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Technischer Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Schichtsolarzelle gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Gattungsgemäße Schichtsolarzellen sind aus übereinander angeordneten Schichten aufgebaut, wobei diese Schichten mindestens eine Licht vollständig absorbierende Schicht aufweisen. Naturgemäß weisen solche Schichtenverbünde damit eine dem Licht zuzuwendende Oberseite auf, welche einfallendes Licht zumindest anteilig in Strom umwandelt, während die Rückseite verschattet ist. Daher wird die Licht absorbierende Schicht auch als Absorberschicht bezeichnet. Je nach Aufgabe kann man hierbei unterschiedliche Schichtfolgen innerhalb des Schichtverbundes unterscheiden. Schichtfolgen aus leitenden, transparenten Oxiden dienen beispielsweise – neben der Funktion als oberseitige Elektroden-Schichtfolge – häufig als Schutz-Schichtfolge auch dem mechanischen Schutz der darunter liegenden, photovoltaisch Strom erzeugenden Photovoltaik-Schichtfolgen. Puffer- und Zwischen-Schichten sind für die photovoltaische und/oder mechanische Optimierung einer Schichtenfolge gleichfalls eine gängige, etablierte Maßnahme.
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Aus der
DE 42 25 385 A1 ist ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von Halbleiterschichten bekannt, bei dem Verbindungshalbleiter in mindestens 70 bis mehrere hundert Nanometer dicken Schichten abgeschieden werden. Schichtaufbauten mit Einzelschichten dieser Dicke werden als Dünnschicht-Solarzellen bezeichnet, während Schichten ab 10 bis 15 Mikrometern Dicke auch schon als Dickschicht bezeichnet werden. Die in der
DE 42 25 385 A1 offenbarten Halbleiter-Klassen des Typs III-V, II-VI oder auch I-III-VI
2 sind mittlerweile entsprechend der etablierten Element-Kombinationen beispielsweise als CIGS-Dünnschichtzellen (englische Anfangsbuchstaben der Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Schwefel/Selen) bekannt. Halbleiterschichten eines Materials mit gezielt per Dotierung eingestellten p-n-Übergängen werden dabei als homogene Übergänge bezeichnet, während Material-Mischungen und/oder -kombinationen wie sie in der
DE 27 32 932 C2 beschrieben sind, auch als Heteroübergänge bezeichnet werden.
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Nachteilig ist bei den gattungsgemäßen Schichtzellen, dass das vollständig absorbierte Licht nur im Bereich von 10% bis 20% in Strom umgewandelt werden kann, während der Rest der Energie absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Gerade bei starkem Lichteinfall heizt dies die Absorberschicht stark auf und senkt die Effektivität der Umwandlung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und für gattungsgemäße Schichtzellen eine Verbesserung vorzuschlagen, die dieser Problematik Rechnung trägt und die potentielle Ausbeute auch bei starkem Lichteinfall verbessert und stabilisiert.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist die beanspruchte Schichtsolarzelle dadurch gekennzeichnet, dass die Strom erzeugende Photovoltaik-Schichtfolge mit mindestens einer unterseitig dazu im verschatteten Bereich ausgebildeten, die Stromausbeute verbessernden Funktions-Schichtfolge der Schichtsolarzelle verbunden ist.
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Beschreibung der Erfindung und vorteilhafter Merkmale
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Verbunden bedeutet hierbei, dass die Funktions-Schichtfolge als Teil der Schichtsolarzelle selbst ausgebildet ist. Die Schichtsolarzelle besteht somit aus einer Mehrzahl an aufeinander angeordneten Schichten, welche einen durchgängigen, mechanisch stabilen Schichtverbund ausbilden. Unterseitig zur Absorberschicht ist dabei die Funktions-Schichtfolge angeordnet, welche die Leistung und Ausbeute der oberseitig dazu angeordneten Absorberschicht stabilisiert und verbessert. Die vorliegende Erfindung schlägt dies erstmals als kompakten Schichtverbund innerhalb einer Schichtzellenstruktur vor. So ausgebildet entfallen zusätzliche Steuer- oder Regelmodule, die bei klassisch verbundenen Zellen einer zu hohen Temperatur und/oder Teilverschattung durch selektive Schaltungen einzelner Zellen entgegenwirken.
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Vorteilhaft ist die Schichtsolarzelle dadurch gekennzeichnet, dass die Funktions-Schichtfolge mindestens eine Schichtfolge aufweist, welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus thermoelektrischer Doppelschicht, strukturierter Peltier-Schichtfolge, kapazitiv zwischenspeichernder Doppelschicht und strukturchemisch zwischenspeichernder Ladungsschicht.
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Eine thermoelektrische Doppelschicht bildet entlang der Grenzschicht zweier Einzelschichten eine Potentialdifferenz aus, welche mit zunehmender Temperatur größer wird; bei Thermoelementen ist dies als Seebeck-Effekt bekannt und wird zur Bestimmung der Temperatur über die messbare Potentialdifferenz verwendet. Vorliegend dient die mit steigender Temperatur ansteigende Thermospannung dazu, elektrisch in den Stromabnahmekreis eingebunden die Leistung der photovoltaisch Strom erzeugenden Schichten zu stabilisieren und Spannung und Stromstärke auf einem konstanteren, effizienten Niveau zu halten.
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Eine strukturierte Peltier-Schichtfolge bezeichnet eine Schicht, in der über eine Vielzahl an p-n-Übergängen, die über metallisch verbindende Kontakte zwischen mindestens zwei Bereichen symmetrisch getrennt angeordnet sind, ein Temperaturgradient über aktiven Stromfluss eingestellt oder unter Abnahme eines Thermostromes ausgeglichen werden kann.
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Besonders vorteilhaft kann diese Schichtfolge zwischen den Kontakten weitere, mirkostrukturierte Schichten aufnehmen wie zum Beispiel MOS-FETs, welche eine Teilbestromung der Peltierschichtfolge mit dem photovoltaisch in der Zelle erzeugten Strom bei thermisch bedingtem Abweichen von den geforderten Leistungswerten regeln, wodurch eine sich den Temperaturbedingungen selbst regelnd anpassende Schichtzelle bereitgestellt wird.
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Eine kapazitiv zwischenspeichernde Doppelschicht nimmt einen Teil des photovoltaisch erzeugten Stroms der Zelle wie ein Kondensator auf; zu diesem Zweck weist die Doppelschicht mindestens zwei elektrisch getrennte Teilschichten auf, welche entgegengesetzt aufladbar in der Schichtfolge angeordnet sind. Bei plötzlicher Verschattung wird sich dieser Zwischenspeicher wieder entladen, wodurch die Leistungscharakteristik der Schichtzelle deutlich gleichmäßiger und einheitlicher gehalten wird.
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Besonders bevorzugt wird eine Mehrzahl an kapazitiv zwischenspeichernden Doppelschichten mikrostrukturiert kaskadiert regelnd verschaltet angeordnet, um kurzfristige Verschattungen im Minutenbereich mit nahezu konstanter Spannung überbrücken zu können.
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Eine strukturchemisch zwischenspeichernde Ladungsschicht ist eine Feststoffschicht, welche über strukturchemische Veränderung Strom reversibel zu speichern vermag. Vorteilhaftes Beispiel hierfür sind beispielsweise Aktivkohle-Dielektrika, welche mit weiteren, anorganischen Verbindungen modifiziert und verpresst als Basis für Kondensatoren mit höchster Speicherdichte dienen. Mit Hilfe solcher Speicherschichten ist die beanspruchte Schichtsolarzelle besonders vorteilhaft sogar als Energiequelle für schwache Verbraucher wie Halbleiter-Regelkreise, Elektrolumineszenz-Materialien oder Rotlicht-LEDs verwendbar, wobei die Verbraucher besonders bevorzugt gleichfalls in die Schichtfolge integriert angeordnet sind.
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Vorteilhaft ist die Schichtsolarzelle dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schichtfolge aus anorganischen Schichten mit einer geschlossenen Porosität von maximal 5 Volumenprozent, bevorzugt 0,01 bis 4 Volumenprozent, besonders bevorzugt 0,1 bis 1 Volumenprozent, besteht.
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Anorganische Schichten sind solche, die in ihrer anorganischen Zusammensetzung Kohlenstoff allenfalls in elementarer Form oder in anorganischer Verbindung umfassend Carbid, Graphit, Ruß oder Oxid, umfassen. Im Gegensatz hierzu kennzeichnen Kohlenwasserstoff-Verbindungen wie Alkylsulfonate oder Kohlenwasserstoff-Polymere wie Polystyrole eine organische Schicht.
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Durch eine geringe Porosität anorganischer Schichten ist ein ausreichender, elektrischer Kontakt zu den angrenzenden Schichten bei gleichzeitiger, mechanischer Stabilität sichergestellt. Bevorzugt dotierte Schutz-Schichten und/oder Schutz-Schichtfolgen, welche gleichzeitig die Stromausbeute erhöhen, werden so zugänglich.
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Rein anorganische Schichten weisen kleinere, strukturchemische Einheiten auf, die sich in einem dichteren, belastbareren Verbund anordnen. Je geringer dabei die Porosität, desto besser ist unter anderem die mechanische Belastbarkeit durchgehend anorganischer Schichtverbunde. Vorteilhafte Verwendungen in regelmäßig und punktuell unterschiedlich belasteten Bereichen wie zum Beispiel Fußmatten werden so zugänglich.
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Vorteilhaft ist die Schichtsolarzelle dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schichtfolge aus mikrostrukturierten Dünnschichten mit Schichtdicken der einzelnen Schichten von maximal 10 Mikrometern, bevorzugt 0,01 bis 5 Mikrometern, besonders bevorzugt 0,05 bis 2 Mikrometern, besteht.
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Schichtfolgen weniger Mikrometer Dicke bieten bei der photovoltaischen Stromerzeugung bereits den maximalen Wirkungsgrad bei sehr geringem Materialaufwand. Eine Mikro-Strukturierung bietet den zusätzlichen Vorteil, dass Kontakte und Strom abnehmende Leiter innerhalb des Schichtverbundes mit ausgebildet werden können, was aufwändige Nach-Montagen überflüssig macht.
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Besonders vorteilhaft umfasst die Mikrostrukturierung eine Implementierung von regelnden Halbleiter-Kombinationen und/oder eine Verschaltung mehrerer Zellen zu diskreten, innerhalb einer Schichtfolge verschalteten Modulen.
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Vorteilhaft ist die Schichtsolarzelle dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht der Schichtzelle als thermisch kompaktierte, anorganische, amorphe bis polykristalline Schicht ausgebildet ist.
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Thermische Kompaktierung bezeichnet ein Aushärten und/oder Einbrennen von anorganischen Gemischen, welches unterhalb der Schmelztemperatur durchgeführt wird. Zu diesem Zweck werden die anorganischen Verbindungen vorteilhaft mit bei niedrigeren Temperaturen flüchtigen Sinterhilfen versetzt und/oder bevorzugt zumindest zu 10% auf eine Korngröße zerkleinert, welche im Submikrometerbereich liegt und bereits bei niedrigeren Temperaturen zu größeren Agglomeraten aggregiert und sich verbindet. Dergestalt ausgebildete Schichten bestehen bevorzugt aus nicht-salzartigen, überwiegend kovalent und/oder halbleitend aufgebauten Strukturen umfassend Erze, intermetallische sowie metallische Verbindungen, bei denen solche Schichten typischer Weise zu finden sind. Die Schichten sind vorteilhaft durch eine wasserfeste, amorphe bis polykristalline Substruktur gekennzeichnet und hoch dicht.
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Vorteilhaft ist die Schichtsolarzelle dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine thermisch kompaktierte Schicht der Schichtzelle als siebgedruckte Schicht ausgebildet ist. Bei Siebdruck-Verfahren wird eine Farbe durch ein Sieb hindurch auf ein Substrat aufgebracht. Durch Verwendung einer partikulären Paste, welche mit Druck über ein Sieb aufgepresst wird, werden im Bereich der Sieb-Löcher die Partikel mit hohem Druck auf und in das Substrat eingepresst. Bei Entfernung des Siebs bleibt die Farbe auf Grund ihrer Dickflüssigkeit tropfenförmig überstehen und fließt in die Loch-Zwischenräume des Druckbilds und bildet eine homogene Schicht aus.
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Die Erfinder gehen davon aus, dass durch den Siebdruck einer partikulären Paste die Partikel so untereinander und/oder mit dem Substrat zumindest im Bereich der Sieblöcher direkte, chemisch aktivierte Kontaktflächen ausbilden, welche bei der thermischen Kompaktierung als zusätzliche Nukelationspunkte für eine kraftschlüssige, amorphe bis polykristalline Struktur mit exzellenter Kohäsion und Adhäsion im Schichtverbund ermöglichen; dies vermag die geringe Porosität, hohe Flexibilität und exzellente Kohäsion der so hergestellten Schichten und Schichtverbunde selbst bei starken Temperaturschwankungen widerspruchsfrei zu erklären.
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So aufgebaut vermag eine Schichtsolarzelle vorteilhaft sogar bei stark schwankender Umgebungstemperatur wie im Wüstenbereich eine dauerhafte Verbindung einer oberseitigen, Strom erzeugenden Schichtfolge mit einer unterseitigen Funktions-Schichtfolge innerhalb einer kompakten Schichtsolarzelle sicherzustellen.
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Vorteilhaft ist die Schichtsolarzelle dadurch gekennzeichnet, dass alle Schichten in einem durchgehenden Verbund auf einem flexiblen Träger aufgebracht sind, wobei der Verbund stabil auf einen Durchmesser von mindestens einem Zentimeter aufrollbar ist.
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Aufrollbare Schichtsolarzellen können vorteilhaft auf einer flexiblen Transferfolie geträgert und/oder bevorzugt an nicht-planare Untergründe angepasst und befestigt werden; auch eine Ausbildung als fertige, aufgerollte Transport-Solarzelle mit einem makroskopischen Stromanschluss für die Bestromung externer Geräte wie Mobiltelefonen, transportablen Rechnern oder stromsparenden LED-Lichtquellen ist so platzsparend zugänglich.
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Die aufrollbare, makroskopische Form gewährleistet vorteilhaft eine durch die Funktionsschicht verbesserte Stromausbeute bei mechanisch hoch stabilem Schichtverbund in Kombination mit verbesserter Mobilität und reduziertem Gewicht.
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Vorteilhaft ist die Schichtsolarzelle dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtzelle in ihrer Mikrostruktur horizontal voneinander isolierte, vertikal leitend verbundene Mikrobereiche in zumindest einer Schichtfolge aufweist, welche parallel elektrisch kontaktiert sind. Durch parallel geschaltete Mikrobereiche kann eine Teilverschattung nicht mehr die Leistungsabgabe der übrigen, parallelen Bereiche blockieren; die Schichtsolarzelle bietet so eine vorteilhaft stabilere und effizientere Stromausbeute auch in teilverschatteten oder schnell in den Witterungsverhältnissen wechselnden Bereichen.
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Vorteilhaft ist die Schichtsolarzelle dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtzelle neben einem oberseitigen, transparenten Schutz und einem unterseitigen Träger nur anorganische Feststoff-Schichten aufweist, die im Wesentlichen aus Metallen, Metall-Legierungen und anorganischen, nicht-ionischen Halbleiter-Verbindungen bestehen. Rein kovalent und nicht salzartig aufgebaute Schichtfolgen bieten vorteilhaft eine bessere Beständigkeit gegen Luftfeuchtigkeit, da keine Salze vorliegen, welche wässrig aus dem Schichtverbund herausgelöst werden könnten; besonders in tropischen Gegenden mit hoher Luftfeuchtigkeit bietet solch eine Schichtsolarzelle über Jahre hinweg eine witterungsbeständige, verbesserte und zuverlässige Stromquelle.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen. Es versteht sich, dass die vorbeschriebenen, bevorzugten Merkmale, Vorteile und nachfolgenden Ausführungsbeispiele nicht beschränkend aufzufassen sind. Vorteilhafte oder bevorzugte, zusätzliche Merkmale und zusätzliche Merkmalskombinationen, wie sie in der Beschreibung erläutert sind, können im Rahmen der unabhängigen Ansprüche im beanspruchten Gegenstand sowohl einzeln als auch abweichend kombiniert verwirklicht werden, ohne dass der Bereich der Erfindung verlassen würde.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Figuren veranschaulichen an Hand von Prinzipskizzen
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1 vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schichtsolarzelle in Strom erzeugender Anordnung,
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2 vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schichtsolarzelle mit Träger und transparentem Schutz in Strom erzeugender Anordnung.
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Detaillierte Erläuterung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
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1 veranschaulicht in einer Prinzipskizze eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schichtsolarzelle in Strom erzeugender Anordnung. Als Beispiel einer Lichtquelle sei – stilisiert in der Figur wiedergegeben – die Sonne gewählt, deren Strahlungsleistung insbesondere in Äquatornähe oft die Kapazität von Photovoltaik-Anlagen übersteigt und welche bei direkter, flächiger Einstrahlung den Wirkungsgrad der Solarzellen erheblich durch Aufwärmen verringert. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Sonne oberseitig zur Schichtsolarzelle abgebildet. Die von der Sonne ausgehende, in Pfeilform dargestellte Strahlung trifft auf die Strom erzeugende, als quer erstrecktes Rechteck dargestellte Photovoltaik-Schichtfolge. Das Licht wird in der Photovoltaik-Schichtfolge unter Strom- und Wärme-Erzeugung absorbiert. Unterseitig zur Photovoltaik-Schichtfolge ist vollflächig angrenzend eine Funktions-Schichtfolge angeordnet, die gleichfalls als quer erstrecktes Rechteck gleicher Breite und größerer Dicke wiedergegeben ist. Die Funktions-Schichtfolge bildet mit der Photovoltaik-Schichtfolge einen durchgehenden, vorteilhaft über rasterartig angeordnete Haftbrücken kraftschlüssig und elastisch gekoppelten, Schichtverbund. Die vorteilhaft mikrostrukturierte, elektrische Verschaltung der beiden Schichtfolgen, besonders vorteilhaft umfassend Regelkreise zur strahlungs- und/oder temperaturabhängigen Teilbestromung der Funktions-Schichtfolge, ist als angrenzendes, hoch erstrecktes Rechteck abgebildet, welches seitlich an beide Schichtfolgen anschließend abgebildet ist und unterseitig zwei als Leitungsenden mit stromtechnischen Vorzeichen gekennzeichnete, makroskopische Kontakte zur elektrischen Leistungsabgabe an ein Stromnetz, ein Regelwerk, einen elektrischen Verbraucher oder dergleichen aufweist. Bei hoher, oberseitiger Wärmelast wird vorteilhaft über eine Peltier-Schichtfolge die oberseitig aufgestaute Wärme anteilig in Strom umgewandelt, was die Leistung der Schichtzelle stabilisiert und den Wirkungsgrad auf konstant hohem Niveau hält. Besonders vorteilhaft erfolgt dies in Regelung mit mindestens einer kapazitiven Doppelschicht, welche in Abhängigkeit der Leistung und/oder verfügbaren Potentialdifferenz als Zwischenspeicher, bevorzugt kaskadiert mit mehreren Strom speichernden Funktions-Doppelschichten geregelt, die abgegebene Spannung und Gesamtleistung stabilisiert. Es versteht sich, dass die vorteilhaft mikrostrukturierte Kontaktierung nur der Übersichtlichkeit halber als separates Rechteck des Schichtverbundes veranschaulicht ist; die im Prinzip veranschaulichte Schichtsolarzelle ist ein vorteilhaft kompakter, hoch dichter, flächig erstreckter, elastischer Schichtverbund, in dem die Kontaktierung durchgehend in vorteilhafter Weise eine Vielzahl an separaten, unabhängig voneinander einspeisenden Bereichen der Photovoltaik-Schichtfolge elektrisch mit der Funktions-Schichtfolge verbindet und makroskopisch außenseitig anschließbar ist. Die vorteilhaft kompakte, flächige, hoch dichte Bauweise erlaubt die besonders vorteilhafte Verwendung in intermittierend Gewichts- oder Impulsbelasteten Bereichen wie Übergängen, Fußböden, Segeln, Sonnensegeln, Windschaufeln, Windturbinen, Fronthauben, Mühlrädern, Schleppdrachen und dergleichen, besonders bevorzugt in Kombination mit helligkeitsabhängig geregelten Verbrauchern, bevorzugt umfassend Beleuchtungssysteme, LEDs, flächige Elektrolumineszenz-Materialien, Klimaanlagen, Navigationssysteme, Alarmanlagen.
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2 veranschaulicht in einer Prinzipskizze eine vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schichtsolarzelle mit Träger und transparentem Schutz in Strom erzeugender Anordnung. Die grundsätzlich veranschaulichten Elemente wie Sonne, Strahlung, absorbierende Photovoltaik-Schichtfolge, unterseitige Funktions-Schichtfolge und Kontaktierung stimmen mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 überein. Die in 1 erläuterten, vorteilhaften Zusammenhänge, Merkmale und Verwendungen gelten mithin in vollem Umfang auch für das in 2 veranschaulichte Ausführungsbeispiel.
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Zusätzlich zu den in 1 veranschaulichten Elementen sind in 2 ein oberseitiger, transparenter Schutz, ein unterseitiger Träger, zwei weitere Schichten und/oder Schichtfolgen der Photovoltaik-Schichtfolge, eine weitere Schicht und/oder Schichtfolge der Funktions-Schichtfolge und unterseitig abschließend der Träger dargestellt. Die Schichten und/oder Schichtfolgen zwischen Schutz und Träger sind zur besseren Übersicht mit unterschiedlicher Breite dargestellt; es versteht sich, dass die Schichtzelle als vorteilhaft elastischer, kompakter Verbund vollständig und vollflächig verbundene Schichten und/oder Schichtfolgen gleichmäßiger Breite aufweist.
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In der veranschaulichten Ausführungsform dringt Licht durch den oberseitigen, transparenten Schutz in die dreischichtig veranschaulichte Photovoltaik-Schichtfolge.
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Vorteilhaft ist der Schutz als hoch elastische Kunststofffolie, besonders bevorzugt als passend zur Photovoltaik-Schichtfolge optisch strukturierte, fokussierende, hochdichte Folie mit nicht benetzbarer Außenfläche, ausgebildet.
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Das bevorzugt optisch gesteuert eindringende Licht wird besonders bevorzugt über eine polykristalline, anorganische, erste Schicht und eine absorbierende, anorganische zweite Schicht bis zu einer elektrisch flächig kontaktierenden, anorganischen dritten Schicht unter Erzeugung eines photovoltaischen Stromes absorbiert. Die dabei anfallende thermische und/oder elektrische Energie wird unterseitig dazu in einer ersten und zweiten Thermoschicht und/oder Thermoschichtfolge elektrisch gespeichert und/oder in zusätzliche, elektrische Energie umgewandelt.
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Die vorteilhafte Mehrschichtfolge der Photovoltaik-Schichtfolge erlaubt hierbei über Mikrostrukturierungen die gezielte, schichtspezifische Wärme- und/oder Stromabführung in die Funktions-Schichtfolgen, besonders bevorzugt in Kombination mit mikrostrukturiert gedruckten Regelkreisen. Als vollständig gedruckte Schichtfolge mit flexiblem Träger und optisch strukturiertem, verschmutzungsarmem Schutz werden so außergewöhnliche Anwendungen wie in Lärmschilden, Rollos, Rollläden, Sektionaltoren, Türvorhängen, Schaublenden, gedruckten Werbeflächen oder auch als kombinierter, in einen transparenten, stabförmigen Griff einrollbarer Energiespeicher einer solar betriebenen Lampe, besonders bevorzugt LED-Taschenlampe, zugänglich.
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Vorteilhaft ist mindestens eine der Schichten der Schichtzelle in ihrer Struktur optimiert ausgebildet. Schicht bezeichnet eine einzelne, flächig ausgebildete, bevorzugt in vordefinierten Bereichen aufgedruckte, kompakte Schicht innerhalb des Verbundes mehrerer Schichten. Die Schichten bilden in ihrer Gesamtheit die durchgängige, kompakte Schichtzelle aus. Die Erfinder haben in sorgfältigen, umfassenden Vergleichsversuchen Maßnahmen entwickelt, welche es erlauben, besonders vorteilhafte, konstruktive Merkmale in einer Schichtzelle sicherzustellen. Diese werden nachfolgend für besonders vorteilhafte Ausführungsformen von Schichtzellen erläutert.
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I) Zerkleinerung/Herstellung von Pigment-Pulvern
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Für die Aufbringung eines partikulären Gemisches, welches nachfolgend zu einer durchgehenden, elektrische Volumenleitfähigkeit aufweisenden Schicht verarbeitet werden kann, sind Pulver möglichst einheitlicher Korngröße zu bevorzugen. Solche Pulver werden nachfolgend auch als Pigmentpulver bezeichnet werden, da eine solche Aufbringung über bekannte Druck- und Beschichtungsmethoden, welche Pigmentgemische in Zielflächen aufbringen, erfolgen kann.
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Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei eine einheitliche, plättchenförmige Mikro-Morphologie erwiesen. Pulver mit derart eingestellten Kornformen ordnen sich selbständig – ähnlich einem zufällig hingeworfenen Kartenspiel – mit breiten, flächigen Überlappungsbereichen zwischen den einzelnen Plättchen in der Fläche an. Dies unterstützt die Fähigkeit eines Pigmentpulvers zu spreiten und flächig auf einer Zielfläche aufzuziehen und sorgt bei der Kompaktierung/Trocknung über die großen, wechselseitigen Kontaktflächen für das schnelle, zuverlässige Ausbilden gemeinsamer, durchgehender Kornflächen, welche die benötigten Volumeneigenschaften senkrecht zur Fläche präzise und verbessert wiederholbar herzustellen vermögen. Die damit erzielbaren Schichten sind durch einheitlich gleichmäßige Anordnung und Dicke, horizontale Korngrenzen und präzise eingestellte Volumeneigenschaften gekennzeichnet.
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Bevorzugt werden Pulver daher mit plättchenartiger Morphologie versehen. Dies kann bevorzugt dadurch erfolgen, dass Verbindungen und/oder Vorläuferverbindungen, welche ob ihrer Kristallstruktur bevorzugte Bruchebenen aufweisen, per Impuls, bevorzugt in einer Stift- oder Prallmühle, auf die benötigte, mittlere Korngröße zerkleinert werden, wobei Brüche längs zur Vorzugsrichtung überwiegen. Besonders vorteilhaft werden die Pulver mit offener Porosität vorkompaktiert/agglomeriert und anschließend per Impuls und/oder Ultraschall deagglomeriert und zerteilt. Hierbei werden die Agglomerate entlang der Porenkanäle zerrissen, so dass überwiegend flächig erstreckte Bruchstücke entstehen.
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Besonders bevorzugt erfolgt die Zerkleinerung auf die gewünschte Korngröße und vorteilhafte Morphologie kurz vor der Verwendung; die Erfinder führen das dann festgestellte, verbesserte Reagglomerationsverhalten bei der thermischen Kompaktierung auf die frischen, reaktiven Bruch- und Kontaktflächen zurück, welche ein Kompaktieren und/oder Sintern bei niedrigen Temperaturen, besonders bevorzugt bei Submikrometer großen Partikeln, beschleunigen und so mit kurzen, thermischen Impulsen schon flächig fixiert werden können.
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Besonders vorteilhaft erfolgt die Einstellung der Morphologie und/oder Korngröße in einem leicht flüchtigen, thermisch zersetzbaren/entfernbaren Lösungsmittel. Mit flüchtigen, organischen Lösungsmitteln, welche mindestens 1% höher molekularer Bestandteile mit höherem Siedepunkt enthielten, wurden die besten Ergebnisse erzielt: Die Erfinder gehen davon aus, dass hierfür die höher molekularen Anteile verantwortlich sind: Während der Deagglomeration/Zerkleinerung ziehen diese Anteile auf die frischen Bruchflächen auf, um bei der thermischen Entfernung unter zumindest anfangs reduzierenden Bedingungen in Gase zu zerfallen. Hierbei werden die frischen Bruchflächen freigelegt, teilweise reduziert und können innig mit den direkt anliegenden Bruchflächen reaktionsunterstützt verbunden werden. Flüchtige Zusätze wie Ammoniumchlorid, Karbonate, Amine oder reaktive Mischungen welche gleichfalls thermisch unter Freisetzung von Gasen und/oder reaktiven Gasen zerfallen, vermögen diesen Effekt vorteilhaft als Sinterhilfe zu unterstützen.
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In besonders vorteilhafter Form werden frisch in organischem Dispergiermittel mit höher molekularem Anteil gebrochene/deagglomerierte Pulver von überwiegend plättchenförmiger Morphologie eingeengt, bis eine flüssige Dispersion mit einem Volumen-Feststoffanteil von mindestens 60 Vol%, bevorzugt 65 bis 95 Vol%, besonders bevorzugt (80 +– 10) Vol%, erhalten wird, um diese für die Aufbringung, bevorzugt Aufdruckung, bereitzustellen.
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II) Herstellung von Pigment-Pasten, bevorzugt Pigment-Druckpasten
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Verfahren zur strukturierten Bedruckung von Trägern mit Leitern in vorgegebener Struktur sind bekannt und umfassen beispielsweise Roll-to-Roll-Verfahren, Tintenstrahldruck-Mechaniken und ähnliches. So offenbart beispielsweise die
DE 20 53 440 B2 eine druckfähige Masse auf Glas-Basis, welche zur Ausbildung elektrischer Schalteinrichtungen geeignet ist. Die in diesem Dokument angeführten Elemente, Stoffbeispiele und deren Stoffklassen sowie Lösungs-, Dickungs- und Stabilisierungsmittel stellen übliche Handwerkszeuge des Fachmanns zur Herstellung solcher Pasten dar und werden durch Bezugnahme im vollem Umfang der Offenbarung dieses Dokuments mit beansprucht.
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Vorteilhaft wird eine Pigment-Paste dickflüssig und thixotrop eingestellt. Thixotrope Pasten bilden in Ruhe ein stabilisierendes Netzwerk aus, welches die Paste gelieren lässt und Fluss, Sedimentation und/oder Phasenseparation innerhalb der Paste reversibel unterbindet. Wird die Paste erschüttert, gerührt oder mechanisch innig vermischt, bricht das Netzwerk auf und es entsteht wieder eine fließfähige Paste, welche ob ihrer Dickflüssigkeit eine erhöhte Kohäsion aufweist. Die Kohäsion stellt sicher, dass die Paste im Fluss und/oder Druckverfahren eine bestimmte Dicke nicht unterschreiten wird, wodurch so erzeugte Leiterstrukturen stets eine Mindestdicke und Mindestleitfähigkeit bereitstellen werden. Darauf führen die Erfinder zurück, dass mit thixotrop dickflüssig eingestellten Pasten im Siebdruckverfahren die besten Ergebnisse im Druckbild erzielt wurden: Während des Durchdrückens der Paste durch ein Sieb wird diese mechanisch innig gerührt und fließt vollständig in das Sieb ein. Wird das Sieb abgehoben und entfernt lässt die verbesserte Kohäsion einen Tropfen entstehen, der ob seiner Dicke stets und zuverlässig mit benachbarten Tropfen eine durchgehende Schicht einheitlicher Dicke ausbildet. Bevorzugt wird hierzu eine homogene Mischung kompatibler Alkyl-Verbindungen wie Propanol/Propylcellulose, Rest Zusätze, Hilfsstoffe und unvermeidbare Verunreinigungen, verwendet. Diese bilden einheitliche Zerfallsprodukte bei der thermischen Kompaktierung aus und führen zu vorteilhaft präzise und scharf ausgebildeten Druckbildern. Besonders vorteilhaft sind so Mikrostrukturierungen inklusive druck-strukturierter Regelkreise und -schaltungen volumenfüllend als kompaktes Leiterbild in einem durchgehenden Schichtverbund mit einheitlich dicken, volumenfüllenden Schichten herstellbar. Diese stellen vorteilhaft Schichtfolgen geringster Porosität mit präzise ausbildbaren Schichtgrenzen bereit.
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III) Siebdruckverfahren mit anorganischen Pigment-Pasten
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Vorteilhaft stellt ein Siebdruckverfahren mit anorganischen Pigment-Pasten mit bestimmten Verfahrensmaßnahmen eine bessere Haftung der Schichten untereinander bereit. Hierzu wird ein passend in seinen Freiflächen vorstrukturiertes Sieb, bevorzugt gewebtes Siebnetz, auf ein Substrat/ein bereits beschichtetes/bedrucktes Substrat aufgelegt, Pigment-Paste auf die Oberseite des Siebs aufgegeben, verteilt und per Druck durch die Sieböffnungen hindurch auf das Substrat aufgezogen. Wird das Sieb entfernt verbleibt die Pigment-Paste entsprechend der strukturierten Freiflächen auf dem Substrat und bildet durchgehend beschichtete Bereiche aus.
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Besonders vorteilhaft wird dabei ein zumindest unterseitig elastisches Siebmaterial verwendet. Das elastische, bevorzugt als reibfestes, perfluoriertes Polymer, ausgebildete Material wird bei Druckbeaufschlagung nachgeben. Wird der Druck flächig und eine Sieböffnung verschließend ausgeübt wird in der Sieböffnung die Paste komprimiert und unterseitig in benachbarte Öffnungsbereiche austreten. Die Erfinder gehen davon aus, das anorganische Pigment-Pulver in Reibkontakt zwischen Substrat und elastischem Sieb das Substrat aufrauen und eine Haftbrücke ausbilden. Besonders vorteilhaft wird bei plättchenförmigen Körnern eine flächige, intensive Haftung der Körner an frisch aufgekratzten und/oder gebrochenen Korn- und Substrat-Flächen bewirkt. Vorteilhaft in Kombination mit thixotrop eingestellten Pasten werden dabei die suspendierten Partikel im druckinduzierten Fluss ineinander verkantet, druckbeaufschlagt und innerhalb der Sieböffnung/am unteren Öffnungsrand gebrochen, wodurch chemisch aktive, frische Bruchflächen erzeugt werden. Mit diesem Erklärungsmodell wird verständlich, dass bei druckbelasteter Aufbringung der vorteilhaften, vorbeschriebenen Pasten besonders flexible, gewichtsbelastbare Schichtverbunde erhalten werden konnten, welche selbst bei zusätzlichen, wiederholten Temperaturwechseln keinerlei Tendenz zur Exfolierung zeigten. In vorteilhafter Ausführungsform sind sämtliche Schichten der Schichtsolarzelle, besonders bevorzugt inklusive Träger und Schutz, per Druckverfahren ausgebildet und können als vollständig gedruckt ('fully printed') höchste Flexibilitäten bereitstellen.
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IV) thermische Kompaktierung/Einbrennen von Pigment-Pasten-Lagen
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Bei der thermischen Kompaktierung von mikrostrukturierten Pigment-Pasten-Lagen wird vorteilhaft durch einen kurzen Hitzeimpuls eine erste, stabile Randschale erzeugt, welche das Aufbringen weiterer Schichten erlaubt. Auf ein separates Einbrennen jeder Schicht bei hoher Temperatur kann so verzichtet werden, denn der Verbund kann als Ganzes abschließend ausgehärtet werden. Bevorzugt wird das Ausbilden der Randschale durch ein thermisch und/oder optisch vernetzbares Polymer, besonders bevorzugt Silikonpolymer, unterstützt, wobei das Polymer abschließend im Wesentlichen zu anorganischen Verbindungen, bevorzugt anorganischen Verbindungen des Systems Si-N-C-O, zersetzbar ist. Etablierte Systeme zur Ausbildung einer zwischenzeitig stabilisierenden, belastbaren Polymerstruktur auf Silikonbasis sind beispielsweise aus der
DE 2 422 428 bekannt, deren Stoffklassen, Komponenten und Stoffbeispiele durch Bezugnahme in vollem Umfang mit beansprucht werden. Besonders bevorzugt ist den Pasten hierbei eine amorph aufschmelzende, nanostrukturierte Komponente, bevorzugt eine Komponente aufweisend mindestens eine Verbindung auf Basis mindestens einer Glas bildenden oder modifizierenden Substanzklassen der Gruppe umfassend Kieselsäure, Bor-Oxide, Thiol-Verbindungen, Aminverbindungen, Phosphoroxide, Metalloxide, beigesetzt. Solche glasartigen oder Glas modifizierenden Verbindungen überziehen die größeren Partikel während des thermischen Kompaktierens und verbinden diese in einer elastischen Matrix, bevorzugt elektrisch untereinander kontaktierend. Vielseitige, extrem elastische Strukturen können so aus der Kombination bekannter Glaskomponenten und -zusätze mit anorganischen Halbleiter-Stoffen als dichte, kompakte Schicht gewonnen werden.
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Der Kompaktierungs-/Einbrenn-Prozess sieht vorteilhaft das Einbrennen in Raumluft vor, wobei organische Komponenten zu anorganischen zersetzt und die gasförmigen Zersetzungsprodukte abgeführt werden. Durch hohen Feststoffgehalt der Pasten und vorteilhaft eingestellte Pigment-Pulver-Morphologie wird ein sehr schneller, umfassender und dichte Schichten ausbildender Sinterprozess zugänglich, der Herstellungskosten von nur 25% des üblichen, finanziellen Aufwands nötig macht, wie er sonst bei der klassischen Erzeugung einer Schichtzelle oder Dünnschichtzelle mit etablierten Elementen/Schichtfolgen anfällt.
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Die so hergestellten Schichten und Schichtfolgen sind vorteilhaft durch hoch gleichmäßige Volumeneigenschaften wie Leitfähigkeit, photovoltaische Effizienz und Strom-Speichervermögen gekennzeichnet, wodurch die Schichtzelle in ihrer Gesamtheit eine deutlich verbesserte Lebenserwartung bereitstellen kann: Die hohe Gleichmäßigkeit der Volumeneigenschaften vermeidet zonal begrenzte Fehler oder Exfolierungen und macht eine langfristig zuverlässig abrufbare Leistung zugänglich. Die ersten Belastungs-Versuche lassen eine Lebenserwartung von mindestens 20 Jahren für diese vorteilhafte Ausführungsform erwarten, wobei die Effektivität bis zum Ende der Lebenserwartung 80 bis 99%, bevorzugt 85 bis 98%, besonders bevorzugt (97 +– 2)% des Anfangswertes betragen wird.
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Bevorzugt in wartungsarmen bis -freien Bereichen wie Satelliten, Sonden, Off-Shore-Installationen, selbstfahrenden Geräten oder Bojen wird die so hergestellte Schichtzelle eine langfristige, verbesserte Stromversorgung bereitstellen.
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V) Träger und Schutz
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Als beschichtbares Trägermaterial können ob der verbesserten, flexiblen Haftung der Schichten untereinander auch flexiblere Flächen wie Gewebe, Folien, Vliese, Filze und Matten mit Größen im Quadratmeter-Bereich bis zu (5 × 5) Meter vollflächig beschichtet, vorzugsweise bedruckt, und mit der verbesserten, photovoltaischen Funktion versehen werden. Träger aus PTFE, Polystyrol, Polycarbonat, PET, oder anderen, vorteilhaften Kunststoffen sind gleichfalls denkbar. Vorteilhaft kann die Schichtzelle auch als Designelement auf starren Trägern wie Glasplatten angebracht werden, was besonders im Fassadenbereich von Hochhäusern sinnvoll in Südlage eine Verschattung und photovoltaische Nutzung des Sonnenlichts bereitstellen kann. Eine Teilbedruckung erlaubt über den frei bleibenden Rest den Durchtritt von Restlicht, was vorteilhaft bei der Modifikation von Gewächshäusern für äquatoriale Nutzung Vorteile bietet: Während das Gewächshaus wertvolle Feuchtigkeit einschließt, ermöglicht die aufgedruckte Schichtzelle die verbesserte Bestromung eines Klimasystems, welches Wasser- und Wärme-Regulation zur Optimierung des Pflanzenwachstums vornimmt.
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Vorteilhaft sind Träger und Schutz als durchgängig umhüllende, bevorzugt wasserdicht aufgeschweißte Hülle mit integrierter Kontaktdurchführung, ausgebildet.
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Hoch amorphe, streuende Schichtfolgen, die gegebenenfalls über fokussierende Folien als Schutzschicht in ihrer Effektivität optimiert sind, vermögen sogar diffuses Mondlicht mit gesteigertem Wirkungsgrad anteilig in Strom umzuwandeln.
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Als Schutzschichten können etablierte, transparente Oxide verwendet werden, welche häufig auch als ”TCOs” bezeichnet werden. Bekannte Beispiele umfassen Zinkoxid, Zinnoxid, Titandioxid, Zirkondioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid, deren Mischungen und je nach Bedarf dotierten Varietäten davon. Je nach Materialzusammensetzung können diese zusätzlich mit mindestens einer polymeren Schutzschicht gegen Feuchtigkeit und/oder mechanische Belastung versehen werden.
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Bevorzugt kann als Träger eine Transferfolie und/oder Klebefolie verwendet werden, welche das Anbringen der Schichtzelle auf flächigen, externen Gegenständen, bevorzugt Gebäudeteilen wie Fassadenelementen oder Dächern, erlaubt.
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Vorteilhaft wird die offenbarte Dünnschichtzelle im Rahmen einer Extrusion von Kunststoffgehäuseteilen mit einer Schutzschicht versehen direkt mit dem Gehäuse verbunden und in den Regelkreis der Stromversorgung des jeweiligen Geräts eingebunden. Elastische, schlagfeste, bevorzugt druckdichte, Gehäuse für mobile, händisch transportierbare Geräte umfassend Kleinboxen, Dockingstationen, Lautsprecher, Beamer, Mobil-Telephone, Netbooks, Rechnersysteme, DVD-Player, Datei-Anzeigesysteme, Funknetz-Datenempfänger, Kameras, können so bereitgestellt werden.
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Vorteilhafte Anwendungsbeispiele
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Besonders vorteilhaft kann die beanspruchte Zelle als flexibel aufgebrachte Zelle mit oberseitiger Schutzschicht und integrierten Steuer-/Regel-Schaltungen in den Bereichen zum Einsatz kommen, in denen bisher eine flächige Beschichtung mit etablierten Dünnschichtzellen zur Stromgewinnung wegen der hohen Herstellungskosten, der mangelhaften Mobilität der Steuer- und/oder Regeltechnik, der zu geringen Temperaturwechselbeständigkeit oder der zu niedrigen Ausbeute bei hohen Temperaturen, gescheut wurde.
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Tests zur Effektivität ergaben eine Effizienz der verbesserten Schichtzelle, welche überlegen trotz stark schwankender Temperatur bis 120°C zuverlässig mindestens die optimale Leistung einer etablierten CIGS-Dünnschichtzelle bei Raumtemperatur bereitstellte.
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Somit ermöglicht die beanspruchte Zelle sogar vorteilhaft die Verwendung als Wärmestrahlung bündelnde Sammelflächen-Beschichtung bei thermischen Kollektoren, als Planenbeschichtung im Bereich ausrollbarer Träger, autarke Stromversorgung für Display-Systeme wie Plakatwände, Firmen-Roll-Ups oder Präsentationseinrichtungen sowie mobile Gartenmöbel, insbesondere Campingmöbel.
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Besonders vorteilhaft ist die beanspruchte Schichtzelle als vollständig anorganische, mit optimierter Druckpaste komplett gedruckte ('fully printed'), robuste, langlebige Solarzelle ausgeführt, welche sowohl direkt gedruckt als auch indirekt über Transferfolien zur Anwendung auf Gegenstände aufgebracht werden kann. Dies erlaubt besonders vorteilhaft die Anbringung auf/in einem der Gegenstände und/oder Areale ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Baumaterialien, Hausfassade, Lärmschutzwände, Laptopdeckel, Mobiltelefon, Folie, Stadiondächer, Solarfolie, Bahn-Einrichtungen, Flughafen-Einrichtungen, Autobahn-Einrichtungen, Windradmäntel, Polycarbonat-Flächen, Polycarbonat-Platten, Schallschutzwände, Windkraftanlagen, PV-Einspeise-Flächen, Stadien, Industriedächer, Industriefassaden, Gebäude, Freiluftüberdachungen, Einkaufspassagen, Dachziegel, Markisen, Traglufthallen, Fahrzeugen, Bussen, Bahnen, PKW, LKW, Campingbus, Transporter, Golfplatz-Fahrzeuge, Boote, Schiffe, Yachten, Deckflächen, Schwimmbad-Innenflächen, Spielzeug, Kleidung, Zelte, Wüsten-Solarparks, Straßen, Wege, Fliesen, Werbeflächen, Parkplatzüberdachungen, autarke Haushalts-Stromnetze, Kläranlagen, Haushalts-Kläranlagen, thermische Entkeimer, Unterhaltungselektronik, Rechnersysteme, mobile Rechner, mobile Telefone, Gartengeräte, Beleuchtungsanlagen, autarke Leuchtsysteme.
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In besonders vorteilhafter Ausführungsform ist eine verbesserte, aus Schichten aufgebaute Schichtsolarzelle, aufweisend eine oberseitige, einfallendes Licht in Strom umwandelnde Photovoltaik-Schichtfolge, eine vom Licht abgewandte, verschattete Unterseite, einen oberseitigen, transparenten Schutz und einen unterseitigen Träger, dadurch gekennzeichnet, dass
- – sämtliche Schichten aus anorganischen, amorphen bis polykristallinen Feststoff-Schichten mit einer geschlossenen Porosität von 0,1 bis 1 Volumenprozent bestehen,
- – sämtliche Schichten als per Siebdruck gedruckte, thermisch kompaktierte Dünnschichten mit Schichtdicken der einzelnen Schichten zwischen 0,01 bis 5 Mikrometern ausgebildet sind,
- – sämtliche Schichten als durchgängiger, flexibler Verbund ausgebildet sind
- – der Verbund über mikrostrukturierte, leitende Bereiche elektrisch regelnd verschaltet und mit makroskopischen Anschlussbereichen für die externe Stromabnahme versehen ist
- – zumindest die Strom erzeugende Photovoltaik-Schichtfolge in ihrer Mikrostruktur horizontal voneinander isolierte, vertikal leitend verbundene, parallel elektrisch miteinander kontaktierte Mikrobereiche aufweist
- – die Strom erzeugende Photovoltaik-Schichtfolge elektrisch mit mindestens einer unterseitig dazu im verschatteten Bereich angeordneten, die Stromausbeute verbessernden Funktions-Schichtfolge verbunden ist,
wobei wiederum
- – die Funktions-Schichtfolge mindestens eine Schichtfolge aufweist, welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus thermoelektrischer Doppelschicht, strukturierter Peltier-Schichtfolge, kapazitiv zwischenspeichender Doppelschicht und strukturchemisch zwischenspeichernder Ladungsschicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4225385 A1 [0003, 0003]
- DE 2732932 C2 [0003]
- DE 2053440 B2 [0051]
- DE 2422428 [0055]
