DE102012103448A1 - Verfahren zur Optimierung von in Reihe geschalteten, photoaktiven Bauelementen auf gekrümmten Oberflächen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung von photoaktiven Bauelementen auf gekrümmten Oberflächen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung von photoaktiven Bauelementen auf gekrümmten Oberflächen.
  • Photoaktive Bauelemente, wie etwa Solarzellen finden heute eine breite Anwendung im alltäglichen sowie industriellen Umfeld. Von besonderem Interesse sind dabei solche Bauelemente, welche aufgrund ihrer Ausgestaltung eine Anordnung auf gekrümmten der gewölbten Oberflächen erlauben.
  • So sind beispielsweise Dünnschicht-Solarzellen bekannt, welche eine flexible Ausgestaltung aufweisen und damit eine Anordnung auf gekrümmten Oberflächen erlauben. Solche Solarzellen weisen dabei bevorzugt aktive Schichten aus amorphen Silicium (α-Si) oder CIGS (Cu(In,Ga)(S,Se)2) auf.
  • Nachteilig bei diesen Dünnschicht-Solarzellen sind die vor allem durch die Materialien bedingten hohen Produktionskosten.
  • Weiterhin bekannt sind auch Solarzellen mit organischen aktiven Schichten, welche flexibel ausgestaltet sind (Konarka – Power Plastic Series). Die organischen aktiven Schichten können dabei aus Polymeren (z. B. US7825326 B2 ) oder kleinen Molekülen (z. B. EP 2385556 A1 ) aufgebaut sein. Während Polymere sich dadurch auszeichnen, dass diese nicht verdampfbar und daher nur aus Lösungen aufgebracht werden können, sind kleine Moleküle verdampfbar.
  • Der Vorteil solcher Bauelemente auf organischer Basis gegenüber den konventionellen Bauelementen auf anorganischer Basis (Halbleiter wie Silizium, Galliumarsenid) sind die teilweise extrem hohen optischen Absorptionskoeffizienten (bis zu 2 × 105 cm1), so dass sich die Möglichkeit bietet, mit geringem Material- und Energieaufwand sehr dünne Solarzellen herzustellen. Weitere technologische Aspekte sind die niedrigen Kosten, die Möglichkeit, flexible großflächige Bauteile auf Plastikfolien herzustellen, und die nahezu unbegrenzten Variationsmöglichkeiten und die unbegrenzte Verfügbarkeit der organischen Chemie. Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit, transparente Bauelemente herstellen zu können, welche beispielsweise in Glasapplikationen eingesetzt werden können.
  • Eine Solarzelle wandelt Lichtenergie in elektrische Energie um. Der Begriff photoaktiv bezeichnet hierbei ebenfalls die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Im Gegensatz zu anorganische Solarzellen werden bei organischen Solarzellen durch das Licht nicht direkt freie Ladungsträger erzeugt, sondern es bilden sich zunächst Exzitonen, also elektrisch neutrale Anregungszustände (gebundene Elektron-Loch-Paare). Erst in einem zweiten Schritt werden diese Exzitonen in freie Ladungsträger getrennt, die dann zum elektrischen Stromfluss beitragen.
  • Eine in der Literatur bereits vorgeschlagene Realisierungsmöglichkeit einer organischen Solarzelle besteht in einer pin-Diode [Martin Pfeiffer, „Controlled doping of organic vacuum deposited dye layers: basics and applications", PhD thesis TU-Dresden, 1999.] mit folgendem Schichtaufbau:
    • 0.
    Träger, Substrat,
    1.
    Grundkontakt, meist transparent,
    2.
    p-Schicht(en),
    3.
    i-Schicht(en),
    4.
    n-Schicht(en),
    5.
    Deckkontakt.
  • Hierbei bedeutet n bzw. p eine n- bzw. p-Dotierung, die zu einer Erhöhung der Dichte freier Elektronen bzw. Löcher im thermischen Gleichgewichtszustand führt. Es ist allerdings auch möglich, dass die n-Schicht(en) bzw. p-Schicht(en) zumindest teilweise nominell undotiert sind und nur aufgrund der Materialeigenschaften (z. B. unterschiedliche Beweglichkeiten), aufgrund unbekannter Verunreinigungen (z. B. verbliebene Reste aus der Synthese, Zerfalls- oder Reaktionsprodukte während der Schichtherstellung) oder aufgrund von Einflüssen der Umgebung (z. B. angrenzende Schichten, Eindiffusion von Metallen oder anderen organischen Materialien, Gasdotierung aus der Umgebungsatmosphäre) bevorzugt n-leitende bzw. bevorzugt p-leitende Eigenschaften besitzen. In diesem Sinne sind derartigen Schichten primär als Transportschichten zu verstehen. Die Bezeichnung i-Schicht bezeichnet demgegenüber eine nominell undotierte Schicht (intrinsische Schicht). Eine oder mehrere i-Schichten können hierbei Schichten sowohl aus einem Material, als auch eine Mischung aus zwei Materialien (sogenannte interpenetrierende Netzwerke bzw. bulk-heterojunction; M. Hiramoto et al. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2006, 444, pp. 33–40) bestehen. Das durch den transparenten Grundkontakt einfallende Licht erzeugt in der i-Schicht bzw. in der n-/p-Schicht Exzitonen (gebundene Elektron-Loch-Paare). Diese Exzitonen können nur durch sehr hohe elektrische Felder oder an geeigneten Grenzflächen getrennt werden. In Organische Solarzellen stehen ausreichend hohe Felder nicht zur Verfügung, so dass alle Erfolg versprechenden Konzepte für organische Solarzellen auf der Exzitonentrennung an photoaktiven Grenzflächen beruhen. Die Exzitonen gelangen durch Diffusion an eine derartige aktive Grenzfläche, wo Elektronen und Löcher voneinander getrennt werden. Das Material, welches die Elektronen aufnimmt, wird dabei als Akzeptor, und das Material, welches das Loch aufnimmt, als Donator (oder Donor) bezeichnet. Die trennende Grenzfläche kann zwischen der p-(n-)Schicht und der i-Schicht bzw. zwischen zwei i-Schichten liegen. Im eingebauten elektrischen Feld der Solarzelle werden die Elektronen nun zum n-Gebiet und die Löcher zum p-Gebiet abtransportiert. Vorzugsweise handelt es sich bei den Transportschichten um transparente oder weitgehend transparente Materialien mit großer Bandlücke (wide-gap) wie sie z. B. in WO 2004083958 beschrieben sind. Als wide-gap Materialien werden hierbei Materialien bezeichnet, deren Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich < 450 nm liegt, vorzugsweise bei < 400 nm.
  • Da durch das Licht immer erst Exzitonen erzeugt werden und noch keine freien Ladungsträger, spielt die rekombinationsarme Diffusion von Exzitonen an die aktive Grenzfläche eine kritische Rolle bei Organische Solarzellen. Um einen Beitrag zum Photostrom zu leisten, muss daher in einer guten organischen Solarzelle die Exzitonendiffusionslänge die typische Eindringtiefe des Lichts deutlich übersteigen, damit der überwiegende Teil des Lichts genutzt werden kann. Strukturell und bezüglich der chemischen Reinheit perfekte organische Kristalle oder Dünnschichten erfüllen durchaus dieses Kriterium. Für großflächige Anwendungen ist allerdings die Verwendung von monokristallinen organischen Materialien nicht möglich und die Herstellung von Mehrfachschichten mit ausreichender struktureller Perfektion ist bis jetzt noch sehr schwierig.
  • Falls es sich bei der i-Schicht um eine Mischschicht handelt, so übernimmt die Aufgabe der Lichtabsorption entweder nur eine der Komponenten oder auch beide. Der Vorteil von Mischschichten ist, dass die erzeugten Exzitonen nur einen sehr kurzen Weg zurücklegen müssen bis sie an eine Domänengrenze gelangen, wo sie getrennt werden. Der Abtransport der Elektronen bzw. Löcher erfolgt getrennt in den jeweiligen Materialien. Da in der Mischschicht die Materialien überall miteinander im Kontakt sind, ist bei diesem Konzept entscheidend, dass die getrennten Ladungen eine lange Lebensdauer auf dem jeweiligen Material besitzen und von jedem Ort aus geschlossene Perkolationspfade für beide Ladungsträgersorten zum jeweiligen Kontakt hin vorhanden sind.
  • Aus der US 5,093,698 ist die Dotierung organischer Materialien bekannt. Durch Beimischung einer akzeptorartigen bzw. donatorartigen Dotiersubstanz wird die Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration in der Schicht erhöht und die Leitfähigkeit gesteigert. Nach US 5,093,698 werden die dotierten Schichten als Injektionsschichten an der Grenzfläche zu den Kontaktmaterialien in elektrolumineszierenden Bauelementen verwendet. Ähnliche Dotierungsansätze sind analog auch für Solarzellen zweckmäßig.
  • Aus der Literatur sind verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für die photoaktive i-Schicht bekannt. So kann es sich hierbei um eine Doppelschicht ( EP0000829 ) oder eine Mischschicht (Hiramoto, Appl. Phys. Lett. 58, 1062 (1991)) handeln. Bekannt ist auch eine Kombination aus Doppel-und Mischschichten (Hiramoto, Appl. Phys. Lett. 58, 1062 (1991); US 6,559,375 ). Ebenfalls bekannt ist, dass das Mischungsverhältnis in verschiedenen Bereichen der Mischschicht unterschiedlich ist ( US 20050110005 ) bzw. das Mischungsverhältnis einen Gradienten aufweist.
  • Weiterhin sind Tandem- bzw. Mehrfachsolarzellen aus der Literatur bekannt (Hiramoto, Chem. Lett., 1990, 327 (1990); DE 10 2004 014 046 ).
  • Aus der Literatur schon lange bekannt sind organische Tandemsolarzellen (Hiramoto, Chem. Lett., 1990, 327 (1990). In der Tandemzelle von Hiramoto et al. befindet sich eine 2 nm dicke Goldschicht zwischen den beiden Einzelzellen. Die Aufgabe dieser Goldschicht besteht darin für eine gute elektrische Verbindung zwischen den beiden Einzelzellen zu sorgen: die Goldschicht bewirkt eine effiziente Rekombination der Löcher aus der einen Teilzelle mit den Elektronen aus der anderen Teilzelle und bewirkt damit, dass die beiden Teilzellen elektrisch in Serie verschaltet sind. Weiterhin absorbiert die Goldschicht wie jede dünne Metallschicht (bzw. Metallcluster) einen Teil des einfallenden Lichts. Diese Absorption ist in der Tandemzelle von Hiramoto ein Verlustmechanismus, da dadurch den photoaktiven Schichten (H2Pc (metallfreies Phthalocyanin)/Me-PTC (N,N''-dimethylperylene-3,4,9,10-bis(dicarboximide) in den beiden Einzelzellen der Tandemzelle weniger Licht zur Verfügung steht. Die Aufgabe der Goldschicht ist in dieser Tandemstruktur daher rein auf der elektrischen Seite. Innerhalb dieser Konzeption sollte die Goldschicht möglichst dünn sein bzw. im besten Fall komplett wegfallen.
  • Weiterhin aus der Literatur bekannt sind organische pin-Tandemzellen ( DE 10 2004 014 046 ): Die Struktur solch einer Tandemzelle besteht aus zwei pin-Einzelzellen wobei die Schichtfolge „pin” die Abfolge aus einem p-dotierten Schichtsystem, einem undotierten photoaktiven Schichtsystem und einem n-dotierten Schichtsystem beschreibt. Die dotierten Schichtsysteme bestehen bevorzugt aus transparenten Materialien, so genannten wide-gap Materialien/Schichten und sie können hierbei auch teilweise oder ganz undotiert sein oder auch ortsabhängig verschiedene Dotierungskonzentrationen aufweisen bzw. über einen kontinuierlichen Gradienten in der Dotierungskonzentration verfügen. Speziell auch sehr gering dotierte oder hochdotierte Bereiche im Grenzbereich an den Elektroden, im Grenzbereich zu einer anderen dotierten oder undotierten Transportschicht, im Grenzbereich zu den aktiven Schichten oder bei Tandem- oder Mehrfachzellen im Grenzbereich zu der anliegenden pin- bzw. nip-Teilzelle, d. h. im Bereich der Rekombinationszone sind möglich. Auch eine beliebige Kombination aus allen diesen Merkmalen ist möglich. Natürlich kann es sich bei einer solchen Tandemzelle auch um eine sogenannte invertierte Struktur (z. B. nip-Tandemzelle; handeln. Im Folgenden werden alle diese möglichen Tandemzellen-Realisierungsformen mit dem Begriff pin-Tandemzellen bezeichnet. Ein Vorteil einer solchen pin-Tandemzelle besteht darin, dass durch die Verwendung von dotierten Transportschichten eine sehr einfache und gleichzeitig sehr effiziente Realisierungsmöglichkeit für die Rekombinationszone zwischen den beiden Teilzellen möglich ist. Die Tandemzelle weist z. B. eine pinpin-Struktur auf (oder auch z. B. möglich nipnip). An der Grenzfläche zwischen den beiden pin-Teilzellen befinden sich jeweils eine n-dotierte Schicht und eine p-dotierte Schicht, die ein pn-System (bzw. np-System) bilden. In einem solchen dotierten pn-System erfolgt eine sehr effiziente Rekombination der Elektronen und Löcher. Die Stapelung von zwei pin-Einzelzellen ergibt damit direkt eine vollständige pin-Tandemzelle, ohne dass noch weitere Schichten benötigt werden. Speziell von Vorteil ist hier, dass keine dünnen Metallschichten mehr benötigt werden wie bei Hiramoto, um die effiziente Rekombination zu gewährleisten. Hierdurch kann die Verlustabsorption solcher dünnen Metallschichten komplett vermieden werden.
  • Ein Problem bei der Effizienz-Optimierung von Tandemzellen besteht darin, dass beide Teilzellen möglichst gleich viel Photostrom erzeugen sollen. Da hocheffiziente organische Solarzellen über eine hohe interne Quanteneffizienz verfügen (fast alle Photonen werden in elektrischen Strom umgesetzt) bedeutet dies, dass beide Teilzellen möglichst gleich Licht (d. h. Anzahl an Photonen) des Sonnenspektrums absorbieren sollen. Falls nämlich eine Teilzelle mehr Licht absorbiert als die andere Teilzelle, so könnte die erstere eigentlich einen größeren Photostrom erzeugen als die zweite. Da in der Tandemzelle die beiden Teilzellen elektrisch in Serie verschaltet sind, wird der Strom der Tandemzelle allerdings immer durch den geringeren Strom einer der beiden Teilzellen limitiert. Der potentiell größere Strom einer Teilzelle, die mehr Licht absorbiert, muss damit ungenutzt bleiben. Tandemzellen müssen daher so optimiert werden, dass beide Teilzellen möglichst viel Licht absorbieren und gleich viel Licht absorbieren.
  • Die Ausbalancierung der Absorption kann z. B. über die Variation der Dicken der beiden photoaktiven Schichtsysteme erfolgen. Eine weitere Möglichkeit bei pin-Tandemzellen besteht darin, durch die Variation der Dicken der Transportschichten die photoaktiven Schichtsysteme in die Maxima der optischen Feldverteilung des Lichtes zu platzieren (dies ist ebenfalls in DE 10 2004 014 046 beschrieben).
  • Weiterhin bekannt ist der Einsatz von Kavitätsschichtsystemen ( WO 2011/064330 ), welche als teiltransparenter Spiegel fungieren und für eine besser Verteilung des Licht in der Tandemzelle sorgen
  • Neben den oben benannten Vorteilen des Einsatzes von photoaktiven Bauelementen auf gekrümmten Oberflächen ergeben sich auch Nachteile dahingehend, dass beispielsweise der generierte Modulstrom bei in Reihe geschalteten Solarzellen durch die Zelle limitiert wird, welche die größte Winkelabweichung von der Einstrahlrichtung aufweist und somit die geringste Absorption und damit Generierung von Ladungsträgern aufweist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin ein Verfahren anzugeben, welches eine Optimierung des einzelnen photoaktiven Bauelements in einem Modul in Abhängigkeit von dessen Positionierung auf einer gekrümmten Oberfläche gewährleistet.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Optimierung von zumindest zwei in Reihe geschalteten, photoaktiven Bauelementen mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode und mit einer zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordneten photoaktive Schicht vorgeschlagen, wobei die photoaktiven Bauelemente auf einer gekrümmten Oberfläche angeordnet sind. Dabei wird die ebene Fläche des einzelnen photoaktiven Bauelements in Abhängigkeit der Positionierung des photoaktiven Bauelements auf der gekrümmten Oberfläche sowie des Ein- bzw. Abstrahlwinkels der Strahlung angepasst.
  • Unter photoaktiven Bauelementen mit organischen Schichten werden organische Solarzellen (OPV) verstanden.
  • Unter einer Anpassung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine zulässige Abweichung im Bereich bis zu 20% verstanden.
  • Für eine Solarzellen erhält man die Kurzschluss-Photostromdichte als: JSC = q∫bS(E)QE(E)dE Formel I
  • Hierbei ist JSC die Kurzschluss-Photostromdichte, q die Elementarladung, bS(E) die auf die Zelle treffende spektrale Photonenflussdichte im Intervall zwischen E und E + dE und QE(E) die Quanteneffizienz. In der üblichen Notation für Oberflächenintegrale einer vektoriellen Funktion erhält man dann für den Kurzschluss-Strom eine Zelle mit der Oberfläche S: ISC = q∫∫∫S(v·n)bS(E)QE(E)dEdO Formel II
  • Hierbei gibt v die Richtung des Photonenflusses auf jedem Punkt der Zelloberfläche an und n ist die Normalenrichtung auf jedem Flächenelement dO.
  • Für eine Reihenschaltung beliebig vieler dieser Zellen zu einem Modul ist der kleinste Kurzschluss-Zellstrom ausschlaggebend für den zu erwartenden Kurzschluss-Modulstrom und somit gilt für den Kurzschluss-Modulstrom ISC,Modul eines aus n seriell verschalteten Zellen mit Kurzschluss-Zellströmen ISCn bestehenden Moduls: ISC,Modul = min(ISCn·fn) Formel III
  • Hierbei ist fn ein Korrekturfaktor, der die Zellverschaltung zusätzlich auftretende Verlustmechanismen, die zum Beispiel von der Fläche der jeweiligen Zelle oder charakteristischen Parametern wie der Zellbreite abhängen können, berücksichtigt. Ganz konkret können damit zum Beispiel die elektrischen Verluste beschrieben werden, die bei der Verschaltung herkömmlicher rechteckiger Einzelzellen von Schichtwiderstand der Zellelektroden sowie der Zellbreite bestimmt werden.
  • Unter der Annahme einer mittleren Quanteneffizienz QE sowie Photonenflussdichte bS vereinfacht sich die Berechnung des Kurzschluss-Zellstromes zu: ISC = q∫∫S(v·n)bSQEdO) Formel IV
  • Geht man weiterhin davon aus, dass die beliebig begrenzte Einzelzelle mit der Fläche An eben ist (Flächennormale nn) und der Winkel zwischen nn und der durch v bezeichneten Einstrahlrichtung θn ist, vereinfacht sich die Berechnung weiter: ISCn = qbSQE·An·cosθn Formel V
  • Für ein Modul, das durch Serienverschaltung von n dieser Einzelzellen gebildet wird, bleibt es beim Strom ISC,Modul: ISC,Modul = min(ISCn·fn) Formel VI
  • Nach Dimensionierung der ersten Zelle A0 mit θ0 erhält man somit ein Verfahren zur Festlegung aller weiteren Zellen durch: Ao·cosθ0 = An·cosθn Formel VII
  • Aufgrund der jahreszeitlichen Bewegung der Sonne sowie der Bewegung im Tagesverlauf wird eine Haupteinstrahlrichtung θHaupt angenommen, welche im täglichen sowie im jahreszeitlichen Mittel die höchste Einstrahlintensität widerspiegelt. Basierend auf dieser Haupteinstrahlrichtung ergeben sich für die individuellen Flächen A0 bis An entsprechend θHaupt,0 bis θHaupt,n Ao·cosθHaupt,0 = An·cosθHaupt,n Formel VIII
  • In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Anpassung der Flächen A0 bis An, wobei die Abweichung der individuellen Flächen nach Formel VIII im Bereich bis zu 20%, vorzugsweise bis zu 5%, besonders bevorzugt bis zu 1% zulässt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird im photoaktiven Bauelement zumindest eine organische Schicht aus mindestens einem organischen Material verwendet, welche zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die aktive Schicht zumindest ein organisches Material auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die aktive Schicht mindestens eine Mischschicht mit mindestens zwei Hauptmaterialien, wobei diese ein aktives Donor-Akzeptor-System bilden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Hauptmaterial ein organisches Material.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem organischen Material um kleine Moleküle. Unter dem Begriff kleine Moleküle werden im Sinne der Erfindung Monomere verstanden, die verdampft und damit auf dem Substrat abgeschieden werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem organischen Material zumindest teilweise um Polymere. Dabei wird aber zumindest eine photoaktive i-Schicht aus kleinen Molekülen gebildet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eine der aktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode zumindest eine dotierte, teilweise dotierte oder undotierte Transportschicht angeordnet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Bauelement zumindest in einem gewissen Lichtwellenlängenbereich semitransparent.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das photoaktive Bauelement eine organische Solarzelle.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Bauelement um eine pin-Einzel, pin-Tandemzelle, pin-Mehrfachzelle, nip-Einzelzelle, nip-Tandemzelle oder nip-Mehrfachzelle.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Bauelement aus einer Kombination aus nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen, bei der mehrere unabhängige Kombinationen, die mindestens eine i-Schicht enthalten, übereinander gestapelt sind.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das photoaktive Bauelement zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode mehr als eine photoaktive Schicht auf.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung absorbieren die aktiven Schichten des Bauelementes möglichst viel Licht. Hierzu wird der Spektralbereich, in dem das Bauelement Licht absorbiert, möglichst breit gestaltet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das aktive Schichtsystem des photoaktiven Bauelementes mindestens aus zwei Mischschichten, die direkt aneinandergrenzen und mindestens eine der beiden Hauptmaterialien einer Mischschicht ein anderes organisches Material ist als die beiden Hauptmaterialien einer anderen Mischschicht. Jede Mischschicht besteht aus mindestens zwei Hauptmaterialien, wobei diese ein photoaktives Donor-Akzeptor-System bilden. Das Donor-Akzeptor-System zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest für die Photoanregung der Donor-Komponente gilt, dass die gebildeten Exzitonen an der Grenzfläche zum Akzeptor bevorzugt in ein Loch auf dem Donor und ein Elektron auf dem Akzeptor getrennt werden. Als Hauptmaterial wird ein Material bezeichnet, dessen Volumen- oder Massen-Anteil in der Schicht größer als 16% ist. Weitere Materialien können technisch bedingt oder aber zur Einstellung von Schichteigenschaften beigemischt sein. Bereits bei einer Doppelmischschicht enthält das Bauelement drei bzw. vier verschiedene Absorbermaterialien, kann damit einen Spektralbereich von ca. 600 nm bzw. ca. 800 nm abdecken.
  • In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann die Doppelmischschicht auch dazu benutzt werden, für einen bestimmten Spektralbereich deutlich höhere Photoströme zu erzielen, indem Materialien gemischt werden, die bevorzugt in demselben Spektralbereich absorbieren. Dies kann dann im Weiteren benutzt werden, um in einer Tandemsolarzelle oder Mehrfachsolarzelle eine Stromanpassung zwischen den verschiedenen Teilzellen zu erreichen. Damit ist neben der Verwendung der Kavitätsschicht eine weitere Möglichkeit der Anpassung der Ströme der Teilzellen gegeben.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zur Verbesserung der Ladungsträgertransporteigenschaften der Mischschichten die Mischungsverhältnisse in den verschiedenen Mischschichten gleich oder auch unterschiedlich sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die Mischschichten bevorzugt aus jeweils zwei Hauptmaterialien.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in den einzelnen Mischschichten ein Gradient des Mischungsverhältnisses vorhanden sein.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das photoaktive Bauelement als Tandemzellen ausgeführt und es besteht durch die Verwendung von Doppel- bzw. Mehrfachmischschichten der weitere Vorteil, dass die Strom-Angleichung (current matching) zwischen den Teilzellen durch die Wahl der Absorbermaterialien in den Mischschichten optimiert und damit der Wirkungsgrad weiter erhöht werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die einzelnen Materialien dabei in unterschiedlichen Maxima der Lichtverteilung der charakteristischen Wellenlängen, die dieses Material absorbiert, positioniert sein. So kann beispielsweise ein Material in einer Mischschicht im 2. Maximum seiner charakteristischen Wellenlänge liegen und das andere Material im 3. Maximum.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das photoaktive Bauelement, insbesondere eine organische Solarzelle, aus einer Elektrode und einer Gegenelektrode und zwischen den Elektroden wenigstens zwei organischen aktiven Mischschichten, wobei die Mischschichten jeweils im wesentlichen aus zwei Materialien bestehen und die beiden Hauptmaterialien jeweils einer Mischschicht ein Donator-Akzeptor-System bilden sowie die beiden Mischschichten direkt aneinandergrenzen und wenigstens eine der beiden Hauptmaterialien der einen Mischschicht ein anderes organisches Material ist als die beiden Hauptmaterialien einer anderen Mischschicht.
  • In einer Weiterbildung der vorbeschriebenen Ausführungsform sind mehrere oder alle Hauptmaterialien der Mischschichten voneinander verschieden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um drei oder mehr Mischschichten, welche zwischen der Elektrode und Gegenelektrode angeordnet sind.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zusätzlich zu den genannten Mischschichten noch weitere photoaktive Einzel- oder Mischschichten vorhanden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Mischschichtsystem und der einen Elektrode noch wenigstens eine weitere organische Schicht vorhanden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Mischschichtsystem und der Gegenelektrode noch wenigstens eine weitere organische Schicht vorhanden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind eine oder mehrere der weiteren organischen Schichten dotierte wide-gap Schichten, wobei das Maximum der Absorption bei < 450 nm liegt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen mindestens zwei Hauptmaterialien der Mischschichten verschiedene optische Absorptionsspektren auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Hauptmaterialien der Mischschichten verschiedene optische Absorptionsspektren auf, die sich gegenseitig ergänzen, um einen möglichst breiten Spektralbereich abzudecken.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Absorptionsbereich zumindest eines der Hauptmaterialien der Mischschichten in den Infrarot-Bereich.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Absorptionsbereich zumindest eines der Hauptmaterialien der Mischschichten in den Infrarot-Bereich im Wellenlängenbereich von > 700 nm bis 1500 nm.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die HOMO- und LUMO-Niveaus der Hauptmaterialien so angepasst, dass das System eine maximale Leerlaufspannung, einen maximalen Kurzschlussstrom und einen maximalen Füllfaktor ermöglicht.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate (C60, C70, etc.).
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthalten alle photoaktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate (C60, C70, etc.).
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Donator ein Material aus der Klasse der Phthalocyanine, Perylenderivate, TPD-Derivate, Oligothiophene oder ein Material wie es in WO2006092134 beschrieben ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eine der photoaktiven Mischschichten als Akzeptor das Material Fulleren C60 und als Donator das Material 4P-TPD.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die Kontakte aus Metall, einem leitfähigen Oxid, insbesondere ITO, ZnO:Al oder anderen TCOs oder einem leitfähigen Polymer, insbesondere PEDOT:PSS oder PANI.
  • Im Sinne der Erfindung sind auch Polymersolarzellen, die zwei oder mehrere photoaktive Mischschichten beinhalten, umfasst, wobei die Mischschichten direkt aneinandergrenzen. Bei Polymersolarzellen besteht aber das Problem das die Materialien aus Lösung aufgebracht werden und somit eine weitere aufgebrachte Schicht sehr leicht dazu führt, dass die darunter liegenden Schichten angelöst, aufgelöst oder in ihrer Morphologie verändert werden. Bei Polymersolarzellen können daher nur sehr eingeschränkt Mehrfachmischschichten hergestellt werden und auch nur dadurch, dass verschiedene Material- und Lösungsmittelsysteme verwendet werden, die sich bei der Herstellung gegenseitig nicht oder kaum beeinflussen. Solarzellen aus kleinen Molekülen haben hier einen ganz klaren Vorteil, da durch den Aufdampfprozess im Vakuum beliebige Systeme und Schichten aufeinander gebracht werden können und somit der Vorteil der Mehrfachmischschichtstruktur sehr breit genutzt und mit beliebigen Materialkombinationen realisiert werden kann.
  • In einer weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes besteht darin, dass zwischen der ersten elektronenleitenden Schicht (n-Schicht) und der auf dem Substrat befindlichen Elektrode noch eine p-dotierte Schicht vorhanden ist, so dass es sich um eine pnip oder pni-Struktur handelt, wobei vorzugsweise die Dotierung so hoch gewählt ist, dass der direkte pn-Kontakt keine sperrende Wirkung hat, sondern es zu verlustarmer Rekombination, bevorzugt durch einen Tunnelprozess kommt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann in dem Bauelement zwischen der aktiven Schicht und der auf dem Substrat befindlichen Elektrode noch eine p-dotierte Schicht vorhanden sein, so dass es sich um eine pip oder pi-Struktur handelt, wobei die zusätzliche p-dotierte Schicht eine Ferminiveaulage hat, die höchstens 0,4 eV, bevorzugt aber weniger als 0,3 eV unterhalb des Elektronentransportniveaus der i-Schicht liegt, so dass es zu verlustarmer Elektronenextraktion aus der i-Schicht in diese p-Schicht kommen kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist noch ein n-Schichtsystem zwischen der p-dotierten Schicht und der Gegenelektrode vorhanden, so dass es sich um eine nipn oder ipn-Struktur handelt, wobei vorzugsweise die Dotierung so hoch gewählt ist, dass der direkte pn-Kontakt keine sperrende Wirkung hat, sondern es zu verlustarmer Rekombination, bevorzugt durch einen Tunnelprozess kommt.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann in dem Bauelement noch ein n-Schichtsystem zwischen der intrinsischen, photoaktiven Schicht und der Gegenelektrode vorhanden sein, so dass es sich um eine nmn- oder in-Struktur handelt, wobei die zusätzliche n-dotierte Schicht eine Ferminiveaulage hat, die höchstens 0,4 eV, bevorzugt aber weniger als 0,3 eV oberhalb des Löchertransportnivaus der i-Schicht liegt, so dass es zu verlustarmer Löcherextraktion aus der i-Schicht in diese n-Schicht kommen kann.
  • Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes besteht darin, dass das Bauelement ein n-Schichtsystem und/oder ein p-Schichtsystem enthält, so dass es sich um eine pnipn, pnin, pipn- oder p-i-n-Struktur handelt, die sich in allen Fällen dadurch auszeichnen, dass – unabhängig vom Leitungstyp – die substratseitig an die photoaktive i-Schicht angrenzende Schicht eine geringere thermische Austrittsarbeit hat als die vom Substrat abgewandte an die i-Schicht grenzende Schicht, so dass photogenerierte Elektronen bevorzugt zum Substrat hin abtransportiert werden, wenn keine externe Spannung an das Bauelement angelegt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Konversionskontakte hintereinandergeschaltet, so dass es sich z. B. um eine npnipn, pnipnp, npnipnp, pnpnipnpn oder pnpnpnipnpnpn Struktur handelt.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der oben beschriebenen Strukturen sind diese als organische Tandemsolarzelle oder Mehrfachsolarzelle ausgeführt. So kann es sich bei dem Bauelement um eine Tandemzelle aus einer Kombination aus nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen handeln, bei der mehrere unabhängige Kombinationen, die mindestens eine i-Schicht enthalten, übereinander gestapelt sind (Kreuzkombinationen).
  • In einer weiteren Ausführungsform der oben beschriebenen Strukturen ist diese als eine pnipnipn-Tandemzelle ausgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform liegt das Akzeptor-Material in der Mischschicht zumindest teilweise in kristalliner Form vor.
  • In einer weiteren Ausführungsform liegt das Donator-Material in der Mischschicht zumindest teilweise in kristalliner Form vor.
  • In einer weiteren Ausführungsform liegen sowohl das Akzeptor-Material als auch das Donator-Material in der Mischschicht zumindest teilweise in kristalliner Form vor.
  • In einer weiteren Ausführungsform verfügt das Akzeptor-Material über ein Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich > 450 nm.
  • In einer weiteren Ausführungsform verfügt das Donator-Material über ein Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich > 450 nm.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das aktive Schichtsystem zusätzlich zu der genannten Mischschicht noch weitere photoaktive Einzel- oder Mischschichten.
  • In einer weiteren Ausführungsform besteht das n-Materialsystem aus einer oder mehreren Schichten.
  • In einer weiteren Ausführungsform besteht das p-Materialsystem aus einer oder mehreren Schichten.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das n-Materialsystem eine oder mehrere dotierte wide-gap Schichten. Der Begriff wide-gap Schichten definiert dabei Schichten mit einem Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich < 450 nm.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das p-Materialsystem eine oder mehrere dotierte wide-gap Schichten.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das Bauelement zwischen der ersten elektronenleitenden Schicht (n-Schicht) und der auf dem Substrat befindlichen Elektrode eine p-dotierte Schicht, so dass es sich um eine pnip oder pni-Struktur handelt.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das Bauelement zwischen der photoaktiven i-Schicht und der auf dem Substrat befindlichen Elektrode eine p-dotierte Schicht, so dass es sich um eine pip oder pi-Struktur handelt, wobei die zusätzliche p-dotierte Schicht eine Ferminiveaulage hat, die höchstens 0,4 eV, bevorzugt aber weniger als 0,3 eV unterhalb des Elektronentransportnivaus der i-Schicht liegt.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das Bauelement ein n-Schichtsystem zwischen der p-dotierten Schicht und der Gegenelektrode, so dass es sich um eine nipn oder ipn-Struktur handelt.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das Bauelement ein n-Schichtsystem zwischen der photoaktiven i-Schicht und der Gegenelektrode, so dass es sich um eine nin- oder in-Struktur handelt, wobei die zusätzliche n-dotierte Schicht eine Ferminiveaulage hat, die höchstens 0,4 eV, bevorzugt aber weniger als 0,3 eV oberhalb des Löchertransportnivaus der i-Schicht liegt.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das Bauelement ein n-Schichtsystem und/oder ein p-Schichtsystem, so dass es sich um eine pnipn, pnin, pipn- oder p-i-n-Struktur handelt.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das zusätzliche p-Materialsystem und/oder das zusätzliche n-Materialsystem eine oder mehrere dotierte wide-gap Schichten.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das Bauelement noch weitere n-Schichtsysteme und/oder p-Schichtsysteme, so dass es sich z. B. um eine npnipn, pnipnp, npnipnp, pnpnipnpn oder pnpnpnipnpnpn-Struktur handelt.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält eines oder mehrere der weiteren p-Materialsysteme und/oder der weiteren n-Materialsysteme eine oder mehrere dotierte wide-gap Schichten.
  • In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Bauelement um eine Tandemzelle aus einer Kombination aus nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen.
  • In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei den organischen Materialien zumindest teilweise um Polymere, wobei aber zumindest eine photoaktive i-Schicht aus kleinen Molekülen gebildet ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Akzeptor-Material ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate (bevorzugt C60 oder C70) oder ein PTCDI-Derivat (Perylen-3,4,9,10-bis(dicarboximid)-Derivat).
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Donator-Material ein Oligomer, insbesondere ein Oligomer nach WO2006092134 , ein Porphyrin-Derivat, ein Pentacen-Derivat oder ein Perylenderivat, wie DIP (Di-Indeno-Perylen), DBP (Di-benzo-perylene).
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das p-Materialsystem ein TPD-Derivat (Triphenylamin-Dimer), eine Spiro-Verbindung, wie Spiropyrane, Spiroxazine, MeO-TPD (N,N,N',N'-Tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidin), Di-NPB (N,N'diphenyl-N,N'-bis(N,N'-di(1-naphthyl)-N,N'-diphenyl-(1,1'-biphenyl)4,4'-diamine), MTDATA (4,4',4''-Tris-(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino)-triphenylamin), TNATA (4,4',4''-Tris[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]-triphenylamin), BPAPF (9,9-bis{4-[di-(p-biphenyl)aminophenyl]}fluorene), NPAPF (9,9-Bis[4-(N,N'-bis-naphthalen-2-yl-amino)phenyl]-9H-fluorene), Spiro-TAD (2,2',7,7'-Tetrakis-(diphenylamino)-9,9'-spirobifluoren), PV-TPD (N,N-di4-2,2-diphenyl-ethen-1-yl-phenyl-N,N-di4-methylphenylphenylbenzidine), 4P-TPD (4,4'-bis-(N,N-diphenylamino)-tetraphenyl), oder ein in DE 10 2004 014 046 beschriebenes p-Material.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das n-Materialsystem Fullerene, wie beispielsweise C60, C70; NTCDA (1,4,5,8-Naphthalene-tetracarboxylic-dianhydride), NTCDI (Naphthalenetetracarboxylic diimide) oder PTCDI (Perylen-3,4,9,10-bis(dicarboximid).
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das p-Materialsystem einen p-Dotanden, wobei dieser p-Dotand F4-TCNQ, ein p-Dotand wie in DE10338406 , DE10347856 , DE10357044 , DE 10 2004 010 954 , DE 10 2006 053 320 , DE 10 2006 054 524 und DE 10 2008 051 737 beschrieben oder ein Übergangsmetalloxid (VO, WO, MoO, etc.) ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform enthält das n-Materialsystem einen n-Dotanden, wobei dieser n-Dotand ein TTF-Derivat (Tetrathiafulvalen-Derivat) oder DTT-Derivat (dithienothiophen), ein n-Dotand wie in DE10338406 , DE10347856 , DE10357044 , DE 10 2004 010 954 , DE 10 2006 053 320 , DE 10 2006 054 524 und DE 10 2008 051 737 beschrieben oder Cs, Li oder Mg ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist eine Elektrode transparent mit einer Transmission > 80% und die andere Elektrode reflektierend mit einer Reflektion > 50% ausgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Bauelement semitransparent mit einer Transmission von 10–80% ausgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform bestehen die Elektroden aus einem Metall (z. B. Al, Ag, Au oder eine Kombination aus diesen), einem leitfähigen Oxid, insbesondere ITO, ZnO:Al oder einem anderen TCO (Transparent Conductive Oxide), einem leitfähigen Polymer, insbesondere PEDOT/PSS Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)poly(styrenesulfonate) oder PANI (Polyanilin), oder aus einer Kombination aus diesen Materialien.
  • In einer weiteren Ausführungsform weisen die verwendeten organischen Materialien einen niedrigem Schmelzpunkt, bevorzugt < 100°C, auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform weisen die verwendeten organischen Materialien eine niedrige Glasübergangstemperatur, bevorzugt < 150°C, auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird durch Verwendung von Lichtfallen der optische Weg des einfallenden Lichtes im aktiven System vergrößert.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Bauelement als organische pin-Solarzelle bzw. organische pin-Tandemsolarzelle ausgeführt. Als Tandemsolarzelle wird dabei eine Solarzelle bezeichnet, die aus einem vertikalen Stapel zweier in Serie verschalteter Solarzellen besteht.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und die homogene Funktion des Bauelements, also eine kurzschlussfreie Kontaktierung und homogene Verteilung des elektrischen Feldes über die gesamte Fläche, durch die Verwendung einer dotierten wide-gap-Schicht gewährleistet wird. Ultradünne Bauelemente weisen auf strukturierten Substraten eine erhöhten Gefahr zur Bildung lokaler Kurzschlüsse auf, so dass durch eine solche offensichtliche Inhomogenität letztlich die Funktionalität des gesamten Bauelements gefährdet ist. Diese Kurzschlussgefahr wird durch die Verwendung der dotierten Transportschichten verringert.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und die homogene Funktion des Bauelementes, dessen kurzschlussfreie Kontaktierung und eine homogene Verteilung des elektrischen Feldes über die gesamte Fläche durch die Verwendung einer dotierten wide-gap-Schicht gewährleistet wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das Licht die Absorberschicht mindestens zweimal durchläuft, was zu einer erhöhten Lichtabsorption und dadurch zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Solarzelle führen kann. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass das Substrat pyramidenartige Strukturen auf der Oberfläche aufweist mit Höhen und Breiten jeweils im Bereich von einem bis zu mehreren hundert Mikrometern. Höhe und Breite können gleich oder unterschiedlich gewählt werden. Ebenfalls können die Pyramiden symmetrisch oder asymmetrisch aufgebaut sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass eine dotierte wide-gap-Schicht eine glatte Grenzfläche zur i-Schicht und eine rauhe Grenzfläche zum reflektierenden Kontakt hat. Die rauhe Grenzfläche kann beispielsweise durch eine periodische Mikrostrukturierung erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist die rauhe Grenzfläche, wenn sie das Licht diffus reflektiert, was zu einer Verlängerung des Lichtweges innerhalb der photoaktiven Schicht führt.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird die Lichtfalle dadurch realisiert, dass das Bauelement auf einem periodisch mikrostrukturierten Substrat aufgebaut wird und eine dotierte wide-gap-Schicht eine glatte Grenzfläche zur i-Schicht und eine rauhe Grenzfläche zum reflektierenden Kontakt hat.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Gesamtstruktur des optoelektronischen Bauelements mit transparentem Grund- und Deckkontakt versehen.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen photoaktiven Bauelemente in Verbindung mit Energiepuffer bzw. Energiespeichermedium wie beispielsweise Akkus, Kondensatoren, etc. zum Anschluss an Verbraucher bzw. Geräte verwendet.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen photoaktiven Bauelemente in Kombination mit Dünnfilmbatterien verwendet.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen photoaktiven Bauelemente auf gekrümmten Oberflächen, wie beispielsweise Beton, Dachziegeln, Ton, Autoglas, etc. verwendet. Dabei ist es vorteilhaft, dass die erfindungsgemäßen organischen Solarzellen gegenüber herkömmlichen anorganischen Solarzellen auf flexiblen Trägern wie Folien, Textilen, etc. aufgebracht werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen photoaktiven Bauelemente auf eine Folie oder Textil aufgebracht, welche auf der, mit den erfindungsgemäßen organischen Schichtsystem gegenüberliegenden Seite ein Adhäsionsmittel, wie beispielsweise einen Klebstoff aufweist. Dadurch ist es möglich eine Solarklebefolie herzustellen, welche nach Bedarf auf beliebigen Oberflächen angeordnet werden kann. So kann beispielsweise eine selbsthaftende Solarzelle erzeugt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform weisen die erfindungsgemäßen organischen Solarzellen ein anderes Adhäsionsmittel in Form einer Klettverschlussverbindung auf. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Modul umfassend zumindest zwei in Reihe geschaltete, photoaktive Bauelemente, wobei die photoaktiven Bauelemente auf einer gekrümmten Oberfläche angeordnet sind. Dabei ist die ebene Fläche des einzelnen photoaktiven Bauelements in Abhängigkeit der Positionierung des photoaktiven Bauelements auf der gekrümmten Oberfläche sowie des Ein- bzw. Abstrahlwinkels der Strahlung angepasst.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anpassung der einzelnen photoaktiven Bauelemente im Modul mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und Figuren eingehend erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken. Es zeigen in
  • 1 ein Diagramm, welches die Anordnung von Solarzellen mit fester Breite auf einem Wellenprofil darstellt und in
  • 2 ein Diagramm, welches die Anordnung von Solarzellen mit an den Einstrahlwinkel angepasster Breite auf einem Wellenprofil darstellt.
  • In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Ausrüstung von Leichtbaudächern mit Solarmodulen beschrieben. Die dazu benötigten Dachelemente weisen aus statischen Gründen meist eine Profilierung in Form eines Wellenprofils auf. Für dieses Berechnungsbeispiel sei von einer Profilierung gemäß folgender Funktion ausgegangen:
    Figure 00300001
  • Damit entspricht das Wellenprofil handelsüblichen Dachprofilen. Aus technologischen Gründen ist das Modul aus langen, rechteckigen Zellen ausgebildet, die in Längsrichtung, also senkrecht zur x-Achse orientiert sind. Als Haupteinstrahlrichtung wird ein senkrechter Einfall von oben angenommen. In der 1 werden die eben beschriebenen Dachplatten (gestrichelte Linie in 1) mit 1 cm breiten Zellen belegt (durchgezogene Linie in 1), was in folgendem Profil resultiert: Ebenfalls sind die aus den Winkeln zwischen Normale der Zellflächen und Haupteinstrahlrichtung (senkrecht) sowie den Zellgrößen resultierenden Werte von cos(θn)·A eingetragen, welche als Kreuze dargestellt sind (1) und deren Einheit an der rechten Ordinatenachse aufgetragen ist.
  • Dabei ist der Wert proportional zum zu erwartenden Strom, den die jeweilige Zelle liefert. Der Minimalstrom in der 1 liegt somit bei 54% des Stromes der ersten Zelle.
  • Das Modul besteht bei dieser herkömmlichen Art der Zelldimensionierung aus 21 Zellen, der Modulstrom liegt bei 54% des maximalen Zellstromes (Tab. 1). Tabelle 1
    Zellanfang Zellende
    x0 y0 xe ye cos(θn)·An θn
    –0.50 2.90 0.50 2.90 1.00 –0.07
    0.50 2.90 1.32 2.31 0.82 –35.56
    1.32 2.31 1.97 1.54 0.65 –19.86
    1.97 1.54 2.54 0.72 0.57 –55.36
    2.54 0.72 3.09 –0.14 0.55 –57.31
    3.09 –0.14 3.64 –0.99 0.55 –56.95
    3.64 –0.99 4.23 –1.80 0.59 –54.09
    4.23 –1.80 4.92 –2.53 0.69 –46.68
    4.92 –2.53 5.82 –2.99 0.90 –26.75
    5.82 –2.99 6.80 –2.74 0.98 14.09
    6.80 –2.74 7.55 –2.07 0.75 42.01
    7.55 –2.07 8.17 –1.26 0.62 52.29
    8.17 –1.26 8.73 –0.42 0.56 56.32
    8.73 –0.42 9.27 0.42 0.54 57.43
    9.27 0.42 9.83 1.26 0.56 56.32
    9.83 1.26 10.45 2.07 0.62 52.29
    10.45 2.07 11.20 2.74 0.75 42.01
    11.20 2.74 12.17 2.99 0.97 14.31
    12.17 2.99 13.07 2.54 0.90 –26.40
    13.07 2.54 13.76 1.81 0.69 –46.52
    13.76 1.81 14.35 1.00 0.59 –54.01
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Anpassung der Bereite der einzelnen Solarzellen im Modul im Verhältnis zum Einstrahlwinkel des Lichts. Hinsichtlich der Zelldimensionierung erhält man unter Annahme der oben beschriebenen Dachprofile den in 2 und Tabelle 2 dargestellten Zusammenhang. Tabelle 2
    Zellanfang Zellende
    x0 y0 xe ye cos(θn)·An θn
    –0.50 2.90 0.51 2.89 1.01 –0.30
    0.51 2.89 1.52 2.10 1.01 –38.20
    1.52 2.10 2.53 0.73 1.01 –53.56
    2.53 0.73 3.54 –0.84 1.01 –57.21
    3.54 –0.84 4.55 –2.18 1.01 –52.98
    4.55 –2.18 5.56 –2.92 1.01 –36.40
    5.56 –2.92 6.57 –2.87 1.01 3.02
    6.57 –2.87 7.58 –2.03 1.01 39.64
    7.58 –2.03 8.59 –0.64 1.01 54.03
    8.59 –0.64 9.60 0.93 1.01 57.18
    9.60 0.93 10.61 2.24 1.01 52.43
    10.61 2.24 11.62 2.94 1.01 34.76
    11.62 2.94 12.63 2.84 1.01 –5.80
    12.63 2.84 13.64 1.96 1.01 –41.00
    13.64 1.96 14.65 0.55 1.01 –54.45
  • Beim optimierten Modul (2 und Tab. 2) sind die Zellströme alle gleich groß. Aufgrund der Zellbreitenanpassung hat das Solarmodul in diesem Fall nur 15 Zellen. Die Modulleistung ergibt sich aus dem Produkt der Anzahl der Zellen, der Zellspannung und dem Modulstrom. Für die beiden beschriebenen Fälle erhält man: 15·1·UZelle > 21·0,54·UZelle 15UZelle > 11,34UZelle
  • Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren optimierte Modul hat somit die deutlich höhere Modulleistung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • DE 102004010954 [0107, 0108]
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    • Hiramoto, Appl. Phys. Lett. 58, 1062 (1991) [0013]
    • Hiramoto, Chem. Lett., 1990, 327 (1990) [0014]
    • Hiramoto, Chem. Lett., 1990, 327 (1990) [0015]

Claims (13)

  1. Verfahren zur Optimierung von zumindest zwei in Reihe geschalteten, photoaktiven Bauelementen mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode und mit einer zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordneten aktiven Schicht, wobei die photoaktiven Bauelemente auf einer gekrümmten Oberfläche angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Fläche des einzelnen photoaktiven Bauelements in Abhängigkeit der Positionierung des photoaktiven Bauelements auf der gekrümmten Oberfläche sowie des Ein- bzw. Abstrahlwinkels der Strahlung angepasst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im photoaktiven Bauelement zumindest eine organische Schicht aus mindestens einem organischen Material verwendet wird, welche zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht zumindest ein organisches Material aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht mindestens eine Mischschicht mit mindestens zwei Hauptmaterialien umfasst, wobei diese ein photoaktives Donor-Akzeptor-System bilden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Hauptmaterial ein organisches Material ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem organischen Material um kleine Moleküle handelt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem organischen Material zumindest teilweise um Polymere handelt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der aktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw. Fullerenderivate umfasst.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode zumindest eine dotierte, teilweise dotierte oder undotierte Transportschicht angeordnet ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das photoaktive Bauelement eine organische Solarzelle ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bauelement um eine pin-Einzel, pin-Tandemzelle, pin-Mehrfachzelle, nip-Einzelzelle, nip-Tandemzelle oder nip-Mehrfachzelle handelt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement aus einer Kombination aus nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen besteht, bei der mehrere unabhängige Kombinationen, die mindestens eine i-Schicht enthalten, übereinander gestapelt sind.
  13. Modul umfassend zumindest zwei in Reihe geschaltete, photoaktive Bauelemente, wobei die photoaktiven Bauelemente auf einer gekrümmten Oberfläche angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Fläche des einzelnen photoaktiven Bauelements in Abhängigkeit der Positionierung des photoaktiven Bauelements auf der gekrümmten Oberfläche sowie des Ein- bzw. Abstrahlwinkels der Strahlung angepasst sind.
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