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Die Erfindung betrifft Solarmodule zur Erzeugung elektrischer Energie aus Solarstrahlung und ihre Anwendungen. Solarmodule bestehen aus Solarzellen, die durch Solarstrahlung effizient elektrischen Strom erzeugen. Dabei sind die Solarzellen so dicht auf den Solarmodulen angeordnet, dass die Modulflächen vollkommen abgedeckt sind und auf diese Weise eine maximale elektrische Leistung erzeugt werden kann. Semitransparente bzw. teiltransparente Solarmodule zur Überdachung von Wintergärten, als Vordächer, als Oberlichter oder auf Carports sorgen dafür, dass einerseits elektrische Solarenergie erzeugt wird und andererseits die unter den Solarmodulen liegenden Räume verschattet und mit ausreichend Licht versorgt werden. Bei der Herstellung von semitransparenten Solarmodulen werden bei der Parkettierung der Solarzellen auf den Glassubstraten Zellenabstände um die Zelle herum, z.B. von 5mm bis 50mm zugelassen, so daß durch die von den Solarzellen freien Flächen auf den Glassubstraten Licht in die darunter liegenden Räume eindringen kann Je nach Größe der Zellenabstände können sinnvolle Lichttransmissionen von 10 % bis 60 % eingestellt werden. Es ist auch eine streifenförmige Anordnung der Solarzellen auf den Glassubstraten möglich (www.ertex-solar.at, www.solarcarporte.de, htts://de.gridparityag.com, https://www.solarwende-berlin.de,
DE 202011107554U1 ). Semitransparente Solarmodule erlauben auch auf landwirtschaftlichen Flächen und auf Gewächshäusern die Erzeugung von Solarstrom und gleichzeitig das Wachstum von Früchten unter den Modulen (
WO2002005352A3 ,
US20090277500A1 ,
DE102020118210A1 ). Die durch die Module bewirkte Verschattung schont die Böden und schützt sie vor Austrocknung. Dünnschicht-Solarmodule auf Basis von Cadmium- Tellurid- und organischen Solarzellen dienen ebenfalls als semitransparente Solarmodule. Dabei sind die Solarzellen selbst zum Teil lichtdurchlässig mit einem relativ niedrigem Wirkungsgrad von ca. 10%. Bei einer Transparenz von 10% ist mit Leistungseinbußen von bis zu 14 % zu rechnen (www.sanko-solar.de, https://solarenergie.de). Semitransparente Dünnschicht-Solarmodule, bei denen sich aktive nicht transparente Solarzellen mit von Solarzellen freien Flächen abwechseln, werden besonders an Fassaden eingesetzt (
EP 3039718A1 ). Farbstoffsensibilisierte Dünnschicht-Module verwendet man in Gewächshäusern zum Betrieb von Temperatur-und Feuchtigkeitssensoren. Bei einer Transparenz von 35% weisen sie einen Wirkungsgrad von ca. 3,8% auf (https://doi.org/10.3390/de14196393). Semitransparente Dünnschichtmodule mit einer Zellenbelegung von 10 bis 100% auf Basis von organischen und anorganischen nanostrukturiert solaraktiven Komposit-Materialien werden in Gewächshäusern verwendet, wobei die notwendige photosynthetisch aktive sichtbare Strahlung und die von den Modulen erzeugte elektrische Leistung optimiert werden. Die erzeugte elektrische Leistung wird bei der Klimatisierung der Gewächshäuser und zum Betrieb von Hydrokulturen eingesetzt (https://www.britesolar.com). Dünnschicht-Solarmodule mit organischen Polymeren sind teiltransparent und versorgen Gewächshäuser mit Licht und erzeugen elektrischen Strom mit einem Wirkungsgrad von ca. 7 % (https://www.polysolar.co.uk). Semitransparente Dünnschichtmodule als Fenster und für Fassaden haben eine hohe Transparerenz für sichtbares Licht und nutzen infrarotes und ultraviolletes Licht zur Erzeugung von Solarstrom. Sie sind als Solarverglasung für Gebäude vorgesehen und haben einen Wirkungsgrad von ca. 10 % (https://ubiqitous.energy, http://www.solar-constructions.com ,
EP 2254153A1 ,
US 7795067B1 ).
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Die aufgeführten technischen Lösungen zum Stand der Technik sind mit einer Reihe von Nachteilen behaftet. Im Falle von effizienten semitransparenten Silizium-Solarmodulen, bei denen sich auf den Modulen Solarzellen und freie Flächen abwechseln, besteht das grundsätzliche Problem darin, je mehr Licht unter den Solarmodulen benötigt wird, desto weniger Solarzellen können auf den Modulen angebracht werden. Damit ist eine Gegenläufigkeit von Lichttransmission und Stromertrag gegeben. Wenn z.B. aus Gründen einer erforderlichen hohen Lichttransmission unter den Solarmodulen die Module mit einem Drittel weniger Solarzellen belegt werden, verringert sich auch der Ertrag der erreichbaren elektrischen Solarenergie um mindestens ein Drittel. Bei den semitransparenten Solarmodulen mit wechselnder Belegung Solarzelle/Freifläche kommt es zu einer ungleichmäßigen Lichtverteilung unter den Modulen, weil unter den Solarzellen kein direktes Licht hinkommen kann. Die resultierende Ungleichmäßigkeit in der Lichtverteilung unter den Modulen ist insbesondere dann von Nachteil, wenn eine nahezu gleichmäßige Lichtverteilung , z.B. bei gärtnerischen und landwirtschaftlichen Anwendungen geboten ist. Dünnschicht-Solarmodule weisen zwar eine relativ hohe und gleichmäßig verteilte Transmission auf, ihr Wirkungsgrad liegt aber meist unter 10 %. Damit wird bei ihrem Einsatz zu wenig elektrische Energie erzeugt, so dass der Investitionsaufwand bei ihrer Anwendung oft nicht gerechtfertigt ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gestellt, semitransparente Solarmodule mit der notwendigen hohen Transparenz und gleichmäßigen Ausleuchtung der unter den Modulen befindlichen Räume bei hoher elektrischer Leistung sowie möglichst niedrigen Investitionskosten zur Verfügung zu stellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem undurchsichtige Silizium- oder Perowskit- Solarzellen hoher Effizienz im Abstand von 5mm bis 100mm -vorzugsweise von 60mm- auf Solarglas- oder andere optisch transparente Substrate aufgebracht und die dabei entstehenden von Solarzellen freien Flächen (auch Freiflächen genannt) mit optisch funktionalen Schichten belegt werden, die die erforderliche optische Transparenz der Module gewährleisten und die mit für die erfindungsgemäßen Solarmodule vorteilhaften Zusatzfunktionen ausgerüstet sind. Die auf den Freiflächen aufgebrachten optisch funktionalen Schichten lassen in einer Mehrfachfunktion die einfallende Solarstrahlung partiell durch, sind Licht streuend und leiten einen Anteil der Strahlung zu den Solarzellen und wandeln die einfallende Solarstrahlung spektral. In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung werden zunächst auf der Rückseite der Solarglas-Substrate als funktionale Schichten teiltransparente und Licht streuende Schichten aufgebracht, die einfallende Solarstrahlung entweder in die unteren Räume durchlassen und/oder in das Solarglas zurückreflektieren und dort optisch leiten. Die teiltransparenten und Licht streuenden Schichten bestehen aus einem Binder, der Licht streuende Partikel, wie z.B. aus Titandioxid, Bariumsulfat oder keramischen Pigmenten enthält. Bei der Herstellung der Licht streuenden und Licht leitenden teiltransparenten Schichten auf den freien Flächen des Glassubstrates werden mittels Siebdruckverfahren oder Sprühtechniken vorzugsweise Reflektorfarben benutzt, die z.B. als streuende Partikel Bariumsulfat und Titandioxid in gleichen Gewichtsverhältnissen kombiniert mit Talkumpulver enthalten und ihr Gewichtsanteil- bezogen auf das Bindermaterial- zwischen 10% und 30% vorzugsweise bei 20% liegt. Die einfallende Solarstrahlung trifft auf die Licht streuenden Partikel, wo es gestreut wird und zum einen die Binderschicht durchdringt und in die unteren Räume eintritt und zum anderen optisch isotrop in das Solarglas-Substrat zurückreflektiert wird und dort infolge von Totalreflexion breitbandig lichtleitend zu den Solarzellen gelangt, indem es in die Solarzellen optisch einkoppelt. Totalreflexion innerhalb des Solarglas-Substrates tritt deshalb auf, weil es sich an der Grenzfläche zwischen Glas und Luft um einen Übergang von einem optisch dichteren Medium (Glas) in ein optisch dünneres Medium (Luft) handelt. Bei optimaler Zusammensetzung der Licht streuenden und Licht leitenden Schichten hinsichtlich Art und Konzentration der streuenden Partikel und ihrer Dicke wird die einfallende Solarstrahlung sowohl mit der notwendigen Transparenz durch die Schichten transportiert als auch spektral breitbandig unter einem Winkel größer als der kritische Winkel der Totalreflexion im Innern des Solarglas-Substrates total reflektiert und durch Lichtleitung mit hoher Effizienz zu den Solarzellen geleitet. Dabei sind die Licht streuenden Schichten durch Zugabe von Talkum in den Polymerbinder so zu gestalten, dass die einfallende Solarstrahlung gegenüber dem Einfallslot in großen Winkeln flach gestreut wird und dadurch ein großer Anteil total reflektiert wird und zu den Solarzellen gelangt. Neben den auf der Rückseite der Solarglas- Substrate aufgebrachten teiltransparenten Licht streuenden und Licht leitenden Schichten, werden zur Erhöhung der Transparenz und der elektrischen Leistung der erfindungsgemäßen Module und/oder spektral Licht wandelnde Fluoreszenzschichten dort aufgebracht, die kurzwelligere Solarstrahlung in längerwelligere Strahlung wandeln. Insbesondere wird durch diese Technologie UV-Strahlung , die zur Ausleuchtung der unter den Modulen befindlichen Räume nicht benötigt wird und die von den meisten Solarzellen nicht in Solarenergie umgewandelt werden kann, in längerwellige sichtbare Strahlung umgewandelt mit Vorteilen für die Erzeugung von Solarstrom und für eine erhöhte Lichtausbeute unter den Modulen. Die spektral Licht wandelnden Fluoreszenzschichten bestehen aus organischen Fluoreszenzfarbstoffen und/oder anorganischen Fluoreszenzpigmenten hoher Fluoreszenzquantenausbeute und Photostabilität, die in optisch transparente Polymerbinder, wie z.B. in Polyacrylate, mit einem Gewichtsanteil von 0,5 bis 3% -vorzugsweise 1%- bezogen auf das Bindermaterial eingelagert sind. Als Fluoreszenzfarbstoffe eignen sich dabei z.B. photostabile Xanthene, Rhodamine, Pyrromethene, Perylene oder Naphthalimide. Als anorganische Fluoreszenzpigmente werden beispielsweise Leuchtstoffe aus der Gruppe der Seltenerdmetallen, dotierte Phosphate oder Silikate und Germanate verwendet. Für die Fluoreszenzschichten eignen sich auch LED-Leuchtstoffe, die kurzwellige Strahlung in längerwellige Strahlung wandeln. Rote LED-Leuchtstoffe auf Basis von Europium- dotierten Lutetium- Tantalaten mit Fluoreszenzemissionen im Bereich von 600 nm bis 700 nm finden dabei als spektrale Lichtwandler eine effiziente Anwendung. Trifft einfallende Solarstrahlung auf die Fluoreszenzschichten, wird sie dort im kurzwelligen Bereich absorbiert, und es wird optisch isotrop längerwellige Fluoreszenzstrahlung emittiert. Die erzeugte isotrope Fluoreszenzstrahlung und die außerhalb der Absorptionsbande des Fluoreszenzfarbstoffes liegende Strahlung durchdringen zum einen die Fluoreszenzschicht und gelangen in die Räume unterhalb der Module. Zum anderen tritt die emittierte Fluoreszenzstrahlung von der Fluoreszenzschicht in das Glassubstrat ein und wird aufgrund ihrer Isotropie durch Totalreflexion entlang der Dicke des Glassubstrates durch Vielfachreflexion in einem Zick-Zack-Kurs optisch geleitet , gelangt zu den Solarzellen, wo sie in die Solarzellen eingekoppelt wird und dort zu einer Lichtverstärkung und damit zu einer Erhöhung der elektrischen Leistung der Solarzellen führt. Bei optimaler Zusammensetzung der funktionalen Licht streuenden und Fluoreszenzschichten werden 30 bis 50 % der auf die Schichten einfallenden Solarstrahlung zu den Solarzellen geleitet und erhöhen dort zusätzlich die elektrische Leistung. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, als funktionale Schichten eine Mehrschichtsystem zuzulassen und auf die Glassubstrate zuerst eine Fluoreszenzschicht und dann die Licht streuende Schicht aufzu bringen. Auftreffende Solarstrahlung trifft dann zuerst auf die Fluoreszenzschicht, wird spektral gewandelt und gelangt zumindest als emittierte Strahlung partiell zu den Solarzellen. Die spektral außerhalb der Absorptionsbande eingehende Solarstrahlung durchdringt die Fluoreszenzschicht und trifft auf die Licht streuende Schicht und wird von dort entweder in die unteren Räume transportiert oder zu den Solarzellen geleitet. Damit wird eine optimale Verarbeitung der auftreffenden Solarstrahlung hinsichtlich Lichtverstärkung an den Solarzellen und Transmission gewährleistet. Um eine optimale Funktion der erfindungsgemäßen semitransparenten Solarmodule hinsichtlich elektrischer Leistung, Transparenz und Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung unter den Modulen zu sichern, ist die Breite der funktionalen Schichten auf die erforderliche Transparenz der Module einzustellen und die Dicke der Schichten im Bereich im Bereich von 20µm bis 100µm, vorzugsweise von 50µm zu wählen. Die von den Solarzellen freien Flächen auf den Glas-Substraten werden streifenförmig gestaltet, indem Solarzellen- Strings als Streifen angeordnet sind, die sich mit streifenförmigen von Solarzellen freien und mit funktionalen Schichten belegten Flächen abwechseln, wobei ihre Breite zwischen 5mm und 100mm variiert mit Vorzugsbreiten bei 50mm. Man erhält damit eine lamellenartige Anordnung von Solarzellen und von Solarzellen freie Flächen. In einer anderen Variante befinden sich die Freiflächen um die einzelnen Solarzellen herum, wobei die dabei entstehenden Streifen zwischen benachbarten Zellen ebenfalls eine Breite von 5mm bis 100mm , vorzugsweise von 50mm aufweisen. Mit den aufgezeigten Breiten der funktionalen Schichten lassen sich optische Transparenzen der erfindungsgemäßen semitransparenten Module von 5% bis 50% und mehr einstellen. Die optimale Breite der funktionalen Schichten bestimmt auch die Strahlungsverstärkung und damit den Stromertrag an den Solarzellen, indem sie die Intensität der zu den Solarzellen zusätzlich geleiteten Strahlung steuert. In einer weiteren Variante sind die Solarzellen und freien Flächen auf den Glas-Substraten schachbrettartig angeordnet, wobei die den schwarzen Feldern entsprechenden Flächen mit Solarzellen belegt sind und die den weißen Feldern entsprechenden Flächen von Solarzellen frei bleiben und mit funktionalen Schichten versehen werden. Weiterhin ist es von Vorteil bei der Herstellung der Solarmodule Halbzellen mit Abmessungen von 78 mm * 78 mm oder auch mit den Abmessungen 50 mm bis 100 mm in jeder Dimensionsrichtung zu verwenden. Durch die Verwendung von Halbzellen halbiert sich der optische Weg des zu den Solarzellen gestreuten Lichtes und der emittierten Fluoreszenzstrahlung, wodurch ihre optischen Verluste verringert werden und mehr Strahlung zu den Solarzellen gelangt mit Vorteil für ihre erzeugte elektrische Leistung. Nach Aufbringen der Solarzellen und der funktionalen Schichten auf den Solarglas- Substraten werden die erfindungsgemäßen Module zu Glas- Glas- und Glas- Folien - Modulen komplettiert. Die funktionalen Schichten sind ebenso wie die Solarzellen auf der Rückseite der Solarglas- Substrate aufgebracht und damit durch die Glassubstrate vor Witterungseinflüssen geschützt. Die erfindungsgemäßen semitransparenten Solarmodule haben den Vorteil, dass nicht nur Solarstrahlung, die direkt zu den Solarzellen geleitet wird, zur Solarleistung beiträgt, sondern durch die auf den Modulen aufgebrachten funktionalen Schichten den Solarzellen zusätzlich Strahlung zugeführt wird, dort zu einer Strahlungsverstärkung und damit zu einem Mehrertrag an Solarleistung führt. Die funktionalen Schichten haben dabei eine Doppelfunktion, zum einen tragen sie zu einem Mehrertrag an Solarleistung bei, zum anderen kann durch ihre spezielle Gestaltung eine definierte Transmission eingestellt werden, die den lichtmäßigen Anforderungen in den Räumen unter den Solarmodulen hinsichtlich Helligkeit, Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung und Verschattung genügt. Gegenüber herkömmlichen semitransparenten Vergleichsmodulen haben die erfindungsgemäßen Solarmodule den Vorteil, dass sie aufgrund der Strahlungsverstärkung an ihren Solarzellen eine 5 bis 20 % höhere Solarleistung erzeugen. Bezogen auf die erzeugte Solarleistung bedeutet das eine 5 bis 20%-ige Einsparung an Solarzellen und Materialien für elektrische Kontakte und Leitungen. Da die Kosten für die verwendeten funktionalen Schichten auf den erfindungsgemäßen Solarmodulen, die zur genannten Strahlungsverstärkung an den Solarzellen führen, höchstens 10% der Kosten für den Solarzellenaufwand ausmachen, führt die Anwendung der erfindungsgemäßen Solarmodule zu einer bedeutenden Kosteneinsparung und damit zu einem verringerten Investitionsaufwand verbunden mit Materialeinsparungen.
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Die erfindungsgemäßen semitransparenten Solarmodule finden vorteilhafte Anwendungen als stromliefernde Überdachungen bei Solarterrassen, in Wintergärten, als Vordächer, als Oberlichter, auf Carports , auf Gewächshäusern und landwirtschaftlichen Flächen oder auch auf Verkehrswegen (Überdachung von Autobahnen) und Parkflächen. Neben einem effizienten Stromertrag sorgen sie für Verschattung und gleichmäßige Ausleuchtung. Als Überdachung auf Autobahnen sorgen sie für ausreichende Helligkeit unter den Modulen und liefern gleichzeitig elektrischen Solarstrom für die Elektromobilität. Auf Gewächshäusern oder in der Landwirtschaft garantieren sie aufgrund der gleichmäßigen Ausleuchtung und Verschattung unter den Modulen und der Emission von farbigem Licht ein günstiges Pflanzenwachstum und liefern elektrischen Strom für ihre Klimatisierung. Im Falle einer farbigen Gestaltung der Erfindung findet sie auch Anwendung an Fassaden für Gebäude und Begrenzungen.
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Ausführungsbeispiel
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Zur Herstellung der semitransparenten Solarmodule werden die Solarzellen als Solarzellen-Strings streifenförmig auf dem Solarglas-Substrat angeordnet, wobei zwischen den Solarzellen-Strings streifenförmige Freiflächen mit einer Breite von 60mm zugelassen werden, die die Abstände zwischen den Zellen darstellen. Dabei bleiben die Ränder des Solarglases von Solarzellen auch frei, so dass alle Strings von Freiflächen umgeben sind. Als Solarzellen-Strings werden Silizium-Halbzellen mit einer Breite von 78mm verwendet. Die auf dem Solarglas verbleibenden von Solarzellen freien Flächen werden mit teiltransparenten, Licht streuenden und Licht leitenden funktionalen Schichten belegt, die zum einen die Strahlung durch die Schichten hindurchlassen und zum anderen zu den Solarzellen leiten. Dazu werden mittels Siebdruck matte weiße Reflektorlacke, die Licht streuende Partikel enhalten, auf die Freiflächen aufgebracht. Als besonders geeignet haben sich dabei matte, weiße und hoch reflektive Reflektorlacke, die auch als Tarnfarben (Camouflage paints) eingesetzt werden, erwiesen und die sowohl im sichtbaren Spektralbereich die Solarstrahlung breitbandig als auch in dem für Silizium-Solarzellen wichtigen nahen infraroten Spektralbereich stark diffus reflektieren und im Glassubstrat effizient zu den Solarzellen leiten. Die Schichtdicke der Licht streuenden und teiltransparenten Lacke wird auf ca. 30µm eingestellt, aus der sich eine optische Transmission der aufgebrachten Schichten von ca. 30% ergibt. Durch die Integration von Freiflächen mit teiltransparenten und Licht streuenden Schichten auf den Solarzellen-Glassubstraten gelingt es , semitransparente Solarmodule zu realisieren, die infolge ihrer Strahlungsverstärkung an den Solarzellen eine 10 bis 20%-ige höhere elektrische Leistung aufweisen als entsprechende Vergleichsmodule bei vorgegebener optischer Transparenz. In einer Ausgestaltung der semitransparenten Solarmodule werden auf die Freiflächen der Glassubstrate zunächst Schichten mit einem Fluoreszenzviolett-Lack auf Basis von Naphthalimid hergestellt und dann erfolgt eine weitere Beschichtung mit dem matten Reflektorlack. Die zuerst aufgebrachte Fluoreszenz-Violett-Lackschicht wandelt den in der Solarstrahlung enthaltenen unsichtbaren UV-Anteil in sichtbares Licht und bewirkt eine Lichtverstärkung und erhöht die optische Transmission der Beschichtung. Zur farbigen Gestaltung der semitransparenten Solarmodule werden bei der Herstellung funktionaler Schichten optisch transparente Fluoreszenzlacke, wie z.B. Fluoreszenzlack-Gelb,- Orange oder -Rot auf Basis von stark fluoreszierenden Perylenen angewendet. Die daraus folgenden Fluoreszenzschichten sind außerhalb ihrer Absorptionsbanden optisch transparent und gewährleisten damit die Transmission von farbigem Licht, das zur Stimulation des Pflanzenwachstums gezielt eingesetzt werden kann, durch den Modul. Andererseits erzeugen sie isotrope Fluoreszenzstrahlung, die in das Glassubstrat eindringt und durch Lichtleitung zu den Solarzellen gelangt und dort eine Strahlungsverstärkung bewirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202011107554 U1 [0001]
- WO 2002005352 A3 [0001]
- US 20090277500 A1 [0001]
- DE 102020118210 A1 [0001]
- EP 3039718 A1 [0001]
- EP 2254153 A1 [0001]
- US 7795067 B1 [0001]