Auslandsfassung
Solarzelle und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Solarzellen werden auf immer mehr Oberflächen vorgesehen, um den Energiebedarf zeitgemäß mit regenerativen Energien zu decken.
Hierzu werden Solarzellen großtechnisch hergestellt und zumeist zu sogenannten Paneelen (Baugruppen) zusammengesetzt, welche dann auf die Oberflächen aufgesetzt werden.
Ein Nachteil ergibt sich daraus, dass die Solarzellen selbst nicht an die Oberflächenbeschaffenheit der durch mit Licht beschienenen Oberflächen angepasst sind. Die Solarzellen werden plan hergestellt, zu Paneelen zusammengebaut und dann diese umständlich auf die Oberflächenstruktur - falls überhaupt - angepasst. Das macht die Solarzellen unansehnlich, da dicke, auffällige Platten entstehen, die zudem aufwendig auf die Oberflächen montiert werden müssen. In Anwendungsgebieten, wo Ästhetik und wenig sperrige Bauformen eine Rolle spielen, ist der gewollte und zeitgemäße Einsatz von Solarzellen zur Energiegewinnung nicht möglich. So ist der Anwen- dungsbereich in der Automobilindustrie fast vollkommen verschlossen für die regenerative Energie nutzenden Solarzellen.
Weiterhin ist die externe, nicht der Anwendung angepasste Herstellung der Solarzellen hinderlich, da eine nachträgliche Anpassung zeit- und kostenaufwendig ist, soweit sie überhaupt noch möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Solarzelle und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zur Verfügung zu stellen, bei denen die herkömmliche, aufwendige Anpassung an Oberflächen und Formen nicht mehr notwendig ist .
Die Aufgabe wird durch eine Solarzelle nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach Anspruch 18 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Solarzelle auf einer unebenen, gekrümmten Oberfläche, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, ausgebildet ist, wobei die Solarzelle direkt auf der Oberfläche abgeschieden oder aufgewachsen ist .
Die Erfindung schlägt vor, die Solarzellen so bereitzustellen, dass diese direkt auf der Oberfläche herzustellen sind, ohne diese extern zu fertigen. Dadurch sind die Solarzellen von ihrer Formgebung perfekt auf den Oberflächenverlauf angepasst. Die Anwendung von Solarzellen ist nicht mehr auf die Verwendung auf vollkommen planen Oberflächen beschränkt. Die aufwendige Bereitstellung von Solarzellen in Form von hierzu notwendigen Gehäusen oder Paneelen mit den oben genannten Nachteilen wird umgangen und vermieden.
Vorteilhafterweise ist die gekrümmte Oberfläche die Oberfläche eines Fahrzeugbauteils, insbesondere eines Karosserieformteils, insbesondere der Motorhaube, des Kofferraumdeckels oder des Daches oder ein Dachelement, insbesondere aus Glas. Hierdurch wird der Einsatz von Solarzellen auf Automobilen ermöglicht, wobei die ästhetischen Aspekte Berücksichtigung finden. Ebenso wird durch die perfekte Anpassung der Formgebung des Halbleiterbauelements auf die fließenden Formen der Karosserie der Luftwiderstand erniedrigt, was sich positiv auf den Energieverbrauch auswirkt .
Ebenso vorteilhaft kann als Oberfläche, auf der aufgewachsen wird, auch eine Oberfläche eines Gebäudes oder Teilen zum
Verbauen an einem Gebäude vorgesehen sein. So sind Dachziegel oder Dachelemente denkbar, aber auch größere Bereiche der Außenwände .
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung schlägt vor, dass wenigstens eine Schicht der in Schichten aufgebauten Solarzelle wenigstens teilweise aus Nanopartikeln hergestellt ist. Hierdurch wird ein direktes Wachsen auf der gekrümmten Oberfläche besonders gut unterstützt.
Dem folgend ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Nanopartikel aus mono- oder polykristalli- nem Halbleitermaterial bestehen und aus einem Elementhalbleiter, insbesondere Silizium, einem Verbindungshalbleiter oder einer Kombination aus Element- und Verbindungshalbleitern, insbesondere aus Germanium und Silizium, bestehen. Durch die Anwendung dieser Materialien werden die besonders gute Energieausbeute und gute Verfügbarkeit dieser Materialien ausgenutzt .
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Halbleitermaterial durch eine die Nanopartikel transportierende Emulsion oder ein Plasmaverfahren auf die Oberfläche abgeschieden worden ist. Eine Emulsion transportiert die Par- tikel ebenso wie ein Plasmaverfahren direkt auf jede beliebige Oberfläche, ohne dass diese plan sein muss.
Bevorzugterweise weist das Halbleiterbauelement eine photoaktive pn-Halbleiterschicht mit einer auf der einen Fläche der pn-Halbleiterschicht befindlichen n-Halbleiterschicht und einer auf der anderen Fläche der pn-Halbleiterschicht befindlichen p-Halbleiterschicht auf.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstel- lung einer Solarzelle, das sich dadurch auszeichnet, dass die Solarzelle direkt auf einer unebenen, gekrümmten Oberfläche, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, abgeschieden wird, wobei
wenigstens eine Schicht der in Schichten aufgebauten Solarzelle wenigstens teilweise aus Nanopartikeln hergestellt wird, die auf die Oberfläche zur Bildung der Schicht aufgebracht werden. Hierdurch ist eine Bildung einer Solarzelle auf einer beliebigen Oberfläche möglich, ohne dass die sonst strengen Anforderungen an Ebenheit beim Aufwachsen vorhanden sind.
Als gekrümmte Oberfläche wird nach einem bevorzugten Verfah- rensschritt die Oberfläche eines Fahrzeugbauteils, welches insbesondere ein Karosserieformteil ist, insbesondere der Motorhaube, des Kofferraumdeckels oder des Daches oder ein Dachelement, insbesondere aus Glas, verwendet.
Auch hier sind jedoch wieder Anwendungen an Gebäuden oder Teilen davon denkbar.
Ein vorteilhafter Verfahrensschritt sieht vor, dass Nanopartikel aus mono- oder polykristallinem Halbleitermaterial ver- wendet werden, wobei dieses aus einem Elementhalbleiter, insbesondere Silizium, einem Verbindungshalbleiter oder einer Kombination aus Element- und Verbindungshalbleitern, insbesondere aus Germanium und Silizium, besteht.
Ein vorteilhafter Verfahrensschritt sieht vor, dass die Nanopartikel einer Schicht durch eine dieselben transportierende Emulsion auf die gekrümmte Oberfläche aufgebracht werden.
Dem folgend schließt sich vorteilhafterweise ein Verfahrens- schritt an, bei dem die anderen Bestandteile der Emulsion, welche nicht aus den Nanopartikeln gebildet werden und nur zum Transport der Nanopartikel dienen, durch einen Trocknungs- und Ausheizvorgang von der gekrümmten Oberfläche entfernt werden.
Ein ebenso vorteilhafter Verfahrensschritt sieht vor, dass die Nanopartikel einer Schicht durch ein dieselben auf die
gekrümmte Oberfläche aufbringendes Plasma-Beschichtungsver- fahren abgeschieden wird.
Bevorzugterweise wird anschließend an die Abscheidung der Nanopartikel auf die gekrümmte Oberfläche ein Erhitzungspro- zess auf einige hundert Grad Celsius, insbesondere 400 °C, durchgeführt. Hierdurch wird die Verschmelzung der Nanopartikel zu halbleitenden Strukturen verbessert .
Ein bevorzugter Verfahrensschritt sieht vor, dass auf der oberen Fläche der Halbleiterschichten, welche der gekrümmten Oberfläche abgewandt ist, eine elektrisch leitende Vorder- Kontaktschicht ausgebildet wird, welche insbesondere für den wesentlichen Teil des Sonnenspektrums durchsichtig ist.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen oder deren Unterkombinationen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung weiter erläutert. Im Einzelnen zeigt die schematische Darstellung in:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Solarzelle.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Solarzelle, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren direkt auf der unebenen, gekrümmten Oberfläche 31 eines Fahrzeugbauteils 3 (Karosserieformteils) hergestellt worden ist.
Die Schichten 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12 der Solarzelle sind hierbei aus mittels einer Emulsion abgeschiedenen Nanopartikeln hergestellt.
Die Nanopartikel bestehen dabei aus mono- oder polykristallinem Halbleitermaterial, beispielsweise aus einem Elementhalbleiter, insbesondere Silizium, einem Verbindungshalbleiter
oder einer Kombination aus Element- und Verbindungshalbleitern, insbesondere aus Germanium und Silizium.
Die Solarzelle weist zur Energieumwandlung eine photoaktive pn-Halbleiterschicht 8 mit einer auf der oberen Fläche der pn-Halbleiterschicht befindlichen n-Halbleiterschicht 7 und einer auf der unteren Fläche der pn-Halbleiterschicht befindlichen p-Halbleiterschicht 9 auf. Hier ist photovoltaisch aktives, dotiertes Silizium als Grundstoff für die die Halb- leiterschicht bildenden Nanopartikel durch gute und billige Verfügbarkeit sehr gut geeignet .
Zur Stromabnahme ist an der Unterseite (der der gekrümmten Oberfläche 31 zugewandten Seite) eine elektrisch leitende Rück-Kontaktschicht 5 aus Metall ausgebildet und an der Oberseite, welche der gekrümmten Oberfläche 31 abgewandt ist, eine elektrisch leitende Vorder-Kontaktschicht 11 ausgebildet. Die Vorder-Kontaktschicht 11 ist für den wesentlichen Teil des Sonnenspektrums durchsichtig, damit die Lichtquanten die Halbleiterschichten erreichen können. Als Material wird zum Beispiel Indium-Zinnoxid ("ITO") verwendet, das diese Voraussetzungen erfüllt. Hier ist auch genauso ein elektrisch leitendes, ebenso durchsichtiges Polymer möglich. Ebenso sind die bekannten gitter- oder fadenartig ausgebildeten Metall- Strukturen zur Stromableitung auf der Oberseite möglich.
Damit es nicht zu ungewollten Stromabflüssen kommt, ist die Solarzelle an ihrer an die gekrümmte Oberfläche 31 angrenzenden Fläche mit einer elektrisch isolierenden Isolations- schicht 4 versehen. Es ist auch denkbar, dass weder Isolationsschicht noch Rück-Kontaktschicht vorgesehen sind, dann wird die Aufgabe der Stromableitung durch das Metall des Karosserieteils selbst übernommen.
Zwischen der Vorder-Kontaktschicht 11 und der p-Halbleiterschicht 9 ist eine Antireflexschicht 10 aufgebracht, damit die Lichtquanten nicht ungenutzt wieder ausgespiegelt werden
können. Die Antireflexschicht kann durch ein geeignetes Material oder aber auch durch eine Oberflächenstrukturierung einer vorhandenen Schicht gebildet werden.
Zum Schutz der Vorder-Kontaktschicht 11 gegen mechanische und/oder chemische Störeinflüsse ist auf der Vorder- Kontaktschicht eine für den wesentlichen Teil des Sonnenspektrums durchsichtige Schutzschicht 12 aufgebracht. Hier kann ein einfacher Lack oder ähnliches Anwendung finden.
Zur Herstellung der einzelnen Schichten aus den mono- oder polykristallinen Nanopartikeln werden diese mittels einer Emulsion, in der die Nanopartikel enthalten sind, über die Fläche gebracht, auf der sie abgeschieden werden sollen. Nach Entfernen der Trägerflüssigkeit durch einen Heiz- und Trocknungsschritt bilden dann die gewöhnlich in einem Durchmesserbereich von 1 nm bis 100 nm liegenden Nanopartikel die Schicht. Damit diese noch in ihren physikalischen, insbesondere elektrischen Eigenschaften verbessert wird, kann noch ein Heizprozess bei einigen hundert Grad Celsius vorgesehen sein, beispielsweise 400°C, der auch die Kristalleigenschaften des abgeschiedenen Halbleitermaterials verbessert.
Das die Nanopartikel bildende mono- oder polykristalline Halbleitermaterial kann aus einem Elementhalbleiter, beispielsweise Silizium, aber auch aus einem Verbindungshalbleiter oder einer Kombination aus Element- und Verbindungshalbleitern, beispielsweise aus Germanium mit Silizium, bestehen. Hier ist die Wahl nach entsprechenden Randparametern wie Kos- ten und sonstige Eigenschaften zu wählen.
Anstelle eines Emulsions-Auftragungsverfahrens kann auch mittels eines bekannten Plasmaverfahrens erreicht werden, dass die Nanopartikel auf die Oberfläche abgeschieden werden. Hier ist eine entsprechende Wahl nach den örtlichen Begebenheiten zu treffen.
Nach Bedarf kann noch auf der gekrümmten Oberfläche 31 vor dem Aufbringen einer metallenen Rück-Kontaktschicht 5 für die Solarzelle 2 eine elektrisch isolierende Isolationsschicht 4 hergestellt werden, damit keine ungewollten Stromabflüsse über das Material des Fahrzeugbauteils entstehen.
Um die ungewollte Auskopplung von Licht aus der Solarzelle zu vermindern, ist eine auf die obere Halbleiterschicht 9 oder auf die auf der oberen Halbleiterschicht hergestellten Vor- der-Kontaktschicht 11 eine Antireflexschicht 10 aufzubringen.
Eine solche Antireflexschicht 10 kann durch einen Oberflä- chenstrukturierungsprozess einer Oberfläche, einer der
Schichten oder durch eine eigene aufgebrachte Schicht er- reicht werden.
Schließlich kann noch zum Schutz der Solarzelle, beispielsweise auf der Vorder-Kontaktschicht 11 oder einer darauf befindlichen Antireflexschicht , eine gegen mechanische und/oder chemische Störeinflüsse schützende, für den wesentlichen Teil des Sonnenspektrums durchsichtige Schutzschicht 12 aufgebracht werden.
Bezugszeichenliste
Fahrzeugbauteil Oberfläche des Fahrzeugbauteils Isolationsschicht Rück-Kontaktschicht n-Halbleiterschicht pn-Halbleiterschicht p-Halbleiterschicht Antireflexschicht obere Fläche Vorder-Kontaktschicht Schutzschicht