WO2014173915A1 - Verfahren zur anordnung von optoelektronischen bauelementen auf formkörpern - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for the arrangement of optoelectronic components on moldings.
- Optoelectronics is made up of optics and semiconductor electronics. It includes systems and procedures that enable the conversion of electronically generated data and energy into light emission or convert light emissions into energy.
- Optoelectronic components in particular organic photovoltaic modules (PV module), hereinafter referred to as OPV modules and organic light-emitting diodes (OLED) produce electrical energy or convert electrical energy into light emissions, which led out for use in the further course of the module or has to be led into it.
- PV module organic photovoltaic modules
- OLED organic light-emitting diodes
- the term photoactive also refers to the conversion of light energy into electrical energy.
- Optoelectronic devices differ among others in their construction. Due to their low operating voltage, organic light-emitting diodes can be used, for example, for the realization of large-area displays [C. W. Tang et al. , Appl. Phys. Lett. 51 (12, 1913 (1987)].
- OLEDs have thin layers of organic material, as described in DE 102 15 210. The contacting of the cathode and anode takes place by means of a transparent electrode (eg indium tin oxide ITO ) and a metallic contact located on a substrate (eg, glass, foil), and the second contact may also have a transparent finish.
- a transparent electrode eg indium tin oxide ITO
- a metallic contact located on a substrate (eg, glass, foil)
- the second contact may also have a transparent finish.
- the photovoltaic industry also exhibits from the State of the art on a variety of different designs.
- the photovoltaic fundamentally differs in first generation solar cells (silicon solar cells, consisting of: poly c-Si and mono c-Si), the second generation (thin film solar cells, consisting of: CdTe, CI (G) S (e), ⁇ -Si and a-Si) and the third generation solar cells (silicon solar cells, consisting of: poly c-Si and mono c-Si), the second generation (thin film solar cells, consisting of: CdTe, CI (G) S (e), ⁇ -Si and a-Si) and the third generation solar cells (silicon solar cells, consisting of: poly c-Si and mono c-Si), the second generation (thin film solar cells, consisting of: CdTe, CI (G) S (e), ⁇ -Si and a-Si) and the third generation solar cells (sili
- Organic solar cells consisting of: oligomers, polymers and DSSC (hybrid)).
- organic solar cells are flexible in their embodiment.
- they may have active layers of small vaporizable molecules or polymers (e.g., US7825326 B2).
- Polymers have the disadvantage that they are not volatile and can only be applied as a solution.
- This organic solar cell is constructed as follows: 0. carrier, substrate,
- n or p denotes an n- or p-type doping, which leads to an increase in the density of free electrons or holes in the thermal equilibrium state leads.
- the n-layer (s) or p-layer (s) are at least partially nominally undoped and only due to the material properties (eg different mobilities), due to unknown impurities (eg remaining residues from the synthesis, decomposition - or reaction products during the layer production) or due to influences of the environment (eg adjacent layers, diffusion of metals or other organic materials, gas doping from the
- Ambient atmosphere preferably n-conductive or preferably p-conductive properties.
- such layers are primarily to be understood as transport layers.
- i-layer designates a nominally undoped layer (intrinsic layer).
- One or more i-layers may in this case consist of layers both of a material and of a mixture of two materials (so-called interpenetrating networks or bulk-heteroj unction).
- the light incident through the transparent base contact generates excitons (bound electron-hole pairs) in the i-layer or in the n- / p-layer. These excitons can only be separated by very high electric fields or at suitable interfaces. In organic solar cells, sufficiently high fields are not available, so that all promising concepts for organic solar cells based on the exciton separation at photoactive interfaces.
- the excitons pass through diffusion to such an active interface, where electrons and holes are separated.
- the material, which which picks up electrons is called the acceptor, and the material that picks up the hole is called the donor (or donor).
- the separating interface may be between the p (n) layer and the i-layer or between two i-layers.
- the transport layers are transparent or largely transparent materials with a wide band gap (wide-gap), as described, for example, in WO 2004083958.
- wide-gap materials in this case materials are referred to, the absorption maximum in the wavelength range ⁇ 450 nm, preferably at ⁇ 400 nm.
- Implementation options for the photoactive i-layer known. So it may be a double layer or a mixed layer. Also known is a combination of double and mixed layers (US 6,559,375), and the combination of multiple mixed layers. It is also known that the mixing ratio in different areas of the mixed layer is different (US 20050110005) or the mixing ratio has a gradient.
- Organic pin tandem cells are also known from the literature:
- the structure of such a tandem cell consists of two single-pin cells, wherein the layer sequence "pin" describes the sequence of a p-doped layer system, an undoped photoactive layer system and an n-doped layer system doped layer systems are preferably made of transparent materials, so-called wide-gap materials / layers and they may be partially or completely undoped or location-dependent different doping concentrations or have a continuous gradient in the doping concentration Areas in the border region at the electrodes, in the border region to another doped or undoped transport layer, in the border region to the active layers or in tandem or multiple cells in the border region to the adjacent pin or nip subcell, ie in the Rekom Binding zone are possible.
- tandem cell can also be a so-called inverted structure (eg nip tandem cell).
- inverted structure eg nip tandem cell.
- One advantage of such a tandem pin cell is that all these possible tandem cell implementation forms are known as pin tandem cells
- the use of doped transport layers makes it possible to realize a very simple and at the same time very efficient realization possibility for the recombination zone between the two sub-cells
- the tandem cell has eg a pinpin structure (or also eg nipnip).
- each an n-doped layer and a p-doped layer which form a pn system (or np system).
- a very efficient recombination of the electrons and holes takes place.
- the stacking of two single pin cells results in a complete pin tandem cell without the need for additional layers.
- no more thin metal layers are needed as in Hiramoto to ensure efficient recombination. As a result, the loss absorption of such thin metal layers can be completely avoided.
- DE 10 2010 004 831 A1 describes a vehicle with a photovoltaic device formed by a safety glass viewing window with a transparent solar cell.
- the safety glass for vehicles naturally has a curved surface.
- the transparent solar cell in this case has interruptions, which are due to the lack of transparency of the semiconductor and / or the metal electrodes on the other hand, but the curved surface of the safety glass pane.
- the arrangement of planar solar cells on curved surfaces causes problems, which are usually solved by breaking or spacing of the individual solar cells. The problem here is that due to the resulting geometry loss of active area is given, which can not contribute to the current generation.
- DE 10 2004 003 328 B4 describes a method for producing a curved body part with solar cells, wherein a first hot melt adhesive film is applied to one side of the body element, onto the first hot melt adhesive film a planar composite of several planar solar cells is applied, to the solar cell composite a second hot melt adhesive film is applied, is applied by means of a die pressure on the second hot melt adhesive film, and the film composite thus formed is subjected to a heat treatment in order to laminate the solar cell composite with the body member.
- the arrangement of the solar cells as a planar composite of several flat solar cells between two hot melt adhesive films in turn leads to an incomplete coverage of the surface of the body part and thus to a loss of active area.
- DE 10 2009 031 A1 discloses a photovoltaic module and a method for producing a photovoltaic module, wherein the photovoltaic module has a substrate consisting of a stretchable material and a plurality of solar cells which are at least partially spaced therefrom. The solar cells are at least predominantly covered by another expandable material.
- interconnects are disclosed which are formed as alternating in opposite directions from a main direction curved, in particular zigzag, wavy or meandering running tracks. This ensures that the contact structures are not damaged by stretching the photovoltaic module.
- the expansion of the photovoltaic module allows a simpler arrangement on curved surfaces, however, the solar cells in the Module continues to have a spacing from each other.
- the object of the present invention is to provide a method for the arrangement of one or more optoelectronic components on molded articles, which overcomes the disadvantages of the prior art.
- a method for arranging at least one optoelectronic component on a shaped body comprising the steps of at least one stretching step, wherein the optoelectronic component is stretched in at least one direction, wherein the stretching step is an elongation of the optoelectronic component in longitudinal and / or width and / or thickness expansion / compression includes and the arrangement of the elongated optoelectronic component on the molding.
- elongation is understood to mean a change in length in the pulling direction.
- a change in length of the optoelectronic component in the direction of the tensile force is effected by means of a tensile force.
- a shaped body is a two-dimensional, ribbon or foil-shaped designed or understood a three-dimensional object.
- an elongation of the optoelectronic component takes place in the range of 0.25% -20%, preferably 0.5% -10%, particularly preferably 1%.
- the shaped body is plastically deformable at least once.
- the shaped body is flexible.
- a flexible molding is understood to mean moldings having elastic and plastic deformability.
- the shaped body has a two-dimensionally curved surface.
- a two-dimensionally curved surface is understood to mean a surface having a first and a second main curvature direction, wherein the first and second main curvature directions are different from one another and have a common point of intersection.
- the shaped body is transparent, semitransparent or opaque.
- a pretreatment of the surface of the shaped body takes place at least in the region of the optoelectronic component to be arranged and / or of the optoelectronic component.
- the pretreatment of the surface of the shaped body and / or of the optoelectronic component comprises at least one
- the arrangement of the stretched optoelectronic component takes place by means of a bonding agent, which is arranged between optoelectronic component and molded body.
- the arrangement of the stretched optoelectronic component on the shaped body is effected by means of a holding means, which realizes a mechanical arrangement of the optoelectronic component on the shaped body.
- the arrangement of the stretched optoelectronic component takes place on the shaped body by means of an energy input.
- the arrangement of the stretched optoelectronic component on the shaped body takes place by means of a radiation energy input.
- the arrangement of the stretched optoelectronic component on the shaped body takes place by means of magnetic, electrostatic, chemical, physical interaction between optoelectronic component and shaped body.
- the method further comprises a seal of the on the molding arranged optoelectronic component by means of a sealing means.
- a seal in the sense of the present invention is understood to be a shielding of the optoelectronic component against external environmental influences.
- a further shaped body is used as sealant.
- a film-shaped molding is used as the sealing agent.
- the sealing means is arranged on the optoelectronic component by an arrangement method selected from lamination, deposition, coating, gluing, joining, welding, bonding or spraying.
- the optoelectronic component to be arranged is an organic solar cell.
- Element used at least one organic layer of at least one organic material, which between the
- Electrode and the counter electrode is arranged.
- the active layer comprises at least one organic material.
- the active layer comprises at least one mixed layer having at least two main materials, which has an active donor
- At least one main material is an organic material.
- the organic material is a small molecule.
- small molecules means monomers which can be evaporated and thus deposited on the substrate.
- the organic material is at least partially polymers.
- at least one photoactive i-layer is formed from small molecules.
- At least one of the active mixed layers comprises as acceptor a material from the group of fullerenes or
- At least one doped, partially doped or undoped one is between the electrode and the counter electrode
- Transport layer arranged.
- the optoelectronic component to be arranged is an organic light-emitting diode, an organic solar cell, a
- Thin-film solar cell Thin-film solar cell, Grätzel cell, a photodiode or a phototransistor.
- the component is a pin single, pin tandem cell, pin multiple cell, nip single cell, nip tandem cell or nip multiple cell.
- the device consists of a combination of nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin or pipn structures, in which several independent combinations, at least one i-layer are stacked on top of each other.
- the optoelectronic component to be arranged has an expandable electrode.
- This electrode is its unlike conventional transparent electrodes, which are often e.g. consist of indium tin oxide, fluorine tin oxide, or zinc aluminum oxide, increased ductility while maintaining the electrical conductivity properties.
- the optoelectronic component to be arranged has a transparent, expandable electrode.
- the transparent electrode is selected from silver nanowire, carbon nanotube (CNT), carbon nanotube / graphene electrode, thin-film metal electrode, metal grid electrode, bus bar or meander-shaped.
- the optoelectronic component is transparent, semitransparent or opaque. In a further embodiment of the invention, the optoelectronic component comprises an organic solar cell or an organic photovoltaic film.
- Fig. 1 is a diagram showing a comparison of the elongation of modules with solar cells according to the invention and those with comparative solar cells.
- the comparative solar cells (ITO1 and IT02) have an ITO electrode and the solar cells according to the invention (AG-NW 1 and AG-NW 2) a silver nanowire electrode (Cambrios Technologies Corporation, Sunnyvale, CA, USA).
- the solar cells were clamped in a Zwick tensile testing machine. For this purpose, ribbed metallic clamping jaws were used. The elongation of the solar cells was recorded by a tactile extensometer.
- the light source was a halogen cold light source with double light guide for complete radiation of the solar cells.
- the force was manually increased until a certain stretch was reached. Then the force was held and the measurement of the efficiency was carried out. Then the next one took place
- an arrangement of a module with an optoelectronic component according to the invention, such as solar cells according to the invention, is carried out on a shaped body, such as a panoramic glass roof for automobiles.
- the solar cells which are preferably designed as organic solar cells, are preferably prepared in a roll-to-roll process.
- the deposition of the individual layers takes place on a stretchable substrate, such as a PET film (polyethylene terephthalate film) or PEN film (polyethylene naphthalate film).
- a stretchable electrode such as a silver nanowire electrode.
- the optoelectronic component of this is stretched in at least one direction and arranged on the curved surface of the shaped body, such as a panoramic glass roof for the automotive industry.
- a heat input for example via the glass pane, so that the stretchable substrate, which is formed for example of a plastic such as PET, is heated above its glass transition temperature and due to its flow behavior in combination with the successful elongation an optimal arrangement on the curved surface of the Guaranteed molding.
- the arrangement may be via suitable forming processes, such as such as thermoforming, take place, wherein the module containing the optoelectronic component, acts as a semi-finished product, which is arranged on the molding.
- an adhesive or a polymeric filler such as e.g. EVA or PVB used.
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- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anordnung zumindest eines optoelektronischen Bauelements auf einem Formkörper umfassendzumindest einen Dehnungsschritt, wobei der Dehnungsschritt eine Dehnung des optoelektronischen Bauelements in Längen- und/oder Breiten- und/ oder Dickendehnung/-stauchung umfasst und Anordnung des gedehnten optoelektronischen Bauelements auf dem Formkörper.
Description
Verfahren zur Anordnung von optoelektronischen Bauelementen auf Formkörpern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anordnung von optoelektronischen Bauelementen auf Formkörpern.
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) , im folgenden OPV-Module genannt und organische Leuchtdioden (organic light emitting diode, OLED) erzeugen elektrische Energie oder wandeln elektrische Energie in Lichtemissionen um, welche zur Anwendung im weiteren Verlauf aus dem Modul herausgeführt oder hineingeführt werden muss. Der Begriff photoaktiv bezeichnet hierbei ebenfalls die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie.
Optoelektronische Bauelemente unterscheiden sich unter anderen in ihrem Aufbau. Organische Leuchtdioden können aufgrund ihrer geringen Arbeitsspannung beispielsweise für die Realisierung großflächiger Displays eingesetzt werden [C. W. Tang et al . , Appl . Phys . Lett. 51 (12, 1913 (1987)]. Wie in der DE 102 15 210 AI ausgeführt, weisen OLED' s dünne Schichten aus organischen Material auf. Die Kontaktierung der Kathode und Anode erfolgt mittels einer transparenten Elektrode (z.B. Indium-Zinn-Oxid ITO) und einem metallischen Kontakt, der sich auf einem Substrat (z.B. Glas, Folie) befindet. Zudem kann auch der zweite Kontakt eine transparente Ausführung aufweisen.
Darüber hinaus weist auch die Photovoltaikbranche aus dem
Stand der Technik eine Vielzahl unterschiedlicher Bauweisen auf. Die Photovoltaik unterscheidet sich grundlegend in Solarzellen der ersten Generation (Silizium Solarzellen, bestehend aus: Poly c-Si und Mono c-Si) , der zweiten Generation (Dünnfilm Solarzellen, bestehend aus: CdTe, CI (G) S (e) , μο-Si und a-Si) und der dritten
Generation (Organische Solarzellen, bestehend aus: Oligomere, Polymere und DSSC (Hybrid) ) .
Insbesondere organische Solarzellen sind in ihrer Ausgestaltungsform flexibel. Wie z.B. aus der EP 2385556 AI hervorgehend, können sie aktive Schichten aus kleinen verdampfbaren Molekülen oder Polymeren (z.B. US7825326 B2) aufweisen. Polymere haben den Nachteil, dass sie nicht verdampfbar sind und nur als Lösung aufgebracht werden können.
Aus einem in der Literatur beschriebenen Aufbau einer organischen Solarzelle, wird eine Realisierungsmethode mittels einer pin-Diode vorgeschlagen.
Diese organische Solarzelle ist wie folgt aufgebaut: 0. Träger, Substrat,
1. Grundkontakt, meist transparent,
2. p- Schicht (en) ,
3. i- Schicht (en) ,
4. n- Schicht (en) , 5. Deckkontakt.
Hierbei bedeutet n bzw. p eine n- bzw. p-Dotierung, die zu einer Erhöhung der Dichte freier Elektronen bzw. Löcher im
thermischen Gleichgewichtszustand führt. Es ist allerdings auch möglich, dass die n-Schicht (en) bzw. p-Schicht (en) zumindest teilweise nominell undotiert sind und nur aufgrund der Materialeigenschaften (z.B. unterschiedliche Beweglichkeiten) , aufgrund unbekannter Verunreinigungen (z.B. verbliebene Reste aus der Synthese, Zerfalls- oder Reaktionsprodukte während der Schichtherstellung) oder aufgrund von Einflüssen der Umgebung (z.B. angrenzende Schichten, Eindiffusion von Metallen oder anderen organischen Materialien, Gasdotierung aus der
Umgebungsatmosphäre) bevorzugt n-leitende bzw. bevorzugt p- leitende Eigenschaften besitzen. In diesem Sinne sind derartigen Schichten primär als Transportschichten zu verstehen . Die Bezeichnung i-Schicht bezeichnet demgegenüber eine nominell undotierte Schicht (intrinsische Schicht) .
Eine oder mehrere i-Schichten können hierbei Schichten sowohl aus einem Material, als auch eine Mischung aus zwei Materialien (sogenannte interpenetrierende Netzwerke bzw. bulk-heteroj unction) bestehen.
Das durch den transparenten Grundkontakt einfallende Licht erzeugt in der i-Schicht bzw. in der n-/p-Schicht Exzitonen (gebundene Elektron-Loch-Paare) . Diese Exzitonen können nur durch sehr hohe elektrische Felder oder an geeigneten Grenzflächen getrennt werden. In organischen Solarzellen stehen ausreichend hohe Felder nicht zur Verfügung, so dass alle Erfolg versprechenden Konzepte für organische Solarzellen auf der Exzitonentrennung an photoaktiven Grenzflächen beruhen. Die Exzitonen gelangen durch Diffusion an eine derartige aktive Grenzfläche, wo Elektronen und Löcher voneinander getrennt werden. Das Material, welches
die Elektronen aufnimmt, wird dabei als Akzeptor, und das Material, welches das Loch aufnimmt, als Donator (oder Donor) bezeichnet. Die trennende Grenzfläche kann zwischen der p- (n-) Schicht und der i-Schicht bzw. zwischen zwei i- Schichten liegen. Im eingebauten elektrischen Feld der Solarzelle und innerhalb der Diffusion werden die Elektronen nun zum n-Gebiet und die Löcher zum p-Gebiet abtransportiert. Der Transport beschränkt sich nicht auf das elektrische Feld. Er findet auch durch die Diffusion statt. Vorzugsweise handelt es sich bei den Transportschichten um transparente oder weitgehend transparente Materialien mit großer Bandlücke (wide-gap) wie sie z.B. in WO 2004083958 beschrieben sind. Als wide-gap Materialien werden hierbei Materialien bezeichnet, deren Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich <450nm liegt, vorzugsweise bei <400nm.
Bei Kombination einer Donor- und Akzeptorschicht (keine Einzelschicht) , ist diese durch die Exzitonendiffusionslänge limitiert. Exzitonen die in der Schicht in weiter Entfernung generiert werden, erreichen die trennende Grenzfläche nicht Falls es sich bei der i-Schicht um eine Mischschicht handelt, so übernimmt die Aufgabe der Lichtabsorption entweder nur eine der Komponenten oder auch beide. Der Vorteil von Mischschichten ist, dass die erzeugten Exzitonen nur einen sehr kurzen Weg zurücklegen müssen bis sie an eine Domänengrenze gelangen, wo sie getrennt werden. Der Abtransport der Elektronen bzw. Löcher erfolgt getrennt in den jeweiligen Materialien. Da in der Mischschicht die Materialien überall miteinander im Kontakt sind, ist bei diesem Konzept entscheidend, dass die getrennten Ladungen eine lange Lebensdauer auf dem jeweiligen Material besitzen und von jedem Ort aus geschlossene Perkolationspfade für beide Ladungsträgersorten zum jeweiligen Kontakt hin
vorhanden sind.
Aus der Literatur sind verschiedene
Realisierungsmöglichkeiten für die photoaktive i-Schicht bekannt. So kann es sich hierbei um eine Doppelschicht oder eine Mischschicht handeln. Bekannt ist auch eine Kombination aus Doppel-und Mischschichten (US 6,559,375), sowie der Kombination mehrerer Mischschichten. Ebenfalls bekannt ist, dass das Mischungsverhältnis in verschiedenen Bereichen der Mischschicht unterschiedlich ist (US 20050110005) bzw. das Mischungsverhältnis einen Gradienten aufweist.
Weiterhin sind Tandem- bzw. Mehrfachsolarzellen aus der Literatur bekannt (Hiramoto, Chem. Lett.,1990, 327 (1990).
Aus der Literatur schon lange bekannt sind organische Tandemsolarzellen (Hiramoto, Chem. Lett.,1990, 327 (1990). In der Tandemzelle von Hiramoto et al . befindet sich eine 2nm dicke Goldschicht zwischen den beiden Einzelzellen. Die Aufgabe dieser Goldschicht besteht darin für eine gute elektrische Verbindung zwischen den beiden Einzelzellen zu sorgen: die Goldschicht bewirkt eine effiziente Rekombination der Löcher aus der einen Teilzelle mit den Elektronen aus der anderen Teilzelle und bewirkt damit, dass die beiden Teilzellen elektrisch in Serie verschaltet sind. Weiterhin absorbiert die Goldschicht wie jede dünne Metallschicht (bzw. Metallcluster) einen Teil des einfallenden Lichts. Diese Absorption ist in der Tandemzelle von Hiramoto ein Verlustmechanismus, da dadurch den photoaktiven Schichten (H2Pc (metallfreies Phthalocyanin) / Me-PTC (N,N" -dimethylperylene-3, 4, 9, 10-bis (dicarboximide) in den beiden Einzelzellen der Tandemzelle weniger Licht zur Verfügung steht. Die Aufgabe der Goldschicht ist in dieser Tandemstruktur daher rein auf der elektrischen Seite.
Innerhalb dieser Konzeption sollte die Goldschicht möglichst dünn sein bzw. im besten Fall komplett wegfallen.
Weiterhin aus der Literatur bekannt sind organische pin- Tandemzellen : Die Struktur solch einer Tandemzelle besteht aus zwei pin-Einzelzellen wobei die Schichtfolge „pin" die Abfolge aus einem p-dotierten Schichtsystem, einem undotierten photoaktiven Schichtsystem und einem n-dotierten Schichtsystem beschreibt. Die dotierten Schichtsysteme bestehen bevorzugt aus transparenten Materialien, so genannten wide-gap Materialien/Schichten und sie können hierbei auch teilweise oder ganz undotiert sein oder auch ortsabhängig verschiedene Dotierungskonzentrationen aufweisen bzw. über einen kontinuierlichen Gradienten in der Dotierungskonzentration verfügen. Speziell auch sehr gering dotierte oder hochdotierte Bereiche im Grenzbereich an den Elektroden, im Grenzbereich zu einer anderen dotierten oder undotierten Transportschicht, im Grenzbereich zu den aktiven Schichten oder bei Tandem- oder Mehrfachzellen im Grenzbereich zu der anliegenden pin- bzw. nip- Teilzelle, d.h. im Bereich der Rekombinationszone sind möglich. Auch eine beliebige Kombination aus allen diesen Merkmalen ist möglich. Natürlich kann es sich bei einer solchen Tandemzelle auch um eine sogenannte invertierte Struktur (z.B. nip-Tandemzelle ; handeln. Im Folgenden werden alle diese möglichen Tandemzellen-Realisierungsformen mit dem Begriff pin-Tandemzellen bezeichnet. Ein Vorteil einer solchen pin-Tandemzelle besteht darin, dass durch die Verwendung von dotierten Transportschichten eine sehr einfache und gleichzeitig sehr effiziente Realisierungsmöglichkeit für die Rekombinationszone zwischen den beiden Teilzellen möglich ist. Die Tandemzelle weist z.B. eine pinpin-Struktur auf (oder auch z.B. möglich
nipnip) . An der Grenzfläche zwischen den beiden pin- Teilzellen befinden sich jeweils eine n-dotierte Schicht und eine p-dotierte Schicht, die ein pn-System (bzw. np-System) bilden. In einem solchen dotierten pn-System erfolgt eine sehr effiziente Rekombination der Elektronen und Löcher. Die Stapelung von zwei pin-Einzelzellen ergibt damit direkt eine vollständige pin-Tandemzelle, ohne dass noch weitere Schichten benötigt werden. Speziell von Vorteil ist hier, dass keine dünnen Metallschichten mehr benötigt werden wie bei Hiramoto, um die effiziente Rekombination zu gewährleisten. Hierdurch kann die Verlustabsorption solcher dünnen Metallschichten komplett vermieden werden.
Besondere Probleme ergeben sich jedoch bei der Anordnung von optoelektronischen Bauelementen auf gekrümmten Oberflächen, wie Glasdächern oder Bauteilen.
So beschreibt die DE 10 2010 004 831 AI ein Fahrzeug mit einer durch eine Sicherheitsglas-Sichtscheibe mit einer transparenten Solarzelle gebildeten photovoltaische Vorrichtung. Die Sicherheitsglasscheibe für Fahrzeuge weist dabei naturgemäß eine gekrümmte Oberfläche auf. Die transparente Solarzelle weist dabei Unterbrechungen auf, welche zum einen der mangelnden Transparenz der Halbleiter - und/oder der Metallelektroden geschuldet sind zum anderen aber der gekrümmten Oberfläche der Sicherheitsglasscheibe. Insbesondere die Anordnung planar ausgebildeter Solarzellen auf gekrümmten Oberflächen bereitet Probleme, welche meist mittels Durchbrechung oder Beabstandung der einzelnen Solarzellen gelöst werden. Problematisch dabei ist jedoch, dass aufgrund der sich dadurch ergebenden Geometrie ein Verlust an aktiver Fläche gegeben ist, welche nicht zur Stromgeneration beitragen kann.
Die DE 10 2004 003 328 B4 beschriebt ein Verfahren zur Herstellung eines gewölbten Karosserieteils mit Solarzellen, wobei auf eine Seite des Karosserieelements eine erste Schmelzklebefolie aufgelegt wird, auf die erste Schmelzklebefolie ein flächiger Verbund aus mehreren planen Solarzellen aufgelegt wird, auf den Solarzellenverbund eine zweite Schmelzklebefolie aufgelegt wird, mittels einer Matrize Druck auf die zweite Schmelzklebefolie ausgeübt wird, und der so gebildete Folienverbund einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um den Solarzellenverbund mit dem Karosserieelement zu laminieren. Die Anordnung der Solarzellen als flächiger Verbund aus mehreren planen Solarzellen zwischen zwei Schmelzklebefolien führt wiederum zu einer unvollständigen Bedeckung der Oberfläche des Karosserieteils und somit zu einem Verlust an aktiver Fläche .
Schließlich offenbart die DE 10 2009 031 AI ein Photovoltaikmodul und ein Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls , wobei das Photovoltaikmodul ein aus einem dehnbaren Material bestehendes Substrat und mehrere auf diesem aufgebrachte Solarzellen, die zumindest teilweise zueinander beabstandet sind, aufweist. Die Solarzellen sind dabei durch ein weiteres dehnbares Material zumindest überwiegend bedeckt. Zudem werden Leiterbahnen offenbart, welche als alternierend in einander gegenüberliegende Richtungen aus einer Hauptrichtung gekrümmten, insbesondere Zickzack-, wellen- oder mäanderförmig verlaufenden Leiterbahnen ausgebildet sind. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Kontaktstrukturen durch eine Dehnung des Photovoltaik Moduls nicht beschädigt werden. Zwar erlaubt die Dehnung des Photovoltaikmoduls eine einfachere Anordnung auf gekrümmten Oberflächen jedoch weisen die Solarzellen im
Modul weiterhin eine Beabstandung voneinander auf.
Es wäre daher in hohem Maße wünschenswert ein Verfahren zur Anordnung eines optoelektronischen Bauelements auf einem Formkörper anzugeben, welches eine Anordnung auf gekrümmten Oberflächen bei möglichst vollflächiger Ausbildung anzugeben .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Anordnung eines oder mehrerer optoelektronischer Bauelemente auf Formkörpern anzugeben, welches die Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Anordnung mindestens eines optoelektronischen Bauelements auf einem Formkörper vorgeschlagen, umfassend die Schritte mindestens einen Dehnungsschritt, wobei das optoelektronische Bauelement in zumindest eine Richtung gedehnt wird, wobei der Dehnungsschritt eine Dehnung des optoelektronischen Bauelements in Längen- und/oder Breiten- und/ oder Dickendehnung/-stauchung umfasst und die Anordnung des gedehnten optoelektronischen Bauelements auf dem Formkörper.
Unter einer Dehnung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Längenänderung in Zugrichtung verstanden. Dabei wird mittels einer Zugkraft eine Längenänderung des optoelektronischen Bauelements in Richtung der Zugkraft bewirkt .
Unter einem Formkörper wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein zweidimensionaler, band- oder folienförmig
ausgestalteter bzw. ein dreidimensionaler Gegenstand verstanden .
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine Dehnung des optoelektronischen Bauelements im Bereich von 0,25% - 20%, vorzugsweise 0,5% - 10%, besonders bevorzugt 1%
- > 9o- ·
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Formkörper zumindest einmal plastisch formbar ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Formkörper flexibel ausgebildet.
Unter einem flexiblen Formkörper wird Formkörper mit elastischer und plastischer Verformbarkeit verstanden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Formkörper eine zweidimensional gewölbte Oberfläche auf. Unter einer zweidimensional gewölbten Oberfläche wird im Sinne der Erfindung eine Fläche mit einer ersten und einer zweiten Hauptkrümmungsrichtung verstanden, wobei die erste und zweite Hauptkrümmungsrichtung voneinander verschieden sind und einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Formkörper transparent, semitransparent oder opak ausgeführt .
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt vor der Anordnung des gedehnten optoelektronischen Bauelements auf dem Formkörper eine Vorbehandlung der Oberfläche des Formkörpers zumindest im Bereich des anzuordnenden optoelektronischen Bauelements und / oder des optoelektronischen Bauelements.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorbehandlung der Oberfläche des Formkörpers und / oder des optoelektronischen Bauelements zumindest einen
Verfahrensschritt ausgewählt aus Plasmabehandlung,
Silanisierung, Ätzen, Anrauen, elektrostatische Aufladung, Beflammung, Sandstrahlen umfasst.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anordnung des gedehnten optoelektronischen Bauelements mittels eines Haftvermittlers, welcher zwischen optoelektronischen Bauelement und Formkörper angeordnet wird .
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anordnung des gedehnten optoelektronischen Bauelements auf dem Formkörper mittels eines Haltemittels, welches eine mechanische Anordnung des optoelektronischen Bauelements auf dem Formkörper realisiert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anordnung des gedehnten optoelektronischen Bauelements auf dem Formkörper mittels eines Energieeintrags.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anordnung des gedehnten optoelektronischen Bauelements auf dem Formkörper mittels eines Strahlungsenergieeintrags.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anordnung des gedehnten optoelektronischen Bauelements auf dem Formkörper mittels magnetischer, elektrostatischer, chemischer, physikalischer Wechselwirkung zwischen optoelektronischen Bauelement und Formkörper.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin eine Versiegelung des auf dem Formkörper
angeordneten optoelektronischen Bauelements mittels eines Versiegelungsmittels .
Unter einer Versiegelung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Abschirmung des optoelektronischen Bauelements gegen äußere Umwelteinflüsse verstanden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Versiegelungsmittel ein weiterer Formkörper verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Versiegelungsmittel ein folienförmiger Formkörper verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Versiegelungsmittel durch ein Anordnungsverfahren ausgewählt aus Lamination, Abscheiden, Beschichten, Verkleben, Fügen, Verschweißen, Bonden oder Sprayen auf dem optoelektronischen Bauelement angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das anzuordnende optoelektronische Bauelement eine organische Solarzelle .
In einer Ausführungsform der Erfindung wird im photoaktiven
Bauelement zumindest eine organische Schicht aus mindestens einem organischen Material verwendet, welche zwischen der
Elektrode und der Gegenelektrode angeordnet ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die aktive Schicht zumindest ein organisches Material auf.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die aktive Schicht mindestens eine Mischschicht mit mindestens zwei Hauptmaterialien, wobei diese ein aktives Donor-
Akzeptor-System bilden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Hauptmaterial ein organisches Material.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem organischen Material um kleine Moleküle. Unter dem Begriff kleine Moleküle werden im Sinne der Erfindung Monomere verstanden, die verdampft und damit auf dem Substrat abgeschieden werden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem organischen Material zumindest teilweise um Polymere. Dabei wird aber zumindest eine photoaktive i- Schicht aus kleinen Molekülen gebildet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst mindestens eine der aktiven Mischschichten als Akzeptor ein Material aus der Gruppe der Fullerene bzw.
Fullerenderivate .
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode zumindest eine dotierte, teilweise dotierte oder undotierte
Transportschicht angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das anzuordnende optoelektronische Bauelement eine organische Leuchtdiode, eine organische Solarzelle, eine
Dünnschichtsolarzelle, Grätzel-Zelle, eine Photodiode oder ein Phototransistor.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Bauelement um eine pin-Einzel, pin-Tandemzelle, pin-Mehrfachzelle, nip-Einzelzelle, nip- Tandemzelle oder nip-Mehrfachzelle .
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Bauelement aus einer Kombination aus nip, ni, ip, pnip, pni, pip, nipn, nin, ipn, pnipn, pnin oder pipn-Strukturen, bei der mehrere unabhängige Kombinationen, die mindestens eine
i-Schicht enthalten, übereinander gestapelt sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das anzuordnende optoelektronische Bauelement eine dehnbare Elektrode auf. Das besonderes Merkmal dieser Elektrode ist ihre im Gegensatz zu herkömmlichen transparente Elektroden, die oft z.B. aus Indium-Zinn-Oxid, Fluor-Zinn-Oxid, oder Zink-Aluminium-Oxid bestehen, erhöhte Dehnbarkeit bei gleichzeitiger Erhaltung der elektrischen Leiteigenschaften.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das anzuordnende optoelektronische Bauelement eine transparente, dehnbare Elektrode auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die transparente Elektrode ausgewählt aus Silber-Nanowire, Carbon-Nanotubes (CNT) , Carbon Nanotubes/Graphen-Elektrode, Dünnschicht- Metall-Elektrode, Metallgrid-Elektrode, Busbar oder mäanderförmig ausgebildet.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das optoelektronische Bauelement transparent, semitransparent oder opak ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das optoelektronische Bauelement eine organische Solarzelle oder einen organischen Photovoltaikfilm.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Kombinationen der Ansprüche oder einzelner Merkmale davon.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und Figuren eingehend erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken. Es zeigt die
Fig. 1 ein Diagramm, welches einen Vergleich der Dehnung von Modulen mit erfindungsgemäßen Solarzellen und von solchen mit Vergleichssolarzellen darstellt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel sind in der Fig. 1 schematisch die Dehnung zweier Module mit erfindungsgemäßen Solarzellen sowie zweier Module mit Vergleichssolarzellen dargestellt. Dabei weisen die Vergleichssolarzellen (ITOl und IT02) eine ITO-Elektrode und die erfindungsgemäßen Solarzellen (AG-NW 1 und AG-NW 2) eine Silber-Nanowire- Elektrode (Cambrios Technologies Corporation, Sunnyvale, CA, USA) auf.
Die Solarzellen wurden in eine Zwick-Zugprüfmaschine eingespannt. Dazu wurden geriffelte metallische Klemmbacken genutzt. Die Dehnung der Solarzellen wurde über ein taktiles Extensometer aufgenommen.
Als Lichtquelle diente eine Halogen Kaltlichtquelle mit doppeltem Lichtleiter zur kompletten Ausstrahlung der Solarzellen. Während des Versuchs wurde die Kraft manuell so weit erhöht, bis eine bestimmte Dehnung erreicht wurde. Dann wurde die Kraft gehalten und die Messung der Effizienz durchgeführt. Anschließend erfolgte der nächste
Dehnungsschritt . Um den Einfluss der Dehnung der Solarzellen auf deren Effizienz zu testen, wurden die normierten Effizienzen gegen die erfolgte Dehnung aufgetragen. Aus der Fig. 1 lässt sich dabei erkennen, dass ab einer Dehnung von 1,5 % ein deutlicher Leistungsabfall bei den Vergleichszellen (ITOl und IT02) erfolgt, wobei bei etwa 2 % Dehnung keine Effizienz mehr festgestellt werden konnte. Dagegen weisen die erfindungsgemäßen Solarzellen einen linearen Abfall der
normierten Effizienz gegen die erfolgte Dehnung auf. Bei einer Dehnung von 7 % beträgt die normierte Effizienz immerhin noch etwa 50 % des Ausgangswerts.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Anordnung eines Moduls mit einem erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelement, wie etwa erfindungsgemäßen Solarzellen, auf einem Formkörper, wie etwa einem Panorama-Glasdach für Automobile, durchgeführt.
Die Solarzellen, welche vorzugsweise als organische Solarzellen ausgeführt sind, werden vorzugsweise in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt. Dabei erfolgt die Abscheidung der einzelnen Schichten auf einem dehnbaren Substrat, wie etwa einer PET-Folie ( Polyethylenterephthalat- Folie) oder PEN-Folie (Polyethylennaphthalat-Folie) . Um eine effektive Dehnbarkeit der Solarzellen zu gewährleisten ist es vorteilhaft, eine dehnbare Elektrode, wie etwa eine Silber-Nanowire-Elektrode zu verwenden. Zur Anordnung des optoelektronischen Bauelements wird dieses in zumindest eine Richtung gedehnt und auf die gewölbte Oberfläche des Formkörpers, beispielsweise eines Panorama- Glasdachs für den Automobilbau, angeordnet. Dazu kann zudem ein Wärmeeintrag, etwa über die Glasscheibe erfolgen, sodass das dehnbare Substrat, welches beispielsweise aus einem Kunststoff wie PET ausgebildet ist, über seine Glasübergangstemperatur erwärmt wird und aufgrund seines Fließverhaltens in Kombination mit der erfolgenden Dehnung eine optimale Anordnung auf der gewölbten Oberfläche des Formteils gewährleistet.
Die Anordnung kann dabei über geeignete Umformverfahren, wie
etwa Thermoformen, erfolgen, wobei das Modul, welches das optoelektronische Bauelement enthält, als Halbzeug fungiert, welches auf dem Formkörper angeordnet wird.
Als Haltemittel wird erfindungsgemäß beispielsweise ein Klebstoff oder ein polymerer Füllstoff wie z.B. EVA oder PVB verwendet .
Claims
1. Verfahren zur Anordnung zumindest eines optoelektronischen Bauelements auf einem Formkörper umfassend : zumindest einen Dehnungsschritt, wobei das optoelektronische Bauelement in zumindest eine Richtung gedehnt wird, wobei der Dehnungsschritt eine Dehnung des optoelektronischen Bauelements in Längen- und/oder Breiten- und/ oder Dickendehnung/-stauchung umfasst und
- Anordnung des gedehnten optoelektronischen Bauelements auf dem Formkörper.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper zumindest einmal plastisch formbar ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper flexibel ausgebildet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper eine zweidimensional gewölbte Oberfläche aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper transparent, semitransparent oder opak ausgeführt ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Anordnung des
gedehnten optoelektronischen Bauelements auf dem Formkörper eine Vorbehandlung der Oberfläche des Formkörpers zumindest im Bereich des anzuordnenden optoelektronischen Bauelements und / oder des optoelektronischen Bauelements erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbehandlung der Oberfläche des Formkörpers und / oder des optoelektronischen Bauelements zumindest einen Verfahrensschritt ausgewählt aus Plasmabehandlung, Silanisierung, Ätzen, Anrauen, elektrostatische Aufladung, Beflammung, Sandstrahlen umfasst.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des gedehnten optoelektronischen Bauelements mittels eines Haftvermittlers, welcher zwischen optoelektronischen Bauelement und Formkörper angeordnet wird, erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anordnung des gedehnten
optoelektronischen Bauelements mittels eines
Haltemittels, welches eine mechanische Anordnung des optoelektronischen Bauelements auf dem Formkörper realisiert, erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Anordnung des gedehnten
optoelektronischen Bauelements mittels eines
Energieeintrags erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des gedehnten optoelektronischen Bauelements mittels eines Strahlungsenergieeintrags erfolgt .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des
optoelektronischen Bauelements mittels magnetischer, elektrostatischer, chemischer, physikalischer
Wechselwirkung zwischen optoelektronischen Bauelement und Formkörper erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Versiegelung des auf dem Formkörper angeordneten optoelektronischen Bauelements mittels eines Versiegelungsmittels.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Versiegelungsmittel ein weiterer Formkörper verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Versiegelungsmittel ein folienförmiger Formkörper verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Versiegelungsmittel durch ein Anordnungsverfahren ausgewählt aus Lamination, Abscheiden, Beschichten, Verkleben, Verschweißen, Fügen, Bonden oder Sprayen auf dem optoelektronischen Bauelement angeordnet wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein
anzuordnendes optoelektronisches Bauelement eine
organische Solarzelle ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das anzuordnende optoelektronische Bauelement eine organische Leuchtdiode, eine organische
Solarzelle, eine Dünnschichtsolarzelle, eine Grätzel- Zelle, eine Photodiode, ein Phototransistor oder eine Kombinationen der vorgenannten Bauelemente ist.
19. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anzuordnende
optoelektronische Bauelement eine dehnbare Elektrode enthält .
20. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anzuordnende
optoelektronische Bauelement eine transparente, dehnbare Elektrode aufweist.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente, dehnbare Elektrode im Bauelement aus Metall-Nanodrähten, bevorzugt Silber-Nanowires , oder aus Carbon-Nanotubes (CNT) , Graphen, Dünnschicht- Metall-Elektrode, Metallgrid-Elektrode, oder
mäanderförmigen Busbars ausgebildet ist.
Applications Claiming Priority (2)
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| DE102013104094.2 | 2013-04-23 | ||
| DE102013104094.2A DE102013104094A1 (de) | 2013-04-23 | 2013-04-23 | Verfahren zur Anordnung von optoelektronischen Bauelementen auf Formkörpern |
Publications (1)
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|---|---|
| WO2014173915A1 true WO2014173915A1 (de) | 2014-10-30 |
Family
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| DE (1) | DE102013104094A1 (de) |
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