DE102010014299A1

DE102010014299A1 - System zur Energie-oder Licht-Erzeugung

Info

Publication number: DE102010014299A1
Application number: DE102010014299A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: DE102010014299B4

Abstract

Zur Lösung von Degradationsproblemen bei einem System mit organischen Bestandteilen zur Erzeugung oder Verwendung elektrischer Energie, z. B. in der Licht- oder Solartechnik, wird mittels eines Roll-to-Roll-Verfahrens kontinuierlich oder intermittierend ein Band von identischen, photoempfindlichen oder lichterzeugenden Zellen hergestellt. Von diesen wird jeweils ein vorbestimmter Bandabschnitt aus vorzugsweise mehreren Zellen aktiviert, d. h. zur Energieerzeugung oder Lichtabgabe genutzt, und eine oder mehrere Eigenschaften der genutzten Zellen kontinuierlich überwacht. Beim Abweichen dieser Eigenschaft(en) von vorgegebenen Grenzwerten wird der genutzte Bandabschnitt inaktiviert, d. h. ausser Betrieb gesetzt und durch einen Mechnismus aus dem System herausgeführt. Gleichzeitig wird ein Bandabschnitt mit neuen Zellen in den Bereich der gealterten Zellen eingezogen und aktiviert, wobei dessen Nutzung nach dem Abschalten des vorhergehenden Bandabschnittes beginnt.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Bauweise eines Systems zur Erzeugung elektrischer Energie mittels auf Polymertechnologie basierender Solartechnik. Ein prinzipiell gleichartiges System kann auch bei der Lichterzeugung mittels polymer-basierten Bauelementen zur Anwendung kommen. Zur Erzeugung elektrischer Energie aus Licht oder auch zur Lichterzeugung aus elektrischer Energie werden heute vielfach Bauelemente benutzt, die aus Polymeren oder polymer-basierten Materialien bestehen oder aus einer Kombination von Polymeren und anorganischen Materialien. Solche Bauelemente sind z. B. polymer-basierte Solarzellen und OLEDs, d. h. organische lichtemittierende Dioden. Generell tendieren solche organische Bauelemente trotz verbesserter Versiegelungs-/Verpackungstechniken jedoch zu relativ schneller Alterung (Degradation) unter Einfluß von Feuchtigkeit und/oder Sauerstoff. Um die Effizienz von Systemen, die solche Bauelemente enthalten, sicherzustellen, müssen diese Bauelemente daher häufig ausgetauscht werden. Die vorliegende Erfindung realisiert eine Anordnung und ein Verfahren zum automatischen Ersatz von ”verbrauchten”, d. h. degradierten Baulemente durch eine Art Fliessbandfertigung. Dabei werden die ”verbrauchten” Bauelemete durch neue Bauelemente unter zur Zuhilfenahme des sogenannten ”Roll-to-Roll”-Verfahrens ersetzt. Damit lassen sich Grossanwendungen wie Solarfelder oder Leuchtfelder mit über die Zeit praktisch konstanter Leistung bzw. konstantem Wirkungsgrad realisieren.
Hintergrund und Stand der Technik
Polymer-basierte Solarzellen dienen z. B. zur Stromerzeugung, während OLEDs, d. h. organische lichtemittierende Dioden, zur Lichterzeugung dienen. Bekannt ist, dass solche organischen Bauelemente bzw. Bauelemente mit organischen Bestandteilen zwar relativ preiswert in hohem Volumen herstellbar sind und auch einen für den Herstellungspreis akzeptablen Wirkungsgrad aufweisen, aber auch, dass sie schnell altern, womit ihre Leistung bzw. ihr Wirkungsgrad rapide abnimmt. M. a. W., das betroffene Bauelement erfüllt in kurzer Zeit nicht mehr die Zielspezifikation. Beim derzeitigen Stand der Technologie und des Wissens ist es fraglich, ob dieses Alterungsproblem bei organischen Bauteilen überhaupt grundsätzlich je gelöst werden kann. Ähnlich unklar ist, ob elektrische Kontakte an solchen Polymeren oder polymer-basierten Materialien mit langer Haltbarkeit realisierbar sind. Derzeit werden solche Bauelemente, die über einen längeren Zeitraum betrieben werden sollen, fast immer möglichst hermetisch verkapselt. Häufig wird diese Versiegelung oder Verkapselung in einer inerten Gasatmosphäre durchgeführt, was natürlich einen erheblichen Zeit- und Kostenaufwand erfordert. Zur Verkapselung selber werden meist gasdichte Folien oder Schichten benutzt, die eine extrem geringe Transmission für Feuchtigkeit und Sauerstoff aufweisen und so die Degradation des Polymers reduzieren.
Die aufgezeigten Probleme haben zu Teillösungen geführt, von denen einige nachfolgend beschrieben seien.
In mehreren Patentschriften sind gekapselte bzw. versiegelte Solarzellen beschrieben, bei denen lichtempfindliche, photovoltaische Schichten mit einem transparenten Material überzogen sind. Als Material eignen sich dafür, wie gesagt, Polymere und Polymerverbindungen.
So beschreibt das US-Patent 6 093 757 eine Verbindung und ein Verfahren zur Einkapselung einer Solarzelle, wobei besonders auf eine UV-Beständigkeit der Schutzschicht Wert gelegt wird. Im US-Patent 6 693 237 ist für den gleichen Zweck eine Polymer-Verbindung angegeben, mit der ein besonders widerstandsfähiger Schutz der Solarzelle erreicht werden soll. In der EP-Anmeldung 0 658 943 ist eine Solarzelle beschrieben, deren Schutzschicht über besondere Wetterfestigkeit verfügt. Bei diesen Beispielen handelt es sich meist um einzelne Solarzellen, die entsprechend verkapselt werden.
Auch der Artikel "Degradation of organic solar cells" von Kenji Kawano et al. erschienen in Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 90, 2006, pp. 3520–3530, bezieht sich auf die Degradation, hier die von organischen Solarzellen in Luft.
Ein Ansatz, Solarzellen mehrfach anzuordnen ist in der US-Patentschrift 7 259 322 gezeigt. Dort wird ein Band aus einzelnen Solarzellen beschrieben, bei dem die einzelnen Zellen miteinander elektrisch und mechanisch verbunden sind.
Mittels Rakeltechnik auf Textilien, also einem prinzipiell flexiblen Träger, flächig aufgebrachte Solarzellen aus Polymeren sind im Artikel "Strategies for incorporation of polymer photovoltaics into garments and textiles" von Frederik C. Krebs et al. beschrieben. Der Artikel wurde in Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 90, 2006, pp. 1058–1067 veröffentlicht.
Die Herstellung von OLEDs mittels des sog. Roll-to-Roll-Verfahrens wird im in einem Artikel von Anil Duggal in der Zeitschrift OLEDs vom 11. März 2008 beschrieben, siehe http://www.grcblog.com/?p=247: ”World's first demonstration of ”Roll-to-Roll” processed OLEDs”. Dabei handelt es sich allerdings um eine Nachricht ohne technische Details.
In der veröffentlichten PCT-Anmeldung WO 2007/115318 ist die Steuerung der Roll-to-Roll-Herstellung von Photovoltaik-Zellen beschrieben, wobei besonders die Schichtdicken der aufgebrachten Schichten kontrolliert und gesteuert werden. Die so hergestellten Zellen werden aber für die Benutzung dann getrennt bzw. vereinzelt.
In der EP-Anmeldung 1 713 311 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Herstellung elektronischer Bauteile mittels eines Roll-to-Roll-Prozesses beschrieben, wobei die Verwendung von formenden, mit Vertiefungen versehener Rollen in Verbindung mit funkioneller, d. h. leitfähiger Tinte zur Herstellung gedruckter elektronischer Schaltungen im Vordergrund steht.
Keine der genannten Druckschriften und Veröffentlichungen beschreibt oder offenbart das weiter unten detailliert beschriebene, erfindungsgemässe Verfahren bzw. die entsprechende Anordnung der Verwendung des Roll-to-Roll-Prinzips zur Behebung des Degradations- oder Alterungsproblems bei Bauteilen zur Erzeugung oder Verwendung elektrischer Energie. Auch wird durch keine der genannten Druckschriften und Veröffentlichungen, einzeln oder in Kombination, ein solcher Ansatz nahegelegt.
Die Erfindung
Ausgehend von den oben geschilderten Problemen hat es sich die vorliegende Erfindung zum Ziel gesetzt, Degradationsprobleme bei einem System mit organischen Bestandteilen zur Erzeugung oder Verwendung elektrischer Energie, z. B. in der Licht- oder Solartechnik, zu beseitigen oder zumindest zu minimieren. So kann z. B. in einem Photovoltaik-System eine recht gleichmässige Leistungsabgabe gewährleistet werden. Dies wird, kurz gesagt, dadurch erreicht, dass die einzelnen Zellen des Systems mittels eines druckähnlichen Verfahrens als kontinuierliches Band in einem relativ kurzem Zeitraum hergestellt werden. Dabei wird der ”frisch” aus der Rolle gezogene Abschnitt mit vorzugsweise mehreren Zellen umgehend aktiviert, d. h. zur Energieerzeugung oder Lichtabgabe genutzt. Gleichzeitig werden die aktiven Zellen kontinuierlich überwacht, z. B. durch Überwachung des Wirkungsgrads der Photovoltaik-Anlage oder der Lichtstärke des Emissionsfeldes. Bei Verschlechterung dieser Eigenschaft(en) wird der genutzte Bandabschnitt abgeschaltet, d. h. ausser Betrieb gesetzt. Anschliessend wird der verbrauchte Bandanteil zur Entsorgung aus dem System geführt und ein neuer Bandabschnitt aktiviert, d. h. parallel zu diesem Prozessschritt in das System eingezogen, dessen Nutzung mit dem Abschalten des vorhergehenden oder kurze Zeit danach beginnt. Die Bandabschnitte wird man dabei vorzugsweise intermittierend herstellen und wechseln. Allerdings ist auch eine kontinuierliche Herstellung und eine intermittierende Aktivierung durchführbar.
Mit anderen Worten ist die Erfindung ein System zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie und umgekehrt unter Verwendung von bandförmig angeordneten Zellen oder Elementen, die verschleiss- bzw. alterungsanfällige organische Bestandteile aufweisen. Sie zeichnet sich dadaurch aus, dass die Zellen als Band in einem quasi-kontinuierlichen Prozess in Form eines Roll-to-Roll-Verfahrens hergestellt werden und in einem aktiven Bereich jeweils eine vorgegebene Anzahl von fertiggestellten Zellen zur Energieumwandlung elektrisch eingeschaltet, d. h. aktiviert wird. Dabei wird eine Ist-Eigenschaft zumindest einer aktivierten Zelle vorzugsweise in kurzen Abständen überwacht und mit einer vorgegebenen Soll-Eigenschaft verglichen. Bei einer vorgegebenen Abweichung der gemessenen Ist-Eigenschaft von der Soll-Eigenschaft werden die aktiven Zellen elektrisch abgeschaltet werden und das Band um die vorgegebene Anzahl von Zellen vorwärts transportiert. Dabei werden die bislang aktiven Zeilen aus dem aktiven Bereich entfernt und durch neue Zellen ersetzt und nachfolgend letztere elektrisch eingeschaltet bzw. aktiviert.
Bei einer Photovoltaik-Anlage sind die Zellen selbst vorzugsweise polymer-basierte Solarzellen sind, die eine transparente Metall-Oxid-Schicht und eine transparente Folie zum Schutz der Oberfläche aufweisen.
In einem lichterzeugenden System sind die Zellen als lichterzeugende Zellen, insbesondere LEDs oder OLEDs ausgebildet.
Weiterhin kann im System ein Zeitgeber vorgesehen sein, der unabhängig von oder zusätzlich zu einer überwachten Ist-Eigenschaft einer aktivierten Zelle den Weitertransport des Bandes zeitabhäng steuert. Die gemessene bzw. überwachte Ist-Eigenschaft kann z. B. die abgegebene Leistung sein und der Vergleich mit einer vorgegebenen Soll-Leistung erfolgen. Alternativ kann die gemessene Ist-Eigenschaft der Wirkungsgrad sein und der Vergleich mit einem vorgegebenen Soll-Wirkungsgrad erfolgen.
Insgesamt kann die Überwachung der Ist-Eigenschaft einer aktivierten Zelle und der Vergleich mit einer einer vorgegebenen Soll-Eigenschaft kontinuierlich erfolgen. Ebenso kann der Herstellungsprozess kontinuierlich ausgebildet und vor dem aktiven Bereich ein Stauraum vorgesehen sein, dem das kontinuierlich hergestellte Band zugeführt wird und aus dem letzteres für die intermitterende Aktivierung der Zellen herausgeführt wird.
Die Leistungsübertragung dienen gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung an oder auf jeder Zelle des Bandes angeordnete Elektroden, die bei Aktivierung einer Zelle von im aktiven Bereich ortsfest angeordneten, beweglichen metallischen Kontakte kontaktiert werden. Diese Elektroden können vorzugsweise mit einer Folie abgedeckt sein, die bei Aktivierung von ortsfest angeordneten, ggf. beweglichen metallischen Kontakten durchstossen werden.
Weiterhin ist im System eine Mess- und Steuereinheit 20 vorgesehen, die die Herstellung der Zellen, den Transport des Bandes und die Aktivierung der sich im aktiven Bereich befindlichen Zellen steuert.
Für die Herstellung der Zellen können gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mindestens zwei Abspulvorrichtungen vorgesehen sein, auf denen sich ein Vorrat bandförmiger Materialien zur Herstellung der Zellen befindet. Diesen nachgeschaltet kann eine entsprechende Beschichtungseinheit angeordnet sein und hinter dem aktiven Bereich eine Aufnahmerolle zur Aufnahme des Bandes mit inaktiven, verbrauchten Zellen.
Durch die Steuerung des Systems wird erreicht, dass die Ausgangsleistung des Systems nur in begrenztem Masse schwankt, wobei diese Schwankung eingestellt werden kann, indem man den oder die Grenzwert(e) für die zulässige Verschlechterung variiert.
Der Vorteil eines solchen Systems besteht auch darin, dass existierende Druckverfahren und -maschinen benutzt werden können, was sowohl die Herstellung vereinfacht als auch die Kosten begrenzt.
Wie weiter unten im Detail beschrieben, kann für den angestrebten Zweck die aus der Druck- und anderen Techniken bekannte, sog. Roll-to-Roll-Technologie für die Herstellung des Bandes mit den Zellen benutzt werden. Diese Technologie wird zwar bereits für die Herstellung von OLEDs, Solarzellen u. dgl. verwendet, jedoch nur für die serielle Herstellung derselben und nicht in der Art, wie sie für die vorliegende Erfindung benutzt wird. Für das in dieser Erfindung vorgestellte Verfahren ist die zur Herstellung verwendete Roll-to-Roll-Maschine ein integraler Bestandteil des Gesamtsystems, da die polymer-basierten Bauelemente nach ihrer Herstellung bzw. nach dem Aktivieren der Solarzelle langsam und kontinuierlich degradieren, d. h. graduell an Effizienz verlieren. Der fundamentale Unterschied zu anderen stromerzeugenden Solar-Systemen ist die Tatsache, dass in dieser Erfindung das stromerzeugende Medium (die Solarzelle) als ein Verbrauchsmaterial angesehen wird, welches nach einer gewissen Standzeit kontinuierlich oder intermittierend ausgetauscht wird. Dass ein solches System wirtschaftlich und umweltverträglich funktioniert, beruht darauf, dass die zur Herstellung der Solarzelle verwendeten Verbrauchsmaterialien sehr günstig in hohen Volumen bereitgestellt werden können und aufgrund der hauptsächlich polymeren Bestandteile umweltverträglich entsorgt werden können bzw. sogar wiederverwertbar sind.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen, die in den dazugehörigen Zeichnungen dargestellt sind, im Detail erläutert. Auf den Zeichnungen zeigen:
1a eine Prinzipskizze eines Solarzellensystems mit dem Roll-to-Roll-Prinzip gemäss der Erfindung;
1b ein Teil der verwendeten Rollenvorrichtung;
2 ein Solarzellenband gemäss der Erfindung; und
3–5 die Herstellung und Lage der Kontakte auf dem Solarzellenband.
In 1a ist schematisch ein Solarzellensystem unter Verwendung des Roll-to-Roll-Prinzips dargestellt. Ein Folienband, hier ein Solarzellenband 18, wird in einer Rollenvorrichtung, die die beiden Rollen 16 und 17 enthält und in 1b detaillierter dargestellt ist, hergestellt und verlässt diese Rollenvorrichtung in Richtung Aufnahmerolle 19.
Diese Aufnahmerolle 19 zieht das Solarzellenband 18 in den Aktivierungsbereich und nimmt das verbrauchte Solarzellenband auf. Letzteres wird, sobald die Rolle voll ist, entsorgt, d. h. vorzugsweise recycled.
Die Solarzellen selbst werden in 2 genauer dargestellt. Hier sei nur erläutert, dass jede der drei ”aktiven” Solarzellen 21a bis 21c je einen Kontakt 44a bis 44c an der Oberseite, die auch die aktivierende Strahlung empfängt, und je einen Kontakt 45a bis 45c an der Unterseite aufweist. Diese Kontakte dienen zur Strom- bzw. Leistungsabnahme. Weiterhin ist eine Mess- und Steuereinheit 20 vorgesehen, die einerseits die Verbindung des Solarzellensystems mit einem Stromnetz (nicht gezeigt), z. B. dem öffentlichen Versorgungsnetz, regelt, im Wesentlichen also das Solarzellensystem auf das Netz aufschaltet, wenn die Spannung bzw. Leistung des Solarzellensystems ausreicht und andererseits vom Netz trennt bei nachlassender Spannung bzw. Leistung. Ausserdem kann mittels der Mess- und Steuereinheit 20 auch eine Spannungs-/Stromregelung des Solarzellensystems erfolgen.
Die erwähnte Verbindung des Solarzellensystems mit dem Netz erfolgt über die Anschlüsse 10, wobei diese Verbindung durch die Mess- und Steuereinheit 20 überwacht und geregelt wird. Bei Leistungsabfall gibt diese Mess- und Steuereinheit 20, ggf. über einen Computer, das Signal zum Lösen der Kontakte 44a bis 44c bzw. 45a bis 45c und zum Ersatz des verbrauchten Abschnitts des Solarzellenbandes 18.
Die Leistungsfähigkeit des Solarzellensystems bei Sonneneinstrahlung lässt sich einfach über den gewonnen Strom überwachen. Fällt die gemessene Leistung aufgrund der Degradation der Solarzelleneinheiten 21a, 21b, 21c unter einen kritischen Wert – z. B. durch Verschmutzung oder Materialermüdung –, initiiert der an die Mess- und Steuereinheit angeschlossene oder in ihr vorgesehene Computer den automatischen Austausch der aktiven Zellen des Solarzellenbandes 14 durch dessen Verschieben. Dabei werden die verbrauchten Zellen durch die Rollenbewegung, siehe 1a und 1b, aus der aktiven Zone herausgeführt und neue/frische Solarzellen zugeführt. Für den Austausch werden die Kontakte, z. B. Schleif-, Klemm- oder Stempelkontakte, die in den 4 und 5 dargestellt sind, gelöst, wobei sie den vorgesehenen Austausch ermöglichen.
1b zeigt das Prinzip des verwendeten Roll-to-Roll-Verfahrens, d. h. den Teil einer entsprechenden Rollenvorrichtung, wobei hier lediglich der wichtige letzte Teil der Herstellung gezeigt ist. Von einer Vorratsrolle 11, bzw. Vorproduktionseinheit, wird eine bandförmige Folie 12, die z. B. ein photoempfindliches Material (z. B. Polymerschicht mit n- oder p-Kontakt) und eine Folie zur Verkapselung enthalten kann, abgespult. Von einer weiteren Vorratsrolle 13, bzw. Vorproduktionseinheit wird eine zweite bandförmige Folie 14 abgespult, die z. B. ein weiteres photoempfindliche Material (Polymer mit p- oder n-Kontakt) und eine Folie zur Verkapselung enthalten kann. Zwischen den beiden Folien 12 und 14 kann noch eine oder mehrere weitere Abspulvorrichtungen für weitere bandförmige Folien, bzw. Beschichtungseinheiten für oben genannte Folien vorgesehen sein.
Tatsächlich werden in den meisten Fällen mehr als zwei Abspulvorrichtungen bzw. mehrstufige Beschichtungseinheiten vorhanden sein, da übliche Solarzellen oder OLEDs aus mehr als zwei Materiallagen bestehen. So sind z. B. die photoempfindliche Schicht oder die Lumineszensschicht meist mit einer Schutzschicht versehen. Deren Abspulvorrichtung, um beim Beispiel zu bleiben, wäre dann oberhalb der ersten Rolle 11 angeordnet oder die Verkapselungsschicht wäre bereits Teil der Folie 12. Soll zwischen der photoempfindlichen Schicht oder der Lumineszensschicht noch eine Isolationsschicht vorgesehen sein, wäre deren Abspulvorrichtung zwischen der ersten Vorratsrolle 11 und der zweiten Vorratsrolle 13 in 1 angeordnet.
Die beiden Folien 12 und 14 werden nun mittels der Rollen 15, 16 und 17 verbunden, wobei eine oder mehrere dieser Rollen geheizt sein können. Das entstandene Folienband 18, z. B. ein Solarzellenband, verlässt die Rollenvorrichtung in Richtung des Pfeils. Dies ist der erste Schritt des erfindungsgemässen Verfahrens.
2 zeigt das Solarzellenband 18 in ausgebreiteten Zustand in einer Draufsicht. Darin sind einzelne Solarzellen 21a bis 21c als gleichartige Einheiten angeordnet. Im Betrieb wird das Solarzellenband in Pfeilrichtung bewegt, wobei jeweils eine vorbestimmte Anzahl, z. B. drei Solarzellen wie in 1 gezeigt, aktiv sind, d. h. sich im Bereich aktivierender Strahlung befinden. Das Folienband liegt auf und wird entlang von isolierten Gleitschienen 22 bewegt und dort von ebenfalls isolierten Niederhaltern 23 auf diesen Schienen 22 gehalten.
Nach dem Ausziehen der Folie, wird in einem nächsten Schritt das Solarzellenband 14 (bzw. die Folie) entsprechend dem Design der Solarzellen 21a bis 21c kontaktiert. Das Ausziehen bzw. Bewegen des Solarzellenbandes kann durch Rollen am Anfang und Ende der Gleitschienen realisiert werden. Ähnlich einer beschreibbaren Folie eines Overheadprojektors kann dann bei Leistungsverlust der degradierten Solarzelleneinheiten das Solarzellenband weitertransportiert werden und somit neue (unbenutzte) Solarzelleneinheiten 21a, 21b, 21c über die Gleitschienen 22 eingezogen werden.
In den 3 bis 5 sind schematisch verschiedene Designs von Solarzellen gezeigt, die sich als Einheiten 21a, 21b, 21c in dem ausgezogenen Solarzellenband 14 befinden.
3 zeigt eine einzelne der polymer-basierten Solarzelleneinheiten 21a, 21b, 21c des Solarzellenbandes im Querschnitt. Die aktive Schicht 31 besteht aus einem aktiven Polymermaterial. Dafür eignet sich beispielsweise Poly(3, 4-ethylene dioxythiophene)-Poly(styrene sulfonic acid)(PEDOT: PSS) oder z. B. eine Kombination aus PEDOT-PSS mit dünnen Schichten von konjugierten Polymers/Methanofullerene-Mischschichten oder Poly(fluorene)-basierten Loch-Transportschichten, die zu einer Leistungssteigerung der polymer-basierten Solarzelle beitragen können.
Auf der Oberseite dieser aktiven Schicht 31 ist eine erste Elektrode 32 angeordnet, die transparent oder semitransparent ist, sodass einfallendes Licht oder einfallende Strahlung die aktive Schicht 31 erreichen kann. Häufig werden für eine solche Elektrode transparente, leitende Metall-Oxid-Filme (sogenannte TCOs) aufgrund ihrer hervorragenden Leitungseigenschaften und ihrer hohen Transparenz im sichtbaren Spektralbereich herangezogen. Die erste Elektrode 32 dient beispielsweise als Anode. Auf der Unterseite der aktiven Schicht 31 ist eine zweite Elektrode 33 angeordnet, die nicht transparent zu sein braucht und im Beispiel als Kathode dient. Die als Schutz für die gesamte Anordnung dienenden Folien oder Filme 35 und 36 sind zur Übersicht ebenfalls dargestellt. Diese Folien versiegeln die polymer-basierten Solarzellen insbesondere gegen Feuchtigkeit und Sauerstoff. Dazu werden die beiden Folien 35 und 36 mittels des in 1b dargestellten Roll-to-Roll-Verfahrens aufgebracht und an ihren seitlich von der Solarzelle liegenden Nähten mittels zweier Versiegelungen 34 und 34' verklebt oder verschweisst. Dies kann z. B. durch einen aufgebrachten (nicht dargestellten) Kleber oder mit einer Ultraschall-, Laser- oder Heissluft-Verschweissung erfolgen.
Damit ist die sonst ungeschützte Solarzelle durch die Folien oder Filme 35 und 36 versiegelt.
Auf diese Weise entsteht das in den 1a und 1b gezeigte und im Zusammenhang beschriebene Solarzellenband. Allerdings fehlt diesem noch die Kontaktierung nach aussen zur Abnahme der elektrischen Leistung.
Eine Möglichkeit für diese Kontaktierung ist in 4 gezeigt. Zwei entsprechend ausgebildete, vorzugsweise metallische, angespitzte Kontakte 44 bzw. 45 werden an geeigneter Stelle auf das Solarzellenband gedrückt und durchstossen dort die jeweilige Folie 36 bzw. 35. Dann bildet jeder dieser Kontakte 44 bzw. 45 eine leitende Verbindung mit den entsprechenden Elektroden 32 und 33 und erlaubt so die Übertragung elektrischer Leistung.
In 5 ist eine zweite Möglichkeit dargestellt, wie die beiden Elektroden 32 und 33, an denen ja die erzeugte elektrische Leistung zur Verfügung steht, nach aussen verbunden werden. Dazu sind eine erste Verbindungsleitung 51 von der ersten Elektrode 32 auf einer Seite der Zelle und entsprechend eine zweite Verbindungsleitung 52 von der zweiten Elektrode 32 auf der anderen Seite der Zelle nach aussen geführt.
Die erste Verbindungsleitung 51 wird vorzugsweise, zumindest dort, wo sie im Bereich der aktiven Schicht 31 liegt, transparent oder zumindest durchscheinend ausgebildet sein, um die Ausbeute der Solarzelle nicht negativ zu beeinflussen. Sie kann z. B. vor dem Aufbringen der Folie 36 bereits auf der der Solarzelle zugewandten Seite der Folie 36 angeordnet sein, sodass sie beim Aufbringen der Folie die erste Elektrode 32 kontaktiert. Entsprechend kann die zweite Verbindungsleitung 52 ebenfalls bereits auf der der Solarzelle zugewandten Seite der Folie 35 angebracht sein, sodass sie beim Zusammenfügen der Folien die zweite Elektrode 33 kontaktiert. Da im Beispiel der 5 die Verbindungsleitung 51 und 52 aus den Folien seitlich herausstehen, können diese Elektroden ohne Durchstossen der Folie, z. B. durch Schleif- oder Klemmkontakte kontaktiert werden, was dann ähnlich wie in 4 gezeigt eine Stromübertragung ermöglicht.
Ein ähnliches Verfahren, wie im vorangegangen Absatz beschrieben, kann auch zur Erzeugung von Licht mittles LED- bzw. OLED-Arrays angewendet werden. Hierbei wird nicht ein Array von Solarzellen, sondern ein Array von flexiblen LEDs oder OLEDs mittels des beschribenen Roll-to-Roll-Verfahrens erzeugt. Anschliessend wird das Array, ähnlich wie in den Beispielen, die in den 4 bzw. 5 beschrieben sind, kontaktiert. Im nächsten Schritt wird nun dem System Strom zugeführt und damit die Lichterzeugung über die LEDs mittels Spontanemission eingeleitet.
Nach Degradation des Bauelementes werden die Kontakte wieder vom Objekt gelöst. Anschliessend wird durch den bereits beschrieben Mechanismus die Folie mit den degradierten LEDs bzw. OLEDs aus dem Zentralbereich des Systems durch die Rollenbewegung herausgeführt und gleichzeitig werden ”frische”, d. h. neue LEDs bzw. OLEDs in das System eingezogen. Durch neuerlichen Kontakt kann das System wieder den Betrieb wie im urspünglichen Zustand aufnehmen, während die verbrauchten LEDs bzw. OLEDs aus dem System herausgeführt werden.
Es ist offensichtlich, dass das beschriebene System und Verfahren in vieler Hinsicht modifiziert und erweitert werden kann. So ist es beispielsweise möglich, die ”verbrauchten” Zellen oder Elemente unmittelbar einem Recycling-Prozess in einer Wiederaufbereitungsanlage zuzuführen. Im Idealfall kann sogar eine Art geschlossener Kreislauf vorgesehen sein, bei dem die Wiederaufbereitung der Elemente bzw. Zellen mittels des erfindungsgemässen Roll-to-Roll-Verfahrens erfolgt. Danach können die derart erneuerten Elemente bzw. Zellen dem aktiven Kreislauf wiederum zugeführt bzw. in diesen eingeschleust werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6093757 [0005]
US 6693237 [0005]
EP 0658943 [0005]
US 7259322 [0007]
WO 2007/115318 [0010]
EP 1713311 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Degradation of organic solar cells” von Kenji Kawano et al. erschienen in Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 90, 2006, pp. 3520–3530 [0006]
”Strategies for incorporation of polymer photovoltaics into garments and textiles” von Frederik C. Krebs et al. beschrieben. Der Artikel wurde in Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 90, 2006, pp. 1058–1067 [0008]
http://www.grcblog.com/?p=247 [0009]

Claims

System zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie und umgekehrt unter Verwendung von bandförmig angeordneten Zellen oder Elementen, die verschleiss- bzw. alterungsanfällige organische Bestandteile aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Zellen als Band (18) in einem quasi-kontinuierlichen Herstellungsprozess in Form eines Roll-to-Roll-Verfahrens hergestellt werden, – in einem aktiven Bereich jeweils eine vorgegebene Anzahl von fertiggestellten Zellen zur Energieumwandlung elektrisch eingeschaltet, d. h. aktiviert wird, – eine Ist-Eigenschaft zumindest einer aktivierten Zelle vorzugsweise in kurzen Abständen überwacht und mit einer vorgegebenen Soll-Eigenschaft verglichen wird, – bei Abweichung der gemessenen Ist-Eigenschaft von der Soll-Eigenschaft um eine vorgegebene Differenz die aktiven Zellen elektrisch abgeschaltet werden, – sodann das Band (18) um die vorgegebene Anzahl von Zellen vorwärts transportiert wird, wobei die bisher aktiven Zellen aus dem aktiven Bereich entfernt und durch neue Zellen ersetzt werden, und – danach die neuen Zellen elektrisch eingeschaltet, d. h. aktiviert werden.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen polymer-basierte Solarzellen sind, die insbesondere eine transparente Metall-Oxid-Schicht (31) und eine transparente Folie (32) zum Schutz der Oberfläche aufweisen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen als lichterzeugende Zellen, insbesondere LEDs oder OLEDs ausgebildet sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitgeber vorgesehen ist, der unabhängig von oder zusätzlich zu einer überwachten Ist-Eigenschaft einer aktivierten Zelle den Weitertransport des Bandes zeitabhäng steuert.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Ist-Eigenschaft die abgegebene Leistung ist und der Vergleich mit einer vorgegebenen Soll-Leistung erfolgt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Ist-Eigenschaft der Wirkungsgrad ist und der Vergleich mit einem vorgegebenen Soll-Wirkungsgrad erfolgt.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung der Ist-Eigenschaft einer aktivierten Zelle und der Vergleich mit einer einer vorgegebenen Soll-Eigenschaft kontinuierlich erfolgt.
System nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Herstellungsprozess kontinuierlich ausgebildet ist und vor dem aktiven Bereich ein Stauraum vorgesehen ist, dem das kontinuierlich hergestellte Band zugeführt wird und aus dem es für die intermitterende Aktivierung der Zellen herausgeführt wird.
System nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle des Bandes Elektroden (32, 33) aufweist, die bei Aktivierung einer Zelle von im aktiven Bereich ortsfest angeordneten, beweglichen metallischen Kontakte (44, 45) kontaktiert werden.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (32, 33) einer Zelle mit einer Folie (35, 36) abgedeckt sind, die bei Aktivierung von den ortsfest angeordneten, beweglichen metallischen Kontakten (44, 45) durchstossen werden.
System nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mess- und Steuereinheit 20 vorgesehen ist, die die Herstellung der Zellen, den Transport des Bandes und die Aktivierung der sich im aktiven Bereich befindlichen Zellen steuert.
System nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens zwei Abspulvorrichtungen (11, 13) vorgesehen sind, auf denen sich ein Vorrat bandförmiger Materialien zur Herstellung der Zellen befindet, – diesen nachgeschaltet eine Beschichtungseinheit vorgesehen ist, die aus mehreren Rollen (15, 16, 17) besteht, und – hinter dem aktiven Bereich eine Aufnahmerolle (19) zur Aufnahme des Bandes (18) mit den inaktiven, verbrauchten Zellen angeordnet ist.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Rollen (15, 16, 17) der Beschichtungseinheit geheizt ist.