DE4208710C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit Solarzellen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Um einen möglichst großen Anteil des Sonnenlichtspektrums auszunutzen, werden in Bauelementen Solarzellen verwendet, die so ausgebildet sind, daß sie auf unterschiedliche Spek­ tralbereiche ansprechen. Derartige Solarzellen werden so angeordnet, daß sich für die gesamte Solarzellenanordnung ein mehrschichtiger bzw. mehrlagiger Aufbau ergibt.
So ist beispielsweise aus der DE 37 09 153 C2 eine mehrlagige Dünnfilmsolarzelle bekannt, deren einzelne Schichten aus amorphem Silizium bestehen, die jeweils eine unterschied­ liche Energielücke aufweisen. Der Wirkungsgrad einer solchen Dünnfilmsolarzelle bleibt jedoch hinter dem einer poly­ kristallinen Zelle zurück.
Polykristalline Solarzellen haben die Eigenschaft, daß sie nicht transparent sind. Oftmals kann diese Eigenschaft vorteilhaft ausgenutzt werden, wenn in gewissen Bereichen einer ansonsten lichtdurchlässigen Scheibe die Durchsicht verhindert werden soll. Dies wird beispielsweise bei einer Scheibe gemäß der DE 37 13 854 A1 ausgenutzt, die einen Teil der Außenhaut eines Fahrzeuges bildet, wobei die nicht durchsichtigen Bereiche somit zur Energiegewinnung bei­ tragen. Oftmals wird allerdings die Durchsicht auf die häufig dem Betrachter zugewandten Rückseiten der Zellen und die darauf angeordneten elektrischen Verbinder aus ästhe­ tischen Gründen als unerwünscht angesehen.
Gemäß der EP 0 343 628 A2 ist insbesondere für die Verwendung in Automobilen vorgeschlagen, einen mehrschichtigen Aufbau aus Solarzellen zu verwenden, der zwischen zwei Glasplatten angebracht ist, wobei die Durchsicht vom Innenraum auf die Zellenrückseiten dadurch verhindert werden soll, daß eine gefärbte Zwischenschicht zwischen der Solarzellenanordnung und der innenseitigen Scheibe vorgesehen ist.
Aus der DE 90 17 938 U1 ist ein Bauelement der gattungsge­ mäßen Art bekannt, bei dem die Einrichtung zum Verhindern der Durchsicht von der innenseitigen Scheibenanordnung her auf das aus polykristallinen Solarzellen aufgebaute Solar­ zellenensemble der äußeren Scheibenanordnung ein an der innenseitigen Scheibenanordnung vorgesehenes lichtstreuendes Gießharz ist, welches naturgemäß zur Energiegewinnung und damit zum Wirkungsgrad des Bauelementes nichts beitragen kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Bauelement mit Solar­ zellen zu schaffen, das sowohl hinsichtlich der ästhetischen Anforderungen als auch in bezug auf seinen Wirkungsgrad op­ timiert ist.
Diese Aufgabe wird von einem Bauelement der eingangs ge­ nannten Gattung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche. Besonders bevorzugte Verwendungen sind in den Ansprüchen 15 bis 17 angegeben.
Bei dem Bauelement gemäß der vorliegenden Erfindung besteht das Solarzellenensemble aus auf der außenseitigen Scheibenanordnung angeordneten polykristallinen Solarzellen, deren aktive Seite im wesentlichen zur einfallenden Sonnen­ strahlung hin gerichtet ist. Weiterhin ist die Einrichtung zum Verhindern der Durchsicht ebenfalls ein Solarzellenen­ semble, jedoch aus amorphen, zumindest teiltransparenten (Dünnschicht-)Solarzellen, deren aktive Seite derjenigen der polykristallinen Solarzellen entgegengesetzt gerichtet ist. Damit wird es möglich, den Wirkungsgrad eines solchen Bauelementes zu maximieren, indem die effektiver arbeitenden polykristallinen Zellen als Haupterzeuger für elektrische Energie verwendet werden. Das Solarzellenensemble aus amorphen Solarzellen erfüllt eine Doppelfunktion. Einerseits deckt es die Rückseiten, elektrischen Verbinder und Anschlüsse der polykristallinen Zellen ab und trägt so zu einem ästhetisch ansprechenden, verglasungsähnlichen Gesamteindruck des Bauelementes bei. Zudem können die amorphen Solarzellen auch zur Erzeugung elektrischer Energie beitragen, wenn im Inneren des Raumes, in dem das Bauelement verwendet wird, eine durch Lichtöffnungen und/oder Kunstlicht erzeugte ausreichende Helligkeit herrscht. Es kann zwischen der außenseitigen Scheibenanordnung und der innenseitigen Scheibenanordnung ein gasgefüllter Zwischenraum vorgesehen sein, alternativ auch eine Verbundfolie oder ein Gießharz, bevorzugt ein schalldämmendes Gießharz.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Bauelementes ist die innenseitige Scheibenanordnung eine Einzelscheibe. Ein zweck­ mäßiger Aufbau kann vorsehen, daß auch die außenseitige Schei­ benanordnung aus einer Einzelscheibe besteht. Wenn zusätzliche wärme- und/oder schalldämmende Maßnahmen getroffen werden sol­ len, ist es zweckmäßig, zusätzliche Scheiben oder Scheibenver­ bunde bei der innenseitigen Scheibenanordnung vorzusehen. Grundsätzlich ist es auch möglich, die außenseitige Scheibenanordnung entsprechend auszugestalten. Nach einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist daher die innenseitige Scheibenanordnung eine Isolierglasscheiben­ anordnung aus einer innenliegenden und einer davon beab­ standeten außenliegenden Scheibe mit beispielsweise gasgefülltem Zwischenraum.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Solarzellenensemble aus amorphen Solarzellen auf der der außenseitigen Scheibenanordnung zugewandten Seite der innenseitigen Scheibenanordnung angeordnet ist.
Insbesondere, wenn für die innenseitige Scheibenanordnung eine Isolierglasscheibenanordnung vorgesehen ist, kann es zweckmäßig sein, das Solarzellenensemble aus amorphen Solarzellen auf der von der außenseitigen Scheibenanordnung abgewandten Seite der innenseitigen Scheibenanordnung anzubringen. Dabei können die amorphen Solarzellen auf der innenliegenden Scheibe oder auf der außenliegenden Scheibe der Isolierglasscheibenanordnung vorgesehen sein. Auch Kombinationen sind möglich, so daß bei­ spielsweise ein Teil der amorphen Solarzellen in einem Verbund unmittelbar bei den polykristallinen Solarzellen vorgesehen sind, ein weiterer Teil hingegen in geeigneten Positionen in der Isolierglasscheibenanordnung. Es lassen sich dabei über­ raschende ästhetische Effekte erzielen, wobei die Wirkungen auch unter verschiedenen Blickwinkeln oder aus verschiedenen Blickrichtungen unterschiedlich sein können.
Ebenso trägt es zum ästhetischen Gesamteindruck bei, wenn die polykristallinen Solarzellen wenigstens teilweise beabstandet voneinander angeordnet sind.
Eine entsprechende Anordnung kann für die amorphen Solarzellen vorgesehen sein, in der Regel wird dabei das Solarzellen­ ensemble aus amorphen Solarzellen derart angebracht sein, daß es zumindest die Rückseiten, elektrischen Verbinder und Anschlüsse der polykristallinen Solarzellen verdeckt.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, auf der innenseitigen Scheibenanordnung eine mehrlagige Dünnfilmsolarzelle anzu­ ordnen. Neben der Verwendung des Bauelementes als Fassaden­ element, Dachelement oder dergleichen, insbesondere für Gebäude, kann es als Komponente der Außenhaut von Vorrichtungen, Anlagen, Gebäuden oder dergleichen, verwendet werden, welche vzw. von dem Bauelement nicht zu verschließende Öffnungen für die Einstrahlung von insbesondere Tageslicht und/oder Einrichtungen zum Erzeugen von Kunstlicht aufweisen. Eine bevorzugte Verwendung besteht darin, die Bauelemente im Dachbereich von Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Wasser- und/oder Luftfahrzeugen oder dergleichen einzusetzen.
Insbesondere bei Schienenfahrzeugen kann der Dachbereich damit zur Erzeugung elektrischer Energie beitragen, ohne daß Einbußen hinsichtlich der Ästhetik hingenommen werden müssen und ohne daß ein Fahrgast in seiner Sicht nach außen behindert würde.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bau­ elementes gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bau­ elementes gemäß der vorliegenden Erfindung, das als isolierendes Bauelement ausgestattet ist;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel, das im we­ sentlichen dem der Fig. 2 entspricht, wobei jedoch die amorphen Solarzellen in der Iso­ lierglasscheibenanordnung vorgesehen sind; und
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel, wiederum ähnlich dem der Fig. 2 mit einer alternativen Anordnung der amorphen Solarzellen.
Das Bauelement gemäß der Fig. 1 besteht aus einer Außenscheibe 10 und einer davon beabstandet vorgesehenen Innenscheibe 14. Der zwischen den Scheiben 10, 14 gebildete Zwischenraum 12 kann durch eine Verbundfolie entsprechender Dicke definiert sein, es kann sich jedoch auch um einen gasgefüllten Zwischen­ raum handeln, oder einen solchen, der mit einem schalldämmenden Gießharz gefüllt ist. Die Abdichtung dieses Zwischenraumes 12 erfolgt durch eine umlaufende Randabdichtung 16. Bei dieser Ausführungsform des Bauelementes ragt der obere Bereich 18 der Außenscheibe 10 über den entsprechenden Bereich der Innenscheibe 14 hinaus, so daß von der Außenscheibe 10 zur Innenscheibe 14 hin eine Stufe gebildet wird, in der eine Sammelschiene 30 für die Elektrik eingebettet ist. In dem Zwi­ schenraum ist auf der Außenscheibe 10 ein Ensemble 20 poly­ kristalliner Solarzellen angeordnet, auf der Innenscheibe 14 ein Ensemble 22 amorpher Solarzellen. Eine Anordnung der Zellen nahe der Außenscheibe 10 bzw. der Innenscheibe 14 ist denkbar. Die polykristallinen Solarzellen des Ensembles 20 sind in einem vorgebbaren Abstand voneinander und vom Scheibenrand vorgesehen, während die zumindest teiltransparenten amorphen Solarzellen des Ensembles 22 den Sichtbereich der Scheibe 14 völlig bedecken. Z. B. können als amorphe Solarzellen solche mit dem bekannten Aufbau SnO2/a-Si:H/ZnO verwendet werden, deren Lichtdurchlässigkeit (T1) ca. 10-15% beträgt. Dadurch wird die Sicht von der Seite der Innenscheibe 14 her auf die Rückseiten des Solarzellenensembles 20 völlig verdeckt. Das Aussehen der mit den amorphen Solarzellen bedeckten Innen­ scheibe 14 ist ähnlich dem einer mit einer Wärmeschutzschicht versehenen Glasscheibe. Möglich ist auch die Verwendung einer Zweifach-Tandemzelle als amorphe Zellenschicht, z. B. des Aufbaus SnO2/a-Si:H/a-SiGe:H/ZnO.
Gemäß Fig. 2 ist der Aufbau aus Fig. 1 ergänzt, um das Bau­ element als ein solches mit weiter verbesserten isolierenden Eigenschaften auszustatten. Dazu ist auf der Innenscheibe 14 ein Abstandhalterrahmen 50, von einer Innenraumabdichtung 52 und Dichtleisten 54, 56 eingebettet, angeordnet. Darauf liegt eine innenliegende Scheibe 40, so daß zwischen der Innenscheibe 14 und der innenliegenden Scheibe 40 ein Innenraum 42 gebildet ist. Der Innenraum 42 kann dabei evakuiert oder mit einem ge­ eigneten Gas gefüllt sein.
Der identische Scheibenaufbau ist auch für die Ausführungsbei­ spiele nach Fig. 3 und Fig. 4 gewählt, jedoch ist hier die Anordnung des Ensembles 22 der amorphen Solarzellen von der Fig. 2 unterschiedlich.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist das Ensemble 22 amorpher Solarzellen im Innenraum 42 nahe bei oder auf der Innenscheibe 14 vorgesehen, bei der Ausführungsform nach Fig. 4 nahe bei oder auf der innenliegenden Scheibe 40. Das Ensemble 20 polykristalliner Solarzellen liegt jeweils so nahe wie mög­ lich der einfallenden Strahlung zugewandt, also auf der Innen­ seite der Außenscheibe 10.
Hinsichtlich der Anordnung der amorphen Solarzellen lassen sich die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2, 3 und 4 auch kombinieren. So ist es möglich, einen Teil der amorphen Solarzellen im Zwischenraum 12 auf der Innenscheibe 14 anzuordnen, während weitere amorphe Solarzellen im Innenraum 42 auf der Innenscheibe 14 und/oder der innenliegenden Scheibe 40 vorgesehen sind.
Im allgemeinen wird man das Ensemble 22 amorpher Solarzellen so gestalten, daß es zwar das Ensemble 20 polykristalliner Solar­ zellen so gut wie möglich verdeckt, daß die amorphen Solarzellen sich jedoch nicht in den unterschiedlichen Ebenen überlagern, daß sie also die Hintergrundstrahlung optimal ausnutzen können.
Es ist aber auch denkbar, unterschiedliche Typen amorpher Solarzellen vorzusehen, die dann in den verschiedenen Ebenen auf zweckentsprechende Weise angeordnet werden können. Dieses wird aber nur dann sinnvoll sein, wenn die Intensität der Strahlung ausreichend ist, um durch eine solche Anordnung eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Erzeugung elektrischer Energie zu erreichen.
Die verwendeten Scheiben können aus Kunststoff oder Glas be­ stehen, vorzugsweise aus einem eisenarmen Silikatglas (Weißglas).
Für das Ensemble 22 amorpher Solarzellen hat sich - wie bereits erwähnt - der Typ a-Si:H bewährt. Die Lichtdurchlässigkeit beträgt ca. 10 bis 15%, die spektrale Ausbeute der Solarzelle im Bereich sichtbaren Lichtes ist etwa konstant bis 550 mm und fällt erst bei höheren Wellenlängen ab.

Claims (17)

1. Bauelement mit Solarzellen, mit einer außenseitigen Scheibenanordnung und einer innenseitigen Scheibenanordnung, wobei die außenseitige Scheibenanordnung ein Solarzellenensemble aus polykristallinen Solarzellen aufweist, deren aktive Seite im wesentlichen zur einfallenden Sonnenstrahlung hin gerichtet ist, und die innenseitige Scheibenanordnung eine Einrichtung zum Verhindern der Durchsicht von der innen­ seitigen Scheibenanordnung her auf das Solarzellenensemble für die außenseitige Scheibenanordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verhindern der Durchsicht ein Solarzellenensemble (22) aus amorphen (Dünn­ schicht-) Solarzellen ist, deren aktive Seite derjenigen der polykristallinen Solarzellen (20) entgegengesetzt gerichtet ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der außenseitigen Scheibenanordnung (10) und der innenseitigen Scheibenanordnung (14, 40) ein gasgefüllter Zwischenraum (12) vorgesehen ist.
3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der außenseitigen Scheibenanordnung (10) und der innenseitigen Scheibenanordnung (14, 40) eine Verbundfolie vorgesehen ist.
4. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der außenseitigen Scheibenanordnung (10) und der innenseitigen Scheibenanordnung (14, 40) ein Gießharz, bevorzugt ein schalldämmendes Gießharz vorgesehen ist.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innenseitige Scheibenanordnung eine Einzelscheibe (14) ist.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innenseitige Scheibenanordnung eine Isolierglasscheibenanordnung aus einer innenliegenden (40) und davon beabstandeten außenliegenden Scheibe (14) mit gas­ gefülltem Zwischenraum (42) ist.
7. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innenseitige Scheibenan­ ordnung (14, 40) und/oder die außenseitige Scheibenanordnung (10) jeweils ganz oder teilweise aus Kunststoff und/oder Silikatglas besteht/bestehen.
8. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die außenseitige Scheibenanordnung (10) eine Silikatglasscheibe aus eisenarmem Weißglas aufweist.
9. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Solarzellenensemble (22) aus amorphen Solarzellen auf der der außenseitigen Scheiben­ anordnung (10) zugewandten Seite der innenseitigen Scheiben­ anordnung (14, 40) angeordnet ist.
10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Solarzellenensemble (22) aus amorphen Solarzellen auf der von der außenseitigen Scheibenanordnung (10) abgewandten Seite der innenseitigen Scheibenanordnung (14, 40) angeordnet ist.
11. Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Solarzellenensemble (22) aus amorphen Solarzellen innerhalb des gasgefüllten Zwischen­ raumes (42) der innenseitigen Scheibenanordnung auf der innenliegenden Scheibe (40) angeordnet ist.
12. Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Solarzellenensemble (22) aus amorphen Solarzellen innerhalb des gasgefüllten Zwischen­ raumes (42) der innenseitigen Scheibenanordnung auf der außenliegenden Scheibe (14) angeordnet ist.
13. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristallinen Solarzellen wenigstens teilweise beabstandet voneinander und/oder vom Scheibenrand angeordnet sind.
14. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ensemble (22) amorpher Solarzellen so ausgebildet ist, daß es zumindest die Rückseiten, elektrischen Verbinder und Anschlüsse der polykristallinen Solarzellen verdeckt.
15. Verwendung eines Bauelementes nach einem der vorangehenden Ansprüche als Fassadenelement oder Dachelement, insbesondere für Gebäude.
16. Verwendung eines Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Komponente der Außenhaut von Vorrichtungen, Anlagen oder Gebäuden, welche von dem Bauelement nicht zu verschließende Öffnungen für die Einstrahlung von insbesondere Tageslicht und/oder Einrich­ tungen zum Erzeugen von Kunstlicht aufweist/aufweisen.
17. Verwendung eines Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 14 im Dachbereich von Kraftfahrzeugen, Schienenfahr­ zeugen, Wasser- und/oder Luftfahrzeugen.
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