DE102012105022A1

DE102012105022A1 - Fahrzeug mit flexiblen organischen Photovoltaik-Modulen

Info

Publication number: DE102012105022A1
Application number: DE201210105022
Authority: DE
Inventors: Piotr Dudek; Karsten Walzer; Eginhard Wollrab; Martin Pfeiffer
Original assignee: Heliatek GmbH
Current assignee: Heliatek GmbH
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2013-12-12

Abstract

System zur Optimierung des Energiebedarfs in Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Fahrzeug zumindest ein organisches flexibles PV-Modul angebracht ist, welches winkelunabhängig und/oder in der Bewegung eine konstante Energieleistung, sowie einen Kratzschutz und/oder Staubschutz aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Optimierung des Energiebedarfs mittels flexiblen organischen Photovoltaik-Modulen in Fahrzeugen.
Fahrzeuge, insbesondere LKWs und Sattelzugmaschinen dienen zum Transport unterschiedlichster Waren. Aufgrund ihrer Ausmaße und den enthaltenen elektrischen Systemen wie beispielsweise Kühlaggregate, Klimaanlagen und Leuchtsystemen haben sie einen hohen Kraftstoffverbrauch. Daraus lassen sich wiederum ein erhöhter CO₂ Ausstoß und steigende Transportkosten mit Zunahme der Kraftstoffpreise ableiten.
Die Fahrzeugindustrie versucht diese Nachteile mit effizienteren Motoren und verbesserten elektrischen Systemen entgegenzutreten. Ein anderer Lösungsansatz, ist der Einsatz zusätzlicher Energiequellen, welche kraftstoffunabhängig sind. Hierzu zählt der Einsatz von Photovoltaik-Modulen. Photovoltaik-Module wandeln Licht in Energie um und sind in den unterschiedlichsten Ausführungsformen vorhanden. Bekannt sind unter anderem Dickschicht-Solarzellen oder Dünnschicht-Solarzellen. Dünnschicht-Solarzellen können dabei eine flexible Ausgestaltung zur Anordnung an gekrümmten Oberflächen aufweisen. Solche Solarzellen weisen dabei bevorzugt aktive Schichten aus amorphen Silicium (α-Si) oder CIGS (Cu(In,Ga)(S,Se)₂) auf.
In der Automobilindustrie ist der Einsatz solcher Solarzellen dem Fachmann bekannt. So hat beispielsweise die „Sustainable Energy Research Group-Uni Southampton” monokristalline Siliziumzellen (c-Si) auf dem Dach eines Sattelaufliegers, zum Betrieb eines Kühlaggregates aufgebracht (Solar Powered Refrigeration for Transport Applications, A Feasibility Study, Final Report, SAND2001-3753 2001). Weiterhin sind bereits Anwendungen mit Dünnschichtsolarzellen im Fahrzeugwesen bekannt. Beispielsweise wird in einem Pressebericht (Solarion AG-Presseinformation vom 23. September 2010, Nr. 2/2010) ein Solarunterstützter Kühlsattelauflieger offenbart, auf dessen Dach flexible CIGS (Cu(In,Ga)(S,Se)₂) Solarmodule montiert sind.
Zudem besteht die Möglichkeit mit Solarzellen, Klimaanlagen in Fahrzeugkabinen zu betreiben (z. B. WO2011046206 (A1) ). Auch bekannt sind Montagelösungen, die das Anbringen des Solarmodules auf dem Dach und an der Seite erlauben und die Leuchten am Fahrzeug mit Energie versorgen (z. B. CN000102019857A ).
Die offenbarten Lösungen weisen in der Anwendung mehrere Nachteile auf. So haben Dickschichtsolarzellen den Nachteil, dass sie schwer und leicht zerbrechlich sind. Fahrzeuge sind aber ständigen Umwelteinflüssen wie Staub, Hagel und Eis ausgesetzt, welche di Solarzelle beschädigen können. Aufgrund ihres hohen Gewichts, ist zudem die Energieeffizienz sehr gering.
Nachteilig an den gezeigten Lösungen bei Dünnschicht-Solarzellen sind vor allem durch die Materialien bedingten hohen Produktionskosten. Desweiteren weisen sie ein geringes Schwachlichtverhalten auf. Fahrzeuge, insbesondere LKWs sind bei jeder Wetterlage unterwegs. Auch zusätzlich angebrachte Energiespeicher, können die im Voraus gespeicherte Sonnenenergie nicht über einen längeren Zeitraum, wie beispielsweise im Winter, an denen eine geringe Sonneneinstrahlung gegeben ist, wiedergeben.
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 cm^–1), 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.
Die genannten Vorteile der Bauelemente auf organischer Basis, insbesondere organische Photovoltaik-Bauelemente auf Basis kleiner Moleküle, sollen den negativen Eigenschaften, welche beim Einsatz von Dickschicht- und Dünnschichtsolarzellen in den offenbarten Lösungen auftreten, entgegenwirken.
Erfindungsgemäß wird ein System zur Optimierung des Energiebedarfs in Fahrzeugen mit zumindest einem flexiblen organischen Photovoltaik-Modul vorgeschlagen, welches einstrahlwinkelunabhängig und/oder in der Bewegung einen konstanten generierten Photostrom aufweist, sowie ein Kratzschutz und/oder Staubschutz umfasst. Unter Einstrahlwinkel ist der Winkel der einfallenden Sonnenstrahlen auf das Photovoltaik-Modul zu verstehen, welcher je nach Sonnenstand auf das flexible organische Photovoltaik-Modul auftrifft.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das flexible organische Photovoltaik-Modul eine transparente Ausgestaltung auf. Damit bleibt beispielsweise die Beschriftung hinter dem flexiblen organischen Photovoltaik-Modul sichtbar. Als vorteilhaft erweist sich dabei, dass die Flächen des Fahrzeuges ohne Sichteinschränkungen wenigstens einen zweifachen Verwendungszweck haben, wobei die Flächen des Fahrzeuges insbesondere als Werbeträger und/oder als Energielieferant genutzt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Aufbringen des flexiblen organischen Photovoltaik-Moduls auf das Fahrzeugformteil und/oder die Fahrzeugplane mittels direkter Anordnung, wie etwa Aufdampfen. Erfindungsgemäß erfolgt das Aufdampfen vorzugsweise mittels physikalischer Verdampfung (PVD). Die PVD ermöglicht eine hohe Variationsmöglichkeit in Bezug auf die Wahl der Elementflüssse, umfassend Kupfer, Zink, Zinn, Indium, Gallium und Selen, den Einsatz von Dotierstoffen und der Schichtbildungsart. Vorteilhaft an der Ausführung ist die Gewichtsersparnis, da keine Befestigungsvorrichtung benötigt wird. Zudem entfällt die Montage des flexiblen organischen Photovoltaik-Moduls auf dem Fahrzeug.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt zur Erzeugung von Wärme eine Rückbestromung des flexiblen organischen Photovoltaik-Moduls. Dabei wird Strom hinter den Solarfilm geleitet, wobei Wärme entsteht. Die Wärme wird dabei insbesondere zum Freihalten, der mit einem flexiblen organische Photovoltaik-Modul bestückten Fläche vor Umwelteinflüssen, umfassend Schnee, Eis und Hagel eingesetzt. Die Zuschaltung der Rückbestromung erfolgt vorteilhafter Weise automatisch mittels Temperatursensor.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, umfasst das flexible organische Photovoltaik-Modul einen zusätzlichen Kratzschutz und/oder Schmutzschutz. Dieser wird mit wenigstens einem Verfahren, umfassend Sprühen und/oder Beschichten aufgetragen. Die Kratz- und/oder Schmutzschicht besteht beispielsweise aus Titaniumdioxid (TiO₂). TiO₂ besitzt die vorteilhafte Eigenschaft, dass es schmutzabweisend ist und in Verbindung mit UV-Strahlung eine photokatalytische Selbstreinigung bewirkt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die gewonnene elektrische Energie zum Betreiben von elektrischen Systemen, insbesondere von Kühlaggregaten, Klimaanlagen, Leuchten und Hybrid-Elektro-PKWs zur Verfügung gestellt. Der Strombedarf zum Betrieb elektrischer Systeme, wird allgemein durch die Verwendung von Kraftstoff gedeckt. Dabei werden die elektrischen Systeme direkt durch die gewonnene elektrische Energie aus dem flexiblen organischen Photovoltaik-Modul oder über einen Energiespeicher bereitgestellt, sodass ein überwiegender Teil des Kraftstoffes für die Bewegung des Fahrzeuges eingesetzt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform ist das flexible organische Photovoltaik-Modul an einem Fahrzeug, umfassend einen LKW und/oder LKW-Anhänger, insbesondere auf dem Dach von Fahrzeugkabinen, LKW-Planen, LKW-Pritschen, LKW-Koffer, LKW-Kipper, sowie einem Sattelzug und/oder Sattelzugauflieger, insbesondere auf dem Dach von Fahrzeugkabinen, Sattelzugauflieger-Planen, Sattelzugauflieger-Pritschen, Sattelzugauflieger-Koffer, Sattelzugauflieger-Kipper angeordnet. Vorteilhaft bei den genannten Fahrzeugen, ist die zur Verfügung stehende Fläche, an denen das flexible organische Photovoltaik-Modul angebracht werden kann. Die Flächenanzahl hat Auswirkungen auf den Energieertrag. Flexible organische Photovoltaik-Module, vorzugsweise flexible organische Photovoltaik-Module mit kleinen Molekülen weisen bei einer Effizienz von 10,7% einen Wirkungsgrad von 6% auf, welcher mit zunehmender Effizienz steigt. Mit ansteigender Flächenzahl verbessert sich der Energieertrag, der sich vorteilhaft auf den verminderten Kraftstoffverbrauch und den CO₂ Ausstoß auswirkt. Weiterhin erweist sich die Flächenlast von 0,5 kg/m² als vorteilhaft, welche das Grundgewicht des Fahrzeuges nur unerheblich erhöht und sich positiv auf den Kraftstoffbedarf und die zulässige Gesamtbeladung auswirkt.
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 enthält das System einen Energiespeicher, umfassend einen Akku und/oder Batterie. Vorteilhaft an dem Energiespeicher ist, dass er Energie über den Bedarf hinaus speichert und in dem Moment abrufen kann, wenn das organische PV-Modul umweltbedingt, umfassend fehlendes Tageslicht, Bewölkung und Schmutz keine Energie und/oder die Energie zumindest nicht in vollen Umfang bereitstellen kann, welche für die elektrischen Systeme notwendig sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das organische Photovoltaik-Modul zumindest ein photoaktives Bauelement.
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 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, 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-di 4-2,2-diphenyl-ethen-1-yl-phenyl-N,N-di 4-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.
Zur Realisierung der Erfindung können auch die vorbeschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Das erfindungsgemäße System zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass es aufgrund der leichten Bauweise und der flexiblen Ausgestaltung vollflächig, auch auf gewölbten Oberflächen, Ecken und Kanten, an Fahrzeugen angeordnet werden kann. Durch die Verwendung einer Kratzschutz- und/oder Staubschutzschicht ist eine dauerhafte Anwendung des Systems im Automotive-Bereich möglich. Durch die Verwendung photoaktiver Bauelemente auf Basis kleiner organischer Moleküle ist neben der erhöhten Schwachlichtausbeute und Einstrahlwinkelunabhängigkeit zudem eine direkte Applikation auf Fahrzeugteilen mittels Aufdampfen realisierbar. Ein weiterer Vorteil wird durch die Möglichkeit der Rückbestromung erzielt, was eine Enteisung der Fahrzeuge in den Wintermonaten unterstützt und dadurch die unerwünschte Ablösung von Eisschollen im Fahrtbetrieb vermeidet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011046206 A1 [0005]
CN 000102019857 A [0005]
US 7825326 B2 [0008]
EP 2385556 A1 [0008]
WO 2006092134 [0056, 0089]
DE 102004014046 [0090]
DE 10338406 [0092, 0093]
DE 10347856 [0092, 0093]
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DE 102004010954 [0092, 0093]
DE 102006053320 [0092, 0093]
DE 102006054524 [0092, 0093]
DE 102008051737 [0092, 0093]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Solar Powered Refrigeration for Transport Applications, A Feasibility Study, Final Report, SAND2001-3753 2001 [0004]
Solarion AG-Presseinformation vom 23. September 2010, Nr. 2/2010 [0004]

Claims

System zur Optimierung des Energiebedarfs in Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Fahrzeug zumindest ein organisches flexibles Photovoltaik-Modul angeordnet ist, welches einstrahlwinkelunabhängig und/oder in der Bewegung einen konstanten Photostrom generiert, sowie einen Kratzschutz und/oder Staubschutz aufweist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das organische flexible Photovoltaik-Modul transparent ausgebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das organische flexible Photovoltaik-Modul mittels direkten Aufdampfens auf das Fahrzeugformteil und/oder die Fahrzeugplane aufgedampft wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das organische flexible Photovoltaik-Modul so ausgebildet ist, dass eine Rückbestromung erfolgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kratzschutz und/oder der Schmutzschutz wenigstens eine Schicht TiO₂ umfasst.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible organische Photovoltaik-Modul an einem Fahrzeug, umfassend einen LKW und/oder LKW-Anhänger, sowie einem Sattelzug und/oder Sattelzugauflieger angeordnet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher eine Batterie und/oder einen Akku umfasst.
Verwendung eines Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Betreiben von elektrischen Systemen in Fahrzeugen, umfassend Kühlaggregate, Klimaanlagen, Leuchten und Hybrid Elektro-PKWs.