DE102010015848A1 - Solarmodul oder Solarzelle mit optisch funktionaler witterungsbeständiger Oberflächenschicht - Google Patents

Solarmodul oder Solarzelle mit optisch funktionaler witterungsbeständiger Oberflächenschicht Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Element mit einer optisch funktionalen Oberflächenschicht (30) zur Verbesserung der Umwandlung des einfall, einfallendes niederwelliges Sonnenlicht zu absorbieren und als höherwellige Lichtstrahlung wieder abzugeben, so dass dieses Lichtspektrum für Solarzellen nutzbar wird. Um das derzeitig ungelöste Problem, die Einbettung einer solchen Schicht in eine Dünnschicht-Solarzelle bei Gewährleistung einer hohen Witterungsbeständigkeit, zu lösen wird vorgeschlagen, die optische Schicht (2) auf die Oberfläche des photovoltaischen Elements aufzubringen und mit einer Verkapselungs- und/oder Abdeckschicht (1) gegen Umwelteinflüsse zu schützen und somit das photovoltaische Element als Doppel- oder Mehrfachverbund aufzubauen. Dieser Aufbau ist schematisch in 1 dargestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Element umfassend eine Solarzelle und ein Verkapselungselement zum Schutz der Solarzelle vor Witterungseinflüssen.
  • Eine Solarzelle erzeugt elektrische Energie, indem sie die Energie des einfallenden Sonnenlichts absorbiert und damit eine Elektronenbewegung erzeugt, welche als elektrischer Strom abgegriffen werden kann. Dabei steht der Solarzelle jedoch nicht das gesamte Spektrum des Sonnenlichts zur Energiegewinnung zur Verfügung. Das Sonnenlicht deckt die Wellenlängenbereiche von ca. 200 nm bis weit über 2000 nm ab, wobei die höchste Strahlungsintensität im Bereich von ca. 300 bis 1000 nm liegt. Eine Solarzelle, beispielsweise auf Cadmium-Tellurid Basis, hat jedoch ihr optimales Absorptionsspektrum im Wellenlängenbereich von ca. 400 bis 900 nm. Hochenergetisches niederwelliges Sonnenlicht im Bereich von ca. 200 bis 400 nm kann daher nicht umgewandelt werden.
  • Dieses Problem kann jedoch durch sogenannte „Luminescence Downshifting” Verfahren, kurz LDS, teilweise kompensiert werden. Hierbei kommen optisch funktionale Pigmente zum Einsatz, welche die Frequenz des sie durchdringenden Lichtes verändern. Beispielsweise wird einfallendes Licht unterhalb des Absorptionswellenlängenbereichs absorbiert und in einem höheren Wellenlängenbereich im optimalen Absorptionsspektrum der Solarzelle wieder abgegeben. Durch Aufbringen auf eine Solarzelle eingebettet in ein geeignetes Trägermaterial, beispielsweise als Gel, Emulsion oder Folie, könnte somit die Energieaufnahme der Solarzelle und damit ihren Wirkungsgrad erhöht werden.
  • Einem standardisierten Einsatz stehen jedoch derzeit noch technische Probleme entgegen. Die derzeitig verwendeten Materialien weisen nicht die nötige Witterungsbeständigkeit auf, um ihre optischen Eigenschaften über die Produktgarantiezeit von Solarmodulen von mehr als 25 Jahren zu gewährleisten. Ein einfaches Aufbringen auf die Sonnenseite der Solarzelle ist daher nicht möglich. Die WO 2008/110567 A1 schlägt vor, das optische Material zur Wellenlängenverschiebung in einem geeigneten Trägermaterial als Konversionsschicht auf die dem einfallenden Licht zugewandte Frontseite der Solarzelle aufzubringen und dann mit dem Verkapselungselement in Form eines Abdeckglases abzudecken. Dies ist beispielsweise bei kristallinen Siliziumsolarzellen oder bei Substrataufbauten von Dünnschichtsolarzellen möglich, da hier das als Abdeckglas ausgebildete Verkapselungselement zum Schutz der Solarzellen vor Witterungseinflüssen als finaler Schritt im Fertigungsverfahren aufgebracht wird und keinen schädlichen Bedingungen des Herstellungsprozesses der Solarzellen mehr ausgesetzt ist.
  • Dieses Verfahren ist jedoch nicht auf alle Solarmodule in Dünnschichtbauweise übertragbar. Nicht möglich ist dies für Dünnschichtmodule im so genannten Superstrataufbau, bei denen die Dünnschichten mit der photoaktiven Schicht zunächst auf das Vorderseitenglas aufgebracht und erst anschließend mit der Rückseitenverkapselung verbunden werden. Würde hier das optische Material für das LDS Verfahren zuvor auf die Unterseite des Vorderseitenglases aufgebracht, so würden die thermischen und chemischen Einflüsse des Fertigungsprozesses der Solarzellendünnschichten die Pigmente zerstören. Bei einem anschließenden Aufbringen auf die Moduloberfläche wäre, wie dargelegt, eine Langzeitstabilität nicht gegeben.
  • Es existiert daher derzeit keine Lösung für die Verwendung der LDS-Technologie für Superstrat-Dünnschicht-Solarmodule.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, das LDS-Verfahren auch für Superstrat-Dünnschicht-Solarmodule nutzbar zu machen und die Funktionsweise für die Dauer der Produktgarantie zu gewährleisten.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verkapselungselement im Bereich seiner dem Licht zugewandten Vorderseite die Konversionsschicht aufweist. Diese Konversionsschicht besteht aus optisch funktionalen Partikeln, welche einfallendes Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs absorbiert und als Lichtstrahlung eines veränderten Wellenlängenbereichs wieder emittiert. Dabei sind die optisch funktionalen Partikel in ein Verkapslungselement eingebettet, welches sie vor Witterungseinflüssen schützt und zudem als Trägermedium für die Partikel dient.
  • Bevorzugt ist das Verkapselungselement als Verbund einer Mehrzahl von Schichten mit einer der Solarzelle zugewandten Solarzellenverkapselungsschicht und der darauf angeordneten Konversionsschicht aufgebaut. Dabei kann das Verkapselungselement auch als einzelne Schicht aufgebaut sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verkapselungselement eine zusätzlich auf der Konversionsschicht angeordnete Konversionsschutzschicht auf. Diese kann beispielsweise aus einer zusätzlichen Folie, einer Lackschicht oder einer Glas- oder Kunststoffplatte gebildet sein. Neben dem zusätzlichen Witterungsschutz bietet dieser Aufbau des photovoltaischen Elements als Doppelverbund den Vorteil einer erhöhten mechanischen Stabilität, beispielsweise bei Transport oder Montage.
  • Alternativ zu der vorangehend genannten Ausführungsform ist ebenso denkbar, dass das optisch funktionale Material in der Konversionsschicht gegen Witterungseinflüsse geschützt ist. Diese Variante macht eine zusätzliche Konversionsschutzschicht entbehrlich, setzt jedoch voraus, dass die Verkapselung des optisch funktionalen Materials hinreichend witterungsbeständig ist.
  • Die Konversionsschicht ist mit Vorteil in Form einer Emulsion, eines Gels, einer Paste, eines Lackes oder einer Folie aufgebracht.
  • In einer speziellen Ausführung weist das photovoltaische Element eine Mehrzahl von Solarzellen auf, welche im Superstrataufbau als monolithisch verschaltete Dünnschichtpakete auf der dem Licht abgewandten Seite der Solarzellenverkapselungsschicht ausgebildet und angeordnet sind. Hierbei kann es sich beispielsweise um Solarzellen aus amorphen Silizium, Cadmiumsulfid oder Cadmium-Tellurid handeln.
  • Die Solarzellenverkapselungsschicht ist bevorzugt als transparente Glas- oder Kunststoffplatte ausgebildet.
  • In einer weiteren speziellen Ausführungsform weist das photovoltaische Element eine Mehrzahl miteinander verschalteter Solarzellen auf, die als Wafersolarzellen ausgebildet sind. Hier sind beispielsweise kristalline Siliziumwafer, Germaniumwafer, Gallium-Arsen Wafer etc. einsetzbar.
  • Bevorzugt ist die Konversionsschicht und/oder die Konversionsschutzschicht derart ausgebildet, dass diese mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: Selbstreinigung (Lotoseffekt), Reflexionsreduktion oder erhöhte Kratzfestigkeit.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden anhand der in den Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele dargestellt.
  • Es zeigt:
  • 1 den schematischen, nicht maßstabsgetreuen Querschnitt durch den Aufbau eines Dünnschicht-Solarmoduls mit Konversionsschicht und zusätzlicher Konversionsschutzschicht und
  • 2 Ein Diagramm welches beinhaltet:
    • – Intensität des einfallenden Sonnenlichts in verschiedenen Wellenlängenbereichen
    • – Absorptionsspektrum einer Solarzelle am Beispiel einer Cadmium-Tellurid Solarzelle
    • – Mögliche Absorptions- und Emissionsbereiche der Konversionsschicht.
  • 1 zeigt den schematischen Querschnitt durch ein Dünnschicht-Solarmodul mit Konversionsschicht 2 und Konversionsschutzschicht 1, wobei die Schichtdicken nicht maßstabsgetreu dargestellt sind.
  • An der Unterseite des Schichtaufbaus befindet sich das Rückseitenabdeckmaterial 6 des Solarmoduls. Dies besteht üblicherweise aus einer Glas- oder Kunststoffplatte von 2 bis 3 mm Dicke.
  • Oberhalb davon folgt das Rückseiten-Verkapselungselement 5. Es hat die Aufgabe, die Solarzelle mit dem Rückseitenabdeckmaterial 6 zu verbinden und ist üblicherweise aus einer transparenten, klebenden Folie, beispielsweise einer EVA Folie gebildet.
  • Auf dem Rückseitenverkapselungselement 5 folgt der Aufbau der Solarzelle 4. Diese weist eine positiv und eine negativ dotierte Halbleiterschicht, sowie elektrische Kontakte auf der Vorder- und Rückseite auf, wobei der elektrische Kontakt auf der lichtzugewandten Seite aus transparenten Metalloxyden, die negative Halbleiterschicht aus Cadmiumsulfid und die positive Halbleiterschicht aus Cadmiumtellurid und der elektrische Kontakt auf der Rückseite aus einem Metall besteht. Insgesamt ist die ganze Solarzelle 4 nur einige Mikrometer stark, so dass sie in dieser Figur zu einer Schicht zusammengefasst wurde.
  • Die Solarzelle 4 wird von einem Verkapselungselement 30 bedeckt. Dieses Verkapselungselement 30 ist bei der dargestellten Ausführungsform als Verbund mehrerer Schichten aufgebaut. Als auf der Solarzelle 4 angeordnete erste Schicht ist eine Verkapselungsschicht in Form eines hochtransparenten, stabilen Materials, üblicherweise einer Glasplatte von ca. 2 bis 3 mm Dicke, vorgesehen. Diese Verkapselungsschicht 3 dient der Abkapselung sowie zur mechanischen Stabilisierung der Solarzelle 4.
  • Auf der Verkapselungsschicht 3 ist als zweite Schicht des Verkapselungselements 30 die Konversionsschicht 2 angeordnet. Diese umfasst optisch funktionale Partikel, welche in einem geeigneten Trägermedium eingebettet sind. Dabei kann das Trägermedium auch als Witterungsschutz für die optisch funktionalen Partikel dienen. Abschließend auf der Oberfläche folgt als dritte Schicht des Verkapselungselements 30 die Konversionsschutzschicht 1. Diese ist wiederum aus einem hochtransparenten, stabilen Material gebildet, beispielsweise aus einer Glas- oder Kunststoffplatte. Neben dem zusätzlichen Witterungsschutz der Konversionsschicht 2 dient sie zur Erhöhung der mechanischen Stabilität des Solarmoduls insgesamt.
  • Oberhalb des Schichtaufbaus ist die einfallende Sonnenstrahlung schematisch durch parallele Pfeile dargestellt.
  • 2 zeigt den Nutzen, der sich aus dem LDS Verfahren für eine Solarzelle ziehen lässt. Dazu sind in einem Diagramm sowohl der Wellenlängenbereich des einfallenden Sonnenlichts (durchgezogene Linie) als auch der Absorptionsbereich einer Solarzelle auf Cadmium-Telluridbasis (Punktlinie) eingezeichnet. Auf der x-, Achse ist dabei die Wellenlänge des einfallenden Lichts aufgetragen. Eine y-Achse ist sowohl am linken als auch am rechten Rand des Diagramms angebracht, wobei die linke y-Achse die relative Intensität des Sonnenlichts mit dem Maximum von 1, die rechte y-Achse hingegen die relative Absorption der Solarzelle zeigt, ebenfalls mit dem Maximum von 1. Hierbei ist jedoch zu betonen, dass die Achsen zwar die gleichen relativen Intensitäten, jedoch unterschiedliche absolute Intensitäten beschreiben. So gibt es keinen Wellenlängenbereich, bei dem die Solarzelle mehr Licht absorbieren könnte als die Sonne aussendet.
  • Es zeigt sich, dass die Strahlung des Sonnenlichtspektrums bei Wellenlängen knapp über 200 nm beginnt. Es folgt ein starker Anstieg bis zu einem Maximum bei ca. 500 nm, anschließend nimmt die Intensität kontinuierlich ab. Bei einer Wellenlänge von 1000 nm ist sie auf ca. 50% ihres Maximums gesunken. Höherwellige Strahlung ist für diese Erfindung nicht relevant und daher nicht mit eingezeichnet. Die Cadmium-Tellurid Solarzelle hingegen ist in der Lage, Licht ab einer Wellenlänge von ca. 450 nm energetisch zu nutzen. Es folgt ein schneller Anstieg der Absorptionsfähigkeit bis zu einem Maximum von ca. 500 nm, danach sinkt die Absorptionsfähigkeit stetig. Bei knapp über 900 nm kommt es zu einem schlagartigen Abfall, höherwelliges Licht kann praktisch gar nicht mehr energetisch genutzt werden.
  • Zusätzlich enthält das in 2 gezeigte Diagramm flächige Blöcke, welche den möglichen Absorptionsbereich (schraffierter Block) als auch den möglichen Emissionsbereich (karierter Block) einer Konversionsschicht illustrieren, die optisch funktionales Material zum Lightwave Downshifting umfasst. Dabei stellen jedoch diese Blöcke nicht das Gesamtspektrum der Konversionsschicht, sondern nur mögliche Bereiche dar.
  • Dabei zeigt sich, dass das Absorptionsspektrum im Bereich von ca. 350 bis 475 nm liegt, also im hochenergetischen Wellenlängenbereich des Sonnenlichts, welches jedoch von der Solarzelle nicht absorbiert werden kann. Das Emissionsspektrum wiederum liegt im Bereich von ca. 600 bis 800 nm, und demnach im Bereich einer hohen Absorption der Solarzelle.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Konversionsschutzschicht
    2
    Konversionsschicht mit optisch funktionalem Material zum LDS
    3
    Verkapselungsschicht
    30
    Verkapselungselement
    4
    Solarzelle
    5
    Rückseiten Verkapselungselement
    6
    Rückseitenabdeckmaterial
  • 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
    • WO 2008/110567 A1 [0004]

Claims (9)

  1. Photovoltaisches Element zur Umwandlung einfallenden Lichts in Strom umfassend: – eine Solarzelle mit einer dem einfallenden Licht zugewandten Frontseite, – einem auf der Frontseite der Solarzelle angeordneten Verkapselungselement (30) zum Schutz der Solarzelle vor Witterungseinflüssen mit einer dem einfallenden Licht zugewandten Vorderseite und – einer Konversionsschicht (2) mit einem optisch funktionalen Material, welches einfallendes Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs absorbiert und als Lichtstrahlung eines veränderten Wellenlängenbereichs wieder emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkapselungselement (30) im Bereich seiner dem Licht zugewandten Vorderseite die Konversionsschicht (2) aufweist.
  2. Photovoltaisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkapselungselement (30) als Verbund einer Mehrzahl von Schichten mit einer der Solarzelle zugewandten Solarzellenverkapselungsschicht (3) und der darauf angeordneten Konversionsschicht (2) aufgebaut ist.
  3. Photovoltaisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkapselungselement (30) eine zusätzlich auf der Konversionsschicht (2) angeordnete Konversionsschutzschicht (1) aufweist.
  4. Photovoltaisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsschicht (2) derart ausgebildet ist, dass das optisch funktionale Material in der Konversionsschicht (2) gegen Witterungseinflüsse geschützt ist.
  5. Photovoltaisches Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsschicht (2) in Form einer Emulsion, eines Gels, einer Paste, eines Lackes oder einer Folie aufgebracht ist.
  6. Photovoltaisches Element nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Element eine Mehrzahl von Solarzellen aufweist, die im Superstrataufbau als monolithisch verschaltete Dünnschichtpakete auf der dem Licht abgewandten Seite der Solarzellenverkapselungsschicht (3) ausgebildet und angeordnet ist.
  7. Photovoltaisches Element nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellenverkapselungsschicht (3) als transparente Glas- oder Kunststoffplatte ausgebildet ist.
  8. Photovoltaisches Element nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Element eine Mehrzahl miteinander verschalteter Solarzellen aufweist, die als Wafersolarzellen ausgebildet sind.
  9. Photovoltaisches Element nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Konversionsschicht (2) und/oder die Konversionsschutzschicht (1) derart ausgebildet ist, dass diese mindestens eine der der folgenden Eigenschaften aufweist: Reflexionsreduktion, Kratzfestigkeit und Selbstreinigung.
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