DE102020104543A1

DE102020104543A1 - Antireflexionsstruktur für einen Solarabsorber und Solarabsorber mit einer Antireflexionsstruktur

Info

Publication number: DE102020104543A1
Application number: DE102020104543.3A
Authority: DE
Inventors: Karsten Pauly
Original assignee: Individual
Current assignee: PAULY, KARSTEN, DE; PAULY, MONIKA, DE
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2021-08-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antireflexionsstruktur für einen Solarabsorber (1). Die Antireflexionsstruktur zeichnet sich dadurch aus, dass sie auf einem Kunststoff als flächigem Trägermaterial (21, 31) ausgebildet ist, wobei mindestens eine Oberfläche (22, 23, 32, 33) in nur einer Raumrichtung periodisch strukturiert ist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Solarabsorber (1) mit einer solchen Antireflexionsstru ktu r.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antireflexionsstruktur für einen Solarabsorber, beispielsweise einen thermischen Solarabsorber und insbesondere einen photovoltaischen Solarabsorber, auch Solarzelle oder Solarmodul genannt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Solarabsorber mit einer derartigen Antireflexionsstruktur.
Eine ökologisch sinnvolle Nutzung der Sonnenenergie kann durch technische Umwandlung in thermische und/oder elektrische Energie erfolgen. In beiden Fällen wird ein in der Regel mit einer glatten Oberfläche versehener Absorber der Sonnenstrahlung ausgesetzt. Häufig bildet eine Glasfläche die Oberfläche des Absorbers. Nachteilig sind dabei unvermeidliche Reflexionsverluste, die zudem stark vom Einfallswinkel der Sonnenstrahlung auf die Absorberfläche abhängen.
Zur Verringerung der Reflexionsverluste ist zum einen bekannt, die Solarabsorber mit einer Nachführeinrichtung zu koppeln, die eine Ausrichtung der Oberfläche des Absorbers in einer oder zwei Raumrichtungen mechanisch dem Sonnenlauf nachführen kann, um nach Möglichkeit jederzeit eine senkrechte Einstrahlung des Sonnenlichts auf die Absorberfläche zu erzielen. Eine solche Nachführeinrichtung ist jedoch mechanisch aufwändig und auch aus Platzgründen nicht für jeden Einsatzort der Solarabsorber geeignet.
Eine weitere Möglichkeit, um Reflexionsverluste zu vermindern ist beispielsweise in der Druckschrift DE 10 2011 111 629 B4 beschrieben. Gemäß dieser Druckschrift werden Reflexionsverluste durch eine auf Submikrometer-Skala strukturierter Oberfläche des Absorbers verringert. Zu diesem Zweck werden kristalline Silizium-Nanostrukturen mit einer Gitterkonstante zwischen 200 Nanometern (nm) und 2 Mikrometern (µm) auf einem Substrat, beispielsweise einem Glassubstrat, mittels einem sogenannten Nanoimprint-Verfahren hergestellt. Auf dieser Struktur wird eine Dünnschichtsolarzelle mit amorphen oder teilkristallinen Silizium erstellt, wobei sich in einer Oberflächenstruktur des Siliziums die Nanostrukturierung des Glassubstarts widerspiegelt. Es entsteht so eine in jede Richtung entlang der Oberfläche nanostrukturierte Siliziumoberfläche, die einen geringen Reflexionskoeffizienten auch bei flachem Lichteinfall zeigt. Inwieweit sich auf Basis dieses Materials eine großflächige und praxistaugliche Solarzelle aufbauen lässt, ist jedoch noch Gegenstand aktueller Forschung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Antireflexionsstruktur bereitzustellen, die auf einfache Weise auch großflächig produziert werden kann und die im Zusammenhang mit verschiedenen Solarabsorbern eingesetzt werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe, einen Solarabsorber mit einer derartigen Antireflexionsstruktur bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Antireflexionsstruktur und einen Solarabsorber mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einer erfindungsgemäßen Antireflexionsstruktur wird als Trägermaterial Kunststoff eingesetzt, dessen Oberfläche auf zumindest einer Seite in nur einer Raumrichtung periodisch strukturiert ist.
Es wird so mindestens eine nur eindimensional strukturierte Oberfläche ausgebildet, die entsprechend eine Linienstruktur aufweist, die für einen Lichteinfallwinkel, der senkrecht zu den strukturierten Linien verläuft, mit dem gleichen positiven Effekt verbunden ist, wie für die Strukturierung in zwei orthogonal zueinander verlaufende Oberflächenrichtungen.
Verfahrenstechnisch kann die Linienstrukturierung jedoch viel einfacher hergestellt werden, insbesondere wenn Kunststoff als Trägermaterial eingesetzt wird.
Ein geeignetes Herstellungsverfahren kann z.B. ein Einprägen der Linienstruktur in ein Kunststoffmaterial umfassen. Alternativ kann Kunststoff mit der Strukturierung auch extrudiert oder in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine Variation der Lichteinfallrichtung in der Praxis bei Solarabsorbern maßgeblich nur entlang einer Richtung gegeben ist, nämlich entlang der Ost-West-Richtung bedingt durch den täglichen Sonnenverlauf. Die erfindungsgemäße Antireflexionsstruktur erreicht eine Verminderung der Reflexion im Hinblick auf die Variation der Lichteinfallsrichtung im Tagesverlauf. Eine Variation der Einstrahlungsrichtung in einer dazu orthogonal stehenden Richtung ist durch eine Veränderung des Sonnenstands im Jahresverlauf zwar gegeben, diese Änderung ist jedoch kleiner als die, die sich in Ost-West-Richtung im Tagesverlauf ergibt. Der Verzicht darauf, die jahreszeitliche Variation des Einfallswinkels ebenfalls durch eine entsprechende Strukturierung zu berücksichtigen, wird durch die einfachere Herstellbarkeit und damit auch großflächige Anwendung der erfindungsgemäßen Antireflexionsstruktur kompensiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Trägermaterial der Antireflexionsstruktur eine Kunststofffolie sein, deren Dicke bevorzugt zwischen etwa 0,03 und 0,2 mm liegt. Die Kunststofffolie kann einseitig selbstklebend sein, z.B. indem sie mit einer entsprechenden Adhäsionsschicht versehen ist. Auf diese Weise kann die Antireflexionsstruktur leicht auf eine der Sonne zugewandte Seite eines thermischen oder photovoltaischen Absorbers aufgebracht werden, ggf. auch nachträglich, wenn der Absorber bereits installiert ist.
In einer Ausbildung als Folie ergibt sich als zusätzlicher Vorteil die Möglichkeit, die Folie auf einen nicht ebenen Solarabsorber aufzubringen. Der Solarabsorber, insbesondere ein photovoltaischer Absorber, kann z.B. in sich ebenfalls linien- bzw. wellenförmig strukturiert sein, wobei die Periodenlänge und die Wellenhöhe dann eher im Bereich einiger Millimeter bis Zentimeter liegen. Das erhöht zum einen die mechanische Stabilität, was eine ausreichend stabile Herstellung in Leichtbauweise ermöglicht. Zum anderen wird bei gleicher Grundfläche die mit photovoltaisch aktivem Material belegte Fläche größer, was zu Ertragssteigerungen führen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Antireflexionsstruktur liegt eine Periodenlänge der periodischen Struktur im Bereich von einigen hundert Nanometern bis hin zu Mikrometern. Strukturen mit charakteristischen Längen im Bereich der Wellenlänge des Sonnenlichts wirken besonders reflexionsvermindernd. Zudem tritt eine Selbstreinigungseffekt, auch Lotuseffekt genannt, auf, der eine Verschmutzung der Oberfläche des der Antireflexionsstruktur verhindert oder zumindest verringert. Da eine Verschmutzung mit einer unerwünschten Absorption oder Reflexion des Sonnenlichts einhergeht, senkt eine Verschmutzung die Effizienz eines Solarabsorbers. Umgekehrt wird so durch den Selbstreinigungseffekt die Effizienz gesteigert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Antireflexionsstruktur ist die periodischen Struktur sinusförmig. Bevorzugt liegt eine Höhenvariation der periodischen Struktur im Bereich von einigen hundert Nanometern bis hin zu Mikrometern.
Ein erfindungsgemäßer Solarabsorber zeichnet sich durch eine derartige Antireflexionsstruktur an seiner dem Sonnenlicht zugewandten Seite aus. Es ergeben sich die zuvor im Zusammenhang mit der Antireflexionsstruktur beschriebenen Vorteile.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Solarabsorbers ist dieser integral mit der Antireflexionsstruktur ausgebildet. Beispielsweise ist der Solarabsorber durch ein photovoltaisch aktives Dünnschichtsystem gebildet, das auf eine Oberfläche des flächigen Trägermaterials der Antireflexionsstruktur aufgebracht ist. Dabei kann die Oberfläche, auf die das Dünnschichtsystem aufgebracht ist, plan sein oder aber ihrerseits in eine Raumrichtung periodisch strukturiert sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Solarabsorbers mit einer aufgebrachten Antireflexionsfolie;
2a, b eine isometrische Ansicht (2a) bzw. eine Schnittansicht ( 2b) eines Ausführungsbeispiels einer Antireflexionsfolie;
3a, b eine isometrische Ansicht (3a) bzw. eine Schnittansicht ( 3b) eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Antireflexionsfolie; und
4a, b eine isometrische Ansicht (4a) bzw. eine Schnittansicht ( 4b) eines Ausführungsbeispiels einer Antireflexionsfolie mit integriertem Solarabsorber.

1 zeigt zunächst schematisch einen Solarabsorber 1, auf dessen Oberfläche eine Antireflexionsfolie 2 angebracht ist. Eine Strich-Linierung auf der Oberfläche der Antireflexionsfolie 2 deutet eine Antireflexionsstrukturierung der Oberfläche an, die nur in eine Richtung verläuft.
Zwei zueinander orthogonale Richtungen entlang der Oberfläche sind als Richtungen x und y in dem eingezeichneten Koordinatensystem angegeben. Eine erfindungsgemäße Antireflexionsfolie 2 ist entlang einer der Richtungen, beispielhaft der x-Richtung, periodisch strukturiert, wohingegen sie entlang der dazu senkrechten y-Richtung nicht strukturiert ist. Es liegt demnach eine eindimensionale Strukturierung vor, die auch als Linienstruktur angesehen werden kann.
Als Solarabsorber 1 kann ein thermischer Solarabsorber ebenso wie ein photovoltaischer Solarabsorber eingesetzt werden, der auch als Solarzelle oder Solarmodul bezeichnet wird. Die Antireflexionsfolie 2 kann bereits in einem Herstellungsprozess des Solarabsorbers 1 auf diesen aufgebracht sein, beispielsweise auflaminiert sein. Sie kann auch als selbstklebende Folie ausgebildet sein, die auf einen bereits bestehenden Solarabsorber 1 aufgebracht werden kann, um diesen nachzurüsten.
In 2a ist ein Ausschnitt der Antireflexionsfolie 2 schematisch in einer Vergrößerung in einer isometrischen Darstellung wiedergegeben. Die Antireflexionsfolie 2 weist ein Trägermaterial 21 aus Kunststoff auf, wie z.B. Polyethylen.
Die Folie 2 weist zwei gegenüberliegende Oberflächen 22, 23 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel beide periodisch strukturiert sind. 3a zeigt eine dazu alternativen Ausgestaltung, bei der nur die äußere, vom Solarabsorber 1 abgewandte Oberfläche 23 strukturiert und die gegenüberliegende Oberfläche 22 glatt ausgebildet ist.
Die 2a und 3a zeigen die Ausbildung einer periodisch variierenden Höhenstruktur nur entlang der Richtung x. In Richtung y zeigen die Oberflächen 22, 23 keine Höhenvariation.
Beim Einsatz der Antireflexionsfolie 2 auf einem Solarabsorber 1 verläuft bevorzugt die Richtung x in Ost-West-Richtung. Im Tagesverlauf der Sonne wird eine besonders geringe Reflexion so auch in den Morgen- und Abendstunden erreicht, wodurch die Gesamteffektivität des Solarabsorbers 1 steigt.
Die so erzielte höhere Effizienz in den Tagesrandstunden ist im Hinblick auf die Netzstabilität und auch auf erzielbare finanzielle Erträge positiv. Durch verstärkte Nutzung von Solarenergie im Energiemix eines Netzes besteht häufig eine Tendenz eines Stromüberangebots zur Mittagszeit und einer Stromunterversorgung, die dann konventionell nachgeliefert werden muss, in den Tagesrandstunden. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Antireflexionsfolie 2 wirkt diesem entgegen.
Die 2b und 3b zeigen einen Querschnitt der Antireflexionsfolie 2, wobei der Schnitt in x-Richtung ausgeführt ist. Bei dem Beispiel der 2b zeigen beide Oberflächen 22, 23 eine sinusförmig variierende Oberflächenstruktur mit Wellentälern 24 und Wellenzügen 25. Die Ausrichtung der Strukturierung, im Beispiel entlang der x-Richtung, ist bei beiden Oberflächen 22, 23 gleich. Im gezeigten Beispiel sind auch Periodenlänge und Höhe auf beiden Seiten gleich. Die Parameter der Strukturierung, insbesondere die Periodenlänge und die Höhe, können jedoch auf beiden Seiten auch unterschiedlich sein. Bei dem Beispiel der 3b ist nur die Oberfläche 23 entsprechend strukturiert. Bevorzugt liegt ein Abstand benachbarter Wellentäler 24 bzw. Wellenzügen 25 im Bereich von einigen 100 nm bis in den Mikrometerbereich. Der Sinusverlauf der Oberflächen 22, 23 in x-Richtung zeigt somit eine Periodenlänge der genannten Größenordnung. Eine Höhenvariation liegt dabei bevorzugt in einer vergleichbaren Größenordnung.
Die Strukturierung der Oberflächen 22, 23 führt nicht nur zu einer geringeren Reflexion und damit erhöhten Absorption des Sonnenlichts bei flachem Lichteinfallswinkel, sondern auch zu einem Lotuseffekt an den Oberflächen 22, 23, durch den Wasser leichter abperlt und Schmutz weniger schnell haften bleibt. Auch dieses trägt zu einer Erhöhung der Effizienz des Solarabsorbers 1 bei.
In den 4a und 4b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer anmeldungsgemäßen Antireflexionsstruktur in gleicher Weise wie in den 2a und 2b dargestellt. Die Antireflexionsstruktur ist hierbei bei einer antireflektierenden Solarzelle 3 angewendet.
Die antireflektierende Solarzelle 3 kann ebenso wie die Antireflexionsfolie 2 des zuvor gezeigten Ausführungsbeispiels auf einem Kunststoff als Trägermaterial 31 beruhen. Um eine erhöhte Stabilität zu erzielen, kann das Trägermaterial 31 dicker als im Fall der Antireflexionsfolie 2 ausgebildet sein, wie das in den 3a und 3b angedeutet ist, allerdings nicht maßstabsgetreu wiedergegeben ist. Die Dicke kann dabei im Bereich von einigen Millimetern liegen.
Eine zur Sonne hinweisende Fläche 32 des Trägermaterials 31 ist in gleicher Weise wie die Oberfläche 22 der Antireflexionsfolie 2 nanostrukturiert in eine Oberflächenrichtung ausgebildet. Wie 3b zeigt, sind wiederum Wellentäler 34 und Wellenzüge 35, die sich in eine Raumrichtung erstrecken, geformt.
Auch die gegenüberliegende Oberfläche 33 des Trägermaterials 31 ist mit dieser Struktur versehen. Anders als bei der Antireflexionsfolie 2 ist auf diese Oberfläche 33 ein photovoltaisch aktives Dünnschichtsystem 36 aufgebracht. Das Aufbringen des Dünnschichtsystems 36 kann z.B. mit bekannten CVD (Chemical Vapor Deposition) -Beschichtungsverfahren erfolgen. Das strukturierte Trägermaterial 31 bildet zusammen mit dem Dünnschichtsystem 36 die antireflektierende Solarzelle 3. Im Vergleich mit dem zuvor gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht das Dünnschichtsystem 36 dem Solarabsorber 1.
Die so aufgebaute antireflektierende Solarzelle 3 genießt im Hinblick auf die der Sonne zugewandte Oberfläche 32 die gleichen Vorteile wie die Antireflexionsfolie 2, also geringe Reflexionsverluste insbesondere im Tagesverlauf bei entsprechender Ausrichtung der antireflektierenden Solarzelle 3 und eine oberflächenreinigende Wirkung.
Ein zusätzlicher Vorteil der Strukturierung der Oberfläche 32, auf die das Dünnschichtsystem 36 aufgebracht ist, liegt in einer Flächenvergrößerung durch die sinusförmige Struktur der Oberfläche 32 gegenüber einer ebenen Solarzelle. Je nach Verhältnis von Periodenlänge zu Höhenvariation zwischen Wellental und Wellenzug kann diese Oberflächenvergrößerung einen Faktor von 2 -3 erreichen. Mit der Oberflächenvergrößerung geht eine höhere Effizienz einher, da eine flächenbezogene Stromdichte sinkt, was ohmsche Verluste im Material verringert.
Durch die vergrößerte Oberfläche ergibt sich zudem eine erhöhte Wärmeabstrahlung und bei größeren Periodenlängen der Strukturierung auch eine erhöhte Wärmeabgabe durch Konvektion. Durch eine verbesserte Wärmeabgabe sinkt die Betriebstemperatur der Solarzelle 3, was ihre Effizienz weiter erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Solarabsorber
2: Antireflexionsfolie
21: Trägermaterial
22, 23: Oberfläche
24: Wellental
25: Wellenzug
3: antireflektierende Solarzelle
31: Trägermaterial
32, 33: Oberfläche
34: Wellental
35: Wellenzug
36: Dünnschichtsystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011111629 B4 [0004]

Claims

Antireflexionsstruktur für einen Solarabsorber (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie auf einem Kunststoff als flächigem Trägermaterial (21, 31) ausgebildet ist, wobei mindestens eine Oberfläche (22, 23, 32, 33) in nur einer Raumrichtung periodisch strukturiert ist.
Antireflexionsstruktur für einen Solarabsorber (1) nach Anspruch 1, bei der beide Oberflächen (22, 23, 32, 33) strukturiert sind.
Antireflexionsstruktur für einen Solarabsorber (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Strukturierung des Trägermaterials (21, 31) an der mindestens einen Oberfläche (22, 23, 32, 33) in einem Prägeverfahren erfolgt.
Antireflexionsstruktur für einen Solarabsorber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Trägermaterial (21, 31) eine Kunststofffolie ist.
Antireflexionsstruktur für einen Solarabsorber (1) nach Anspruch 4, bei der die Kunststofffolie eine Dicke zwischen etwa 0,03 und 0,2 mm aufweist.
Antireflexionsstruktur für einen Solarabsorber (1) nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Kunststofffolie einseitig selbstklebend ist.
Antireflexionsstruktur für einen Solarabsorber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der eine Periodenlänge der periodischen Struktur im Bereich von einigen hundert Nanometern bis hin zu Mikrometern liegt.
Antireflexionsstruktur für einen Solarabsorber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der eine Höhenvariation der periodischen Struktur im Bereich von einigen hundert Nanometern bis hin zu Mikrometern liegt.
Antireflexionsstruktur für einen Solarabsorber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die periodischen Struktur sinusförmig ist.
Solarabsorber (1) mit einer Antireflexionsstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Antireflexionsstruktur gemäß einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.
Solarabsorber (1) nach Anspruch 10, bei der der Solarabsorber (1) integral mit der Antireflexionsstruktur ausgebildet ist.
Solarabsorber (1) nach Anspruch 11, bei der der Solarabsorber (1) durch ein photovoltaisch aktives Dünnschichtsystem (36) gebildet ist, das auf eine Oberfläche (32) des flächigen Trägermaterials (31) aufgebracht ist.
Solarabsorber (1) nach Anspruch 12, bei der die Oberfläche (32), auf die das photovoltaisch aktive Dünnschichtsystem (36) aufgebracht ist, strukturiert ist.