Halbleiterpartikeln handelt es sich zweckmäßigerweise um dotierte Silizium-Partikel (Si-Partikel), die der Schichtanordnung eine dunkel-silbrige optische Erscheinung verleihen. Alternativ lassen sich auch Kupfer-Indium-Diselenid-Partikel (CuInSe) einsetzen, die die Schichtanordnung optisch schwarz erscheinen lässt. Aber auch andere Halbleitermaterial-Partikel wie beispielsweise Gallium-Arsenid (GaAs) sind einsetzbar.
Die Größe der Halbleiterpartikel bewegt sich im μm-Bereich, und zwar zwischen 1 μm und 400 μm (die Dicke von Silizium-Wafern beträgt typischerweise 365 μm), vorzugsweise zwischen 10 μm und 100 μm und insbesondere zwischen 20 μm und 30 μm.
Als Halbzeug zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Schichtanordnung eignet sich eine werksseitig präparierte, elektrisch isolierende Schicht mit in diese eingebetteten Halbleiterpartikeln, wie sie oben beschrieben sind. Diese Schicht kann dann auf eine auf einen Träger aufgebrachte elektrisch leitende Elektrodenschicht aufgebracht werden, wobei die Halbleiterpartikel mit ihren über die Schicht überstehenden Bereichen in die noch nicht ausgehärtete Elektrodenschicht eingedrückt werden. Zweckmäßigerweise ist die Schicht mit den eingebetteten Halbleitermaterialien flexiblen, so dass sie sich der Kontur des Substrats bzw. des Trägers anpassen kann. Anschließend wird dann die zweite Elektrodenschicht aufgetragen, was, wie beim Auftrag der ersten Elektrodenschicht nach Art eines Lackauftrages erfolgen kann.
Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Schicht lässt sich beispielsweise auf Fahrzeugen (hier insbesondere auf den Fahrzeugdächern) auftragen, wobei die Photovoltaik-Schichtanordnung je nach Wahl der Halbleiterpartikel beispielsweise silberfarben oder auch schwarz wirkt. Beides ähnelt einem Metallic-Autolack.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiel und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In 1 ist eine Photovoltaik-Schichtanordnung 10 gezeigt, die durch Auftragen mehrerer Schichten wie beispielsweise bei einem mehrlagigen Lack auf beispielsweise einem Fahrzeug-Autodach 12 erstellt worden ist. Zunächst wird auf dem Dach 12 eine Zwischenschicht 14 aus elektrisch leitendem oder elektrisch isolierendem Material aufgebracht. Diese Schicht dient der mechanischen bzw. thermischen Anpassung der Photovoltaik-Schichtanordnung 10 an den Träger (in diesem Fall das Fahrzeugdach 12). Die Zwischenschicht 14 ist nicht zwingend erforderlich und kann je nach Beschaffenheit des Trägers entfallen.
Die Photovoltaik-Schichtanordnung 10 umfasst eine elektrisch leitende erste Elektrodenschicht 16 aus beispielsweise einem halbleitenden Polymermaterial (OSC), die bis zu 100 μm dick sein kann. Das Material dieser ersten Elektrodenschicht 16 sollte vorzugsweise für Sonnenlicht durchlässig sein.
Auf die erste Elektrodenschicht 16 ist eine Einbettmassenschicht 18 mit einer an die erste Elektrodenschicht 16 angrenzenden Unterseite 20 und einer Oberseite 22 aufgetragen. Die Einbettmassenschicht 18 ist elektrisch isolierend und für Sonnenstrahlung durchlässig. Als Material eignet sich insbesondere beispielsweise PMMA.
In der Einbettmassenschicht 18 befinden sich eine Vielzahl von einzelnen Halbleiterpartikeln 24, die jeweils zweifach dotiert sind. Jeder Halbleiterpartikel 24 weist ein p-dotiertes Gebiet 26 sowie ein n-dotiertes Gebiet 28 auf, wobei zwischen beiden Gebieten ein pn-Übergang 30 ausgebildet ist. Die Halbleiterpartikel 24 sind elektrisch gleich ausrichtet, was bedeutet, dass (bezogen auf die Darstellung in der Zeichnung) ihre p-dotierten Gebiete 26 nach oben und ihre n-dotierten Gebiete 28 nach unten weisen. Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass jeder Halbleiterpartikel 24 beidseitig aus der Einbettmassenschicht 18 herausragt. Die elektrische Ausrichtung der Halbleiterpartikel 24 erfolgt beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes geeigneter Stärke, und zwar zu einem Zeitpunkt, zu dem die Einbettmassenschicht noch nicht derartig ausgehärtet ist, dass sich die Halbleiterpartikel 24 in dieser Schicht nicht mehr ausrichten bzw. bewegen können.
Es sei an dieser Stelle hervorgehoben, dass als Material für die Einbettmassenschicht 18 nicht notwendigerweise aushärtbare Materialien Verwendung finden können. Es sind auch flexible Materialien (beispielsweise Elastomere) denkbar, womit die Einbettmassenschicht mit ihren Halbleiterpartikeln flexibel ist.
Die mittlere Größe der Halbleiterpartikel 24 beträgt beispielsweise 20 μm bis 30 μm. Die Dicke der Einbettmassenschicht 18 ist entsprechend gewählt, und zwar derart, dass die Halbleiterpartikel 24 beidseitig aus der Einbettmassenschicht 18 herausragen.
Auf der Oberseite 22 der Einbettmassenschicht 18 befindet sich eine zweite Elektrodenschicht 32, die ebenfalls für die Sonnenstrahlung transparent ist und beispielsweise ein halbleitendes Polymaterial (OSC) aufweist. Die zweite Elektrodenschicht 32 weist zweckmäßigerweise eine Dicke von lediglich 5 μm bis 10 μm auf. Auf diese zweite Elektrodenschicht 32 kann noch eine ebenfalls für Sonnenstrahlung transparente Schutzschicht 34 aufgetragen sein, die vorzugsweise elektrisch isolierend, aber auch elektrisch leitend sein kann.
Die beiden Elektrodenschichten 16, 32 sind mit den n-dotierten Gebieten 28 bzw. p-dotierten Gebieten 26 der Halbleiterpartikel 24 elektrisch verbunden. Zwischen diesen Schichten entsteht bei Sonneneinstrahlung eine elektrische Spannung, die für den Betrieb elektrischer Verbraucher (des Fahrzeuges) eingesetzt werden kann.
Die beschriebene Photovoltaik-Schichtanordnung 10 dient der Erzeugung von Elektrizität aus Sonnenstrahlung, d. h. aus Licht der Wellenlängen von im wesentlichen 320 Nm bis 1000 Nm. Für die Aufbringung der Photovoltaik-Schichtanordnung auf Substraten bzw. Trägern kann man sich der Techniken von Lackierprozessen bedienen. Insbesondere sind keine Hochtemperatur-Prozesse zur Aufbringung der Photovoltaik-Schichtanordnung erforderlich und auch ein Vakuumprozess ist nicht vorgesehen.
Insbesondere sind keine Hochtemperatur-Prozesse zur Aufbringung der Photovoltaik-Schichtanordnung erforderlich. Die Photovoltaik-Schichtanordnung lässt sich im wesentlichen auf allen leitenden bzw. nicht leitenden Flächen wie z. B. Fassadenplatten, Dächern, Schallschutzwänden o. dgl. aufbringen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Photovoltaik-Elementen aus monokristallinen Siliziumzellen weist die erfindungsgemäße Photovoltaik-Schichtanordnung eine Mono-Schicht aus einzelnen, nebeneinander angeordneten zweifach dotierten Halbleiterpartikeln auf, die in Dickenerstreckung der Einbettmassenschicht betrachtet keine Agglomerationen bilden, um Übergangswiderstände zu vermeiden. Vorteilhaft ist also, dass jeder Halbleiterpartikel elektrisch an die Elektrodenschichten direkt angebunden ist. Je nach Verwendung des halbleitenden Materials für die Partikel stellen sich (bei Verwendung von lichtdurchlässigen Materialien für die der sonnenbeschienenen Seite der Photovoltaik-Schichtanordnung zugewandten Elektrodenschicht) optisch ansprechende Erscheinungsformen ein.
Es ist ferner möglich, wenn die spätere Montage bereits bekannt ist, die Solar-Partikel optimal zur Sonneneinstrahlung auszurichten. Z. B. bei einer senkrechten Montage auf einer Hausfassade können die Partikel auf den mittleren Sonneneinfallswinkel ausgerichtet sein (Kompassrichtung 180°, Winkel zur Oberfläche 42°).

Claims

Photovoltaik-Schichtanordnung mit – einer elektrisch leitenden ersten Elektrodenschicht (16), – einer für Sonnenstrahlung transparenten elektrisch leitenden zweiten Elektrodenschicht (32), – einer zwischen den beiden Elektrodenschichten (16, 32) angeordneten, elektrisch isolierenden Einbettmassenschicht (18) und – einer Vielzahl von Halbleiterpartikeln (24), die jeweils ein p-dotiertes Gebiet (26) sowie ein n-dotiertes Gebiet (28) und einen pn-Übergang (30) aufweisen, – wobei die Halbleiterpartikel (24) nebeneinander angeordnet in der Einbettmassenschicht (18) derart eingebettet sind, dass die p-dotierten und die n-dotierten Gebiete (26, 28) über jeweils derselben Seite (22, 20) der Einbettmassenschicht (18) von dieser vorstehen und in der jeweils benachbarten ersten bzw. zweiten Elektrodenschicht (16, 32) zur elektrischen Verbindung mit dieser hineinragen.
Photovoltaik-Schichtanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Substrat (12, 14), auf dem die erste Elektrodenschicht (16) und/oder eine für Sonnenstrahlung transparente Schutzschicht (34) auf der zweiten Elektrodenschicht (32) angeordnet ist.
Photovoltaik-Schichtanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Halbleiterpartikel (24) zwischen 1 μm und 400 μm, vorzugsweise zwischen 10 μm und 100 μm und insbesondere zwischen 20 μm und 30 μm liegt.
Photovoltaik-Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenschichten (16, 32) und die Einbettmassenschicht (18) jeweils wie Lackschichten aufgetragen sind.
Photovoltaik-Schichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterpartikel (24) nach Art einer Monopartikelschicht nebeneinander angeordnet sind.
In einer Schicht eingebettete Halbleiterpartikel mit jeweils einem p-dotierten Gebiet, einem n-dotierten Gebiet und einem pn-Übergang für eine Photovoltaik-Schichtanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit – einer elektrisch isolierenden Einbettmassenschicht (18) und – einer Vielzahl von Halbleiterpartikeln (24), die jeweils ein p-dotiertes Gebiet (26) sowie ein n-dotiertes Gebiet (28) und einen pn-Übergang (30) aufweisen, – wobei die Halbleiterpartikel (24) nebeneinander angeordnet in der Einbettmassenschicht (18) derart eingebettet sind, dass die p-dotierten und die n-dotierten Gebiete (26, 28) über jeweils derselben Seite (22, 20) der Einbettmassenschicht (18) von dieser zur elektrischen Kontaktierung vorstehen.