Verfahren zum bedrucken optoelektronischer Bauelemente mit
Busbars
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bedrucken optoelektronischer Bauelemente mit zumindest einem Busbar, wobei der Busbar der Formgebung des optoelektronischen Bauelemts folgt und einen homogenen Farbeindruck auf der Rückseite des Bauelemts ermöglicht.
Die Optoelektronik setzt sich aus dem Gebiet der Optik und der Halbleiterelektronik zusammen. Sie umfasst Systeme und Verfahren, die die Umwandlung von elektronisch erzeugten Daten und Energien in Lichtemission ermöglichen oder Lichtemissionen in Energie umwandeln. Optoelektronische Bauelemente, insbesondere organische Photovoltaikmodule (PV- Modul) und organische Leuchtdioden (organic light emitting diode, OLED) , im folgenden OPV-Module genannt, erzeugen elektrische Energie oder wandeln elektrische Energie in Lichtemissionen um, welche zur Anwendung im weiteren Verlauf aus dem Modul herausgeführt oder hineingeführt werden muss. Dazu sind sogenannte Stromsammeischienen, auch Busbars genannt, erforderlich, welche den Anforderungen eines flexiblen OPV-Moduls gerecht werden müssen.
Stromsammeischienen stellen den Punkt in einem optoelektronischen Bauelement dar, an denen die umgewandelte Energie gebündelt und in Form von elektrischen Strömen weitergeleitet wird. Stromsammeischienen sind in der Halbleiterindustrie weit verbreitet. Als Stand der Technik
sind im Bereich der Photovoltaik Stromsammeischienen bekannt, welche auf der Vorderseite oder auf der Rückseite des Photovoltaik-Moduls in rechteckiger oder quadratischer Form aufgebracht sind. Die Ausmaße des Querschnitts einer Stromsammeischiene richten sich nach der zu übertragenden Stromstärke. Stromsammeischienen werden unter anderem mittels Siebdruckverfahren aufgetragen. So wird in DE102010054327A1 ein Verfahren zur Herstellung einer pastenauftragsselektiven Siebdrucksolarzellenmetallisierung beschrieben, bei denen die Schichtdicke der
Stromsammeischiene variierbar ist und das Auftragsvolumen der Silberpaste minimiert, wodurch Herstellungskosten gesenkt werden.
Als Nachteilig erweist sich der Schattenwurf von Stromsammeischienen, welcher bei dem Pastendruck auf der Vorderseite eines Photovoltaikmoduls entsteht. Aus Pasten aufgedruckte Stromsammeischienen besitzten eine definierte Höhe und Breite, die bei Sonneneinstrahlung einen Schatten auf das Photovoltaikmodul werfen und die Effizienz des Moduls damit nachteilig senken.
Eine andere Vorgehensweise ist aus EP12497A1 ersichtlich. Hier werden die Stromsammeischienen in Form von Metallbändern auf das Photovoltaikmodul aufgebracht. Der Schattenwurf ist damit minimiert, allerdings erweist sich die Lösung für transparente PV-Module als nicht zufriedenstellend. Der untere Bereich der Stromsammeischiene wird nicht mit Absorbermaterial beschichtet, wodurch kein homogener Farbeindruck entsteht, da von der Rückseite des PV-Moduls die Stromsammeischiene sichtbar bleibt. Desweiteren sind diese Metallbänder nur mit unverhältnismäßigem Aufwand in nicht-geradlinigen Geometrien applizierbar .
Andere Lösungsansätze verfolgen das Aufbringen einer
Stromsammeischiene auf der Rückseite eines PV-Moduls. In CN000101707227B ist dieser Prozess für einen Solarfilm beschrieben, wodurch der Entstehung von Luftblasen entgegengewirkt wird. Das Aufbringen von Stromsammeischienen auf der Rückseite eines PV-Moduls steigert zudem die Effizienz, da die gesamte vordere Seite des PV-Moduls für die Energiegewinnung vorhanden ist. Für die Herstellung flexibler transparenter PV-Module stellt sich dieses Verfahren auch als unbefriedigend heraus. Wie in den zuvor aufgezeigten Lösungen bleibt das Problem des homogenen Farbeindrucks und der Formfreiheit der Busbarführung bestehen .
Zudem müssen flexible PV-Module hohe Anforderungen gerecht werden. Dabei sollten die Querverbindungen der Stromsammeischienen über die Modulbreite herstellbar sein, um den Minus- und Pluspol zu einem Anschlusspunkt zu führen. Zudem müssen die Stromsammeischienen die Flexibilität des PV-Moduls besitzen. In der US7795067B1 ist ein flexibles PV- Modul mit einer flexiblen Stromsammeischiene beschrieben, wobei es sich vorliegend um eine semitransparente Solarzelle handelt und die Stromsammeischiene sichtbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Aufbringen von Stromsammeischienen anzugeben, welches die oben genannten Nachteile überwindet. Dafür ist ein Verfahren bereitzustellen, damit Stromsammeischienen über die gesamte Breite des PV-Moduls herstellbar sind, sich beliebigen, auch krummlinig berandeten Formen des PV-Moduls anpassen und einen homogenen Farbeindruck des PV-Moduls gewährleisten .
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Aufbringen einer Stromsammeischiene auf ein optoelektronisches Bauelement vorgestellt, bei dem zumindest eine Stromsammeischiene
mittels Druckverfahren bereits vor Abscheidung der photoaktiven Schicht aufgebracht wird, wodurch ein homogener Farbeindruck auf der Rückseite des Moduls entsteht. Das erfordert zunächst die Bereitstellung eines Grundmaterials, welches aus einem Substrat und einer leitfähigen Schicht besteht. Als Substrat sind eine durchsichtige Folie, Glas oder andere Materialien vorstellbar, welche die gewünschten Lichtspektren (Transparenz, Semitransparenz , Opak) durchlassen. Als leitfähige Schicht sind TCO's (Transparent Conductive Oxides) denkbar, welche ITO, ZnO:AL, SnÜ2:F und neuere Entwicklungen wie DMD, nano-wire, Ag oder Graphene umfassen. Zunächst findet das Aufbringen der
Stromsammeischienen mittels Druckverfahren statt. In einem weiteren Schritt erfolgt die Strukturierung der leitfähigen Schicht zu einzelnen gegeneinander isolierten Bereichen, wobei die Strukturierung das Laserschneiden, Ritzen oder lithografische Prozesse umfasst.
Im darauffolgenden Schritt wird wenigstens eine aktive Schicht, z.B. eine Absorberschicht auf die strukturierte und aus zumindest einer Stromsammeischiene bestehenden leitfähigen Schicht abgeschieden. Vorteilhaft geschieht dieser Vorgang durch Bedampfen im Vakuum.
Nach dem Abscheiden der aktiven Schicht, ist diese mittels bereits genannter Methoden zu strukturieren. Im letzten Schritt findet ein Aufbringen und Strukturieren einer Gegenelektrode statt, welche beispielsweise AI (Aluminium) oder Ag (Silber) umfasst.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Aufbringen der Stromsammeischiene vor Abscheidung einer leitfähigen durchsichtigen Schicht direkt auf das Grundmaterial. Dabei richtet sich das Layout der leitfähigen Schicht nach dem Aufdruck der Stromsammeischiene.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Druckprozess zum Aufbringen wenigstens eines Busbars den Siebdruck, Tintenstrahldruck und/oder einem anderen auf Drucken basierten Verfahren. Nach einer wissenschaftlichen Veröffentlichung über die Siebdrucktechnologie (Hübner, Erath, Mette, Horizonte 29, Neue Siebdrucktechnologie erhöht den Wirkungsgrad von Solarzellen, Reutlingen 2006, S. 6) erfolgt die konventionelle Siebdrucktechnologie mittels hochviskosen Druckpasten auf Lösemittelbasis. Der Drucker richtet sich nach den Strukturen des Substrates aus. Im ersten Druckverfahren findet die Ausrichtung vorzugsweise an den Ecken des Substrates statt. Weitere Druckverfahren sind vorzugsweise auf die bereits gedruckten Strukturen aus zurichten .
Das Tintenstrahlverfahren verfolgt die Methode eines handelsüblichen Druckers, der allerdings das leitfähige Medium im flüssigen Zustand als Tinte auf die Solarzelle aufbringt. Im Bezug auf das Druckverfahren für Stromsammeischienen umfasst die Tinte flüssiges AI, Ag oder ein anderes Substrat, welches als Übertragungsmedium dient und in Form einer Stromsammeischiene auf das PV-Modul aufgebracht wird.
Zudem sind andere Verfahren, wie der Stempeldruck, Prägedruck, Zerrdruck, Pigmentografie oder elektronische Druckverfahren vorstellbar.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Aufbringen der Stromsammeischiene nach dem Strukturieren der leitfähigen Schicht auf dem Substrat.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Stromsammeischiene als freie Form, umfassend geradlinig, rechteckig, gebogen realisierbar. Zudem ist ein
gleichzeitiges oder vereinzeltes Aufbringen zumindest einer Stromsammeischiene als Längs- und Querverbinder möglich. Vorteilhaft an der Ausbildung freier Formen ist die hohe Variabilität und Anpassungsfähigkeit des PV-Moduls an ihre Umgebung. Beispielsweise sind für die Integration in Automobilscheiben PV-Module erforderlich, die sich der Automobilscheibe anpassen. Sie weisen daher eine gebogene und nicht gerade Form auf. Erst die hohe Formvariabilität gedruckter Stromsammeischienen ermöglicht die Anwendung von PV-Modulen in und/oder an unterschiedlich geformten Obj ekten .
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Stromsammeischiene nicht geradlinig und/oder nicht parallel zueinander angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine Stromsammeischiene in der Ausführungsform, umfassend Querverbindungen, über die Modulbreite herstellbar, welche die beiden Pole, umfassend den Minus- und Plus-Pol des Moduls zu einem Anschlusspunkt führt. PV- Module, besonders flexible PV-Module, insbesondere flexible organische PV-Module sind in ihren Ausmaßen variabel, wodurch kleine, als auch große Module bis zu mehreren Metern in der Länge und Breite herstellbar sind. Der Vorteil an den vorliegenden Druckverfahren ist, dass es dahingehend variierbar ist, das es sich an die Ausmaße und Form des PV- Moduls anpasst. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein separater Trennvorgang, wie er bei Stromsammeischienen in Metallbandform stattfindet nicht erfolgt, wodurch eine Kostenersparnis in der Fertigung eintritt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das optoelektronische Bauelement ein flexibles organisches PV- Modul oder eine organische Leuchtdiode.
Ein flexibles organisches PV-Modul ist mit aktiven Schichten ausgestaltet. Dabei können die aktiven Schichten aus Polymeren (z.B. US7825326 B2) oder kleinen Molekülen (z.B. EP 2385556 AI) aufgebaut sein. Während Polymere sich dadurch auszeichnen, dass diese nicht verdampfbar und daher nur aus Lösungen aufgebracht werden können, sind kleine Moleküle meist verdampfbar und können entweder wie Polymere als Lösung aufgebracht werden, aber auch mittels verschiedener Verdampfungstechnik. Der Vorteil gegenüber konventionellen Bauelementen auf anorganischer Basis (Halbleiter wie Silizium, Galliumarsenid) sind die teilweise extrem hohen optischen Absorptionskoeffizienten (bis zu 2xl05 cm-1) . Weiterhin vorteilhaft ist die Möglichkeit flexible großflächige Bauteile auf Plastikfolien herzustellen, die nahezu unbegrenzten Variationsmöglichkeiten bieten. Ein weiterer technischer Aspekt ist die Herstellung transparenter Bauelemente, die in Glaselemente integrierbar sind, bei dem sich der homogene Farbeindruck aufgrund der integrierten Stromsammeischiene besonders vorteilhaft gegenüber konventionellen Solarmodulen auswirkt.
Organische Leuchtdioden (organic light emitting device, OLED) bestehen aus wenigstens einer organischen Halbleiterschicht, welche zwischen zwei Elektroden eingebettet ist und bei Stromfluss Licht aussendet (Elektrolumineszenz) . Die aktiven Schichten sind wie bei einem organischen PV-Modul aus Polymeren (GB2487342A) oder kleinen Molekülen (EP2395571A1) aufgebaut. Die sehr flache Ausgestaltung, die hohe Flexibilität, die Möglichkeit der Herstellung auf Kunststofffolien und der geringe Energiebedarf ermöglichen den Einsatz der OLEDs in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten (z.B. Displays für Mobiltelefone, Fernseher, Radios etc.). Aufgrund der genannten Eigenschaften und Anwendungsgebiete, wirken sich die gedruckten Stromsammeischienen vorteilhaft in der
Produktion und den Einsatzgebieten aus, da ein homogener
Farbeindruck und die Integration in Freiform-Objekten, umfassend Wölbungen, Rundungen oder Objekten mit Aussparungen möglich ist.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und Figuren eingehend erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken. Es zeigen
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer organischen Solarzelle in der Draufsicht, an deren Seiten jeweils eine Stromsammeischiene verläuft und in
Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer organischen Solarzelle im Querschnitt.
In einem Ausführungsbeispiel wird Bezug auf den homogenen Farbeindruck und der Ausgestaltung in freien Formen genommen. Fig. 1 verdeutlicht die formfreie Ausgestaltung der Stromsammeischienen. Je nach Anwendungsgebiet können sie der Form des PV-Moduls folgen. Vorliegend ist eine schräge und abgewinkelte Stromsammeischiene 1 sichtbar. Diese folgen dem Layout der leitfähigen Schicht 3, die mittels Laserschneiden, Ritzen oder lithographischer Prozesse strukturiert wurde.
Fig. 2 verdeutlicht den Aufbau eines organischen PV-Moduls im Querschnitt 4, bei dem auf der Rückseite des Moduls ein homogener Farbeindruck erzeugt wird. Als Grundmaterial dient eine Substratfolie 6. Die Frontelektrode 7 kann vor oder nach der Aufbringung der Busbars strukturiert werden. Die Stromsammeischienen 1 werden mittels Druckverfahren auf die Frontelektrode 7 aufgebracht. Der weitere Vorgang zeichnet
sich durch das Bedampfen der aktiven Schicht 3, beispielsweise einer allgemeinen Absorberschicht im Vakuum aus. Im Anschluss folgt das Aufbringen einer Gegenelektrode
5, welche wiederum strukturiert 2 und an die Strukturierung der Frontelektrode 7 ausgerichtet wird.