DE102011083485A1

DE102011083485A1 - Semitransparentes Solarmodul und Verglasungselement

Info

Publication number: DE102011083485A1
Application number: DE102011083485A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Boedeker; Jochen Feichtinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-03-28
Also published as: WO2013045147A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul (1; 31; 41; 41') mit einer Mehrzahl von Solarzellen (3) oder Solarzellenbereichen (33), wobei auf einer Oberfläche des Solarmoduls lokal in durch die Geometrie der Solarzellen oder Solarzellenbereiche vorgegebenen Abschnitten (35C; 415; 415a; 415b) eine die Transmission über den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts herabsetzende Beschichtung derart vorgesehen ist, dass das Solarmodul visuell als ganzflächig homogen erscheint. Des Weiteren betrifft sie ein Verglasungselement eines Gebäudes oder Land- oder Wasserfahrzeugs, mit einem integrierten Solarmodul.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul mit einer Mehrzahl von Solarzellen oder Solarzellenbereichen. Sie betrifft des Weiteren ein Verglasungselement.
Stand der Technik
In den letzten Jahren hat die Gewinnung von Nutzenergie aus regenerativen Quellen zunehmende wirtschaftliche Bedeutung erlangt. Ein besonders starkes Wachstum hat die direkte Nutzung von Sonnenenergie mittels photovoltaischer Erzeugung von Strom über Kollektoren auf Hausdächern und Fassaden erfahren. Typische Kollektormodule haben eine Größe von 1 bis 2 m² und werden an der Außenhülle des Gebäudes angeordnet. Neben technischen Kennzahlen wie Wirkungsgrad und Modulleistung spielen ästhetische Aspekte der Module für eine Wettbewerbsdifferenzierung eine zunehmende Rolle. Dies liegt darin begründet, dass Module zunehmend als Gebäudeteile integriert werden oder zumindest teilweise Fassaden- und Dachfunktionalität übernehmen. Wünschenswert wäre es, Fenster durch semitransparente Solarmodule ersetzen zu können, da auf diese Weise die Gesamtkosten für Fenster- und PV-System deutlich reduziert werden könnten.
Prinzipiell existieren heute mit zwei unterschiedlichen Basistechnologien gefertigte Produkte auf dem PV-Markt. Kristalline Module beinhalten monooder polykristalline Zellen, die im Modul in mehreren Strings angeordnet werden. Die Zellen absorbieren bei bisher üblicherweise praktizierten Schichtdicken den größten Teil des einfallenden Lichts und sind daher optisch intransparent, was einen Einsatz als Fassadenelement zulässt, einen Einsatz als Fensterelement aber praktisch unmöglich macht. 1 zeigt ein derartiges Solarmodul 1 vom kristallinen Typ aus einer Mehrzahl von Solarzellen 3, die mittels (hier nur schematisch dargestellter) metallischer Leitbänder 5 elektrisch miteinander bzw. noch extern kontaktiert sind. Zwischenbereiche 7 zwischen den Solarzellen 3 sind elektrisch isolierend und unterscheiden sich in der visuellen Wahrnehmung von den Zellen-Bereichen. Wollte man derartige Solarmodule, speziell wenn sie aus dünnerem Siliziummaterial gefertigt werden als heute üblich, als Fassadenelemente mit einem gewissen Grad an Transparenz einsetzen, wären diese Bereiche visuell noch stärker störend als in Draufsicht.
Eine zweite Technologie stellen Dünnschichtmodule dar, bei deren Herstellung die Materialien typischerweise in dünnen Schichten auf ein Glas-Substrat abgeschieden werden. 2 zeigt ein derartiges Dünnschichtmodul 11 mit streifenförmigen Solarzellenbereichen 13 einer integrierten Gesamtanordnung, zwischen denen (gleichfalls streifenförmige) Kontaktierungs-Bereiche 15 verlaufen. Die einzelnen Schichten sind hier wesentlich dünner als bei kristallinen Modulen, so dass prinzipiell ein semitransparentes Modul hergestellt werden könnte. Voraussetzung für die Semitransparenz sind transparente Front- und Rückkontaktschichten.
Hierbei besteht aber das Problem, dass auch nicht-verspiegelte Dünnschichtmodule, bei denen transparente Rückkontakte eingesetzt werden, kein optisch homogenes Aussehen aufweisen. Aus Gründen der elektrischen Verschaltung ist das Modul üblicherweise in mehrere bahnenförmige Zellen mittels Strukturierung aufgeteilt (siehe die Streifen 15 in 2), die dem Modul ein „nadelstreifenartiges“ Aussehen verleihen, welches mit den Anforderungen einer optisch homogenen Fensterscheibe nicht kompatibel ist.
Aus der DE 103 29 917 B4 ist ein beschichtetes Abdeckglas für Photovoltaik-Module bekannt, dessen Beschichtung einerseits einer Verminderung des Reflextionsgrads und damit einer Erhöhung des Wirkungsgrads des entsprechenden PV-Moduls dient, andererseits aber zu einem verbesserten ästhetischen Erscheinungsbild führt, da die Modul-Flächen dunkler und damit weniger störend erscheinen. Aus der DE 103 49 269 A9 ist eine sogenannte Photovoltaik-Glasscheibe bekannt, bei der die optische Gestaltbarkeit durch eine Kunststoffbeschichtung oder mittels Siebdruck verbessert werden soll.
Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung wird ein semitransparentes Solarmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schließt die Überlegung ein, ein visuell als ganzflächig möglichst homogen erscheinendes Solarmodul bereitzustellen. Sie schließt weiter den Gedanken ein, dieses Ziel unter Abgehen vom bekannten Konzept einer undifferenzierten zusätzlichen Beschichtung über die gesamte Moduloberfläche zu erreichen. Schließlich gehört zur Erfindung der Gedanke, lediglich lokal in durch die Geometrie der Solarzellen oder Solarzellenbereiche vorgegebenen Abschnitten eine die Transmission über den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts heransetzende Beschichtung vorzusehen.
Die Erfindung basiert darauf, vor, während oder nach dem Erzeugen der relevanten Halbleiter- und Kontaktschichten auf das Solarmodul eine zusätzliche Schicht aufzubringen, die komplementär zu den anderen regulär vorhandenen Schichten angeordnet ist, gleichzeitig aber zumindest im sichtbaren Spektrum sehr ähnliche Absorptionseigenschaften aufweist. Auf diese Art wirkt die Zelle in ihrem optischen Erscheinungsbild nun vollständig homogen und lässt sich somit z. B. als Fensterglasscheibe einsetzen.
In einer Ausführung der Erfindung ist die lokale Beschichtung elektrisch isolierend und kann hierdurch auch die elektrischen Eigenschaften des Moduls weiter verbessern.
In weiteren Ausführungen ist die lokale Beschichtung mindestens abschnittsweise mehrschichtig ausgeführt. Hierdurch lassen sich gezielt gewünschte Absorptions- bzw. Transmissionscharakteristika realisieren, bedarfsweise auch bestimmte Abweichungen von einer ganzflächigen Homogenität im gesamten Wellenlängenbereich oder Teilbereichen des sichtbaren Lichts.
In einer weiteren Ausführung ist die lokale Beschichtung als Druckfarben-Beschichtung (etwa mittels Siebdruck) ausgeführt, oder sie umfasst mindestens eine aus Druckfarbe gebildete Teilschicht. Alternativ ist sie als galvanisch oder photochemisch abgeschiedene Schicht ausgeführt, oder sie umfasst eine entsprechend erzeugte Teilschicht.
In einer aus derzeitiger Sicht bevorzugten Realisierung sind die Solarzellenbereiche als Dünnschicht- oder organische Solarzellenbereiche in integrierter Anordnung gebildet. Die oder eine lokale Beschichtung ist in Strukturierungsgräben derselben ausgebildet. Diese Ausführung eignet sich nach derzeitigem Stand der Technik besonders für Fenster- oder sonstige Gebäudebelichtungs-Lösungen mit Photovoltaik-Funktionalität.
Möglich sind auch Ausführungen, bei denen die Solarzellen vom kristallinen Siliziumtyp sind und eine lokale Beschichtung in Abstandsbereichen zwischen den einzelnen Solarzellen ausgebildet ist. Nach derzeitigem Stand der Technologie kristalliner Solarmodule bietet sich deren Einsatz eher für Fassadenlösungen an, die von außen weitgehend homogen erscheinen sollen, deren Belichtungs-Funktion aber nachrangig ist.
Obgleich bei Dünnschicht-Solarmodulen die oder eine lokale Beschichtung in Strukturierungs- bzw. Kontaktierungsbereichen vorgesehen sein kann, ist bei diesen wie auch (insbesondere) bei kristallinen Modulen eine Ausführung technologisch und unter Kostenaspekten sinnvoll, bei der die lokale Beschichtung als äußere Beschichtung auf einem Front- oder Rückseiten-Trägerelement ausgebildet ist.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung (Draufsicht) eines kristallinen Solarmoduls,
2 eine schematische Darstellung (Draufsicht) eines Dünnschicht-Solarmoduls,
3A und 3B Skizzen zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung und
4 schematische Darstellungen von Prozessschritten zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls vom Dünnschicht-Typ.
Ausführungsformen der Erfindung
3A und 3B zeigen schematisch ein typisches Absorptionsmuster von alternierenden dunklen Streifen 33, die weitgehend Solarzellenbereichen mit absorbierendem Material entsprechen, und hellen Streifen 35, die Strukturierungsgräben entsprechen, bei einem Dünnschicht-Solarmodul 31. 3B zeigt ein hierzu komplementäres Schichtmuster 31C mit hellen Flächen 33C und dunklen getönten Streifen 35C, welches zur Überdeckung mit dem in 3A gezeigten Dünnschichtmodul 31 und zur ganzflächigen Homogenisierung von dessen Absorptionscharakteristik vorgesehen ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass in prinzipiell ähnlicher Weise komplementäre Absorptionsmuster auch für kristalline Module der in 1 gezeigten Art geschaffen werden können, um deren optisches Erscheinungsbild in Draufsicht oder (bei speziellen Ausführungen mit erhöhter Transparenz) auch im Durchlicht zu vergleichmäßigen.
Bei der Prozessierung von Dünnschicht-Solarmodulen wird üblicherweise zunächst das Glassubstrat vorbereitet, danach werden mehrere Materialschichten (Front- und Rückkontakte sowie Absorberschichten) aufeinander aufgebracht. Die dafür verwendeten Technologien unterscheiden sich je nach eingesetztem Material; möglich sind z. B. Sputtertechniken, galvanische Techniken, Aufdampftechniken, Plasmabeschichtungstechniken oder Drucktechniken.
Da nicht alle Schichten die komplette Kollektorfläche bedecken sollen, folgt den einzelnen Auftragungsschritten üblicherweise ein Strukturierungsschritt, in dem lokal ein Teil des aufgebrachten Materials wieder entfernt wird. Hier kommen beispielsweise mechanische Verfahren oder Laserstrukturierungsverfahren zum Einsatz. Nach dem Prozessieren des Moduls ergibt sich ein charakteristisches Muster des Moduls, das im Wesentlichen aus den optischen Eigenschaften der Schichten und den angewandten Strukturierungsmaßnahmen resultiert.
Für einen gegebenen Gesamtprozess können die optischen Eigenschaften des Moduls (speziell lokale Absorption- und Reflexionseigenschaften) vermessen oder berechnet werden. Auf dieser Basis kann ermittelt werden, wie eine weitere Schicht auf dem Modul beschaffen sein muss, um in ihrem Zusammenwirken mit den schon vorhandenen Schichten ein nach außen homogenes Bild zu vermitteln. Da PV-Module i. A. darauf optimiert werden, im sichtbaren Spektralbereich eine konstante hohe Absorption aufzuweisen, besteht der einfachste Ansatz darin, durch eine selektiv platzierte Zusatzschicht die lokale Absorption lokal so weit anzuheben, bis sie den im Modul auftretenden Maximalwert erreicht. In diesem Sinn ist die aufzubringende Schicht als komplementär in Bezug auf den gemittelten Absorptionsindex zu wählen.
Eine einfache und kostengünstige Art, diese Schicht zu produzieren, besteht in einem Druckverfahren mit einer elektrisch isolierenden und breitbandig absorbierenden Farbe, mit der man die entstehenden Strukturierungsgräber vor oder nach der Aufbringung der anderen Schichten verfüllt. Alternativ kann die absorbierende Farbe auch nachträglich auf das Frontglas des PV-Moduls aufgebracht werden. Andere nachträglich anwendbare Methoden beinhalten galvanische Methoden (Abscheidung proportional zur lokalen Leitfähigkeit), photochemische Methoden (Abscheidung proportional zur transmittierten Lichtintensität) und gezielte Aufrauung von Oberflächen.
Generell kann die zusätzliche Schicht auch zeitgleich mit den regulären Schichten aufgebracht werden. Aus ökonomischer Sicht wäre es in diesem Fall wünschenswert, wenn das Verfahren ähnlich den schon verwendeten ist, so dass keine zusätzliche Maschine angeschafft werden muss. Denkbar wäre z. B. während eines Strukturierungsschrittes die entstehenden materialfreien Bereiche aufzufüllen oder aufzurauen.
Je nachdem, welcher Grad an optischer Homogenität des Moduls erreicht werden soll und welche Kosten hierfür anfallen dürfen, ist es auch möglich, mehr als eine zusätzliche Schicht aufzubringen. Auf diese Weise können z. B. Größen wie Reflexion und Absorption getrennt angepasst werden, auch das Auftreten spektral nicht konstanter Größen kann auf diese Weise einfacher berücksichtigt werden.
4 zeigt in schematischer Darstellung einer Prozessschrittfolge a) bis h2) Schritte zur Herstellung eines integrierten Dünnschichtsolarmoduls in zwei verschiedenen Ausführungen 41 bzw. 41', die sich aus der alternativen Ausführung eines letzten Schritts h1 bzw. h2 ergeben. Der Prozess beginnt der Bereitstellung eines transparenten Trägers 411 (Schritt a), auf den eine transparente Leitschicht 412 abgeschieden wird (Schritt b), welche im Schritt c durch Erzeugung erster Strukturierungsgräben 412a strukturiert wird. In einem Schritt d kommt eine absorbierende Dünnsicht 413 hinzu, welche in einem Schritt e durch Erzeugung zweiter Strukturierungsgräben 413a strukturiert wird. Die hierdurch gebildete Struktur wird in einem Schritt f mit einer zweiten transparenten Leitschicht 414 überdeckt, und auf diesen Schritt folgt als Schritt g ein weiterer Strukturierungsschritt zur Erzeugung dritter Gräben 414a.
Visuell auffällig sind in der so gebildeten Struktur die zweiten und dritten Strukturierungsgräben 413a und 414a, so dass eine Homogenisierung des optischen Erscheinungsbildes, speziell des Transmissionsverhaltens, sich auf das Vorsehen von Transmissions-Reduzierungsmitteln in diesen Abschnitten konzentrieren muss (und kann).
Bei einer ersten Variante werden in einem Schritt h1 beide Typen von Gräben 413a, 414a jeweils mit einem Material mit geeignetem Absorptionskoeffizienten ausgefüllt, welches elektrisch isolierend ist, aber in ähnlicher Weise absorbierend im Bereich des sichtbaren Lichts wirkt wie das aktive Solarzellenmaterial der Schicht 413. Anschließend wird der Schichtaufbau abgeschlossen durch das Aufbringend eines transparenten Frontglases 416.
Bei der im Schritt h2 gezeigten Verfahrensführung wird alternativ von einer Verfüllung der Gräben 413a, 414a Abstand genommen; statt dessen werden lokal an den Orten dieser Gräben oberflächliche Beschichtungen 415a, 415b auf das Frontglas 416 aufgebracht. Wegen der größeren Tiefe des Grabens 414a gegenüber dem Graben 413a und des hierdurch bedingten größeren Ausgangswertes der Transparenz im Graben 414a wird hier die Dicke der Beschichtung 415b etwas größer gewählt.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10329917 B4 [0006]
DE 10349269 A9 [0006]

Claims

Solarmodul (1; 31; 41; 41') mit einer Mehrzahl von Solarzellen (3) oder Solarzellenbereichen (33), wobei auf einer Oberfläche des Solarmoduls lokal in durch die Geometrie der Solarzellen oder Solarzellenbereiche vorgegebenen Abschnitten (35C; 415; 415a; 415b) eine die Transmission über den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts herabsetzende Beschichtung derart vorgesehen ist, dass das Solarmodul visuell als ganzflächig homogen erscheint.
Solarmodul nach Anspruch 1, wobei die lokale Beschichtung (35C; 415; 415a; 415b) elektrisch isolierend ist.
Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die lokale Beschichtung (35C; 415; 415a; 415b) mindestens abschnittsweise mehrschichtig ausgeführt ist.
Solarmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die lokale Beschichtung (35C; 415; 415a; 415b) als Druckfarben-Beschichtung ausgeführt ist oder eine aus Druckfarbe gebildete Teilschicht umfasst.
Solarmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die lokale Beschichtung (35C; 415; 415a; 415b) als galvanisch oder photochemisch abgeschiedene Schicht ausgeführt ist oder eine galvanisch oder photochemisch abgeschiedene Teilschicht umfasst.
Solarmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Solarzellen (3) vom kristallinen Siliziumtyp sind und eine lokale Beschichtung in Abstandsbereichen zwischen den einzelnen Solarzellen ausgebildet ist.
Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Solarzellenbereiche (33) als Dünnschicht- oder organische Solarzellenbereiche in integrierter Anordnung gebildet sind und die oder eine lokale Beschichtung (35C; 415; 415a; 415b) in Strukturierungsgräben derselben ausgebildet ist.
Solarmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, ausgebildet als semitransparentes Solarmodul (1; 31; 41; 41'), welches im Durchlicht visuell als ganzflächig homogen erscheint.
Solarzellenmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die lokale Beschichtung (415a; 415b) als äußere Beschichtung auf einem Front- oder Rückseiten-Trägerelement (416) ausgebildet ist.
Verglasungselement eines Gebäudes oder Land- oder Wasserfahrzeugs, mit einem integrierten Solarmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche.