DE102011100414A1 - Optisches Bauelement - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Bauelement (1) mit mehreren Schichtaufbauten, wobei ein erster Schichtaufbau (2) als Photovoltaikzelle ausgebildet ist und ein zweiter Schichtaufbau (3) als schaltbares Flächenleuchtelement ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann einer der Schichtaufbauten auch als in seiner Transparenz reversibel elektrisch schaltbarer Schichtaufbau (4) ausgebildet sein.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein optisches Bauelement mit mehreren Schichtaufbauten.
  • Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind optische Bauelemente beziehungsweise funktionale Gläser, wie sie beispielsweise als Fahrzeugseitenscheibe, Rückscheibe oder für ein Fahrzeugdach, eingesetzt werden können, bekannt. Solche optischen Bauelemente können verschiedene Funktionen übernehmen, beispielsweise die Erzeugung von elektrischer Leistung durch einen photovoltaischen Schichtaufbau oder auch ein Abschatten oder ein Verändern der Farbe beispielsweise durch einen elektrochromen Schichtaufbau oder einen Schichtaufbau mit einer polymeren Schicht mit darin dispergierten Flüssigkristallen, welche sich in Abhängigkeit eines elektrischen Potentials entsprechend ausrichten und so Licht hindurch lassen oder streuen. Letztlich ist es außerdem bekannt, optische Bauelemente als flächige Leuchtelemente auszuführen, beispielsweise in dem zwischen zwei transparenten Elektroden eine elektrolumineszierende Schicht angeordnet ist.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein optisches Bauelement zu schaffen, welches eine große Bandbreite in seiner Funktionalität aufweist. Ein solches Bauelement soll vorzugsweise zur Verwendung im Bereich der Außenhaut einer Fahrzeugkarosserie geeignet sein.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die unabhängigen Patentansprüche 1, 3 und 5 jeweils für sich und unabhängig voneinander gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen.
  • Ein optisches Bauelement gemäß dem Patentanspruch 1 vereint einen ersten Schichtaufbau, welcher als Photovoltaikzelle ausgebildet ist, mit einem zweiten Schichtaufbau, welcher als schaltbares Flächenleuchtelement ausgebildet ist. Beide Schichtaufbauten lassen sich in verschiedenen bekannten Technologien realisieren. Insbesondere kann der erste Schichtaufbau der Photovoltaikzelle dabei semitransparent ausgeführt werden, um zusätzlich zur Funktionalität der Photovoltaikzelle außerdem die Funktionalität eines Fensters, eines durchsichtigen Fahrzeugdaches oder dergleichen zu ermöglichen. Dieser Aufbau ist kombiniert mit dem zweiten Schichtaufbau, welcher als Flächenleuchtelement ausgebildet ist. Ein solches Flächenleuchtelement kann beispielsweise durch ein elektrolumineszentes Material ausgebildet werden, welches zwischen zwei transparenten Elektroden sowie gegebenenfalls einer reflektierenden oder halbreflektierenden Schicht eingesetzt wird. Alternativ dazu wäre auch ein lumineszentes Material mit einem entsprechenden Aufbau, welcher diese Lumineszenz anregt, beispielsweise einer organischen Leuchtdiode, möglich und denkbar.
  • Das erfindungsgemäße optische Bauelement ermöglicht so durch einen kombinierten Schichtaufbau von Photovoltaikzelle und schaltbarem Flächenleuchtelement sowohl die Generierung von elektrischem Strom bei äußerem Lichteinfall als auch die Erzeugung eines Leuchtens in der Dunkelheit. Beispielsweise kann über einen entsprechenden Schalter das Flächenleuchtelement aktiviert werden, um beispielsweise eine, insbesondere dimmbare, Hintergrundbeleuchtung in einem Fahrzeug, ein sogenanntes ambientes Licht, zu erzeugen.
  • Die Lösung gemäß dem Patentanspruch 3 sieht es vor, dass der beschriebene erste Schichtaufbau, welcher als Photovoltaikzelle ausgebildet ist, mit einem zweiten Schichtaufbau kombiniert wird, welcher als in seiner Transparenz reversibel elektrisch schaltbarer Schichtaufbau ausgebildet ist. Ein solcher in seiner Transparenz reversibel elektrisch schaltbarer Schichtaufbau kann beispielsweise als elektrochromer Schichtaufbau oder insbesondere als polymerer Schichtaufbau ausgebildet sein, bei welchem dispergierte Flüssigkristalle in dem Polymer angeordnet sind. Über geeignete transparente Elektroden lässt sich dann beim Anlegen eines elektrischen Potentials eine Ausrichtung der dispergierten Flüssigkristalle erreichen. Sind diese bis zu einem gewissen Grad ausgerichtet, lässt sich in Abhängigkeit der angelegten Spannung ein hoher Grad an Transparenz beliebig einstellen. Bei abgeschaltetem elektrischem Potential ordnen sich die Kristalle wieder willkürlich an und streuen das Licht, sodass ein opaker Aufbau entsteht. Ein solcher Aufbau ermöglicht es ergänzend zum Aufbau der Photovoltaikzelle und idealerweise in Richtung des eintretenden Lichts hinter der vorzugsweise semitransparent ausgebildeten Photovoltaikzelle angeordnet, eine weitere Abschattung des Innenraums, um beispielsweise einfallendes Licht zu streuen, und so ein thermisches Aufheizen eines Innenraums, insbesondere dem Innenraum eines Fahrzeugs, entgegenzuwirken.
  • Im Patentanspruch 5 ist eine weitere erfindungsgemäße Lösung mit einem optischen Bauelement angegeben. Das optische Bauelement gemäß Anspruch 5 kombiniert dabei als ersten Schichtaufbau ein schaltbares Flächenleuchtelement mit dem zweiten Schichtaufbau eines in seiner Transparenz reversibel elektrisch schaltbaren Schichtaufbaus. Die Kombination dieser beiden Schichtaufbauten ermöglicht eine, insbesondere dimmbare, elektrische Beleuchtung über das Flächenleuchtelement und erlaubt gleichzeitig die Transparenz des Schichtaufbaus so zu verändern, dass von einem durchsichtigen Zustand auf einen opaken Zustand des zweiten Schichtaufbaus gewechselt werden kann.
  • In besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildungen der beschriebenen erfindungsgemäßen Lösungen kann es ferner vorgesehen sein, dass alle drei bisher beschriebenen Schichten in einem Bauelement vereint werden. Dies ermöglicht es dann, dass über die Photovoltaik Strom beziehungsweise elektrische Leistung erzeugt wird. Über die in ihrer Transparenz reversibel veränderbare Schicht lässt sich dann ein Sicht- und Sonnenschutz realisieren, welcher insbesondere hinsichtlich des erzielten Transparenzgrades frei einstellbar ist und so unerwünschte Blicke und Wärme aus dem Fahrzeug abhalten kann, jedoch auch bei Bedarf soweit transparent geschaltet werden kann, dass die Umgebung des Fahrzeugs beobachtet werden kann. Die dritte Schicht ermöglicht dann als Flächenleuchte eine vorzugsweise dimmbare Beleuchtung, insbesondere eines Fahrzeugs, sodass ein indirektes Licht beispielsweise als Hintergrundbeleuchtung während des nächtlichen Betriebs des Fahrzeugs möglich wird.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen optischen Bauelemente kann es ferner vorgesehen sein, dass wenigstens eine Antenne in das optische Bauelement integriert ausgebildet ist. Eine solche Integration von Antennen ist insbesondere bei der Verglasung von Fahrzeugen an sich bekannt und üblich. Diese zusätzliche Funktionalität lässt sich in das optische Bauelement in einer der oben beschriebenen Ausführungsvarianten zusätzlich integrieren, um so eine weitere Funktionalität mit zu realisieren.
  • In einer sehr günstigen Ausgestaltung der optischen Bauelemente ist es ferner vorgesehen, dass die Schichtaufbauten jeweils elektrisch isoliert gegeneinander ausgebildet sind. Diese elektrische Isolation der Schichtaufbauten, welche typischerweise über eine elektrische Funktionalität verfügen und insbesondere in der Art von Kondensatoren aufgebaut sein können, ist vorteilhaft, um die Funktionalität der einzelnen Schichtaufbauten vollkommen unabhängig voneinander steuern zu können.
  • Wie bereits erwähnt, kann ein derartig aufgebautes optisches Bauelement vorzugsweise für Fahrzeuge eingesetzt werden. Die besonders bevorzugte Verwendung liegt im Bereich der Außenhaut einer Fahrzeugkarosserie, in welche das erfindungsgemäße optische Bauelement eingesetzt sein soll. Die oben beschriebenen Vorteile spielen insbesondere bei einer derartigen Verwendung eine entscheidende Rolle, da Fahrzeuge häufig starker Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, welche einerseits energieerzeugend genutzt werden soll und andererseits vom Innenraum abgeschattet werden soll, um ein zu starkes Aufheizen des Innenraums und damit typischerweise einen sehr hohen Energieverbrauch der Klimaanlage zu verhindern. Außerdem sind Fahrzeuge häufig im Dunkeln unterwegs, sodass eine ambiente Beleuchtung einen besonderen Vorteil darstellt. Da der Fahrer sich auch im Dunkeln auf die Straße konzentrieren muss, ist für eine ambiente Hintergrundbeleuchtung, wie sie beispielsweise von einem Fahrzeugdach ausgehen kann, die flächige Beleuchtung gemäß der Erfindung von besonderem Vorteil, da diese ein leicht dimmbares, sehr diffuses Hintergrundlicht erzeugt, welches eine angenehme Innenraumatmosphäre erzeugt, ohne so hell zu werden, dass der Fahrer dadurch von der Fahrbahn abgelenkt ist, und ohne dass unerwünschte Spiegelungen in der Frontscheibe durch die Innenbeleuchtung erzeugt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aufbaus ergeben sich aus dem nachfolgend anhand der Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel.
  • Dabei zeigen:
  • 1 einen prinzipmäßigen Aufbau eines optischen Bauelements gemäß der Erfindung;
  • 2 eine Photovoltaikzelle, welche sich in dem Aufbau der 1 verwenden lässt;
  • 3 eine Prinzipdarstellung eines Flächenleuchtelements, welches sich in dem optischen Bauelement der 1 verwenden lässt;
  • 4 eine Prinzipdarstellung einer in ihrer Transparenz veränderlichen Schicht, welche sich in dem optischen Bauelement der 1 verwenden lässt in einem ersten Zustand; und
  • 5 eine Prinzipdarstellung einer in ihrer Transparenz veränderlichen Schicht, welche sich in dem optischen Bauelement der 1 verwenden lässt in einem zweiten Zustand.
  • In der Darstellung der 1 ist ein Ausschnitt aus einem optischen Bauelement 1 prinzipmäßig und nicht maßstäblich dargestellt. Es besteht aus drei Schichtaufbauten 2, 3, 4. Diese Schichtaufbauten folgen in dem optischen Bauelement 1 in der genannten Reihenfolge in Richtung von einfallendem Licht 5, insbesondere einfallendem Sonnenlicht. Das einfallende Licht beziehungsweise Sonnenlicht 5 gelangt dann zuerst in den ersten Schichtaufbau 2, welcher in Form einer Photovoltaikzelle ausgebildet ist. Der Schichtaufbau 2 soll dabei insbesondere als Dünnschicht-Photovoltaikzelle oder Dünnschicht-Stapel-Photovoltaikzelle ausgebildet sein. Der Aufbau soll insbesondere semitransparent ausgebildet werden, um einfallendes Licht 5 in die Schichtaufbauten 3 und 4 sowie in den hinter dem optischen Bauelement 1 liegenden Innenraum 6, beispielsweise den Innenraum eines Fahrzeugs, weiterzuleiten. Auf den ersten Schichtaufbau 2 folgt eine optisch transparente elektrisch isolierende Schicht 7, auf welche dann wiederum ein zweiter Schichtaufbau 3 folgt. Dieser zweite Schichtaufbau 3 soll als schaltbares Flächenleuchtelement ausgebildet sein. Dieses schaltbare Flächenleuchtelement kann dann elektrisch schaltbar entweder zwischen einem Einschalten und einem Ausschalten oder kontinuierlich schaltbar, also dimmbar, ausgebildet sein. Es kann flächig ein diffuses indirektes Licht erzeugen, um so beispielsweise den Innenraum 6 in der Nacht mit einem ambienten Hintergrundlicht zu beleuchten. Auf diesem Schichtaufbau 3 soll wiederum eine elektrisch isolierende Schicht 8 folgen, an welche sich ein dritter Schichtaufbau 4 anschließt. Dieser dritte Schichtaufbau 4 soll in seiner Transparenz elektrisch reversibel schaltbar sein. Ein Beispiel für einen solchen Schichtaufbau könnte beispielsweise ein an sich bekannter elektrochromer Schichtaufbau sein, bei welchem durch elektrochemische Effekte Farbe und/oder Transparenz verändert werden kann. insbesondere soll der dritte Schichtaufbau 4 jedoch mit polymerdispergierten Flüssigkristallen ausgebildet sein, wie dies später noch erläutert wird.
  • Dieser Aufbau des optischen Bauelements 1 kann für verschiedene Zwecke eingesetzt werden. Er soll seine vorzugsweise Verwendung bei semitransparenten Dächern in Fahrzeugen, bei semitransparenten Seitenscheiben oder Heckscheiben des Fahrzeugs finden.
  • In der Darstellung der 2 ist rein beispielhaft der erste Schichtaufbau 2 nochmals im Detail erläutert. Das Beispiel zeigt dabei eine Dünnschicht-Stapel-Photovoltaikzelle, welche in an sich bekannter Art und Weise aufgebaut ist. Von oben nach unten gesehen wird der Schichtaufbau von einem Frontglas 9 beziehungsweise einem transparenten flexiblen Frontträgersubstrat 9 getragen. Darauf ist ein transparenter Frontkontakt 10, beispielsweise in Form eines sogenannten TCO (transparent conductive oxide) aufgebracht. Nachfolgend folgt eine sogenannte „Topzelle” aus amorphen Silicium als dritte Schicht 11. An diese Schicht 11 schließt sich ein Zwischenreflektor 12 an, welcher mit einer μc-Silicium „Bottom-Zelle” 13 versehen ist. Daraufhin folgt der Rückkontakt 14 sowie gegebenenfalls ein dielektrischer Rückreflektor 15. Dieser Aufbau ist an sich bekannt und kann beispielsweise über PVD- und CVD-Prozesse und dazwischen angeordneten Schneiden der Schichten mittels Laser in der gewünschten Art und Weise aufgebaut werden. Sowohl bei Dünnschicht-Photovoltaikzellen als auch bei Dünnschicht-Stapel-Photovoltaikzellen als Schichtaufbau 2 ist es dabei möglich, den Aufbau semitransparent auszubilden, entweder durch den Einsatz geeigneter Materialien im Bereich der Reflektoren und/oder durch eine Segmentierung der Photovoltaikzelle, sodass zwischen den photovoltaisch aktiven Zellbereichen transparent durchscheinende Bereiche frei bleiben.
  • In der Darstellung der 3 ist beispielhaft der Aufbau für ein Flächenleuchtelement als Schichtaufbau 3 angegeben. Dieses Flächenleuchtelement besteht wiederum in Richtung 16 des einfallenden Lichts gesehen aus einer halbdurchlässigen reflektierenden Schicht, welche von innen, also in der Darstellung von unten kommendes Licht reflektiert und von oben durch den Schichtaufbau 2 der Photovoltaikzelle hindurch dringendes Licht passieren lässt. Auf diese teilweise reflektierende Schicht 16 folgt eine transparente Elektrode 17, an welche sich ein elektrolumineszentes Material 18, beispielsweise auf der Basis von Zinksulfid, anschließt. Den Abschluss bildet wiederum eine transparente Elektrode 19. Die reflektierende beziehungsweise teilweise reflektierende Schicht 16 kann optional auch mit der ersten Elektrode 17 zusammengefasst werden oder auf die reflektierende Schicht 16 kann gänzlich verzichtet werden. Werden die Elektroden 17, 19 nun mit einer entsprechenden Spannung beaufschlagt, so erzeugt dies ein Leuchten der elektrolumineszierenden Schicht 18, welche den unterhalb und oberhalb des zweiten Schichtaufbaus 3 angeordneten Bereich erleuchtet. Wird die halbdurchlässige reflektierende Schicht 16 eingesetzt, so kann das von der elektrolumineszierenden Schicht 18 erzeugte Licht in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nach unten, also in den Innenraum 6, reflektiert werden, sodass die Lichtausbeute bei der Beleuchtung durch das Flächenleuchtelement des Schichtaufbaus 3 erhöht wird. Die halbdurchlässige reflektierende Schicht 16 ist dabei so ausgebildet, dass das von außen durch den Schichtaufbau 2 der Photovoltaikzelle eindringende Licht 5 diese Schicht durchdringt, sodass Sonnenlicht in das Innere 6 scheinen kann.
  • Der abschließende dritte Schichtaufbau 4 soll entweder als elektrochromer Schichtaufbau oder vorzugsweise als Schichtaufbau 4 mit dispergierten Flüssigkristallen in einer Polymermatrix 20 ausgebildet sein. Ein solcher Aufbau ist in der Darstellung der 4 und 5 näher dargestellt. In der Darstellung der 4 sind zwei transparente Elektroden 21, 22 zu erkennen. In der Darstellung der 4 ist keine Spannung zwischen den Elektroden 21, 22 angelegt. Zwischen den Elektroden 21, 22 findet sich das Polymermaterial 20, welches an sich durchsichtig ist. In diesem Polymermaterial 20 sind kleine Tröpfchen 23 einer Trägerflüssigkeit verteilt angeordnet. Die Tröpfchen weisen dabei Flüssigkristalle oder andere geeignete Teilchen auf, welche in dem in 4 dargestellten Zustand willkürlich verteilt in den Tröpfchen 23 vorliegen und eintretendes Licht streuen. Der dritte Schichtaufbau 4 ist in dem in 4 dargestellten Zustand damit opak und lässt eintretendes Licht nicht oder nur zu einem sehr geringen Anteil passieren.
  • Wird zwischen den Elektroden 21, 22 nun eine entsprechende Spannung angelegt, so richten sich die Flüssigkristalle in den Tröpfchen 23 entsprechend aus. Die Ausrichtung bewirkt eine Verringerung der Streuung, und zwar in dem Maße, in dem die Teilchen in den Tröpfchen 23 zunehmend ausgerichtet sind. Mit zunehmender Spannung an den Elektroden 21, 22 lässt sich so eine zunehmende einstellbare Transparenz des dritten Schichtaufbaus 4 erzielen, sodass durch das optische Element 1 eintretendes Sonnenlicht 5 in das Fahrzeuginnere 6 gelangt. In 5 ist der Zustand maximaler Transparenz dargestellt. Je nach gewünschter Transparenz lässt sich der dritte Schichtaufbau 4 also entsprechend einstellen, sodass ein an sich von innen nach außen durchsichtiger Aufbau des optischen Bauelements 1 entsteht.

Claims (10)

  1. Optisches Bauelement (1) mit mehreren Schichtaufbauten, wobei 1.1 ein erster Schichtaufbau (2) als Photovoltaikzelle ausgebildet ist; und 1.2 ein zweiter Schichtaufbau (3) als schaltbares Flächenleuchtelement ausgebildet ist.
  2. Optisches Bauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein dritter Schichtaufbau (4) vorhanden ist, welcher als in seiner Transparenz reversibel elektrisch schaltbarer Schichtaufbau (4) ausgebildet ist.
  3. Optisches Bauelement (1) mit mehreren Schichtaufbauten, wobei 3.1 ein erster Schichtaufbau (2) als Photovoltaikzelle ausgebildet ist; und 3.2 ein zweiter Schichtaufbau (4) als in seiner Transparenz reversibel elektrisch schaltbarer Schichtaufbau (4) ausgebildet ist.
  4. Optisches Bauelement (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein dritter Schichtaufbau (3) vorhanden ist, welcher als schaltbares Flächenleuchtelement ausgebildet ist.
  5. Optisches Bauelement (1) mit mehreren Schichtaufbauten, wobei 5.1 ein erster Schichtaufbau (2) als schaltbares Flächenleuchtelement ausgebildet ist; und 5.2 ein zweiter Schichtaufbau (4) als in seiner Transparenz reversibel elektrisch schaltbarer Schichtaufbau (4) ausgebildet ist.
  6. Optisches Bauelement (1), dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein dritter Schichtaufbau (3) vorhanden ist, welcher als Photovoltaikzelle ausgebildet ist.
  7. Optisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtaufbauten (2, 3, 4) jeweils elektrisch gegeneinander isoliert (7, 8) ausgebildet sind.
  8. Optisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Antenne in das optische Bauelement (1) integriert ausgebildet ist.
  9. Optisches Bauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung des einfallenden Lichts (5), sofern vorhanden, zuerst ein Schichtaufbau (2) angeordnet ist, welcher als Photovoltaikzelle ausgebildet ist; dann ein Schichtaufbau (3) angeordnet ist, welcher als schaltbares Flächenleuchtelement ausgebildet ist, und dann ein Schichtaufbau (4) angeordnet ist, welcher als in seiner Transparenz reversibel elektrisch schaltbarer Schichtaufbau (4) ausgebildet ist.
  10. Verwendung eines optischen Bauelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als optisches Bauteil in einer Außenhaut einer Fahrzeugkarosserie.
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