WO2008092679A1 - Solarzelle - Google Patents

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WO2008092679A1
WO2008092679A1 PCT/EP2008/000753 EP2008000753W WO2008092679A1 WO 2008092679 A1 WO2008092679 A1 WO 2008092679A1 EP 2008000753 W EP2008000753 W EP 2008000753W WO 2008092679 A1 WO2008092679 A1 WO 2008092679A1
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solar cell
layer
light
cell according
deflecting
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PCT/EP2008/000753
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Ulrich Schindler
Achim Hansen
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Leonhard Kurz Stiftung & Co. Kg
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Definitions

  • the invention relates to a solar cell according to the preamble of claim 1.
  • Solar cells with organic semiconductor layers have a lower efficiency compared to solar cells with inorganic semiconductor layers with a comparable active area, which is currently in the range of 5%.
  • OCV - organic photovoltaic organic semiconductor layers
  • solar cells for example, in the construction of several electrically interconnected solar cell modules inactive areas without photovoltaic semiconductor layer, which make no contribution to energy.
  • the electrical connection lines between the solar cell modules are arranged, which usually consist of a metallic material.
  • the invention is based on the object to provide a solar cell of simple construction, which has an increased efficiency.
  • the object of the invention is achieved by a solar cell in the form of a multilayer body, in particular in the form of a multilayer, flexible film having active areas with at least one photovoltaic semiconductor layer and inactive areas, wherein it is provided that the solar cell has a light-conducting device with light-deflecting structural elements, which are arranged below the at least one semiconductor layer with respect to the light-entry side and are shaped such that they direct incident light into the inactive regions onto the at least one semiconductor layer in the active regions.
  • a light-guiding device is provided, which is integrated into the structure of the solar cell.
  • the integration into the solar cell enables a particularly compact design. Special adjustment work is not provided, so that a personal effort for installation and / or adjustment of the light-conducting does not occur.
  • the solar cell according to the invention is designed as a flexible multilayer body, for example as a transfer or laminating film.
  • the solar cell can be so easily mounted and transported, for example by sticking or lamination or by transport as a roll.
  • the mounting surfaces are not limited to flat surfaces because of the flexibility of the solar cell.
  • the solar cell may be a single or multi-junction solar cell.
  • the multi-junction solar cells are solar cells in which several individual solar cells with different bandgap energies are stacked on top of each other and interconnected as loss-free as possible. In this way, the efficiency of the solar cell can be further improved.
  • the solar cell is a solar cell with an organic photovoltaic semiconductor layer, which by means of printing processes in a so-called roll-to-roll process can be produced.
  • Photovoltaic semiconductor layer here means that the semiconductor layer forms a functional layer of the photovoltaic process and as such contributes to the photovoltaic power generation.
  • the inactive regions have transparent or semitransparent electrodes and / or current-conducting elements.
  • the solar cell can be constructed, for example, like a checkerboard, wherein strip-shaped inactive regions are arranged between the active regions with the photovoltaic semiconductor layers whose current-conducting elements can be designed such that they produce series and / or parallel connections of the active regions. In this way, the solar cell can be optimized with regard to the voltage delivered and the current delivered.
  • the light-deflecting structural elements are arranged in the inactive regions of the solar cell and are preferably not provided in the active regions.
  • the light-deflecting structural elements have inclined reflection surfaces with respect to the surface of the solar cell.
  • the reflection surfaces are formed at least partially with different inclination.
  • first reflecting surfaces may be provided, which have such a tendency to the incident light rays, that a first part of the outgoing light rays is directed to the first active region, and it second reflection surfaces can be provided, the one have such inclination to the incident light rays that a second part of the emergent light rays is directed to the second active region.
  • the structural elements depending on their distance from the nearest active region, deflect the incident light at a different angle by reflection, diffraction or scattering and thus distribute the light incident in the non-active regions as uniformly as possible over the active regions.
  • the light-conducting device is designed as a single- or multi-layered body having at least one structural layer, wherein the light-deflecting structural elements are molded in a surface structure of the structural layer.
  • the formation of the light-conducting device as a multilayer body, preferably as a foil-like multilayer body, enables the application of the light-guiding device to the solar cell in a work step immediately following the production of the solar cell, preferably in a roll-to-roll process. It can be provided, for example, to laminate the light-conducting device as a prefabricated film body onto the solar cell or to apply the lowermost layer of the light-conducting device to the solar cell and then to apply the further layers of the light-conducting device.
  • the structural layer is a preferably transparent layer whose side facing away from the photovoltaic semiconductor layer is provided with said surface structure.
  • the surface structure is a microprism structure.
  • the microprisms may be arranged with a screen width of less than 300 .mu.m, preferably from less than 50 ⁇ m.
  • a raster width of 20 ⁇ m, a texture depth of 8.3 ⁇ m and a prism angle of 22.5 ° can be provided.
  • the surface structure is a blazed lattice structure.
  • a blazed grating is a surface structure having asymmetrical sawtoothed features that reflect and / or diffract the light due to the asymmetry of the features in one or more preferred directions.
  • the spatial frequencies of the grating used here are in the range of 20 lines / mm to 2000 lines / mm, preferably in the range of 20 lines / mm to 1500 lines / mm.
  • Grid frequency is preferably chosen so that these grids act as achromatic grating.
  • the blazed grating structure must be dimensioned to be incident on the inactive regions depending on parameters such as the layer thickness of the semiconductor layer, the dimensions and the lateral and height spacing of the inactive regions of the active regions To divert light into the active areas.
  • the number of total reflections on the Blaze grating required to bridge the inactive region may be effective.
  • the orientation of the sloped flanks and the slope angle of the sloped flanks may be appropriately selected depending on the position of each structural element within the non-active area to reflect the (approximately perpendicular) incident light to an adjacent active area.
  • the grating lines of the Blaze grating are advantageously oriented parallel to the boundary line between the active region and the inactive region, the azimuth angle of the
  • Lattice structure is further oriented in the direction of the nearest active region and the angle of inclination of the active edge of the structural elements decreases - preferably linearly - the closer the respective structural element is positioned to the nearest active region.
  • the blaze grid can For example, for a mean wavelength of 550 nm have a structure spacing of 2.3 microns at a structural depth of 0.8 microns.
  • a symmetrical diffraction grating is provided in the non-active region, which diffracts the incident light from the specular reflection, preferably at an angle with respect to the diffraction maximum of the relevant wavelength range for the photovoltaically active layer, preferably as already explained above the above considerations.
  • the spatial frequency it is possible for the spatial frequency to be changed, which depends on the distance from the nearest active region, to change the diffraction angle in order to achieve the most uniform possible distribution of the light incident on the non-active region to the adjacent active regions.
  • a linear sine grating may have 1285 lines / mm at a pattern depth of 0.11 ⁇ m.
  • the surface structure is a diffractive surface structure, in particular a kinoform, which deflects light appropriately directed by diffraction, or that the surface structure is an anisotropic matt structure which scatters the incident light in a correspondingly direction.
  • Both the kinoform and the anisotropic matt structure can be produced by holographic methods.
  • the light-deflecting structural elements are not surface structures but volume holograms of the surface structures.
  • the surface structure has a depth of 0.05 ⁇ m to 20 ⁇ m, preferably 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m. It can further be provided that the maximum width of the light-deflecting structural elements is less than 500 ⁇ m, preferably less than 50 ⁇ m.
  • first light-deflecting structural elements are arranged in the inactive regions, which direct light incident into one or more of the inactive regions onto the at least one semiconductor layer into one or more of the active regions, such that second light-deflecting in the active regions Structure elements are arranged, and that arranged in the inactive regions first light-deflecting structural elements are formed differently from the arranged in the active regions second light-deflecting structural elements.
  • Structural elements can be designed so that they redirect light emerging from the respective active region into this active region. They can thus help to improve the coupling of the light striking the solar cell into the active area.
  • the first light-deflecting structural elements are selected from the group microprism structure, blazed grating structure, diffractive structure, in particular kinoform and anisotropic matt structure, and that the second light-deflecting structural elements from the group of antireflection structures, in particular moth-eye structures, deep, high frequency or crossed sine gratings, and retroreflective structures are selected.
  • Retroreflective structures radiate incident light back in the direction of incidence, such as known from vehicle reflectors.
  • the fine structures can advantageously be molded into a structural layer of a thermoplastic material or of a UV-curing lacquer, for example by means of a heated embossing tool or by means of UV replication.
  • the structural layer preferably has a thickness of 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m. Due to the preferably provided small layer thickness and the low structural depth of a light guide is obtained, which is adapted to the layer thicknesses of the solar cell and its mechanical properties and therefore no
  • the thickness is up to 500 microns.
  • a thin structural layer may be disposed on a support layer, as described below.
  • the refractive index of the carrier layer should advantageously match or approximately coincide with the refractive index of the structural layer, so that the carrier layer and the structural layer form a common layer in their optical behavior.
  • the difference between the two refractive indices should not be greater than 0.2.
  • a reflection layer is arranged on the rear side of the structure layer. It can also be provided that a reflection layer is further formed on the front side of the structure layer, preferably as a boundary layer between two optical media with different refractive indices, in which total reflection occurs. It can also be a semi-transparent Reflection layer may be provided. By forming two spaced-apart reflection surfaces, a light pipe can be formed by multiple reflection, as described in more detail below.
  • the reflection layer may preferably be a metallic one
  • a protective layer may be provided on the reflective layer.
  • the reflection layer is made of aluminum, gold, silver, copper and / or of an alloy of these metals. However, it can also be provided that the reflection layer is formed from a metal multilayer body.
  • the reflection layer has a thickness of 10 nm to 50 nm or x times this layer thickness in a multilayer body.
  • the determination of the thickness of the reflection layer may be provided depending on the material and the thickness may be such that the reflection layer is no longer transparent. The thickness determination can be advantageously carried out in a series of experiments.
  • the reflection layer is formed from a sequence of high and low refractive dielectric layers (HRI, LRI layers).
  • the HRI layers are layers of a material with a high refractive index (high refractive index, »1, 5, in the case of
  • the structure layer in a further alternative embodiment, provision can be made for the structure layer to have an optical refractive index> 1.7.
  • the refractive index is to be determined such that total reflection occurs at the rear side of the structural layer, as a result of which particularly good reflection is achieved.
  • the structure layer is arranged on a carrier layer, as described above.
  • the carrier layer may be formed of PET. However, other preferably thermoplastic materials may also be provided.
  • the carrier layer forms a barrier layer, which increases the weather resistance of the cell, as well as the long-term stability against UV radiation.
  • the carrier layer has a thickness of up to 500 ⁇ m, preferably has a thickness of 19 ⁇ m to 150 ⁇ m. Under the above-mentioned assumption that the carrier layer and the structural layer have approximately the same refractive index, the thickness of the carrier layer and of the structural layer can be varied by varying the thickness of the carrier layer
  • the inactive region Dependent on the width of the inactive area, the number of reflections in the light-conducting device which is necessary to light incident on the inactive area by repeated reflections both at the back and at the front of the light-conducting device into one to direct adjacent active area. If, for example, the inactive region has a width of 1 mm, is irradiated into the adjacent active region at a deflection angle of 45 °, and only one reflection is provided, then the carrier layer and structural layer decisive for the optical path in the optical waveguide must have a thickness of 500 microns have. If two reflections are provided, the carrier layer and the structural layer together may have a thickness of 250 ⁇ m, with three reflections 125 ⁇ m. Preference is given to a few reflections, because in practice a lossless reflection is generally not feasible, even in the case of the preferred total reflection.
  • an intermediate layer is arranged between the carrier layer and the rear side of a counterelectrode of the solar cell.
  • the intermediate layer may be provided, for example, as an adhesive layer and / or as a functional layer.
  • the intermediate layer has a layered structure.
  • a first layer of the intermediate layer may be formed of PEDOT / PSS.
  • the first layer may have a thickness of 100 nm to 250 nm.
  • a second layer of the intermediate layer may be formed of ITO.
  • the second layer may have a thickness of 50 nm to 150 nm.
  • intermediate layers form an intermediate layer which, for example, serves to increase the conductivities. But it can be another Layer structure may be provided and / or other layer materials may be provided, for example, positively influence the light guide.
  • the optical refractive indices of the layers of the light-conducting device do not deviate from each other by more than 0.2.
  • the photovoltaic semiconductor layer is an organic semiconductor layer.
  • inorganic semiconductor material or a mixture of organic and inorganic semiconductor material which is preferably applied by means of a spraying or printing process in a roll-to-roll process.
  • both an electrode facing the light entry side of the solar cell and the counterelectrode facing away from the light entry side are designed as transparent and / or semitransparent electrodes.
  • the counter electrode need not be transparent.
  • the transparent and / or semitransparent counter electrode facilitates the introduction of the light deflected at the reflection surfaces of the structural elements into the photovoltaic semiconductor layer.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of an embodiment of a solar cell according to the invention before the application of light-conducting devices
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of the embodiment in FIG.
  • Fig. 1 shows a schematic cross section through a solar cell 1, which is designed as a single-stack version.
  • the solar cell 1 is a so-called organic solar cell in which the photovoltaic semiconductor layer consists of an organic semiconductor material. This structure is also called OVP.
  • the solar cell 1 has a carrier substrate 11, which may be a plastic film of about 20 to 50 ⁇ m in thickness, for example a PET film.
  • the carrier substrate 11 is transparent and faces the light source required for operation of the solar cell 1, for example the sun.
  • the carrier substrate 11 therefore forms the light entry side of the solar cell 1.
  • the solar cell 1 is constructed in sections of solar cell modules 1 m with active areas 1a and inactive areas 1 i. In the active areas 1a, light incident on the solar cell 1 is converted into electrical energy. In the inactive areas 1 i Stromleitieri are arranged, which the connect electrically active regions 1a, wherein parallel connection and / or series connection of the active regions can be provided. It may, for example, be provided to connect active regions in series and to switch p of these series circuits in parallel or vice versa, so that output voltage and output current of the solar cell 1 can be adapted to the requirements of a consumer connected to the solar cell 1. The inactive regions 1 i reduce the area of the solar cell 1 that can be used for power generation.
  • a transparent and / or semi-transparent electrode 12 is arranged, which may be formed for example of a metallic layer with a layer thickness of a few nanometers, for example with a layer thickness of 10 to 15 nm.
  • the electrode 12 may also be made of an electrically conductive transparent material, for example ITO, from IMI (ITO, metal, ITO) or an electrically conductive polymer.
  • the metallic layer may preferably be formed of gold, aluminum, copper or silver or of an alloy of these metals.
  • a HoIe- blocking layer 13 is arranged, which can be formed for example of TiO x.
  • an electron blocker layer 15 is arranged, which may be formed for example of PEDOT / PSS.
  • the solar cell 1 is fired in the active region 1a by a counter electrode 16, which may be formed, for example, as the electrode 12 as a transparent and / or semi-transparent electrode.
  • the counter electrode 16 has a protruding edge region, which is provided for contacting the counter electrode 16 with the electrode 12 of the adjacent active region. This is under the mentioned Edge region arranged edge region of the active region 1a coated with a vertically arranged insulator layer 17, on which an electrically conductive connection layer 18 is arranged, which connects the counter electrode 16 with the adjacent electrode 12 in an electrically conductive manner.
  • the connection layer 18 is a through-connection running perpendicular to the surface of the solar cell 1 between the counter-electrode 16 and the electrode 12 of the adjacent active region.
  • the bonding layer 18 consists, for example, of a conductive adhesive, of a conductive ink or of a conductive layer, which is preferably transparent and / or semitransparent.
  • the electrode 12 also has a protruding edge region which corresponds to the protruding edge region of the counterelectrode 16 of the preceding active region 1a, said electrodes being in turn connected to one another by through-contacting.
  • FIG. 2 now shows a solar cell 2 which builds up on the solar cell 1 described in FIG.
  • the light-conducting devices 20 may be laminated to a solar cell constructed according to FIG. 1.
  • the light-conducting devices 20 are designed as multi-layer bodies with a transparent carrier layer 22, which may be formed, for example, from a PET film of 20 to 25 .mu.m layer thickness.
  • a transparent structure layer 23 is arranged, which consists for example of a Replizierlack Anlagen.
  • the structure layer 23 has, in the section arranged above the inactive region 1 i of the solar cell module 1 m, on the light entry side of the solar cell 2 side facing away from a surface structure with structural elements 23 s, which are indicated schematically in Fig. 2.
  • the structural elements 23s have inclined surface sections to the surface of the solar cell 2. The inclination of the surface sections is dimensioned as a function of the relative position of the respective structural element 23s to the nearest active region 1a such that light beams 29 incident in the inactive regions 1i are deflected into the active regions 1a of the solar cell module 1m.
  • the structural elements 23s are formed in the embodiment shown in FIG. 2 as triangular prisms, which form a sawtooth-shaped surface structure. As further schematically illustrated in FIG.
  • the edge sections of the surface structure facing the active region of an adjacent solar cell module have a different orientation than the remaining sections of the surface structure, so that light incident in the edge sections is directed onto the semiconductor layer 14 of the adjacent solar cell module.
  • the light incident in the inactive regions 2i is directed onto the semiconductor layer 14 by the shortest path.
  • the structure layer 23 is covered by a reflection layer 24.
  • the reflection layer 24 is a light-reflecting metallic layer, for example of aluminum, gold, silver or copper, a metal alloy of these metals or of a metal multilayer body.
  • the reflection layer 24 can be dispensed with if the structure layer 23 has such a high refractive index that total reflection occurs at the rear side of the structure layer 23 at the inclined surface sections of the structure elements 23s. It is then preferably provided that the rear side of the structure layer 23 is adjacent to air and that the refractive index is> 1.7.
  • an intermediate layer 21 constructed from two partial layers is provided in the illustrated embodiment.
  • a first sub-layer is formed of PEDOT / PSS on the back of the counter electrode 16.
  • a second sub-layer 22 is formed of ITO and disposed between the back of the first sub-layer 21 and the front of the carrier layer 22.
  • the intermediate layer 21 may optionally be provided.
  • the structural elements 23s preferably have a slope of 3 ° to 60 °, a width of 0.5 ⁇ m to 50 ⁇ m and a depth of 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the deflection of the light takes place here by reflection and / or diffraction.
  • a blazed grating - preferably with sections different inclination angles of the flanks according to the explained with reference to FIG. 2 concept - a kinoform or an anisotropic matte structure is formed, which in the inactive areas 1 i deflecting incident light into the active areas by reflection / diffraction.
  • the surface structure it is also possible for the surface structure to be a binary surface structure having a locally varying spatial frequency and a period below the wavelength of the visible light, which has corresponding light-deflecting properties.
  • the space between two adjacent solar cell modules 1 m is at least partially filled by a transparent insulator layer 27, which extends in the height dimension between the back of the electrode 12 and the front of the intermediate layer.
  • the insulator layer 27 is provided substantially as a light guide, since an air path between the layers to light losses due to interfacial reflection and / or to a disturbing deflection of the light rays can result.
  • the electrical connection layer 18 is formed as an adhesive layer of electrically conductive adhesive.
  • the layers with a high degree of transmittance and a refractive index that is as similar as possible, wherein the refractive indices advantageously do not deviate from each other by more than 0.2.
  • An embodiment of the solar cell 2 according to the invention has the following layered structure:
  • the inactive regions 1 i of the solar cell 1 occupy about 10% to 30% of the total area of the solar cell.
  • Fig. 2 describes a so-called single-junction cell.
  • the solution according to the invention can also be applied to a multi-junction module, which is constructed from individual cells arranged one above the other, each of which is designed for different wavelength ranges.

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Abstract

Es wird eine Solarzelle (2) mit aktiven Bereichen (2a) mit einer vorzugsweise organischen Halbleiterschicht (14) und mit inaktiven Bereichen (2i) ohne die Halbleiterschicht (14) und einer als Lichteintrittsseite vorgesehenen Vorderseite beschrieben. Die Solarzelle (2) weist auf ihrer Rückseite Lichtleiteinrichtungen (20) mit lichtablenkenden Strukturelementen (23s) auf, die in die inaktiven Bereiche (2i) einfallendes Licht (29) auf die Halbleiterschicht (14) in den aktiven Bereichen (2a) lenken.

Description

S o l a r z e l l e
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solarzellen mit organischen Halbleiterschichten (OPV - organische Photovoltaik) weisen gegenüber Solarzellen mit anorganischen Halbleiterschichten bei vergleichbarer aktiver Fläche einen geringeren Wirkungsgrad auf, der momentan im Bereich von 5% liegt. Weiter weisen solche Solarzellen beispielsweise beim Aufbau aus mehreren miteinander elektrisch verbundenen Solarzellenmodulen inaktive Bereiche ohne photovoltaische Halbleiterschicht auf, die keinen Beitrag zur Energiegewinnung leisten. In den inaktiven Bereichen sind beispielsweise die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den Solarzellenmodulen angeordnet, die üblicherweise aus einem metallischen Material bestehen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Solarzelle zu schaffen, die einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird von einer Solarzelle in Form eines Mehrschichtkörpers, insbesondere in Form einer mehrschichtigen, flexiblen Folie gelöst, die aktive Bereiche mit mindestens einer photovoltaischen Halbleiterschicht und inaktiven Bereichen aufweist, wobei vorgesehen ist, dass die Solarzelle eine Lichtleiteinrichtung mit lichtablenkenden Strukturelementen aufweist, die in Bezug auf die Lichteintrittsseite unterhalb der mindestens einen Halbleiterschicht angeordnet sind und so ausgeformt sind, dass sie in die inaktiven Bereiche einfallendes Licht auf die mindestens eine Halbleiterschicht in den aktiven Bereichen lenken.
Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle ist eine Lichtleiteinrichtung vorgesehen, die in den Aufbau der Solarzelle integriert ist. Durch die Integration in die Solarzelle ist ein besonders kompakter Aufbau möglich. Besondere Justagearbeiten sind nicht vorgesehen, so dass ein personeller Aufwand für Montage und/oder Justage der Lichtleiteinrichtungen nicht eintritt.
Die erfindungsgemäße Solarzelle ist als ein flexibler Mehrschichtkörper ausgebildet, beispielsweise als Transfer- oder Laminierfolie. Die Solarzelle kann so besonders einfach montiert und transportiert werden, beispielsweise durch Aufkleben oder Auflaminieren bzw. durch Transport als Rollenware. Die Montageflächen sind wegen der Flexibilität der Solarzelle nicht auf ebene Flächen beschränkt.
Bei der Solarzelle kann es sich um eine Single- oder Multi-Junction-Solarzelle handeln. Bei den Multi-Junction-Solarzellen handelt es sich um Solarzellen, bei denen mehrere Einzelsolarzellen mit verschiedenen Bandlückenenergien übereinander gestapelt werden und möglichst verlustfrei miteinander verschaltet werden. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Solarzelle weiter verbessert werden.
Besondere Vorteile sind zu verzeichnen, wenn es sich bei der Solarzelle um eine Solarzelle mit organischer photovoltaischer Halbleiterschicht handelt, die mittels Druckverfahren in einem sogenannten Rolle-zu-Rolle-Prozess herstellbar ist. Photovoltaische Halbleiterschicht bedeutet hierbei, dass die Halbleiterschicht eine Funktionsschicht des photovoltaischen Prozesses bildet und als solche zur photovoltaischen Stromerzeugung beiträgt.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen bezeichnet.
Es kann vorgesehen sein, dass die inaktiven Bereiche transparente oder semitransparente Elektroden und/oder Stromleitelemente aufweisen. Die Solarzelle kann beispielsweise schachbrettartig aufgebaut sein, wobei zwischen den aktiven Bereichen mit den photovoltaischen Halbleiterschichten streifenförmige inaktive Bereiche angeordnet sind, deren Stromleitelemente so ausgebildet sein können, dass sie Reihen- und/oder Parallelschaltungen der aktiven Bereiche herstellen. Auf diese Weise kann die Solarzelle hinsichtlich der abgegebenen Spannung und des abgegebenen Stromes optimiert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die lichtablenkenden Strukturelemente in den inaktiven Bereichen der Solarzelle angeordnet sind und vorzugsweise in den aktiven Bereichen nicht vorgesehen sind.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die lichtablenkenden Strukturelemente gegenüber der Oberfläche der Solarzelle geneigte Reflexionsflächen aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass die Reflexionsflächen mindestens bereichsweise mit unterschiedlicher Neigung ausgebildet sind. Bei einer Lichtleiteinrichtung, die zwischen einem ersten und einem zweiten aktiven Bereich angeordnet ist, können also erste Reflexionsflächen vorgesehen sein, die eine solche Neigung zu den einfallenden Lichtstrahlen aufweisen, dass ein erster Teil der ausfallenden Lichtstrahlen auf den ersten aktiven Bereich gerichtet ist, und es können zweite Reflexionsflächen vorgesehen sein, die eine solche Neigung zu den einfallenden Lichtstrahlen aufweisen, dass ein zweiter Teil der ausfallenden Lichtstrahlen auf den zweiten aktiven Bereich gerichtet ist.
Es kann so vorgesehen sein, dass die Strukturelemente in Abhängigkeit von ihrem Abstand zum nächstgelegenen aktiven Bereich das einfallende Licht in einem unterschiedlichen Winkel durch Reflexion, Beugung oder Streuung ablenken und so das in den nicht aktiven Bereichen einfallende Licht möglichst gleichmäßig über die aktiven Bereiche verteilen.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Lichtleiteinrichtung als ein- oder mehrschichtiger Körper ausgebildet ist, der mindestens eine Strukturschicht aufweist, wobei die lichtablenkenden Strukturelemente in einer Oberflächenstruktur der Strukturschicht abgeformt sind. Die Ausbildung der Lichtleiteinrichtung als ein Mehrschichtkörper, vorzugsweise als ein folienartiger Mehrschichtkörper, ermöglicht das Aufbringen der Lichtleiteinrichtung auf die Solarzelle in einem an die Herstellung der Solarzelle unmittelbar anschließenden Arbeitsschritt bzw. Arbeitsschritten, vorzugsweise in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, die Lichtleiteinrichtung als vorgefertigten Folienkörper auf die Solarzelle zu kaschieren oder die unterste Schicht der Lichtleiteinrichtung auf die Solarzelle aufzubringen und danach sodann die weiteren Schichten der Lichtleiteinrichtung aufzubringen. Bei der Strukturschicht handelt es sich um eine vorzugsweise transparente Schicht, deren der photovoltaischen Halbleiterschicht abgewandte Seite mit der besagten Oberflächenstruktur versehen ist.
In einer ersten vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur eine Mikroprismenstruktur ist. Die Mikroprismen können mit einer Rasterweite von weniger als 300 μm angeordnet sein, bevorzugt von weniger als 50 μm. Beispielsweise kann eine Rasterweite von 20μm, eine Strukturtiefe von 8,3 μm und ein Prismenwinkel von 22,5° vorgesehen sein.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Oberflächenstruktur eine Blaze-Gitter- Struktur ist. Bei einem Blaze-Gitter handelt es sich um eine Oberflächenstruktur mit asymmetrischen sägezahnförmigen Strukturelementen, die das Licht aufgrund der Asymmetrie der Strukturelemente in ein oder mehrere bevorzugte Richtungen reflektieren und/oder beugen. Die Spatialfrequenzen der hier verwendeten Gitter liegen im Bereich von 20 Linien/mm bis 2000 Linien/mm, bevorzugt im Bereich von 20 Linien/mm bis 1500 Linien /mm. Die
Gitterfrequenz wird hierbei vorzugsweise so gewählt, dass diese Gitter als achromatische Gitter wirken. Dabei ist weiter zu beachten, dass die Blaze- Gitter-Struktur in Abhängigkeit von Parametern, wie der Schichtdicke der Halbleiterschicht, den Abmessungen und dem seitlichen und Höhen-Abstand der inaktiven Bereiche von den aktiven Bereichen dimensioniert werden muss, um in die inaktiven Bereiche einfallendes Licht in die aktiven Bereiche abzulenken. Begrenzend kann beispielsweise die Anzahl der Totalreflexionen am Blaze-Gitter wirken, die benötigt wird, um den inaktiven Bereich zu überbrücken. Bei dem Blaze-Gitter können die Ausrichtung der geneigten Flanken und der Neigungswinkel der geneigten Flanken abhängig von der Position des jeweiligen Strukturelements innerhalb des nichtaktiven Bereichs entsprechend gewählt sein, um das (annähernd senkrecht) einfallende Licht auf einen benachbarten aktiven Bereich zu reflektieren. Die Gitterlinien des Blaze- Gitters sind vorteilhafterweise parallel zur Grenzlinie zwischen dem aktiven Bereich und dem inaktiven Bereich orientiert, der Azimutwinkel der
Gitterstruktur ist weiter in Richtung des nächstgelegenen aktiven Bereichs orientiert und der Neigungswinkel der aktiven Flanke der Strukturelemente verringert sich - vorzugsweise linear - je näher das jeweilige Strukturelement an dem nächstgelegenen aktiven Bereich positioniert ist. Das Blaze-Gitter kann beispielsweise für eine mittlere Wellenlänge von 550 nm einen Strukturabstand von 2,3 μm bei einer Strukturtiefe von 0,8 μm aufweisen.
Es ist weiter auch möglich, dass in dem nichtaktiven Bereich ein symmetrisches Beugungsgitter vorgesehen ist, welches das einfallende Licht aus dem Spiegelreflex beugt - vorzugsweise wie bereits oben dargelegt - in einem Winkel in Bezug auf das Beugungsmaxima des für die photovoltaisch aktive Schicht relevanten Wellenlängenbereich, der den obigen Überlegungen entspricht. Auch hier ist es möglich, dass zur Veränderung der Spatialfrequenz, die von der Distanz vom nächstgelegenen aktiven Bereich abhängig ist, der Beugungswinkel verändert wird, um so eine möglichst gleichmäßige Verteilung des auf den nichtaktiven Bereich einfallenden Lichts auf die angrenzenden aktiven Bereiche zu erzielen. Ein lineares Sinusgitter kann bei einer mittleren Wellenlänge von 550 nm beispielsweise 1285 Linien/mm bei einer Strukturtiefe von 0,11 μm aufweisen.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen sehen vor, dass die Oberflächenstruktur eine diffraktive Oberflächenstruktur ist, insbesondere ein Kinoform, die Licht entsprechend gerichtet durch Beugung ablenkt, oder dass die Oberflächenstruktur eine anisotrope Mattstruktur ist, die das einfallende Licht entsprechend gerichtet streut. Sowohl das Kinoform als auch die anisotrope Mattstruktur können hierbei mittels holographischer Verfahren hergestellt werden. Generell ist es möglich, dass es sich bei den lichtablenkenden Strukturelementen nicht um Oberflächenstrukturen handelt, sondern um Volumenhologramme der Oberflächenstrukturen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Oberflächenstruktur eine Tiefe von 0,05 μm bis 20 μm, vorzugsweise 0,1 μm bis 10 μm aufweist. Weiter kann vorgesehen sein, dass die maximale Breite der lichtablenkenden Strukturelemente weniger als 500 μm beträgt, vorzugsweise weniger als 50 μm beträgt.
In einer vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass in den inaktiven Bereichen erste lichtablenkende Strukturelemente angeordnet sind, die in ein oder mehrere der inaktiven Bereiche einfallendes Licht auf die mindestens eine Halbleiterschicht in ein oder mehreren der aktiven Bereichen lenken, dass in den aktiven Bereichen zweite lichtablenkende Strukturelemente angeordnet sind, und dass die in den inaktiven Bereichen angeordneten ersten lichtablenkenden Strukturelemente unterschiedlich ausgebildet sind zu den in den aktiven Bereichen angeordneten zweiten lichtablenkenden Strukturelementen.
Die in den inaktiven Bereichen angeordneten ersten lichtablenkenden
Strukturelemente können so ausgebildet sein, dass sie aus dem jeweiligen aktiven Bereich austretendes Licht in diesen aktiven Bereich zurücklenken. Sie können so dazu beitragen, die Einkopplung des auf die Solarzelle auftreffenden Lichtes in den aktiven Bereich zu verbessern.
Es kann vorgesehen sein, dass die ersten lichtablenkenden Strukturelemente aus der Gruppe Mikroprismenstruktur, Blaze-Gitter-Struktur, difraktive Struktur, insbesondere Kinoform und anisotrope Mattstruktur, ausgewählt sind, und dass die zweiten lichtablenkenden Strukturelemente aus der Gruppe der Antireflexionsstrukturen, insbesondere Mottenaugenstrukturen, tiefe, hochfrequente oder gekreuzte Sinusgitter, und Retroreflexionsstrukturen ausgewählt sind. Retroreflexionsstrukturen strahlen einfallendes Licht in die Einfallsrichtung zurück, wie beispielsweise von Fahrzeugrückstrahlern bekannt. Die Feinstrukturen können vorteilhafterweise in eine Strukturschicht aus einem thermoplastischen Kunststoff oder aus einem UV-härtenden Lack abgeformt werden, beispielsweise mittels eines beheizten Prägewerkzeugs oder mittels UV-Replikation.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Strukturschicht vorzugsweise eine Dicke von 0,1 μm bis 100 μm aufweist. Bedingt durch die vorzugsweise vorgesehene geringe Schichtdicke und durch die geringe Strukturtiefe wird eine Lichtleiteinrichtung erhalten, die an die Schichtdicken der Solarzelle und deren mechanische Eigenschaften angepasst ist und daher auch keinerlei
Zwangskräfte auf die Solarzelle ausübt, sei es bei der Montage oder beim Gebrauch, beispielsweise bei Temperaturwechseln oder bei Windbelastung oder dergleichen.
Es ist aber auch möglich, dass die Dicke bis zu 500 μm beträgt. Alternativ dazu kann eine dünne Strukturschicht auf einer Trägerschicht angeordnet sein, wie weiter unten beschrieben. Der Brechungsindex der Trägerschicht sollte vorteilhafterweise mit dem Brechungsindex der Strukturschicht übereinstimmen oder annähernd übereinstimmen, so dass die Trägerschicht und die Strukturschicht in ihrem optischen Verhalten eine gemeinsame Schicht bilden. Der Unterschied zwischen den beiden Brechungsindizes sollte nicht größer als 0,2 sein.
In einer vorteilhaften Ausbildung ist vorgesehen, dass auf der Rückseite der Strukturschicht eine Reflexionsschicht angeordnet ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass weiter auf der Vorderseite der Strukturschicht eine Reflexionsschicht ausgebildet ist, vorzugsweise als eine Grenzschicht zwischen zwei optischen Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex, an der Totalreflexion eintritt. Es kann aber auch eine semitransparente Reflexionsschicht vorgesehen sein. Durch die Ausbildung von zwei voneinander beabstandeten Reflexionsflächen kann eine Lichtleitung durch Mehrfachreflexion ausgebildet werden, wie weiter unten näher beschrieben.
Bei der Reflexionsschicht kann es sich vorzugsweise um eine metallische
Schicht aus einem gut reflektierenden und vorzugsweise witterungsbeständigen Metall handeln. Zur Erhöhung der Witterungsbeständigkeit kann eine Schutzschicht auf der Reflexionsschicht vorgesehen sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die Reflexionsschicht aus Aluminium, Gold, Silber, Kupfer und/oder aus einer Legierung dieser Metalle ausgebildet ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Reflexionsschicht aus einem Metall- Mehrschichtkörper ausgebildet ist.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Reflexionsschicht eine Dicke von 10 nm bis 50 nm aufweist oder x-mal dieser Schichtdicke bei einem Mehrschichtkörper ist. Die Festlegung der Dicke der Reflexionsschicht kann materialabhängig vorgesehen sein und die Dicke so bemessen sein, dass die Reflexionsschicht gerade nicht mehr transparent ist. Die Dickenbestimmung kann vorteilhafterweise in einer Versuchsreihe vorgenommen werden.
Weiter ist es auch möglich, dass die Reflexionsschicht aus einer Abfolge von hoch- und niedrigbrechenden, dielektrischen Schichten (HRI-, LRI-Schichten) gebildet wird. Bei den HRI-Schichten handelt es sich um Schichten aus einem Material mit hohem Brechungsindex (High Refractive Index, » 1 ,5, bei den
LRI-Schichten um Schichten aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex (Low Refractive Index, « 1 ,5). In einer weiteren alternativen Ausbildung zur Reflexionsschicht kann vorgesehen sein, dass die Strukturschicht eine optische Brechzahl > 1 ,7 aufweist. Die Brechzahl ist so zu bestimmen, dass an der Rückseite der Strukturschicht Totalreflexion eintritt, wodurch eine besonders gute Reflexion erreicht ist. Vorteilhafterweise sollte allerdings sichergestellt sein, dass die Rückseite der Strukturschicht an Luft angrenzt. Das kann beispielsweise dadurch erreicht sein, dass die Montagefläche für die Solarzelle in den inaktiven Bereichen der Solarzelle zurückspringt, so dass die Solarzelle bereichsweise an Luft grenzt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Strukturschicht auf einer Trägerschicht angeordnet ist, wie weiter oben beschrieben.
Die Trägerschicht kann aus PET ausgebildet sein. Es können aber auch andere vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe vorgesehen sein.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Trägerschicht eine Barriere-Schicht bildet, die die Witterungsbeständigkeit der Zelle, wie auch die Langzeitstabilität gegen UV-Strahlung erhöht.
Es kann vorgesehen sein, dass die Trägerschicht eine Dicke bis zu 500 μm aufweist, vorzugsweise eine Dicke von 19 μm bis 150 μm aufweist. Unter der weiter oben genannten Voraussetzung, dass die Trägerschicht und die Strukturschicht annähernd den gleichen Brechungsindex aufweisen, kann so durch Variation der Dicke der Trägerschicht und der Strukturschicht in
Abhängigkeit von der Breite des inaktiven Bereichs die Anzahl der Reflexionen in der Lichtleiteinrichtung bestimmt werden, die notwendig ist, um in den inaktiven Bereich einfallendes Licht durch wiederholte Reflexionen sowohl an der Rückseite als auch an der Vorderseite der Lichtleiteinrichtung in einen benachbarten aktiven Bereich zu lenken. Wenn beispielsweise der inaktive Bereich eine Breite von 1 mm aufweist, unter einem Ablenkwinkel von 45° in den benachbarten aktiven Bereich eingestrahlt wird und nur eine Reflexion vorgesehen ist, dann müssen die für den optischen Weg in der Lichtleiteinrichtung maßgebende Trägerschicht und Strukturschicht zusammen eine Dicke von 500 μm aufweisen. Wenn zwei Reflexionen vorgesehen sind, können die Trägerschicht und die Strukturschicht zusammen eine Dicke von 250 μm aufweisen, bei drei Reflexionen 125 μm. Bevorzugt sind einige wenige Reflexionen, weil in der Praxis i. a. eine verlustfreie Reflexion nicht realisierbar ist, auch nicht bei der bevorzugten Totalreflexion.
In einer weiteren Ausbildung kann vorgesehen sein, dass zwischen der Trägerschicht und der Rückseite einer Gegenelektrode der Solarzelle eine Zwischenschicht angeordnet ist. Die Zwischenschicht kann beispielsweise als Haftschicht und/oder als Funktionsschicht vorgesehen sein.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zwischenschicht einen schichtweisen Aufbau aufweist.
Eine erste Schicht der Zwischenschicht kann aus PEDOT/PSS gebildet sein.
Die erste Schicht kann eine Dicke von 100 nm bis 250 nm aufweisen.
Eine zweite Schicht der Zwischenschicht kann aus ITO gebildet sein.
Die zweite Schicht kann eine Dicke von 50 nm bis 150 nm aufweisen.
Die vorstehend genannten Zwischenschichten bilden eine Zwischenschicht, die z.B. zur Erhöhung der Leitfähigkeiten dient. Es kann aber auch ein anderer Schichtaufbau vorgesehen sein und/oder es können andere Schichtmaterialien vorgesehen sein, die z.B. die Lichtführung positiv beeinflussen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung kann vorgesehen sein, dass die optischen Brechzahlen der Schichten der Lichtleiteinrichtung um nicht mehr als 0,2 voneinander abweichen. Dadurch ist erreicht, dass eine zusätzliche Lichtablenkung an den Schichtübergängen tolerierbar ist und die Lichtablenkung im wesentlichen durch den oben beschriebenen Neigungswinkel der Reflexionsflächen der lichtablenkenden Strukturelemente gegenüber den einfallenden Lichtstrahlen bestimmt ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass es sich bei der photovoltaischen Halbleiterschicht um eine organische Halbleiterschicht handelt. Es kann aber auch anorganisches Halbleitermaterial oder ein Gemisch aus organischem und anorganischem Halbleitermaterial vorgesehen sein, welches vorzugsweise mittels eines Sprüh- oder Druckprozesses in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren aufgebracht wird.
Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass sowohl eine der Lichteintrittsseite der Solarzelle zugewandte Elektrode als auch die der Lichteintrittsseite abgewandte Gegenelektrode als transparente und/oder semitransparente Elektroden ausgebildet sind. Bei Solarzellen nach dem Stand der Technik muss die Gegenelektrode nicht transparent ausgebildet sein. Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle erleichtert die transparente und/oder semitransparente Gegenelektrode jedoch das Einleiten des an den Reflexionsflächen der Strukturelemente abgelenkten Lichtes in die photovoltaische Halbleiterschicht. Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft verdeutlicht. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle vor dem Aufbringen von Lichtleiteinrichtungen;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt des Ausführungsbeispiels in Fig.
1 nach dem Aufbringen der Lichtleiteinrichtungen.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Solarzelle 1 , die als Single-Stack-Version ausgebildet ist. Bei der Solarzelle 1 handelt es sich um eine so genannte organische Solarzelle, bei der die photovoltaische Halbleiterschicht aus einem organischen Halbleitermaterial besteht. Dieser Aufbau wird auch als OVP bezeichnet.
Die Solarzelle 1 weist ein Trägersubstrat 11 auf, bei dem es sich um eine Kunststofffolie von etwa 20 bis 50 μm Stärke handeln kann, beispielsweise um eine PET-Folie. Das Trägersubstrat 11 ist transparent ausgebildet und der zum Betrieb der Solarzelle 1 benötigten Lichtquelle zugewandt, beispielsweise der Sonne. Das Trägersubstrat 11 bildet daher die Lichteintrittsseite der Solarzelle 1.
Die Solarzelle 1 ist abschnittsweise aufgebaut aus Solarzellenmodulen 1 m mit aktiven Bereichen 1a und inaktiven Bereichen 1 i. In den aktiven Bereichen 1a wird in die Solarzelle 1 einfallendes Licht in elektrische Energie umgewandelt. In den inaktiven Bereichen 1 i sind Stromleitelemente angeordnet, welche die aktiven Bereiche 1a elektrisch leitend miteinander verbinden, wobei Parallelschaltung und/oder Reihenschaltung der aktiven Bereiche vorgesehen sein kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, r aktive Bereiche in Reihe zu schalten und p dieser Reihenschaltungen parallel zu schalten oder umgekehrt, so dass Ausgangsspannung und Ausgangsstrom der Solarzelle 1 an den Bedarf eines mit der Solarzelle 1 verbundenen Verbrauchers anpassbar sind. Die inaktiven Bereiche 1 i reduzieren die für die Stromerzeugung nutzbare Fläche der Solarzelle 1.
Auf dem Trägersubstrat 11 ist eine transparente und/oder semitransparente Elektrode 12 angeordnet, die beispielsweise aus einer metallischen Schicht mit einer Schichtdicke von einigen Nanometer ausgebildet sein kann, beispielsweise mit einer Schichtdicke von 10 bis 15 nm. Die Elektrode 12 kann jedoch auch aus einem elektrisch leitfähigen transparenten Material, beispielsweise ITO, aus IMI (ITO; Metall; ITO) oder einem elektrisch leitfähigen Polymer, bestehen. Die metallische Schicht kann vorzugsweise aus Gold, Aluminium, Kupfer oder Silber oder aus einer Legierung aus diesen Metallen ausgebildet sein. Zwischen der transparenten und/oder semitransparenten Elektrode 12 und einer organischen Halbleiterschicht 14 ist eine HoIe- Blockerschicht 13 angeordnet, die beispielsweise aus TiOx gebildet sein kann. Auf der Halbleiterschicht 14 ist eine Elektronen-Blockerschicht 15 angeordnet, die beispielsweise aus PEDOT/PSS gebildet sein kann. Die Solarzelle 1 ist im aktiven Bereich 1a durch eine Gegenelektrode 16 abgeschossen, die beispielsweise wie die Elektrode 12 als transparente und/oder semitransparente Elektrode ausgebildet sein kann.
Die Gegenelektrode 16 weist einen überstehenden Randbereich auf, der zur Kontaktierung der Gegenelektrode 16 mit der Elektrode 12 des benachbarten aktiven Bereichs vorgesehen ist. Dazu ist der unter dem genannten Randbereich angeordnete Randbereich des aktiven Bereichs 1a mit einer senkrecht angeordneten Isolatorschicht 17 überzogen, auf der eine elektrisch leitende Verbindungsschicht 18 angeordnet ist, welche die Gegenelektrode 16 mit der benachbarten Elektrode 12 elektrisch leitend verbindet. Es handelt sich bei der Verbindungsschicht 18 also um eine senkrecht zur Oberfläche der Solarzelle 1 verlaufende Durchkontaktierung zwischen der Gegenelektrode 16 und der Elektrode 12 des benachbarten aktiven Bereichs. Die Verbindungsschicht 18 besteht beispielsweise aus einem leitfähigen Kleber, aus einer leitfähigen Tinte oder aus einer leitfähigen Schicht, die vorzugsweise transparent und/oder semitransparent ist. Die Elektrode 12 weist ebenfalls einen überstehenden Randbereich auf, der mit dem überstehenden Randbereich der Gegenelektrode 16 des vorangehenden aktiven Bereichs 1a korrespondiert, wobei die genannten Elektroden wiederum durch Durchkontaktierung miteinander verbunden sind.
Fig. 2 zeigt nun eine Solarzelle 2, die auf der in Fig. 1 beschriebenen Solarzelle 1 aufbaut.
Auf der der Lichteintrittsseite abgewandten Rückseite der Solarzellenmodule 1 m sind Lichtleiteinrichtungen 20 aufgebracht und überdecken dabei den aktiven Bereich 1a sowie den inaktiven Bereich 1 i der Solarzellenmodule 1 m. Die Lichtleiteinrichtungen 20 können auf eine nach Fig. 1 aufgebaute Solarzelle laminiert sein. Die Lichtleiteinrichtungen 20 sind als Mehrschichtkörper ausgebildet mit einer transparenten Trägerschicht 22, die beispielsweise aus einer PET-Folie von 20 bis 25 μm Schichtdicke gebildet sein kann. Auf der Trägerschicht 22 ist eine transparente Strukturschicht 23 angeordnet, die beispielsweise aus einer Replizierlackschicht besteht. Die Strukturschicht 23 weist in dem über dem inaktiven Bereich 1 i des Solarzellenmoduls 1 m angeordneten Abschnitt auf der der Lichteintrittsseite der Solarzelle 2 abgewandten Seite eine Oberflächenstruktur auf mit Strukturelementen 23s, die in Fig. 2 schematisch angedeutet sind. Die Strukturelemente 23s weisen zur Oberfläche der Solarzelle 2 geneigte Flächenabschnitte auf. Die Neigung der Flächenabschnitte ist in Abhängigkeit von der Relativposition des jeweiligen Strukturelements 23s zu dem nächstgelegenen aktiven Bereich 1a so bemessen, dass in die inaktiven Bereiche 1 i einfallende Lichtstrahlen 29 in die aktiven Bereiche 1a des Solarzellenmoduls 1m abgelenkt werden. Die Strukturelemente 23s sind in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als Dreikant-Prismen ausgebildet, die eine sägezahnförmige Oberflächenstruktur bilden. Wie in Fig. 2 weiter schematisch dargestellt, weisen die dem aktiven Bereich eines benachbarten Solarzellenmoduls zugewandten Randabschnitte der Oberflächenstruktur eine andere Orientierung auf als die übrigen Abschnitte der Oberflächenstruktur, so dass in den Randabschnitten einfallendes Licht auf die Halbleiterschicht 14 des benachbarten Solarzellenmoduls gelenkt wird. Durch diese Maßnahme wird das in die inaktiven Bereiche 2i einfallende Licht jeweils auf dem kürzesten Weg auf die Halbleiterschicht 14 gelenkt.
Die Strukturschicht 23 ist von einer Reflexionsschicht 24 bedeckt. Bei der Reflexionsschicht 24 handelt es sich um eine Licht gut reflektierende metallische Schicht, beispielsweise aus Aluminium, Gold, Silber oder Kupfer, einer Metalllegierung aus diesen Metallen oder aus einem Metallmehrschichtkörper. Auf die Reflexionsschicht 24 kann verzichtet sein, wenn die Strukturschicht 23 einen so hohen Brechungsindex aufweist, dass an der Rückseite der Strukturschicht 23 an den geneigten Flächenabschnitten der Strukturelemente 23s Totalreflexion eintritt. Vorzugsweise ist dann vorgesehen, dass die Rückseite der Strukturschicht 23 an Luft grenzt und dass der Brechungsindex > 1 ,7 ist. Zwischen der Trägerschicht 22 und der Gegenelektrode 16 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine aus zwei Teilschichten aufgebaute Zwischenschicht 21 vorgesehen. Eine erste Teilschicht ist aus PEDOT/PSS auf der Rückseite der Gegenelektrode 16 ausgebildet. Eine zweite Teilschicht 22 ist aus ITO ausgebildet und zwischen der Rückseite der ersten Teilschicht 21 und der Vorderseite der Trägerschicht 22 angeordnet. Die Zwischenschicht 21 kann optional vorgesehen sein.
Die Strukturelemente 23s besitzen hierbei bevorzugt eine Flankenneigung von 3° bis 60°, eine Breite von 0,5 μm bis 50 μm und eine Tiefe von 0,1 μm bis 10 μm. Die Ablenkung des Lichts erfolgt hierbei durch Reflexion und/oder Beugung.
Weiter ist es auch möglich, dass anstelle der Strukturelemente 23s ein Blaze- Gitter - vorzugsweise mit abschnittweise unterschiedlichen Neigungswinkeln der Flanken gemäss dem anhand von Fig. 2 erläuterten Konzept - ein Kinoform oder eine anisotrope Mattstruktur abgeformt ist, welche das in den inaktiven Bereichen 1 i einfallende Licht in die aktiven Bereiche durch Reflexion/Beugung ablenkt. Weiter ist es auch möglich, dass es sich bei der Oberflächenstruktur um eine binäre Oberflächenstruktur mit einer lokal variierenden Spatialfrequenz und einer Periode unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts handelt, die entsprechende lichtablenkende Eigenschaften besitzt.
Der Abstandsraum zwischen zwei benachbarten Solarzellenmodulen 1 m ist zumindest teilweise durch eine transparente Isolatorschicht 27 aufgefüllt, die sich in der Höhenausdehnung zwischen der Rückseite der Elektrode 12 und der Vorderseite der Zwischenschicht erstreckt. Die Isolatorschicht 27 ist im wesentlichen als Lichtleiter vorgesehen, da ein Luftweg zwischen den Schichten zu Lichtverlusten infolge Grenzflächenreflexion und/oder zu einer störenden Ablenkung der Lichtstrahlen führen kann. Weiter ist in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die elektrische Verbindungsschicht 18 als Kleberschicht aus elektrisch leitfähigem Kleber ausgebildet.
Was die optischen Eigenschaften der Lichtleiteinrichtung 20 betrifft, so ist vorgesehen, die Schichten mit einem hohen Transmissionsgrad und einem möglichst gleichen Brechungsindex auszubilden, wobei die Brechzahlen vorteilhafterweise nicht mehr als um 0,2 voneinander abweichen.
Ein Ausführungsmuster der erfindungsgemäßen Solarzelle 2 weist folgenden schichtweisen Aufbau auf:
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Die inaktiven Bereiche 1 i der Solarzelle 1 nehmen ca. 10 % bis 30 % der Gesamtfläche der Solarzelle ein.
Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel beschreibt eine sogenannte Single- Junction-Zelle. Die erfindungsgemäße Lösung ist jedoch auch auf ein Multi- Junction-Modul anwendbar, das aus einzelnen übereinander angeordneten Zellen aufgebaut ist, die jeweils für unterschiedliche Wellenlängenbereiche ausgelegt sind.

Claims

Ansprüche
1. Solarzelle (2) in Form eines Mehrschichtkörpers, insbesondere in Form einer mehrschichtigen, flexiblen Folie, mit einer als Lichteinstrittsseite vorgesehenen Vorderseite, wobei die Solarzelle aktive Bereiche (2a), in denen die Solarzelle mindestens eine photovoltaische Halbleiterschicht aufweist, und inaktive Bereiche (2i) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (2) eine Lichtleiteinrichtung (20) mit lichtablenkenden Strukturelementen (23s) aufweist, die in Bezug auf die Lichteintrittsseite unterhalb der mindestens einen Halbleiterschicht (14) angeordnet sind und so ausgeformt sind, dass sie in ein oder mehrere der inaktiven Bereiche (2i) einfallendes Licht (29) auf die mindestens eine Halbleiterschicht (14) in ein oder mehreren der aktiven Bereichen (2a) lenken.
2. Solarzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die inaktiven Bereiche (2i) transparente und/oder semitransparente
Elektroden und/oder Stromleitelemente aufweisen.
3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtablenkenden Strukturelemente (23s) in den inaktiven Bereichen (2i) der Solarzelle (2) angeordnet sind und vorzugsweise in den aktiven Bereichen (2a) der Solarzelle nicht vorgesehen sind.
4. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtablenkenden Strukturelemente (23s) gegenüber der Vorderseite der Solarzelle (2) geneigte Reflexionsflächen aufweisen.
5. Solarzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsflächen mindestens bereichsweise mit unterschiedlicher
Neigung ausgebildet sind.
6. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtablenkenden Strukturelemente (23s) so ausgestaltet sind, dass durch Mehrfachreflexionen, insbesondere Totalreflexionen, in der Lichtleiteinrichtung (20) in die inaktiven Bereiche (2i) einfallendes Licht (29) in ein oder mehrere der aktiven Bereiche (2a) gelenkt wird.
7. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiteinrichtung (20) als ein ein- oder mehrschichtiger Körper ausgebildet ist, welcher mindestens eine Strukturschicht (23) aufweist, wobei eine Oberflächenstruktur, die die lichtablenkenden Strukturelemente (23s) ausbildet, in einer Oberfläche der Strukturschicht (23) abgeformt ist.
8. Solarzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur eine Mikroprismenstruktur ist.
9. Solarzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur eine Blaze-Gitter-Struktur ist.
10. Solarzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spatialfrequenz des Blaze-Gitters im Bereich von 20 Linien/mm bis 2000 Linien/mm liegt, bevorzugt im Bereich von 20 Linien/mm bis 1500 Linien/mm.
11. Solarzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur eine diffraktive Oberflächenstruktur ist, insbesondere ein Kinoform, die Licht entsprechend gerichtet ablenkt.
12. Solarzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur eine anisotrope Mattstruktur ist, die Licht entsprechend ablenkt.
13. Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur eine Tiefe von 0,05 μm bis 20 μm, vorzugsweise 0,1 μm bis 10 μm aufweist.
14. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Breite der lichtablenkenden Strukturelemente (23s) weniger als 500 μm beträgt, vorzugsweise weniger als 50 μm beträgt.
15. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den inaktiven Bereichen (2i) erste lichtablenkende Strukturelemente angeordnet sind, die in ein oder mehrere der inaktiven Bereiche (2i) einfallendes Licht (29) auf die mindestens eine Halbleiterschicht (14) in ein oder mehreren der aktiven Bereichen (2a) lenken, dass in den aktiven Bereichen (2a) zweite lichtablenkende Strukturelemente angeordnet sind, und dass die in den inaktiven Bereichen (2i) angeordneten ersten lichtablenkenden Strukturelemente unterschiedlich ausgebildet sind zu den in den aktiven Bereichen (2a) angeordneten zweiten lichtablenkenden
Strukturelementen.
16. Solarzelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die in den aktiven Bereichen (2a) angeordneten zweiten lichtablenkenden Strukturelemente aus dem jeweiligen aktiven Bereich (2a) austretendes Licht (29) in diesen aktiven Bereich (2a) zurücklenken.
17. Solarzelle nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten lichtablenkenden Strukturelemente aus der Gruppe Mikroprismenstruktur, Blaze-Gitter-Struktur, difraktive Struktur, insbesondere Kinoform und anisotrope Mattstruktur ausgewählt sind, und dass die zweiten lichtablenkenden Strukturelemente aus der Gruppe der Antireflexionsstrukturen, insbesondere Mottenaugenstrukturen, tiefe, hochfrequente oder gekreuzte Sinusgitter, und Retroreflexionsstrukturen ausgewählt sind.
18. Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturschicht (23) aus einem thermoplastischen Kunststoff ausgebildet ist.
19. Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturschicht (23) aus einem UV-härtenden Lack ausgebildet ist.
20. Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Halbleiterschicht (14) abgewandten Seite der Strukturschicht (23) eine Reflexionsschicht (24) angeordnet ist.
21. Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturschicht (23) eine optische Brechzahl > 1 ,7 aufweist.
22. Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturschicht (23) auf einer Trägerschicht (22) angeordnet ist.
23. Solarzelle nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (22) eine Barriere-Schicht bildet.
24. Solarzelle nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Trägerschicht (22) und der Rückseite einer
Gegenelektrode (16) der Solarzelle (2) eine Zwischenschicht (21) angeordnet ist.
25. Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiteinrichtung von einem ein- oder mehrschichtigen Folienkörper gebildet ist, der vollflächig in einem oder mehreren der aktiven und/oder inaktiven Bereiche der Solarzelle vorgesehen ist.
26. Solarzelle nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet . dass die Lichtleiteinrichtung eine Laminierfolie ist, die die Strukturschicht, die Trägerschicht und eine auf der der Halbleiterschicht zugewandten Seite der Trägerschicht vorgesehene Kleberschicht umfasst.
27. Solarzelle nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schicht der Zwischenschicht (21) aus PEDOT/PSS gebildet ist.
28. Solarzelle nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht eine Dicke von 10 nm bis 100 nm aufweist.
29. Solarzelle nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Schicht der Zwischenschicht (21) aus ITO gebildet ist.
30. Solarzelle nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht eine Dicke von 5 nm bis 20 nm aufweist.
31. Solarzelle nach einem der Ansprüche 7 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Brechzahlen der Schichten der Lichtleiteinrichtung (20) um nicht mehr als 0,2 voneinander abweichen.
32. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht (14) durch mindestens eine organische
Halbleiterschicht gebildet wird.
33. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl eine der Lichteintrittsseite der Solarzelle (2) zugewandte Elektrode (12) als auch die der Lichteintrittsseite abgewandte Gegenelektrode (16) als transparente und/oder semitransparente Elektroden ausgebildet sind.
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