DE10259472B4 - Flexible Dünnschichtsolarzelle mit flexibler Schutzschicht - Google Patents
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Abstract
Flexible
Dünnschichtsolarzelle,
bestehend aus transparenter flexibler Schutzschicht (11)/TCO (10)/Pufferschicht
(9)/Absorberschicht (8) mit Chalkopyritstruktur/Metall-Elektrodenschicht
(7)/flexiblem Träger
(6) dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (11) durch Auspolymerisieren
von Kunststoffvorläuferkomponenten
in Form von Silanen, Acrylaten, Methacrylaten, Polychlortrifluorethylen
oder Maleinsäurederivaten
auf einer flexiblen transparenten Folie entstanden ist, welche direkt
auf die TCO-Schicht (10) aufgebracht ist, was durch Kleben oder
Laminieren bewirkt ist, wobei die Kunststoffvorläuferkomponenten UV- oder elektronenstrahlhärtbare Acrylate
oder Epoxid-Formulierungen enthalten, ferner hydrophobierende Mittel
sowie Methacrylate und Nanokomposite.
Description
- Die Erfindung betrifft eine flexible Dünnschichtsolarzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1. Eine derartige Dünnschichtsolarzelle ist beispiels weise aus der WO 01804964 A1 bekannt.
- Solarzellen sind seit längerem bekannt und werden zur Energiegewinnung aus Sonnenstrahlung eingesetzt. Neben den bekannten Solarzellen aus Silizium existieren Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von amorphem Silizium oder einer polykristallinen Halbleiterschicht mit Chalkopyritstruktur als Lichtabsorberschicht (Absorberschicht). Als polykristalline Absorberschicht werden hauptsächlich folgende Chalkopyrite verwendet: CuInSe2 (CIS), Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), Cu(In,Ga)(Se,S)2 (CIGSS) oder CuGaSe2 (CGS). Nachfolgend werden die genannten Chalkopyrite als CIS bezeichnet. Einer der Vorteile von Dünnschichtzellen mit polykristallinen Absorberschichten ist die Reduktion der Herstellungskosten.
- Bei der Herstellung von Dünnschichtsolarzellen mit CIS als Absorberschicht (CIS-Dünnschichtsolarzelle) werden vorwiegend starre Trägermaterialien, insbesondere Glas verwendet. Der Schichtaufbau einer solchen CIS-Dünnschichtsolarzelle kann die in
1 gezeigte Struktur haben: auf einem Substrat1 befindet sich die erste Metall-Elektrodenschicht (Me)2 , die etwa aus einem dünnen Molybdänfilm besteht; eine Absorberschicht3 mit Chalkopyritstruktur; eine Halbleiterschicht4 aus CdS (Pufferschicht) oder dergleichen; sowie eine zweite Elektrodenschicht5 (Vorderseite), die aus einer dünnen transparenten leitfähigen Schicht (TCO- transparent conductive oxide), etwa ITO (Indium/Zinn- Oxid) oder ZnO besteht. Die Verwendung von flexiblen Trägermaterialien erlaubt die Herstellung von flexiblen Dünnschichtsolarzellen, wie dies beispielhaft in WO 01/04964 A1 beschrieben ist. Neben der bereits erwähnten Verwendung verschiedener Chalkopyrite als Absorberschicht, werden auch verschiedene Halbleiter als Pufferschicht (siehe z.B. R. Bayon, C. Maffiotte, J. Herrero, „Study of CIGS/In(OH)xSy heterojunctions", Thin Solid Films 403-404 (2002), 339) untersucht. Als flexible Träger werden sowohl Metallfolien als auch temperaturbeständige Kunststofffolien verwendet. Die Kunststofffolien können zusätzlich auf der Rückseite mit einer metallischen Verstärkungsschicht versehen sein, wie dies beispielhaft inUS 6 274 805 B1 beschrieben ist. - Solarzellen oder die aus ihnen bestehenden Module werden zum großen Teil außerhalb von Räumen eingesetzt. Zum Schutz der Solarzellen vor Witterungseinflüssen (Schutz gegen Wasser und Sauerstoff) werden die Solarzellen verkapselt, was auf unterschiedliche Weise möglich ist. Neben der Transparenz für sichtbares Licht sind weitere Eigenschaften einer derartigen Schutzschicht nützlich, wie der Schutz gegen korrosive und abrasive äußere Einwirkungen.
- Übliche Schutzschichten für polykristalline Dünnschichtsolarzellen ebenso wie für Siliziumscheiben ist das Aufkleben oder Laminieren (Einkapselung) einer Glasscheibe oder eines transparenten Kunststoffes auf der Vorderseite (Lichteinfallseite) der Solarzellen. Zwischen der Deckplatte und der Solarzelle können zusätzlich noch transparente organische Materialien eingebracht werden.
- Bekannt sind weiterhin Solarmodule, die zum Schutz vor Witterungseinflüssen durch eine Schutzschicht abgedichtet sind.
DE 101 01 770 A1 beschreibt ein Solarmodul, auf deren Vorderseite eine Schutzschicht aus transparentem Polyurethan existiert. Als Solarzelle für dieses Solarmodul können sowohl scheibenförmige starre Siliziumsolarzellen oder starre Dünnschichtsolarzellen verwendet werden. Die Rückseite kann ebenso aus transparentem Polyurethan bestehen. Im Fall von Dünnschichtsolarzellen wird zusätzlich ein Träger aus Glas verwendet und die komplette Solarzelle in transparentes Polyurethan eingebettet. - In WO 00/02257 A1 wird die Laminierung von Solarzellenmodulen aus Siliziumsolarzellen vorgeschlagen. Dabei besteht mindestens eine Seite der Einkapselungsmaterialschicht aus einer Kombination von Siegelschicht (aus Ethylenvinylacetat), Barriereschicht und anorganischer Oxidschicht. Die Barriereschicht besteht aus einem Kunststoff-Folienverbund, vorzugsweise aus Polyethylenterephthalat.
- In der
DE 197 32 217 A1 wird eine Mehrfunktions-Einkapselungsschichtstruktur als Schutzschicht auf der Vorderseite einer starren Dünnschichtsolarzelle auf einem Glasträger beschrieben. Die Schichtstruktur kann entweder durch eine Gradientenschicht oder eine Folge übereinanderliegender Einzelschichten durch Plasmabeschichtung aufgebracht werden. Mindestens einer dieser Schichten beinhaltet eine Diffusionssperrschichtzone und eine elastische Schutzschichtzone. Letztere ist derart ausgebildet, dass auf ihr eine kratzfeste, relativ harte Oberflächenschicht zuverlässig haftend aufgebracht werden kann und sie gleichzeitig als elastischer Ausgleich zwischen den beiden Schichten dient. - Ein Schutz von Solarmodulen oder Solarzellen durch eine Verkapselung wird auch in der
DE 37 25 338 A1 vorgestellt. Hervorgehoben wird die Möglichkeit der Herstellung verkapselter Solarmodule, die Schutz gegen korrosive und abrasive äußere Einwirkungen erhalten, indem eine Schicht aus einer dielektrischen Siliziumverbindung wie Siliziumnitrid und die andere Schicht aus Kohlenstoff besteht, deren Dicke in der Summe < 15 μm ist. - Die Dünnschichtsolarzellen haben in ihrer starren Ausführung (Glas als Trägermaterial) ebenso wie in der flexiblen Ausführung den Nachteil, daß die dem Wetter ausgesetzte Seite durch Umwelteinflüsse auf Dauer leidet und die Effizienz der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mindert. Bei Verwendung von flexiblen Trägermaterialien, wie z. B. Polymeren oder dünnen Metallen, für Dünnschichtsolarzellen können ebenso starre Schichten (Glas) zum Schutz gegen Umwelteinflüsse verwendet werden. Diese Herangehensweise hat jedoch den Nachteil, dass die entscheidenden Vorteile (Flexibilität, geringes Gewicht) der flexiblen Dünnschichtsolarzelle verloren gehen.
- In
DE 199 21 515 A1 wird die Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle auf einer flexiblen metallischen Trägerfolie beschrieben. Dünnschichtsolarzellen mit wärmebeständigen Polymerfolien als Träger sind u.a. inDE 198 82 3666 T1 und in WO 01/04964 A1 vorgestellt. - Eine flexible Dünnschichtsolarzelle auf einem Polymerträger für Weltraumanwendungen ist weiterhin in
US 6 410 362 B1 beschrieben. Ein durchsichtiger Überzug, zum Beispiel transparentes Polyimid, ist direkt auf dieser Dünnschichtsolarzelle aufgebracht und bildet mit ihr eine flexible Dünnschichtsolarzelle. InEP 0 366 236 A2 wird eine einzelne flexible Polymerschicht unter Verwendung eines Klebers auf eine flexible Solarzelle aufgebracht, um die Solarzelle einzukapseln. In WO 01/67523 A1 wird eine Kombination aus Siegelschicht (Ethylenvinylacetat oder Polymethylmethacrylat)/Trägerschicht (Polyethylennaphthenat)/ anorganische Oxidschicht (SiOx oder Al2O3)/Witte rungsschutzschicht (Polyvinylchlorid) durch Kaschieren auf eine flexible Dünnschichtsolarzelle als Einkapselungsverbund vorgestellt. - Die bisher verwendeten flexiblen Schutzschichten sind entweder spröde, verwittern oder sind nicht genügend transparent. Weiterhin wirken sie nur unzureichend als Wasserdiffusionsbarriere. Eine praktikable Lösung für eine flexible Schutzschicht gegen Witterungseinflüsse, die sich zusätzlich kostengünstig aufbringen lässt und ein geringes Gewicht besitzt, ist noch nicht gefunden worden.
- Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine leistungsfähige flexible Dünnschichtsolarzelle vorzuschlagen, die durch ihren einfachen Aufbau preiswert herzustellen ist und die Anforderungen umfangreicher Verbraucherkreise erfüllen kann.
- Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Dünnschichtsolarzelle vorzuschlagen, die durch ihre Konstruktion flexibel ist und zugleich eine Leistungsminderung der Stromerzeugung durch die Einwirkung schädlicher Witterungseinflüsse (Wasser, Sauerstoff, Staub) verhindert.
- Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Dünnschichtsolarzelle wie folgt aufgebaut ist: TCO (
10 -Vorderseite)/CdS(9 -Pufferschicht)/CIS (8 )/Me (7 )/flexibler Träger (6 -Rückseite), wobei die TCO-Schicht der Vorderseite (Lichteinfallseite) erfindungsgemäß mit einer transparenten und flexiblen Schutzschicht (11 -Beschichtung) abgedeckt ist. Die Beschichtung besteht aus einer oder mehreren Schichten oder Folien, ist auf der Vorderseite befestigt durch Aufkleben, Laminieren, Kaschieren oder Lackieren und folgt ohne Haarrissbildung oder sonstigen Beschädigungen den Verformungen der auf dem flexiblen Träger aufgebrachten Dünnschichtsolarzelle. Die erfindungsgemäße Dünnschichtsolarzelle kann zusätzlich auf der Rückseite des flexiblen Trägers (6 ) eine dünne flexible Metall-Verstärkungsschicht aus z.B. Ti beinhalten. Die Metall-Elektrodenschicht (Me-7) kann sowohl aus einem Metall, z.B. Mo, als auch aus einer Kombination von zwei oder mehreren Metallschichten bzw. einer elektrisch leitenden Keramik (z.B. TiN) bestehen. Die Dünnschichtsolarzelle kann zusätzlich eine weitere Schicht zwischen der Metall-Elektrodenschicht (Me-7) und der CIS-Absorberschicht (8 ) enthalten. Vorzugsweise jedoch nicht notwendigerweise wird als zusätzliche Schicht Natriumfluorid oder Natri umselenid verwendet. Alternativ kann die CIS-Absorberschicht auch eine Natriumverbindung enthalten. - Die oder ein Teil der Beschichtung kann als eine vorgefertigte Bahn auf die Vorderseite der Dünnschichtsolarzelle aufgebracht werden.
- Ebenso kann ein Film auf der Vorderseite der Dünnschichtsolarzelle gebildet sein durch Auspolymerisieren von Mono- und Oligomeren (Kunststoffvorläuferkomponenten) zu transparenten Kunststoffen in geringer Schichtdicke. Diese Kunststoffe können weitere Komponenten wie anorganische Füller (z. B. Nanokomposite) zur Eigenschaftsverbesserung enthalten. Als Kunststoffvorläuferkomponente sind auch copolymerisierende Verbindungen aus Silanen, (Meth-)acrylaten und Maleinsäurederivaten oder Polychlortrifluorethylen möglich.
- Die Schutzschicht oder ein Teil davon kann ebenso durch UV- oder elektronenstrahlhärtbaren Acrylaten oder Epoxid-Formulierungen dargestellt werden. Desweiteren kann ein Teil der Beschichtung aus einer dünnen anorganischen Verbindung wie z.B. SiOx bestehen.
- Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil dieser Schutzschichten ist die Möglichkeit der Verbesserungen der Eigenschaften (Hydrophobierung, Kratzfestigkeit) durch eine gezielte Modifizierung der obersten Schutzschicht. Eine Möglichkeit der Hydrophobierung ist die Zugabe von Fluoralkylsilanen oder Siliconacrylaten zu den Kunstoffvorläuferkomponenten. Schrumpfungsprozesse der Schutzschicht-Oberfläche oder eine Oberflächenstrukturierung durch strukturierte Walzen ermöglicht ebenso eine Hydrophobierung der Oberfläche. Dies kann bis hin zu einer selbstreinigenden Oberfläche (Lotus-Effekt) getrieben werden. Durch eine Kombination aus (Meth-)acrylaten mit Nanokompositen sind weitere Oberflächeneigenschaften, wie z.B. Kratz- und Abriebfestigkeit, einstellbar.
-
- 1
- Substrat,
- 2
- Metall-Elektrodenschicht (Me),
- 3
- Absorberschicht CIS,
- 4
- Halbleiterschicht CdS,
- 5
- Elektrodenschicht (Vorderseite),
- 6
- flexibler Träger (Rückseite),
- 7
- Metall-Elektrodenschicht (Me),
- 8
- CIS,
- 9
- CdS (Pufferschicht),
- 10
- TCO (Vorderseite)
- 11
- Beschichtung (flexible Schutzschicht).
Claims (8)
- Flexible Dünnschichtsolarzelle, bestehend aus transparenter flexibler Schutzschicht (
11 )/TCO (10 )/Pufferschicht (9 )/Absorberschicht (8 ) mit Chalkopyritstruktur/Metall-Elektrodenschicht (7 )/flexiblem Träger (6 ) dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (11 ) durch Auspolymerisieren von Kunststoffvorläuferkomponenten in Form von Silanen, Acrylaten, Methacrylaten, Polychlortrifluorethylen oder Maleinsäurederivaten auf einer flexiblen transparenten Folie entstanden ist, welche direkt auf die TCO-Schicht (10 ) aufgebracht ist, was durch Kleben oder Laminieren bewirkt ist, wobei die Kunststoffvorläuferkomponenten UV- oder elektronenstrahlhärtbare Acrylate oder Epoxid-Formulierungen enthalten, ferner hydrophobierende Mittel sowie Methacrylate und Nanokomposite. - Flexible Dünnschichtsolarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (
11 ) aus mehreren Schichten aufgebaut ist, von denen mindestens eine SiOx und/oder AlxOy enthält. - Flexible Dünnschichtsolarzelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (
11 ) durch Schrumpfen oder Walzen oberflächenstrukturiert, durch den Lotuseffekt selbstreinigend und durch Nanokomposite kratz- und abriebfest ist. - Flexible Dünnschichtsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberschicht (
8 ) mit Chalcopyritstruktur aus CuInSe2, Cu(In,Ga)Se2, Cu(In,Ga)(Se,S)2 oder CuGaSe2 oder einem Gradienten aus einzelnen dieser Strukturen besteht. - Flexible Dünnschichtsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferschicht (
9 ) aus Cadmiumsulfid, Zinkselenid, Zinksulfid, ZnInxSey, Inx(S,OH)y, oder Zn(Se,OH) besteht. - Flexible Dünnschichtsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die TCO-Schicht (
10 ) aus ITO, ZnO, Zn(Mg)O, Inx(OH,S)y, Zn(Sex, Oy) oder leitfähigen Polymeren besteht. - Flexible Dünnschichtsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des flexiblen Trägers (
6 ) zusätzlich mit einer dünnen flexiblen Metall-Verstärkungsschicht versehen ist. - Flexible Dünnschichtsolarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Metall-Elektrodenschicht (
7 ) und der Absorberschicht (8 ) mit Chalcopyritstruktur eine zusätzliche Schicht aus Natriumfluorid oder Natriumselenid befindet oder eine Natriumverbindung in der Absorberschicht (8 ) mit Chalcopyritstruktur auftritt.
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