DE10329917B4

DE10329917B4 - Beschichtetes Abdeckglas für Photovoltaik-Module

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Publication number: DE10329917B4
Application number: DE10329917A
Authority: DE
Inventors: Lars Dr. Bewig; Karl-Heinz Dasecke; Siegfried Diesterbeck; Thomas Küpper; Angelika Dr. Ullmann; Bruno Prof. Dr. Vitt
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: DE10329917A1

Abstract

Beschichtetes Abdeckglas für Photovoltaik-Module, umfassend ein flaches, transparentes Substrat (2), auf das auf zumindest einer Seite eine Beschichtung aufgebracht ist, um einen Reflexionsgrad des transparenten Substrats (2) zu mindern, wobei die Beschichtung als Interferenzschichtsystem mit zumindest einer Einzelschicht M aus einem mittelbrechenden Material, zumindest einer Einzelschicht T aus einem hochbrechenden Material und zumindest einer Einzelschicht S aus einem niedrigbrechenden Material ausgebildet ist und wobei aufeinander folgende Einzelschichten unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindizes so aufeinander abgestimmt sind, dass ein Reflexionsgrad des beschichteten Abdeckglases (1) in einem Spektralbereich, in dem ein in dem Photovoltaik-Modul verwendetes Halbleitermaterial lichtempfindlich ist, im Vergleich zu unbeschichtetem Abdeckglas gemindert ist und außerhalb dieses Spektralbereichs im Vergleich zu unbeschichtetem Abdeckglas erhöht ist, wobei das Interferenzschichtsystem eine Schichtfolge von drei Einzelschichten mit dem Schichtaufbau Substrat/M/T/S oder S/T/M/Substrat/M/T/S aufweist, wobei die Einzelschicht M einen Brechungsindex im Bereich von 1,6 bis 1,8 aufweist, die Einzelschicht T einen Brechungsindex...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschichtetes Abdeckglas für Photovoltaik-Module, insbesondere eine Abdeckscheibe für Photovoltaik-Module, die Solarzellen aus einem monokristallinen oder polykristallinen Silizium, verwenden, aber auch Dünnschichtzellen, beispielsweise aus amorphem Silizium.

Solarzellen bestehen aus einem Halbleitermaterial, das unter Zufuhr von Licht elektrisch leitfähig wird, während es bei tiefen Temperaturen isolierend wirkt. Als Halbleitermaterial wird der einfachen Verfügbarkeit und der vorteilhaften Eigenschaften wegen überwiegend Silizium verwendet. Um für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche geeignete Spannungen bzw. Leistungen bereitstellen zu können, werden einzelne Solarzellen zu größeren Einheiten miteinander verschaltet. Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit einem Abdeckglas abgedeckt. Die Glasabdeckung dient insbesondere einem mechanischen Schutz und einem Schutz vor Umwelteinflüssen. Die typischen Nennleistungen solcher Photovoltaik-Module liegen zwischen 10 W_peak und 300 W_peak. Die Kenndaten beziehen sich auf die Standardtestbedingungen von 1000 W/m² Sonneneinstrahlung bei 25°C Zelltemperatur.

Beim Durchgang von Licht durch die Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes wird bekanntlich ein Teil der Strahlung reflektiert. So beträgt beim senkrechten Einfall von Licht auf eine Glasscheibe mit einem Brechungsindex von 1,5 der reflektierte Anteil beim Eintritt in das Glas etwa 4 %. Fällt das Licht schräg auf die Grenzfläche ein, wird in der Regel ein weitaus größerer Anteil reflektiert. Solche durch Reflexion bedingte Verluste verringern den Wirkungsgrad der Photovoltaik-Module.

Zur Verminderung der Reflexion sind Breitband-Beschichtungen vorgeschlagen worden, die den Reflexionsgrad der Glasabdeckung nicht nur im sichtbaren Spektralbereich, sondern auch im benachbarten ultravioletten und nahen infraroten Spektralbereich mindern. Mit den meisten Halbleitermaterialien kann jedoch Licht in diesen Spektralbereichen nicht, jedenfalls nicht wirtschaftlich, in einen Fotostrom umgewandelt werden. Einfallendes Licht in diesen Spektralbereichen führt somit überwiegend zu einer Erwärmung des Halbleitermaterials, was eine Verringerung des Wirkungsgrads zur Erzeugung von Solarstrom zur Folge hat.

Beschichtungen zur Reflexminderung werden überwiegend für Verglasungen, beispielsweise für Schaufenster und Bildverglasungen, vorgesehen. Zu diesem Zweck wird auf ein transparentes, scheibenförmiges Substrat eine Mehrzahl von Interferenzschichten aufgebracht, wobei die Brechungsindizes von aufeinander folgenden Einzelschichten unterschiedlich sind. Eine solche Beschichtung wird beispielsweise in DE 199 62 144 A1 offenbart.

DE 199 18 811 A1 offenbart eine Beschichtung für ein vorgespanntes Sicherheitsglas. Die Beschichtung ist aus einer porösen SiO₂ Antireflex-Schicht gebildet. Die Poren können im Langzeitbetrieb unter Außenbedingungen zu Problemen führen.

DE 27 01 284 A1 offenbart eine Silizium-Solarzelle mit einem Halbleitersubstrat, das von einem Abdeckglas abgedeckt ist. Auf das Halbleitersubstrat ist eine Antireflexbeschichtung zur Erhöhung der Sonnenlichtabsorption durch das Halbleitermaterial aufgebracht. Die Antireflexbeschichtung umfasst zwei dielektrische Einzelschichten. Zur sicheren Verbindung des Abdeckglases mit dem Halbleitersubstrat ist ein Bindemittel- bzw. Klebeschicht auf die Beschichtung aufgebracht. Die Brechungsindizes der dielektrischen Einzelschichten sind so gewählt, dass das einen hohen Brechungsindex aufweisende Silizium an das einen niedrigeren Brechungsindex aufweisende Bindemittel angepasst wird. Durch die Brechzahlanpassung wird eine Reflexion von Sonnenlicht an den Grenzflächen Abdeckglas-Klebemittelschicht und Klebemittelschicht- Antireflexbeschichtung gemindert.

US 6,107,564 A offenbart ein beschichtetes Abdeckglas für Photovoltaik-Module gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Dicke der dielektrischen Einzelschichten ist aber jeweils deutlich kleiner als 100nm gewählt. Eine gleichmäßige Beschichtung des Abdeckglases mit mehrere dielektrischen Einzelschichten von nur geringer Stärke ist jedoch vergleichsweise aufwändig und kostspielig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, in einfacher Weise ein beschichtetes Abdeckglas für Photovoltaik-Module bereitzustellen, mit dem der Wirkungsgrad von Photovoltaik-Modulen noch weiter erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein beschichtetes Abdeckglas mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Vorteilhafte weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein beschichtetes Abdeckglas für Photovoltaik-Module bereitgestellt, umfassend ein flaches, insbesondere scheibenförmiges, transparentes Substrat, auf das auf zumindest einer Seite eine Beschichtung aufgebracht ist, um einen Reflexionsgrad des transparenten Substrats zu mindern. Das beschichtete Abdeckglas zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Beschichtung als Interferenzschichtsystem mit zumindest drei Einzelschichten ausgebildet ist, wobei aufeinander folgende Einzelschichten unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, die so aufeinander abgestimmt sind, dass ein Reflexionsgrad des Abdeckglases in einem Spektralbereich, in dem ein in dem Photovoltaik-Modul verwendetes Halbleitermaterial lichtempfindlich ist, im Vergleich zu unbeschichtetem Abdeckglas gemindert ist und außerhalb dieses Spektralbereichs im Vergleich zu unbeschichtetem Abdeckglas erhöht ist.

Erfindungsgemäß wird die Reflexions- und Transmissionscharakteristik des Abdeckglases an die spektrale Empfindlichkeit des für das Photovoltaik-Modul verwendeten Halbleitermaterials angepasst. Erfindungsgemäß lässt das beschichtete Abdeckglas mehr Licht auf das Halbleitermaterial in dem Spektralbereich durch, wo das verwendete Halbleitermaterial lichtempfindlich ist, insbesondere einen signifikanten Fotostrom erzeugen kann. Somit kann der Wirkungsgrad eines Photovoltaik-Moduls zur Umwandlung von Solarlicht in Fotostrom vorteilhaft erhöht werden. Gleichzeitig wird die Intensität des auf das verwendete Halbleitermaterial einfallenden Sonnenlichts in den angrenzenden Spektralbereichen, wo das verwendete Halbleitermaterial nicht lichtempfindlich ist, insbesondere einen vernachlässigbaren Fotostrom erzeugt, aufgrund des größeren Reflexionsgrades in diesem Spektralbereich gemindert. Vorteilhaft ist, dass gleichzeitig eine Art Kühleffekt hervorgerufen wird, dass also das Halbleitermaterial im Vergleich zu dem Fall, dass ein Photovoltaik-Modul mit unbeschichtetem Abdeckglas verwendet wird, kühler gehalten werden kann. Weil der Wirkungsgrad zur Umwandlung von Sonnenlicht in Fotostrom temperaturabhängig ist und mit steigender Temperatur abnimmt, kann der Wirkungsgrad erfindungsgemäß in dem Spektralbereich, wo das verwendete Halbleitermaterial lichtempfindlich ist, erhöht werden kann.

Überraschenderweise kann zur Beschichtung des transparenten Substrats auf die Verwendung von dielektrischen Interferenzschichten zurückgegriffen werden. Erfindungsgemäß weisen aufeinander folgende dielektrische Interferenzschichten jeweils unterschiedliche Brechungsindizes, die so aufeinander abgestimmt sind, dass in Anpassung an das jeweils verwendete Halbleitermaterial, insbesondere an dessen spektrale Empfindlichkeit, die vorgenannten Effekte erzielt werden können. Vorteilhaft ist, dass der spektrale Reflexions- und Transmissionsgrad von Interferenzschichtsystemen bestehend aus einer Vielzahl von dielektrischen Einzelschichten im Prinzip unter Verwendung von geeigneten Algorithmen berechnet werden kann. Durch geeignete Wahl des jeweiligen Brechungsindexes und der jeweiligen Schichtdicke sowie der Anzahl von Einzelschichten kann der Reflexions- und Transmissionsgrad der Beschichtung in Anpassung an das jeweils verwendete Halbleitermaterial des Photovoltaik-Moduls geeignet angepasst werden.

Vorteilhaft ist ferner, dass zur Beschichtung von transparenten Substraten, insbesondere von Glas, mit dielektrischen Einzelschichten geeignete Beschichtungstechniken aus dem Stand der Technik bekannt sind. Insbesondere können witterungsbeständige und abriebfeste Beschichtungen in einfacher Weise gebildet werden. Somit kann auf kostengünstige Herstellungsverfahren zurückgegriffen werden, was zu einer Kostenersparnis bei der Herstellung von Photovoltaik-Modulen führt. Bei der Auslegung der Schichten und Materialien ist den Eigenschaften der zur Beschichtung verwendeten Materialien Rechnung zu tragen, was aufwändige Berechnungen und Versuchsreihen erfordert.

Bevorzugt sind die Brechungsindizes des Interferenzschichtsystems so aufeinander abgestimmt sind, dass eine Reflexions- und Transmissionscharakteristik des beschichteten Abdeckglases an die spektrale Empfindlichkeit von monokristallinem, polykristallinem oder amorphem Silizium angepasst ist. Vorteilhaft ist, dass somit der Wirkungsgrad der am häufigsten verwendeten Photovoltaik-Module noch weiter erhöht werden kann.

Bevorzugt ist der Reflexionsgrad des beschichteten Abdeckglases in dem Spektralbereich von etwa 450 nm bis etwa 1000 nm im Vergleich zu einem unbeschichteten Abdeckglas gemindert ist. In dem vorgenannten Spektralbereich zeigt monokristallines, polykristallines oder amorphes Silizium eine signifikante spektrale Empfindlichkeit zur Umwandlung von Sonnenlicht in Fotostrom.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der mittlere Reflexionsgrad des beschichteten Abdeckglases in dem Spektralbereich von etwa 450 nm bis etwa 1000 nm etwa 2,5 %. Erfindungsgemäß ist somit der Reflexionsgrad des beschichteten Abdeckglases in diesem Spektralbereich im Vergleich zu einem unbeschichteten Abdeckglas deutlich verringert. Dies führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads von Photovoltaik-Modulen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass auch geringste Verbesserungen des Wirkungsgrads von Photovoltaik-Modulen im angestrebten Langzeitbetrieb zu erheblichen Kosteneinsparungen führen werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der mittlere Transmissionsgrad des beschichteten Abdeckglases in dem Spektralbereich von etwa 450 nm bis etwa 1000 nm größer als etwa 95 %.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der mittlere Reflexionsgrad des beschichteten Abdeckglases in dem nahen infraroten Spektralbereich, der an den von dem Halbleitermaterial des Photovoltaik-Moduls genutzten Spektralbereich angrenzt, insbesondere im Bereich von etwa 1100 nm bis etwa 2500 nm größer als etwa 20 %. Vorteilhaft ist, dass eine weitere Erwärmung des Halbleitermaterials, die zu einer Verringerung des Wirkungsgrades führen würde, aufgrund einer erhöhten Reflexion von Strahlung im nahen infraroten Spektralbereich gemindert werden kann.

Bevorzugt ist die spektrale Reflexions- und Transmissionscharakteristik des beschichteten Abdeckglases abgestimmt auf die weitere Verarbeitung der Solarzellen zu einem Photovol taik-Modul. Bevorzugt erfolgt diese Abstimmung der spektralen Reflexions- und Transmissionscharakteristik so, dass der Reflexionsgrad des beschichteten Abdeckglases gemindert bzw. der entsprechende Transmissionsgrad erhöht ist, wenn das Abdeckglas Substrat auf Substrat oder Substrat auf Photovoltaik-Modul geklebt wird. Somit lassen sich die vorgenannten vorteilhaften Eigenschaften auch dann erzielen, wenn das beschichtete Abdeckglas unmittelbar auf ein weiteres transparentes Substrat, beispielsweise eine weitere Glasscheibe oder eine transparente Kunststoffscheibe, aufgebracht und mit dieser verbunden ist oder wenn das beschichtete Abdeckglas unmittelbar auf die Solarzellen aufgebracht und mit dieser verbunden ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Differenz aus Reflexionsgrad von unbeschichtetem Abdeckglas und Reflexionsgrad von beschichtetem Abdeckglas bei Einfallswinkeln im Bereich von etwa 50° bis etwa 70°, bevorzugter bei etwa 60°, ein Minimum auf. Vorteilhaft ist, dass so eine verbesserte Reflexionscharakteristik auch für nicht senkrecht einfallende Strahlung, also insbesondere für direkte Sonneneinstrahlung in den Morgenstunden oder Abendstunden, sowie für den größten Anteil der diffusen Strahlung erzielt werden kann. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads von Photovoltaik-Modulen. Vorteilhaft ist auch, dass die verbesserte Reflexion insbesondere bei größeren Einfallswinkeln zu einem insgesamt verbesserten ästhetischen Erscheinungsbild einer Photovoltaik-Anlage führt, bei der nicht nur bei senkrechter Ansicht, sondern insbesondere auch bei Betrachtung unter flachen Winkeln, die Modul-Flächen dunkler und damit weniger störend erscheinen. Dies führt zu Vorteilen, wenn die Photovoltaik-Module beispielsweise auf schrägen Dachflächen montiert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Interferenzschichtsystem eine Schichtfolge von drei Einzelschichten mit dem Schichtaufbau Substrat/M/T/S oder S/T/M/Substrat/M/T/S, wobei die Einzelschicht M einen Brechungsindex im Bereich von etwa 1,6 bis etwa 1,8 aufweist, die Einzelschicht T einen Brechungsindex im Bereich von etwa 2,0 bis etwa 2,3 aufweist und die Einzelschicht S einen Brechungsindex im Bereich von etwa 1,4 bis etwa 1,47 aufweist. Die Einzelschichten bestehen bevorzugt aus dielektrischen Materialien, insbesondere aus anorganischen Oxiden. Vorteilhaft ist, dass zur Beschichtung mit dielektrischen Materialien geeignete Beschichtungstechniken aus dem Stand der Technik verwendet werden können, sodass Beschichtungen erzielt werden können, die abriebfest sind und externen Umwelteinflüssen, beispielsweise Witterungseinflüssen, auch über längere Zeiten hinweg gut standhalten können.

Bevorzugt weist die Einzelschicht M eine Schichtdicke von etwa 70 nm bis etwa 110 nm auf, weist die Einzelschicht T eine Schichtdicke von etwa 120 nm bis etwa 160 nm auf und weist die Einzelschicht S eine Schichtdicke von etwa 90 nm bis etwa 120 nm auf.

Bevorzugt werden die vorgenannten Einzelschichten aus anorganischen Oxiden gebildet. Bevorzugt umfassen die vorgenannten Einzelschichten eine oder mehrere Materialien oder Mischungen aus der nachfolgenden Gruppe von anorganischen Oxiden: Titandioxid (TiO₂) oder Siliziumdioxid (SiO₂).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Einzelschicht aus einem hochbrechenden Material (T) aus Oxiden von Zirkon, Hafnium, Niob, Tantal und Cerium oder deren Mischungen gebildet und ist eine Einzelschicht aus einem mittelbrechenden Material (M) aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) gebildet.

Bevorzugt werden die Einzelschichten in Sol-Gel-Technologie mittels Tauchen, Spin-On, Ablaufen oder Kapillar-Technik aufgetragen. Die Einzelschichten können auch mittels Kathodenzerstäubung, insbesondere mittels DC-Magnetron-Sputtern mit nachgeschalteter Plasmaoxidation oder reaktivem Mittelfrequenz-Doppelmagnetron-Sputtern, oder mittels physikalischem Hochvakuum-Aufdampfen, auch ionen- oder plasmaunterstützt, oder durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), insbesondere auch plasmaunterstützt durch Mikrowellenanwendung (PICVD), oder durch Sprüh-Pyrolyse aufgebracht werden.

Bevorzugt ist das transparente Substrat aus einem eisenarmen Flachglas bzw. Floatglas oder einem Borosilikat-Hartglas gebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von Glas als transparentes Substrat beschränkt. Vielmehr kann das transparente Substrat auch aus einem transparenten Kunststoff, insbesondere aus Polycarbonat (PC) oder PMMA, gebildet sein.

Grundsätzlich ist das beschichtete Abdeckglas gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur bei Silizium-Solarzellen anwendbar sondern kann dieses auch bei Solarzellen, die mit Dünnschicht-Technologie hergestellt sind, angewendet werden. Insbesondere kann eine Dünnschichtzelle aus CuInSe₂ (CIS) oder auch CdS/CdTe auf einer Seite des beschichteten Abdeckglases abgeschieden werden.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, woraus sich weitere Vorteile, Merkmale und zu lösende Aufgaben ergeben werden. Es zeigen:
1 eine normierte spektrale Empfindlichkeit einer Referenz-Solarzelle aus polykristallinem Silizium;
2a die spektrale Transmissionscharakteristik eines beschichteten Abdeckglases gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung für Silizium-Solarzellen;
2b die spektrale Reflexionscharakteristik eines beschichteten Abdeckglases gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung für Silizium-Solarzellen;
3a einen Querschnitt durch ein beschichtetes Abdeckglas gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
3b einen Querschnitt durch ein beschichtetes Abdeckglas gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder im Wesentlichen gleich wirkende Funktionsgruppen.
Die 3a zeigt in einem schematischen Querschnitt ein beschichtetes Abdeckglas 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das beschichtete Abdeckglas 1 umfasst ein transparentes Substrat 2, auf dem ein Interferenzschichtsystem mit insgesamt drei Einzelschichten M, T und S ausgebildet ist. Die Einzelschichten bestehen aus dielektrischen, anorganischen Materialien, deren Brechungsindizes so abgestimmt sind, dass die Brechungsindizes aufeinander folgender Schichten jeweils unterschiedlich sind. Erfindungsgemäß umfasst das Interferenzschichtsystem zumindest drei Einzelschichten, ganz besonders bevorzugt drei, vier oder fünf Einzelschichten. Wie in der 3b gezeigt, kann auch auf der Rückseite des transparenten Substrats 2 ein Interferenzschichtsystem ausgebildet sein, das identisch zu dem auf der Vorderseite ausgebildeten Interferenzschichtsystem ist oder verschieden zu diesem sein kann.
Das transparente Substrat 2 ist aus einem eisenarmen Flachglas bzw. Floatglas gebildet, das zunächst bei Temperaturen von etwa 440°C bis etwa 500°C während längerer Zeit ausgeheizt wird, sodass keine mechanischen Spannungen in dem Glas verbleiben, und das dann auf etwa 700°C hoch geheizt und anschließend abgeschreckt wird, um vorgespannt zu werden. In dem vorgespannten Zustand wird das transparente Substrat 2, wie nachfolgend beschrieben, beschichtet. Gemäß einer weiteren Ausführngsform werden zunächst die Einzelschichten, wie nachfolgend beschrieben, aufgebracht und wird dann das Glassubstrat durch thermisches Abschrecken vorgespannt.
Das unbeschichtete, eisenarme Flachglas bzw. Floatglas weist eine Dicke von etwa 3 bis 10 mm auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das transparente Substrat 2 auch aus einem transparenten Kunststoff, insbesondere aus Polycarbonat (PC) oder PMMA, gefertigt sein.
Das beschichtete Abdeckglas 1 wird als flache, scheibenförmige, insbesondere plane, Abdeckscheibe für Photovoltaik-Module verwendet. Zu diesem Zweck wird das beschichtete Abdeckglas 1 mit einer Solarzelle verbunden, beispielsweise mittels einer EVA-Polymerfolie, wobei rückseitig ebenfalls ein vorgespanntes Flachglas bzw. Floatglas oder eine Kunststofffolie, beispielsweise eine Teflon-Folie, auflaminiert wird.
Die Schichten M, T, S bestehen aus anorganischen Mischoxiden, und werden bevorzugt mittels Sol-Gel-Tauchprozeß aufgetragen. Die Brechzahlen und Schichtdicken nach dem Vorspannen werden je nach den Details der Prozessführung folgendermaßen angepasst, um Reflexions- und Transmissionseigenschaften gemäß der 2 zu gewährleisten: Die mittelbrechende Schicht M weist einen Brechungsindex n von etwa 1,6 bis etwa 1,8 und eine Schichtdicke d von etwa 70 bis etwa 110 nm auf, die hochbrechende Schicht T weist einen Brechungsindex von etwa 2,0 bis etwa 2,3 und eine Schichtdicke von etwa 120 bis etwa 160 nm und die niedrig brechende Schicht S weist einen Brechungsindex von etwa 1,40 bis etwa 1,47 und eine Schichtdicke von etwa 90 bis etwa 120 nm auf.
Nachfolgend wird ein Beispiel für die Herstellung des beschichteten Abdeckglases gemäß der 3 beschrieben werden.
Beispiel 1
Es wird ein beschichtetes Abdeckglas 1 mit selektiver Entspiegelung auf einem eisenarmen Weichglas mit einer Dicke von 3,0 mm mithilfe eines Tauchverfahrens (Sol-Gel-Prozess) beidseitig hergestellt, mit der Maßgabe einer Anpassung der Reflexions- und Transmissionseigenschaften des Abdeckglases 1 an ein Silizium-Halbleitermaterial, das als Solarzelle in einem Photovoltaik-Modul verwendet wird. Das Silizium kann monokristallin oder polykristallin sein.
Die Beschichtung auf beiden Seiten besteht aus jeweils drei Einzelschichten und besitzt die Struktur: Substrat + M + T + S. Die mit T gekennzeichnete Einzelschicht enthält Titandioxid TiO₂, die mit S gekennzeichnete Einzelschicht enthält Siliziumdioxid SiO₂ und die mit M gekennzeichnete Einzelschicht wird jeweils aus S- und T-Mischlösungen gezogen.
Das Floatglassubstrat wird vor der Beschichtung sorgfältig gereinigt. Die Tauchlösungen werden jeweils in auf 28°C klimatisierten Räumen bei einer Luftfeuchtigkeit von 7 bis 12 g/m³ aufgetragen, die Ziehgeschwindigkeiten betragen dabei für die Einzelschichten M/T/S: 345/206/498 mm/min.
Auf das Ziehen einer jeden Gel-Schicht folgt ein Ausheizprozess an Luft. Die Ausheiztemperaturen und Ausheizzeiten betragen 180°C/20 min nach Herstellung der ersten Gel-Schicht sowie 440°C/30 min nach der Herstellung der zweiten und dritten Gel-Schicht.
Im Falle der T-Schichten setzt sich die Tauchlösung (pro Liter) zusammen aus: 68 ml Titann-Butylat, 918 ml Ethanol (abs.), 5 ml Acetylaceton und 9 ml Ethyl-Butylacetat.
Die Tauchlösung zur Herstellung der S-Schicht enthält: 125 ml Kieselsäuremethylester, 400 ml Ethanol (abs.), 75 ml H₂O (dest.), 7,5 ml Essigsäure und wird nach einer Ruhezeit von zirka zwölf Stunden mit 393 ml Ethanol (abs.) verdünnt.
Die Beschichtungslösungen zur Herstellung der Oxide mit mittlerem Brechungsindex werden durch Mischung der S- und T-Lösungen präpariert. Die mit M gekennzeichnete Schicht in Beispiel 1 wird aus einer Tauchlösung mit einem Siliziumdioxid-Gehalt von 5,5 g/l und einem Titandioxid-Gehalt von 2,8 g/l gezogen.
Der in Beispiel 1 angewandte nasschemische Sol-Gel-Prozess erlaubt als Tauchverfahren die wirtschaftliche Beschichtung großer Flächen, wobei die Möglichkeit der beidseitigen Beschichtung in einem Arbeitsgang und der Realisierung von Mischoxiden mit dem jeweiligen gewünschten Brechungsindex von großem Vorteil ist.
Alternative Beschichtungsverfahren sind: Kathodenzerstäubung, insbesondere mittels DC-Magnetron-Sputtern mit nachgeschalteter Plasmaoxidation, oder reaktivem Mittelfrequenz-Doppelmagnetron-Sputtern, physikalisches Hochvakuum-Aufdampfen, auch ionen- oder plasmaunterstützt, oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD), insbesondere auch plasmaunterstützt durch Mikrowellenanwendung (PICVD), oder Sprüh-Pyrolyse.
Die 2a zeigt die spektrale Transmissionscharakteristik eines zweiseitig beschichteten Abdeckglases gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung für Silizium-Solarzellen. Die Kurve 4 zeigt die spektrale Transmission eines eisenarmen Floatglas-Substrats Typ Optiwhite (Pilkington), das nicht beschichtet ist. Wie dargestellt, ist die Transmission in den dargestellten Spektralbereichen nahezu konstant und beträgt etwa 90 % bei senkrechtem Strahlungseinfall. Die Kurve 6 zeigt die spektrale Transmission eines eisenarmen, nicht vorgespannten Floatglases Typ Optiwhite (Pilkington), das gemäß dem Beispiel 1 beschichtet wurde. Die Kurve 5 zeigt die spektrale Transmission eines eisenarmen, vorgespannten Floatglases Typ Optiwhite (Pilkington), das gemäß dem Beispiel 1 beschichtet wurde.
Wie der 2a entnommen werden kann, ist die Transmission des beschichteten Abdeckglases bis hinab zu Wellenlängen von etwa 450 nm kleiner als die Transmission eines unbeschichteten Abdeckglases und ist die Transmission des beschichteten Abdeckglases bei Wellenlängen oberhalb von etwa 450 nm größer als die Transmission eines unbeschichteten Abdeckglases.
Die 2b zeigt die entsprechende spektrale Reflexionscharakteristik des zweiseitig beschichteten Abdeckglases gemäß der 2a. Das Bezugszeichen 7 stellt die Reflexion eines eisenarmen, nicht beschichteten Floatglases Typ Optiwhite (Pilkington) bei senkrechtem Strahlungseinfall dar, die etwa 8 bis 9 % beträgt. Die Kurve 8 zeigt die spektrale Reflexion eines eisenarmen, vorgespannten Floatglases Typ Optiwhite (Pilkington), die Kurve 9 zeigt die spektrale Reflexion eines eisenarmen, nicht vorgespannten Floatglases Typ Optiwhite (Pilkington).
Wie der 2b entnommen werden kann, ist die Reflexion des beschichteten Abdeckglases bei Wellenlängen unterhalb von etwa 450 nm größer als die Reflexion eines unbeschichteten Abdeckglases und ist die Reflexion des beschichteten Abdeckglases bei Wellenlängen oberhalb von etwa 450 nm kleiner als die Reflexion eines unbeschichteten Abdeckglases. Wie den 2a und 2b entnommen werden kann, beträgt der mittlere Reflexionsgrad in dem Spektralbereich von etwa 450 nm bis etwa 1000 nm etwa 2,5 % und ist der mittlere Transmissionsgrad in dem Spektralbereich von etwa 450 nm bis etwa 1000 nm größer als etwa 95 %.
Wie in der 2b gezeigt, nimmt der Reflexionsgrad bei Wellenlängen unterhalb von etwa 450 nm stark zu. Wenngleich in der 2b nicht dargestellt, nimmt der Reflexionsgrad bei Wellenlängen oberhalb von etwa 1100 nm in etwa linear zu und erreicht ein Maximum von etwa 30 % bei einer Wellenlänge von etwa 1500 nm. Dies führt in dem nahen infraroten Spektralbereich zu einem signifikanten Kühleffekt im Vergleich zu Photovoltaik-Modulen mit unbeschichtetem Abdeckglas, weil Wärmestrahlung in diesem Wellenlängenbereich stärker reflektiert wird, sodass das Halbleitermaterial der Solarzelle relativ kühl gehalten werden kann. Dies führt zu einer Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrads. Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dass der Wirkungsgrad einer Silizium-Solarzelle bei Temperaturerhöhung mit etwa 0,04 %/K abnimmt, wobei die Prozentangabe auf Absolut-Prozent bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Solarzelle von etwa 14 % abgestimmt ist.
Wie Messungen ergeben haben, beträgt der Reflexionsgrad im Wellenlängenbereich von etwa 1100 nm bis etwa 2500 nm bis zu 30 % und beträgt der Reflexionsgrad im sichtbaren Wellenlängenbereich etwa 1 % (solare Reflexion < 2,5 %, solare Transmission > 95 % ). Gleichzeitig beträgt der mittlere thermische Reflexionsgrad im photovoltaisch nicht nutzbaren Wellenlängenbereich von etwa 300 nm bis etwa 400 nm sowie von etwa 1100 nm bis etwa 2500 nm mehr als etwa 20% und ist ferner der visuelle Reflexionsgrad kleiner oder gleich etwa 1,0%, wobei diese Werte auch für einseitig beschichtete Abdeckscheiben gelten, wenn diese angepasst Glas auf Glas verklebt sind. Auch das ästhetische Erscheinungsbild von Photovoltaik-Modulen ist verbessert, weil die blaue Farbe der Restreflexion mit der Farbe von Solarzellen, insbesondere von Silizium-Solarzellen, harmonisiert.
Auch die erhöhte Reflexion bei Wellenlängen unterhalb von etwa 450 nm trägt zu dem vorgenannten Kühleffekt bei. Die erhöhte Reflexion im ultravioletten Spektralbereich erhöht die Langzeitstabilität von Photovoltaik-Modulen, bei denen vorderseitig eine Kunststoff-Verbundfolie auflaminiert ist.
Beschichtete Abdeckgläser gemäß dem Beispiel 1 wurden wie folgt bewertet: Eine Standard-Silizium-Solarzelle wurde unter Laborbedingungen mit Xenon-Licht getestet. Die verwendete Silizium-Solarzelle hatte eine normierte spektrale Empfindlichkeit, wie sie in der 1 dargestellt ist. Die Normierung gemäß der 1 erfolgte unter Gewichtung mit der für mitteleuropäische Einstrahlungs-Verhältnisse sinnvollen spektralen Verteilung „AM1,5", wie in dem Buch „Sonnenenergie: Photovoltaik" von Goethberger, Voß, Knobloch, Teubner Verlag 1997 beschrieben. Die normierte spektrale Empfindlichkeit berücksichtigt somit die tatsächlichen Witterungs- und Umwelteinflüsse, was den gezackten Kurvenverlauf bedingt.
Wie in der 1 dargestellt, ist die normierte spektrale Empfindlichkeit einer Standard-Silizium-Solarzelle in dem Wellenlängenbereich zwischen etwa 300 nm und etwa 1100 nm signifikant, insbesondere wird in diesem Wellenlängenbereich ein signifikanter Fotostrom erzeugt, wobei zu berücksichtigen ist, dass der Ultraviolett-Anteil von Sonnenlicht für die Erzeugung von Fotostrom vernachlässigbar ist.
Wie der 1 entnommen werden kann, ist die spektrale Empfindlichkeit der verwendeten Standard-Silizium-Solarzelle, aber auch von Solarzellen aus anderen Halbleitermaterialien, vergleichsweise breitbandig, was eine Anpassung von Interferenzschichtsystemen mit gängigen Materialien und Verfahren sehr schwierig macht.
Bei gekühlter Solarzelle ergab sich ein Wirkungsgradvorteil gegenüber unbeschichtetem Abdeckglas von etwa 1,0% für einseitig beschichtetes Abdeckglas sowie von etwa 1,3% für beidseitig beschichtetes Abdeckglas, wobei die Prozentangaben Absolut-Prozente sind, sodass die vorgenannte Erhöhung einer Erhöhung des tatsächlichen Wirkungsgrads von etwa 14 % auf etwa 15 % ergibt.
Für drei Testmodule mit sogenannten OECO-Hochleistungs-Solarzellen wurde für die einseitige Beschichtung sogar ein Wirkungsgradvorteil von ca. 2 % (absolut) unter Labor-Bedingungen nachgewiesen und eine „sehr gute Wirksamkeit Ihrer Antireflex-Beschichtungen in Solarmodulen" attestiert.
Als visuell optisch noch günstiger erweist sich überraschenderweise die Anwendung von zweiseitig erfindungsgemäß beschichtetem Glas direkt auf der Solarzelle (ohne Zwischenfolie), was wiederum durch spektralphotometrische Messungen für das System Solarzelle / beidseitig beschichtetes Glas auch für die nicht sichtbaren Wellenlängenbereiche bestätigt wird.
Berücksichtigt man, dass im Freilandtest unter realen Außenbedingungen der erfindungsgemäße Kühleffekt nochmals ca. 0,2 % (abs.) beiträgt, sowie die verbesserte Optik für schrägen Lichteinfall nochmals einige zehntel % beiträgt, so sind im realen Betrieb für die einseitige Beschichtung Wirkungsgrad-Vorteile für gängige Zellen von etwa 1,5% (abs.), sowie für die beidseitige Beschichtung bis zu etwa 2,0 % zu erwarten, was die Wirtschaftlichkeit der photovoltaischen Solarenergienutzung nachhaltig verbessert.
Folgende Lebensdauer- und Anwendungstests hinsichtlich Anwendung in Innenräumen wurden mit dem gemäß Beispiel 1 hergestellten beschichtetem Abdeckglas durchgeführt: Boiltest (DIN 51 165), Kondenswasser-Konstantklima (DIN 50 017), Salzsprühnebel-Prüfung (DIN 50 021), Cass-Test (Kupferchlorid + Essigsäure + NaCl); sowie hinsichtlich Außenwendung: Kondenswasserbeständigkeitsprüfung, Säurebeständigkeitsprüfung, Abriebfestigkeitsprüfung (jeweils Anforderungsklasse A).
Die erfindungsgemäß beschichteten Abdeckgläser widerstanden den hier aufgeführten Tests und können somit sowohl in Innenräumen als auch im Außenbereich angewandt werden.
Bei nicht senkrechtem Einfall ist der Reflexionsgrad vorteilhaft gemindert. Bekanntermaßen zeigt der durch die Fresnel-Formeln vorgegebene Reflexionsgrad eine Abhängigkeit von dem Einfallswinkel. Insbesondere kann ein Minimum der Differenz aus Reflexionsgrad von unbeschichtetem Abdeckglas und Reflexionsgrad von beschichtetem Abdeckglas im Bereich von etwa 50° bis etwa 70°, insbesondere bei etwa 60°, beobachtet werden. Auf schräge Dachflächen montierte Photovoltaik-Module mit einem erfindungsgemäß beschichteten Abdeckglas erscheinen somit dunkler als herkömmliche Photovoltaik-Module.
Während vorstehend die Verwendung von Silizium für Photovoltaik-Module beschrieben wurde, ist die erfindungsgemäße Anpassung der Reflexions- und Transmissionseigenschaften des beschichteten Abdeckglases an die spektrale Empfindlichkeit des für das Photovoltaik-Modul verwendeten Halbleitermaterials selbstverständlich nicht auf Silizium beschränkt. Vielmehr wird der Fachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres erkennen, dass auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden können, beispielsweise amorphes Silizium, aber auch CuInSe₂ (CIS) oder auch CdS/CdTe.

1: Beschichtetes Abdeckglas
2: Transparentes Substrat
3: Referenzkurve
4: Referenz-Transmissionskurve von unbeschichtetem Glas
5: Transmissionskurve von vorgespanntem Flachglas
6: Transmissionskurve von nicht vorgespanntem Flachglas
7: Referenz-Reflexionskurve von unbeschichtetem Glas
8: Reflexionskurve von vorgespanntem Flachglas
9: Reflexionskurve von nicht vorgespanntem Flachglas

Claims

Beschichtetes Abdeckglas für Photovoltaik-Module, umfassend ein flaches, transparentes Substrat (2), auf das auf zumindest einer Seite eine Beschichtung aufgebracht ist, um einen Reflexionsgrad des transparenten Substrats (2) zu mindern, wobei die Beschichtung als Interferenzschichtsystem mit zumindest einer Einzelschicht M aus einem mittelbrechenden Material, zumindest einer Einzelschicht T aus einem hochbrechenden Material und zumindest einer Einzelschicht S aus einem niedrigbrechenden Material ausgebildet ist und wobei aufeinander folgende Einzelschichten unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindizes so aufeinander abgestimmt sind, dass ein Reflexionsgrad des beschichteten Abdeckglases (1) in einem Spektralbereich, in dem ein in dem Photovoltaik-Modul verwendetes Halbleitermaterial lichtempfindlich ist, im Vergleich zu unbeschichtetem Abdeckglas gemindert ist und außerhalb dieses Spektralbereichs im Vergleich zu unbeschichtetem Abdeckglas erhöht ist, wobei das Interferenzschichtsystem eine Schichtfolge von drei Einzelschichten mit dem Schichtaufbau Substrat/M/T/S oder S/T/M/Substrat/M/T/S aufweist, wobei die Einzelschicht M einen Brechungsindex im Bereich von 1,6 bis 1,8 aufweist, die Einzelschicht T einen Brechungsindex im Bereich von 2,0 bis 2,3 aufweist und die Einzelschicht S einen Brechungsindex im Bereich von 1,4 bis 1,47 aufweist.
Abdeckglas nach Anspruch 1, wobei die Einzelschicht T eine Schichtdicke von 120 nm bis 160 nm aufweist.
Abdeckglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Brechungsindizes der Einzelschichten so aufeinander abgestimmt sind, dass eine Reflexions- und Transmissionscharakteristik des beschichteten Abdeckglases (1) an die spektrale Empfindlichkeit von monokristallinem, polykristallinem oder amorphem Silizium angepasst ist.
Abdeckglas nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Reflexionsgrad in dem Spektralbereich von 450 nm bis 1000 nm im Vergleich zu einem unbeschichteten Abdeckglas gemindert ist.
Abdeckglas nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der mittlere Reflexionsgrad in dem Spektralbereich von 450 nm bis 1000 nm etwa 2,5 % beträgt.
Abdeckglas nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem der mittlere Transmissionsgrad in dem Spektralbereich von 450 nm bis 1000 nm größer als 95 % ist.
Abdeckglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der mittlere Reflexionsgrad in dem Spektralbereich von 1100 nm bis 2500 nm größer als 20 % ist.
Abdeckglas nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem der Reflexionsgrad gemindert oder der Transmissionsgrad erhöht ist, wenn das beschichtete Abdeckglas (1) auf das Photovoltaik-Modul geklebt ist.
Abdeckglas nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Einzelschicht M eine Schichtdicke von 70 nm bis 110 nm aufweist und die Einzelschicht S eine Schichtdicke von 90 nm bis 120 nm aufweist.
Abdeckglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einzelschichten M, T und S aus anorganischen Oxiden gebildet sind.
Abdeckglas nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Einzelschichten M, T und 5 eine oder mehrere Materialien oder Mischungen aus der nachfolgenden Gruppe von anorganischen Oxiden umfassen: Titandioxid oder Siliziumdioxid.
Abdeckglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einzelschicht T aus dem hochbrechenden Material aus Oxiden von Zirkon, Hafnium, Niob, Tantal, Cerium oder deren Mischungen gebildet ist und bei dem die Einzelschicht M aus dem mittelbrechenden Material aus Aluminiumoxid gebildet ist.
Abdeckglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einzelschichten M, T und S in Sol-Gel-Technologie mittels Tauchen, Spin-On, Ablaufen oder Kapillar-Technik aufgetragen sind.
Abdeckglas nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Einzelschichten M, T und S mittels Kathodenzerstäubung, mittels DC-Magnetron-Sputtern mit nachgeschalteter Plasmaoxidation oder reaktivem Mittelfrequenz-Doppelmagnetron-Sputtern, oder mittels physikalischem Hochvakuum-Aufdampfen, auch ionen- oder plasmaunterstützt oder durch chemische Gasphasenabscheidung, CVD, auch plasmaunterstützt durch Mikrowellenanwendung oder durch Sprüh-Pyrolyse aufgebracht sind.
Abdeckglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das transparente Substrat (2) aus einem eisenarmen Flachglas oder einem Borosilikat-Hartglas gebildet ist.
Abdeckglas nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das transparente Substrat (2) durch thermisches Abschrecken vorgespannt ist.
Abdeckglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das transparente Substrat (2) aus einem Kunststoff gebildet ist.
Abdeckglas nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Substrat (2) aus Polycarbonat oder PMMA gebildet ist.
Abdeckglas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf das transparente Substrat (2) eine Dünnschichtzelle abgeschieden ist.
Abdeckglas nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Dünnschichtzelle aus CuInSe₂, CdS/CdTe oder amorphem Silizium gebildet ist.