DE102019129355A1

DE102019129355A1 - Photovoltaisches Element mit verbesserter Effizienz bei Verschattung und Verfahren zur Herstellung eines solchen photovoltaischen Elements

Info

Publication number: DE102019129355A1
Application number: DE102019129355.3A
Authority: DE
Inventors: Mickael Lapeyrade; Jan Birnstock; Martin Hermenau
Original assignee: Heliatek GmbH
Current assignee: Heliatek GmbH
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-05-06
Also published as: WO2021083462A1; EP4052299A1; JP2023501213A; KR20220088776A; CN114788006A; US20230005992A1

Abstract

Photovoltaisches Element (1) mit mindestens einer photovoltaischen Zelle (2), aufweisend eine Grundelektrode (3), eine Deckelektrode (4), und ein Schichtsystem (5), mit mindestens einer photoaktiven Schicht (6), wobei das Schichtsystem (5) zwischen der Grundelektrode (3) und der Deckelektrode (4) angeordnet ist. Die mindestens eine photovoltaische Zelle (2) ist dabei zumindest teilweise in Segmente (7) segmentiert, wobei die Segmentierung derart ausgebildet ist, dass zumindest die Deckelektrode (4) und das Schichtsystem (5) eines Segments (7) von der Deckelektrode (4) und dem Schichtsystem (5) eines weiteren Segments (7), oder die Deckelektrode (4), das Schichtsystem (5) und zumindest teilweise die Grundelektrode (3) eines Segments (7) von der Deckelektrode (4), dem Schichtsystem (5) und zumindest teilweise der Grundelektrode (3) eines weiteren Segments (7) jeweils durch mindestens einen Hohlraum (8) sich nicht berührend voneinander getrennt sind, wobei der mindestens eine Hohlraum (8) zumindest weitgehend vertikal relativ zu dem Schichtsystem (5) der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) ausgebildet ist, und wobei die Segmente (7) der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) parallel zueinander elektrische leitend verschaltet sind, so dass ein elektrischer Stromfluss durch die mindestens eine photovoltaische Zelle (2) auf die einzelnen Segmente (7) verteilt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Element mit mindestens einer photovoltaischen Zelle, eine Photovoltaikanlage mit mindestens zwei solchen photovoltaischen Elementen, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen photovoltaischen Elements.
Photovoltaische Elemente, insbesondere photovoltaische Elemente, die in einer Gebäudestruktur integriert sind, werden zeitweise verschattet. Ein photovoltaisches Element besteht aus mindestens einer photovoltaischen Zelle mit mindestens einer photoaktiven Schicht, die in Reihe oder parallel verschaltet sein können. Photovoltaische Elemente oder photovoltaische Zellen davon, die in Reihe geschaltet sind, werden nicht immer alle gleichmäßig stark verschattet, sondern sind weiterhin teilweise einer Einstrahlung von Sonnenlicht ausgesetzt. Dabei erzeugen verschattete photovoltaische Zellen, die in Reihe mit anderen geschaltet sind, eine im Vergleich zu nicht-verschatteten photovoltaischen Zellen entgegengesetzte Spannung, die den Stromfluss von den anderen photovoltaischen Zellen durch diese photovoltaische Zelle hindurch einschränken oder sperren.
Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Umgehen der Problematik der teilweisen Verschattung setzen Bypass-Dioden ein, um den Stromfluss der in Reihe geschalteten photovoltaischen Zellen weiterhin zu gewährleisten, und eine Beschädigung der teilweise verschatteten photovoltaischen Zelle zu vermeiden. Im Falle einer verschatteten oder defekten photovoltaischen Zelle wird die Verlustleistung dadurch reduziert, dass parallel zur photovoltaischen Zelle eine Bypass-Diode geschaltet wird. Wird ein photovoltaisches Element, insbesondere eine photovoltaische Zelle des photovoltaischen Elements, zumindest teilweise verschattet, so erzeugt diese photovoltaische Zelle keine oder eine geringere Spannung, und der erzeugte Strom der davor in Reihe geschalteten photovoltaischen Zellen kann nicht durchgeleitet werden und beschädigt die zumindest teilweise verschattete photovoltaische Zelle. Die Bypass-Diode kann in einem solchen Fall die Leitung des erzeugten Stroms von davor geschalteter photovoltaischer Zellen zu danach geschalteten photovoltaischen Zellen durch die Bypass-Diode hindurch übernehmen, wodurch eine Beschädigung der verschatteten photovoltaischen Zelle verhindert wird. Ein photovoltaisches Element kann somit bei einer zumindest teilweise verschatteten photovoltaischen Zelle weiter funktionieren. Eine derartige Lösung ist jedoch sehr aufwendig und erfordert eine hohe Komplexität, die auch zu hohen zusätzlichen Kosten führt.
US20150349164A1 offenbart eine Solarzelle mit einer integrierten Bypass-Diode, wobei die Bypass-Diode und die Solarzelle unterschiedliche Bereiche nebeneinander auf dem Substrat umfassen und durch einen Zwischenraum getrennt sind.
EP 1 920 468 B1 offenbart organische photovoltaische Zellen mit einer Bypass-Diode.
WO2014/051889A1 offenbart eine Solarzelle mit einer Vielzahl an photovoltaischen Zellen, wobei die photovoltaischen Zellen eine bestimmte Anordnung an Zwischenräumen aufweisen, so dass die dadurch erhaltenen Flächen der Zellen nur eine maximale entgegengesetzte Spannung zulassen, und eine Anzahl an Bypass-Dioden reduziert werden kann.
Nachteilig aus dem Stand der Technik ist jedoch, dass sich die Integration einer vollständigen Bypass-Diode in photovoltaische Zellen bei der Herstellung als aufwändig erwiesen hat. Für die Bypass-Dioden ist eine größere Fläche erforderlich, die keinen Strom mehr produzieren kann, was zu einem größeren Leistungsverlust der photovoltaischen Elemente führt. Des Weiteren sind die bekannten Verfahren insbesondere nicht für ein Rolle-zu-Rolle Verfahren zur Herstellung von photovoltaischen Elementen geeignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein photovoltaisches Element mit einer besseren Effizienz bei zumindest teilweiser Verschattung einzelner photovoltaischer Zellen oder Zellbereiche und einer Erhöhung der Lebensdauer verschatteter photovoltaischer Zellen bereitzustellen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten, und wobei insbesondere bei einer zumindest teilweisen Verschattung einer photovoltaischen Zelle das photovoltaische Element nicht beschädigt wird. Es soll insbesondere möglichst wenig aktiver Flächenverlust entstehen und ein nur minimaler Einfluss auf die Leistung entstehen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein photovoltaisches Element mit mindestens einer photovoltaischen Zelle, aufweisend eine Grundelektrode, eine Deckelektrode, und ein Schichtsystem, mit mindestens einer photoaktiven Schicht, wobei das Schichtsystem zwischen der Grundelektrode und der Deckelektrode angeordnet ist, bereitgestellt wird. Die mindestens eine photovoltaische Zelle ist zumindest teilweise in Segmente segmentiert, wobei die Segmentierung derart ausgebildet ist, dass zumindest die Deckelektrode und das Schichtsystem eines Segments von der Deckelektrode und dem Schichtsystem eines weiteren Segments, oder die Deckelektrode, das Schichtsystem und zumindest teilweise die Grundelektrode eines Segments von der Deckelektrode, dem Schichtsystem und zumindest teilweise der Grundelektrode eines weiteren Segments jeweils durch mindestens einen Hohlraum sich nicht berührend voneinander getrennt sind, wobei der mindestens eine Hohlraum zumindest weitgehend vertikal relativ zu dem Schichtsystem der mindestens einen photovoltaischen Zelle ausgebildet ist, und wobei die Segmente der mindestens einen photovoltaischen Zelle parallel zueinander elektrische leitend verschaltet sind, so dass ein elektrischer Stromfluss durch die mindestens eine photovoltaische Zelle auf die einzelnen Segmente verteilt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Grundelektrode, das Schichtsystem und die Deckelektrode laserstrukturiert. In einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Grundelektrode eine Kathode und die Deckelektrode eine Anode.
In einer Bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Grundelektrode auf einem Substrat angeordnet, insbesondere einer Folie.
Unter einem Hohlraum wird insbesondere Raum zwischen mindestens zwei Segmenten verstanden, der die Segmente zumindest Abschnittsweise voneinander trennt, so dass über einen solchen Abschnitt zumindest keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den mindestens zwei Segmenten vorliegt und/oder die Segmente sich in diesem Abschnittsbereich nicht berühren. Ein Hohlraum bildet einen bestimmten Abstand zwischen zwei Segmenten untereinander horizontal zum Schichtsystem. Der Hohlraum ist insbesondere ein Zwischenraum.
Die Erfindung offenbart insbesondere eine technische Lösung, eine Beschädigung von photovoltaischen Elementen, insbesondere organischen photovoltaischen Elementen, durch sogenannte Hot-Spots zu vermeiden. Die Implementierung dieser Lösung erlaubt, dass ein photovoltaisches Element aus mehreren photovoltaischen Zellen weiter ohne Beeinträchtigung funktioniert, auch wenn eine oder mehrere photovoltaische Zellen verschattet sind.
Unter einer Segmentierung wird insbesondere ein zumindest teilweises Trennen der Deckelektrode und des Schichtsystems, oder der Deckelektrode, des Schichtsystems und zumindest teilweise der Grundelektrode der photovoltaischen Zelle verstanden, so dass bei einer zumindest teilweisen Verschattung und/oder eines Defekts der mindestens einen photovoltaischen Zelle, ein elektrischer Strom in jedem einzelnen erhaltenen Segment derart groß ist, dass die photovoltaische Zelle nicht beschädigt wird. Die Segmente können je nach gewünschter Begrenzung der Stromdichte in den jeweiligen Segmenten in Abhängigkeit einer Querschnittsfläche der Segmente, insbesondere einer Breite und eine Länge der Segmente, segmentiert sein, wobei eine Stromdichte in einzelnen Segmenten geringer ist im Vergleich zu einer photovoltaischen Zelle ohne Segmentierung. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung fällt in den einzelnen Segmenten der Stromfluss derart ab, ist insbesondere die Stromdichte derart gering, dass eine zumindest teilweise verschattete photovoltaische Zelle, insbesondere eine vollverschattete photovoltaische Zelle, in der Lage bleibt den Stromfluss der nicht-verschatteten benachbarten photovoltaischen Zellen ohne Beschädigung durchzuleiten.
Unter einer Verschattung wird insbesondere eine zumindest teilweise Verringerung der Lichteinstrahlung auf ein photovoltaisches Element verstanden, wobei insbesondere ein zumindest im Wesentlichen lichtundurchlässiges Objekt seinen Sonnenschatten auf Bestandteile eines photovoltaischen Elements wirft. In einer verschatteten oder zumindest teilweise verschatteten Zelle liegt eine im Vergleich zu einer nicht-verschatteten Zelle bei einer Lichteinstrahlung umgekehrte Spannung an, da in der zumindest teilweise verschatteten Zelle selbst kein oder ein geringerer Stromfluss generiert wird. Dadurch kann eine mit anderen nicht-verschatteten Zellen in Reihe geschaltete zumindest teilweise verschattete Zelle beschädigt werden.
Unter einem Defekt wird insbesondere eine Fehlstelle in einem Schichtsystem einer photovoltaischen Zelle oder in der elektrisch leitenden Verbindung des Schichtsystems mit mindestens einer Elektrode verstanden.
Unter einem photovoltaischen Element wird insbesondere eine Solarzelle verstanden, wobei das photovoltaische Element mindestens eine photovoltaische Zelle aufweist. Die photovoltaischen Zellen können auf unterschiedliche Weise in dem photovoltaischen Element angeordnet und/oder verschaltet sein. Das photovoltaische Element ist bevorzugt aus mehreren photovoltaischen Zellen aufgebaut, die in Reihe verschaltet sind.
Ein möglicher Aufbau des Schichtsystems einer photovoltaischen Zelle ist in W02004083958A2 , WO2011013219A1 , WO2011138021A2 , WO2011161108A1 beschrieben. In den hier genannten Anmeldungen werden vorzugsweise Schichtsysteme verwendet, bei denen die photoaktiven Schichten Absorbermaterialien umfassen, die verdampfbar sind und durch Verdampfung (PVD, engl. physical vapor deposition) aufgebracht werden bzw. aufgebracht sind. Dafür werden Materialien die zur Gruppe der „kleinen Moleküle“ gehören, verwendet, die unter anderem in W02006092134A1 , WO2010133208A1 , WO2014206860A1 , WO2014128278A1 , WO2017114937A1 , und WO2017114938A1 beschrieben sind. Die photoaktiven Schichten bilden Akzeptor-Donor-Systeme, und können aus mehreren Einzelschichten, oder aus Mischschichten, als planar-heterojunction, und bevorzugt als bulk-heterojunction. Bevorzugt sind Schichtsysteme, die komplett durch Verdampfung aufgetragen werden können.
Das Schichtsystem kann als Single-, Tandem- oder Multizelle ausgeführt sein, die Bezeichnung bestimmt sich durch die Anzahl der Subzellen, wobei jede Subzelle mindestens eine photoaktive Schicht enthält, die bevorzugt durch Transportschichten, und optionalen Rekombinationsschichten, getrennt sind und selbst aus mehreren Schichten bestehen können. Die p- oder n-Schichtsysteme, auch nur p- oder n-Schicht bezeichnet, können aus mehreren Schichten bestehen, wobei mindestens eine der Schichten des p- oder n- Schichtsystems p-dotiert oder n-dotiert ist, vorzugsweise als p- oder n-dotierte widegap-Schicht. Das i-Schichtsystem, auch als i-Schicht bezeichnet, ist eine undotierte oder gegenüber den p- bzw. n-Schichten in der Subzelle geringer, also schwächer dotiert, und als photoaktive Schicht ausgeführt. Jede dieser n-, p-, i-Schichten kann aus weiteren Schichten bestehen, wobei die n- bzw. p-Schicht aus mindestens einer dotierten n- bzw. p-Schicht besteht, die durch ihre Dotierung zu einer Erhöhung der Ladungsträger beiträgt. Das bedeutet, dass der Schichtstapel der photovoltaischen Zelle aus einer sinnvollen Kombination von p-, n-, und i-Schichtsystemen besteht, d.h. dass jede Subzelle ein i-Schichtsystem und mindestens ein p- oder n-Schichtsystem umfasst.
Unter einer horizontalen Ausdehnung des Schichtsystems wird insbesondere eine im Wesentlichen parallel zu einem Substrat und/oder einer Schicht des Schichtsystems verlaufende Richtung verstanden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das photovoltaische Element eine Zelle mit mindestens einer photoaktiven Schicht auf, insbesondere eine CIS-, CIGS-, GaAs-, oder Si-Zelle, eine Perovskit-Zelle oder ein organisches photovoltaisches Element (OPV), eine sogenannte organische Solarzelle. Unter einem organische photovoltaische Element wird insbesondere ein photovoltaisches Element mit mindestens einer organischen photoaktiven Schicht verstanden, insbesondere ein polymeres organisches photovoltaisches Element oder ein organisches photovoltaisches Element auf Basis kleiner Moleküle. Während Polymere sich dadurch auszeichnen, dass diese nicht verdampfbar und daher nur aus Lösungen aufgebracht werden können, sind kleine Moleküle meist verdampfbar und können entweder wie Polymere als Lösung aufgebracht werden, aber auch mittels Verdampfungstechnik, insbesondere durch Verdampfen aus dem Vakuum. Insbesondere bevorzugt ist das photovoltaische Element ein flexibles organisches photovoltaisches Element auf Basis kleiner Moleküle.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die photoaktive Schicht des Schichtsystems kleine Moleküle, welche im Vakuum verdampfbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zumindest die photoaktive Schicht des Schichtsystems im Vakuum aufgedampft.
Unter kleinen Molekülen werden insbesondere nicht-polymere organische Moleküle mit monodispersen molaren Massen zwischen 100 und 2000 g/mol verstanden, die unter Normaldruck (Luftdruck der uns umgebenden Atmosphäre) und bei Raumtemperatur in fester Phase vorliegen. Insbesondere sind die kleinen Moleküle photoaktiv, wobei unter photoaktiv verstanden wird, dass die Moleküle unter Lichteintrag ihren Ladungszustand und/oder ihren Polarisierungszustand ändern.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Deckelektrode Silber oder eine Silberlegierung, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, Gold oder eine Goldlegierung, oder eine Kombination dieser Materialien, bevorzugt umfassend als Silberlegierung Ag:Mg oder Ag:Ca.
Das erfindungsgemäße photovoltaisches Element weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Vorteilhafterweise wird ein Schutz des photovoltaischen Elements gegen Hot-Spots ermöglicht, insbesondere kann ein in nicht verschatteten Zellen generierter Strom auf die einzelnen Segmente einer zumindest teilweise verschatteten Zelle aufgeteilt werden, wodurch eine Beschädigung der zumindest teilweise verschatteten Zelle verhindert wird. Das photovoltaische Element kann somit weiterhin mit den übrigen nicht-verschatteten Zellen elektrischen Strom generieren. Vorteilhafterweise wird die mindestens eine photovoltaische Zelle bei zumindest teilweiser Verschattung und/oder bei einem Defekt der photovoltaischen Zelle nicht beschädigt. Vorteilhafterweise wird die Effizienz bei Verschattung einzelner photovoltaischer Zellen des photovoltaischen Elements erhöht, und die Lebensdauer des photovoltaischen Elements erhöht. Vorteilhafterweise entsteht kein oder zumindest weitgehend kein Flächenverlust der photovoltaischen Zelle und/oder entsteht kein Verlust oder zumindest weitgehend kein Verlust der Leistung der photovoltaischen Zelle. Vorteilhafterweise verteilt sich ein elektrischer Stromfluss von der vorhergehenden photovoltaischen Zelle auf die einzelnen Segmente der zumindest teilweise verschatteten photovoltaischen Zelle. Vorteilhafterweise ist die Segmentierung besonders leicht in aktuelle Herstellverfahren integrierbar, insbesondere ist nur ein geringfügiger Aufwand bei der Programmierung der Laserstrukturierung nötig. Vorteilhafterweise ist die Herstellung in einen Rolle-zu-Rolle-Prozess integrierbar. Die Segmentierung lässt sich direkt bei der Herstellung in das Schichtsystem einbauen ohne Anwendung zusätzlicher externer Bauelemente, insbesondere Dioden. Vorteilhafterweise ist die Segmentierung photovoltaischer Zellen kostengünstiger im Vergleich zu anderen Lösungen, insbesondere im Vergleich zu Bypass-Dioden. Vorteilhafterweise wird ist der durch die einzelnen Segmente fließende elektrische Strom geringer.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das photovoltaische Element mindestens eine erste photovoltaische Zelle und eine zweite photovoltaische Zelle aufweist, wobei die mindestens erste photovoltaische Zelle und zweite photovoltaische Zelle in Reihe geschaltet sind, und wobei die Deckelektrode der ersten photovoltaischen Zelle mit der Grundelektrode der zweiten photovoltaischen Zelle elektrisch leitend verbunden ist, wobei bevorzugt die Grundelektroden der photovoltaischen Zellen untereinander in horizontaler Richtung, bezogen auf das Schichtsystem, voneinander getrennt sind, und die Deckelektroden der photovoltaischen Zellen untereinander in horizontaler Richtung, bezogen auf das Schichtsystem, voneinander getrennt sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Querschnittsfläche der Segmente der mindestens einen photovoltaischen Zelle, bezogen auf die horizontale Ausdehnung des Schichtsystems, untereinander gleich ist, wobei bevorzugt eine Größe der Querschnittsfläche der Segmente in Abhängigkeit eines Stromflusses durch die mindestens eine photovoltaische Zelle gleich ausgebildet ist. Bei einem geringeren Stromfluss durch ein einzelnes Segment wird die Stromdichte geringer, wobei bei einem größeren Stromfluss durch ein einzelnes Segment die Stromdichte größer wird.
Unter einer Querschnittsfläche wird insbesondere eine Fläche eines Segments in horizontaler Ausdehnung des Schichtsystems verstanden, insbesondere entlang einer Schicht des Schichtsystems.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Breite eines Segments 1 cm bis 2 m beträgt, bevorzugt 5 cm bis 1 m, und/oder ein Abstand der einzelnen Segmente untereinander horizontal zum Schichtsystem in einem Bereich von 10 nm bis 200 nm liegt, bevorzugt von 40 nm bis 80 nm. Der Abstand zwischen den einzelnen Segmenten wird insbesondere durch den mindestens einen Hohlraum gebildet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Länge der Segmente, insbesondere die Länge der mindestens einen photovoltaischen Zelle, 1 mm bis 1 m beträgt, bevorzugt 5 mm bis 5 cm, wobei die Segmente bevorzugt zumindest weitgehend parallel zueinander ausgebildet sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die einzelnen Segmente jeweils über eine gesamte Richtung der photovoltaischen Zelle ausgebildet sind, wobei bevorzugt eine Form der Segmente unterschiedlich ausgebildet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Segmente zumindest weitgehend parallel, bevorzugt streifenförmig, ausgebildet sind, wobei bevorzugt die Segmente einer nachfolgenden photovoltaischen Zelle im Vergleich zur vorhergehenden photovoltaischen Zelle parallel relativ gegeneinander versetzt sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die photovoltaischen Zellen des photovoltaischen Elements mittels mindestens einer Sammelschiene, einem sogenannten Busbar, elektrisch leitend verbunden sind.
Photovoltaische Zellen werden in Abhängigkeit der Anzahl der photoaktiven Schichtsysteme, die durch Transport- und weitere Schichten im Schichtaufbau zwischen den beiden Grund- und Deckkontakten, in Single-, Tandem- oder Mehrfachzellen unterschieden. Tandem- und Mehrfachzellen bestehen aus mindestens zwei Subzellen, die übereinander zwischen den Elektroden angeordnet sind, wobei jede Subzelle mindestens ein photoaktives Schichtsystem umfasst.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schichtsystem mindestens zwei photoaktive Schichten aufweist, wobei die photovoltaische Zelle eine Tandem-Zelle ist, bevorzugt mindestens drei photoaktive Schichten aufweist, wobei die photovoltaische Zelle eine Triple-Zelle ist, und/oder das Schichtsystem zusätzlich mindestens eine Ladungsträgertransportschicht aufweist, wobei die mindestens eine Ladungsträgertransportschicht zwischen der Grundelektrode oder der Deckelektrode und einer photoaktiven Schicht angeordnet ist, bevorzugt mindestens eine erste Ladungsträgertransportschicht und eine zweite Ladungsträgertransportschicht aufweist, wobei die erste Ladungsträgertransportschicht zwischen der Grundelektrode und der mindestens einen photoaktiven Schicht angeordnet ist, und wobei die zweite Ladungsträgertransportschicht zwischen der mindestens einen photoaktiven Schicht und der Deckelektrode angeordnet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das photovoltaische Element ein organisches photovoltaisches Element ist, bevorzugt ein flexibles organisches photovoltaisches Element, wobei bevorzugt mindestens eine photoaktive Schicht des organischen photovoltaischen Elements kleine Moleküle als Absorbermaterial aufweist.
Unter einem flexiblen photovoltaischen wird insbesondere ein photovoltaisches Element verstanden, dass in einem bestimmten Bereich biegbar und/oder dehnbar ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das photovoltaische Element keine Bypass-Diode aufweist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem eine Photovoltaikanlage, mit mindestens zwei photovoltaischen Elementen bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für die Photovoltaikanlage insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem photovoltaischen Element mit mindestens einer photovoltaischen Zelle beschrieben wurden. Die mindestens zwei photovoltaischen Elemente sind dabei in Reihe geschaltet. Die photovoltaischen Elemente bestehen bevorzugt aus in Reihe zueinander verschalteter photovoltaischer Zellen. Die Reihenschaltung der photovoltaischen Zellen erfolgt bevorzugt durch elektrisch leitendes Verbinden der Deckelektrode einer photovoltaischen Zelle mit der Grundelektrode der folgenden photovoltaischen Zelle.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Elements, insbesondere eines flexiblen photovoltaischen Elements, mit mindestens zwei photovoltaischen Zellen, jeweils aufweisend eine Grundelektrode, eine Deckelektrode, und einem zwischen der Grundelektrode und der Deckelektrode angeordneten Schichtsystem, wobei das Schichtsystem mindestens eine photoaktive Schicht aufweist, bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für das Verfahren insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem photovoltaischen Element mit mindestens einer photovoltaischen Zelle und in Zusammenhang mit der Photovoltaikanlage beschrieben wurden. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines Substrats mit einer Grundelektrodenschicht,
b) Laserstrukturierung der Grundelektrodenschicht, so dass die Grundelektrodenschicht in einzelne Grundelektroden unterteilt wird,
c) Aufbringen eines Schichtsystems mit mindestens einer photoaktiven Schicht auf die strukturierten Grundelektroden, und Bilden mindestens einer zu jeder einzelnen Grundelektrode zugehörigen Öffnung in dem Schichtsystem mittels Laserablation, wobei die Grundelektroden an der mindestens einen Öffnung zumindest teilweise freigelegt werden,
d) Aufbringen einer Deckelektrodenschicht in die mindestens eine Öffnung und/oder auf das Schichtsystem mit der mindestens einen Öffnung, wobei die mindestens eine Öffnung aufgefüllt wird,
e) Laserstrukturierung der Deckelektrodenschicht und des Schichtsystems, so dass einzelne Deckelektroden und einzelne Schichtsysteme gebildet werden, wobei die Deckelektrode einer ersten photovoltaischen Zelle mit der Grundelektrode einer zweiten photovoltaischen Zelle elektrisch leitend verbunden wird, und
f) Segmentieren zumindest der Deckelektrode und des Schichtsystems, oder der Deckelektrode, des Schichtsystems und zumindest teilweise der Grundelektrode der mindestens einen photovoltaischen Zelle mittels Laserablation, wobei Segmente der mindestens einen photovoltaischen Zelle gebildet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Schritt e) und Schritt f) gleichzeitig durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zur Bildung Öffnung mittels Laserablation in Schritt c), der Laserstrukturierung in Schritt b) und Schritt e) und/oder zur Segmentierung in Schritt f) Parameter des mindestens einen Laserstrahls, bevorzugt eine Energiedichte, eine Pulsdauer, eine Pulsform, eine Pulsfrequenz und/oder eine Wellenlänge, in Abhängigkeit des Materials und der Schichtdicke der Grundelektrode, des Schichtsystems und/oder der Deckelektrode angepasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Grundkontakt und das Schichtsystem, die einzelnen Schichten des Schichtsystems, und/oder das Schichtsystem und die Deckelektrode durch eine geeignete Strukturierung, insbesondere eine Laserstrukturierung elektrisch leitend verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Schichten mittels eines Druckverfahrens, bevorzugt einem Inkjet-Verfahren, einem Siebdruckverfahren, und/oder einem Flexoprint-Verfahren, und/oder mittels Verdampfung der aufzubringenden Materialen aufgetragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Wellenlängenbereich des Lasers bei der Laserablation in Schritt c), der Laserstrukturierung in Schritt b) und in Schritt e) und/oder bei der Segmentierung in Schritt f) 300 nm bis 1200 nm, bevorzugt 400 nm bis 1000 nm, oder bevorzugt 450 nm bis 800 nm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Energiedichte des mindestens einen Laserstrahls bei der Laserablation in Schritt c) und/oder der Segmentierung in Schritt f) während der Ablation in Abhängigkeit einer Abtragstiefe des Schichtsystems angepasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Schichtsystem mittels Laserstrukturierung mit der Grundelektrode und/oder der Deckelektrode elektrisch leitend verbunden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Deckelektrodenschicht in horizontaler Richtung bezogen auf das Schichtsystem der mindestens einen photovoltaischen Zelle unterteilt wird, so dass Deckelektroden erhalten werden, und die Grundelektrodenschicht in horizontaler Richtung bezogen auf das Schichtsystem der mindestens einen photovoltaischen Zelle unterteilt wird, so dass Grundelektroden erhalten werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren in einem Rolle-zu-Rolle Verfahren eingesetzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Strukturierung während des Aufbringens einzelner Schichten des Schichtsystems. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Strukturierung nach dem Aufbringen der einzelnen Schichten des Schichtsystems.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Schichtsystems mit Elektroden einer photovoltaischen Zelle;
2 eine schematische Darstellung eines photovoltaischen Elements zur Verdeutlichung des Problems bei zumindest teilweise verschatteten photovoltaischen Zellen in einer Seitenansicht; und
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines photovoltaischen Elements mit Segmentierung in einer Seitenansicht und einer Draufsicht.

Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Schichtsystems 5 mit Elektroden 3,4 einer photovoltaischen Zelle 2.
Photovoltaische Elemente 1, insbesondere organische photovoltaische Elemente 1, bestehen aus einer Folge dünner Schichten, dem Schichtsystem 5, mit mindestens einer photoaktiven Schicht 6, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder aus einer Lösung prozessiert werden. Die elektrische Anbindung kann durch Metallschichten, transparente leitfähige Oxide und/oder transparente leitfähige Polymere erfolgen. Das Vakuum-Aufdampfen der organischen Schichten ist insbesondere vorteilhaft bei der Herstellung von mehrschichtigen Solarzellen, insbesondere Tandem- oder Triple-Zellen. Ein Schichtsystem 5 einer solchen photovoltaischen Zelle 2 ist in einem Ausführungsbeispiel in 1 dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel weist die photovoltaische Zelle 2 Glas als Substrat 13, mit einer transparenten Grundelektrode 3 aus ITO (M) 14, ein Schichtsystem 5 aus einer Schicht Fulleren C60 15, einer photoaktiven Schicht 16 mit mindestens einem Absorbermaterial und Fulleren C60, und eine p-dotierten Löchertransportschicht 17 aus Di-NPB und NDP9, und eine Deckelektrode 4 aus Gold 18 auf.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines photovoltaischen Elements 1 zur Verdeutlichung des Problems bei zumindest teilweise verschatteten photovoltaischen Zellen 2 in einer Seitenansicht. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Ein Problem in Reihe geschalteter photovoltaischer Zellen 2 bei zumindest teilweiser Verschattung 12 der photovoltaischen Zellen 2 ist, dass die verschatteten photovoltaischen Zellen 2 in Sperrrichtung geschaltete Dioden bezüglich der dazu in Reihe verschalteten, unverschatteten oder schwächer verschatteten photovoltaischen Zellen 2 darstellen. Damit behindern sie den Abfluss des photogenerierten Stroms, was sich negativ auf die Effizienz auswirkt. Außerdem besteht die Gefahr, dass in den verschatteten photovoltaischen Zellen 2 ein konzentrierter Stromfluss durch Defektstellen auftreten kann, welcher zur lokalen Überhitzung und schließlich zu irreversibler Degradation der photovoltaischen Zelle 2 und damit zu einem Effizienzverlust photovoltaischen Elements 1 führen kann.
Ein Beispiel einer durch zumindest teilweisen Verschattung 12 hervorgerufenen Degradierung einer photovoltaischen Zelle 2 ist in 2 dargestellt. Die zumindest teilweise Verschattung 12 führt dabei zu einer unerwünschten punktuellen Beschädigung der photovoltaischen Zelle 2.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines photovoltaischen Elements 1 mit Segmentierung in einer Seitenansicht und einer Draufsicht. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Das photovoltaisches Element 1 weist mindestens eine photovoltaische Zelle 2 auf, mit einer Grundelektrode 3, einer Deckelektrode 4, und einem Schichtsystem 5 mit mindestens einer photoaktiven Schicht 6, wobei das Schichtsystem 5 zwischen der Grundelektrode 3 und der Deckelektrode 4 angeordnet ist. Die mindestens eine photovoltaische Zelle 2 ist zumindest teilweise in Segmente 7 segmentiert, wobei die Segmentierung derart ausgebildet ist, dass zumindest die Deckelektrode 4 und das Schichtsystem 5 eines Segments 7 von der Deckelektrode 4 und dem Schichtsystem 5 eines weiteren Segments 7, oder die Deckelektrode 4, das Schichtsystem 5 und zumindest teilweise die Grundelektrode 3 eines Segments 7 von der Deckelektrode 4, dem Schichtsystem 5 und zumindest teilweise der Grundelektrode 3 eines weiteren Segments 7 jeweils durch mindestens einen Hohlraum 8 sich nicht berührend voneinander getrennt sind, wobei der mindestens eine Hohlraum 8 zumindest weitgehend vertikal relativ zu dem Schichtsystem 5 der mindestens einen photovoltaischen Zelle 2 ausgebildet ist, und wobei die Segmente 7 der mindestens einen photovoltaischen Zelle 2 parallel zueinander elektrische leitend verschaltet sind, so dass ein elektrischer Stromfluss durch die mindestens eine photovoltaische Zelle 2 auf die einzelnen Segmente 7 verteilt ist.
Dadurch wird die mindestens eine photovoltaische Zelle 2 bei zumindest teilweiser Verschattung 12 und/oder bei einem Defekt der photovoltaischen Zelle 2, insbesondere durch einen Hot-Sport, nicht beschädigt. Des Weiteren wird die Effizienz bei Verschattung 12 einzelner photovoltaischer Zellen 2 des photovoltaischen Elements 1 erhöht, und damit einhergehend die Lebensdauer des photovoltaischen Elements 1 erhöht. Vorteilhafterweise entsteht kein oder zumindest weitgehend kein Flächenverlust der photovoltaischen Zelle 2 und/oder entsteht zumindest weitgehend kein Verlust der Leistung der photovoltaischen Zelle 2. Die Segmentierung ist besonders leicht in aktuelle Herstellverfahren integrierbar, insbesondere ist nur ein geringfügiger Aufwand bei der Programmierung der Laserstrukturierung nötig.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das photovoltaische Element 1 mindestens eine erste photovoltaische Zelle 2 und eine zweite photovoltaische Zelle 2 auf, wobei die mindestens erste photovoltaische Zelle 2 und zweite photovoltaische Zelle 2 in Reihe geschaltet sind, und wobei die Deckelektrode 4 der ersten photovoltaischen Zelle 2 mit der Grundelektrode 3 der zweiten photovoltaischen Zelle 2 elektrisch leitend verbunden ist, wobei bevorzugt die Grundelektroden 3 der photovoltaischen Zellen 2 untereinander in horizontaler Richtung, bezogen auf das Schichtsystem 5, voneinander getrennt sind, und die Deckelektroden 4 der photovoltaischen Zellen 2 untereinander in horizontaler Richtung, bezogen auf das Schichtsystem 5, voneinander getrennt sind. Vorzugsweise ist jeweils die Deckelektrode 4 einer vorhergehenden photovoltaischen Zelle 2 mit der Grundelektrode 3 einer folgenden photovoltaischen Zelle 2 elektrisch leitend verbunden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Querschnittsfläche 9 der Segmente 7 der mindestens einen photovoltaischen Zelle 2, bezogen auf die horizontale Ausdehnung des Schichtsystems 5, untereinander gleich, wobei bevorzugt eine Größe der Querschnittsfläche 9 der Segmente 7 in Abhängigkeit eines Stromflusses durch die mindestens eine photovoltaische Zelle 2 ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine Breite 10 eines Segments 7 1 cm bis 2 m, bevorzugt 5 cm bis 1 m, und/oder ein Abstand der einzelnen Segmente 7 untereinander horizontal zum Schichtsystem 5 liegt in einem Bereich von 10 nm bis 200 nm, bevorzugt von 40 nm bis 80 nm.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt eine Länge 11 der Segmente 7, insbesondere die Länge 11 der mindestens einen photovoltaischen Zelle 2, 1 mm bis 1 m, bevorzugt 5 mm bis 5 cm, wobei die Segmente 7 bevorzugt zumindest weitgehend parallel zueinander ausgebildet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Segmente 7 jeweils über eine gesamte Richtung der photovoltaischen Zelle 2 ausgebildet, wobei bevorzugt eine Form der Segmente 7 unterschiedlich ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Segmente 7 zumindest weitgehend parallel, bevorzugt streifenförmig, ausgebildet, wobei bevorzugt die Segmente 7 einer nachfolgenden photovoltaischen Zelle 2 im Vergleich zur vorhergehenden photovoltaischen Zelle 2 parallel relativ gegeneinander versetzt sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die photovoltaischen Zellen 2 des photovoltaischen Elements 1 mittels mindestens einer Sammelschiene elektrisch leitend verbunden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Schichtsystem 5 mindestens zwei photoaktive Schichten 6 auf, wobei die photovoltaische Zelle 2 eine Tandem-Zelle ist, bevorzugt mindestens drei photoaktive Schichten 6, wobei die photovoltaische Zelle 2 bevorzugt eine Triple-Zelle ist, und/oder weist das Schichtsystem 5 zusätzlich mindestens eine Ladungsträgertransportschicht auf, wobei die mindestens eine Ladungsträgertransportschicht zwischen der Grundelektrode 3 oder der Deckelektrode 4 und einer photoaktiven Schicht 6 angeordnet ist, bevorzugt mindestens eine erste Ladungsträgertransportschicht und eine zweite Ladungsträgertransportschicht, wobei die erste Ladungsträgertransportschicht zwischen der Grundelektrode 3 und der mindestens einen photoaktiven Schicht 6 angeordnet ist, und wobei die zweite Ladungsträgertransportschicht zwischen der mindestens einen photoaktiven Schicht 6 und der Deckelektrode 4 angeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das photovoltaische Element 1 ein organisches photovoltaisches Element 1, bevorzugt ein flexibles organisches photovoltaisches Element 1, wobei bevorzugt mindestens eine photoaktive Schicht 6 des organischen photovoltaischen Elements 1 kleine Moleküle als Absorbermaterial aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das photovoltaische Element 1 keine Bypass-Diode auf.
Durch eine Reihenschaltung mindestens zwei photovoltaischer Elemente 1 zueinander wird eine Photovoltaikanlage gebildet.
Das Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Elements 1, insbesondere eines flexiblen photovoltaischen Elements 1, mit mindestens zwei photovoltaischen Zellen 2, jeweils aufweisend eine Grundelektrode 3, eine Deckelektrode 4, und einem zwischen der Grundelektrode 3 und der Deckelektrode 4 angeordneten Schichtsystem 5, wobei das Schichtsystem 5 mindestens eine photoaktive Schicht 6 aufweist, umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines Substrats 13 mit einer Grundelektrodenschicht,
b) Laserstrukturierung der Grundelektrodenschicht, so dass die Grundelektrodenschicht in einzelne Grundelektroden 3 unterteilt wird,
c) Aufbringen eines Schichtsystems 5 mit mindestens einer photoaktiven Schicht 6 auf die strukturierten Grundelektroden 3, und Bilden mindestens einer zu jeder einzelnen Grundelektrode 3 zugehörigen Öffnung in dem Schichtsystem 5 mittels Laserablation, wobei die Grundelektroden 3 an der mindestens einen Öffnung zumindest teilweise freigelegt werden,
d) Aufbringen einer Deckelektrodenschicht in die mindestens eine Öffnung und/oder auf das Schichtsystem 5 mit der mindestens einen Öffnung, wobei die mindestens eine Öffnung aufgefüllt wird,
e) Laserstrukturierung der Deckelektrodenschicht und des Schichtsystems 5, so dass einzelne Deckelektroden 4 und einzelne Schichtsysteme 5 gebildet werden, wobei die Deckelektrode 4 einer ersten photovoltaischen Zelle 2 mit der Grundelektrode 3 einer zweiten photovoltaischen Zelle 2 elektrisch leitend verbunden wird, und
f) Segmentieren zumindest der Deckelektrode 4 und des Schichtsystems 5, oder der Deckelektrode 4, des Schichtsystems 5 und zumindest teilweise der Grundelektrode 3 der mindestens einen photovoltaischen Zelle 2 mittels Laserablation, wobei Segmente 7 der mindestens einen photovoltaischen Zelle 2 gebildet werden. Das Schichtsystem wird bevorzugt mittels einer Laserstrukturierung mit der Grundelektrode 3 und/oder der Deckelektrode 4 elektrisch leitend verbunden.

Die Laserstrukturierung der Deckelektrodenschicht und des Schichtsystems 5 in Schritt e) und das Segmentieren in Schritt f) kann gleichzeitig durchgeführt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Deckelektrodenschicht in horizontaler Richtung bezogen auf das Schichtsystem 5 der mindestens einen photovoltaischen Zelle 2 unterteilt, so dass Deckelektroden 4 erhalten werden, und die Grundelektrodenschicht in horizontaler Richtung bezogen auf das Schichtsystem 5 der mindestens einen photovoltaischen Zelle 2 unterteilt, so dass Grundelektroden 3 erhalten werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Schichtsystem 5 zumindest teilweise durch Verdampfung im Vakuum aufgetragen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren in einem Rolle-zu-Rolle Verfahren eingesetzt.
In einem Ausführungsbeispiel werden bei der Laserablation in Schritt b) folgende Parameter verwendet: eine Lasergeschwindigkeit von 4µJ - 385 mm/s, und eine Energie jedes Laserpulses von 25 kHz (25 Pulse pro Sekunde).
Das bereitgestellte Substrat 13 wird in einer Ausführungsform (3) nach der Bereitstellung mit einer Grundelektrodenschicht der photovoltaischen Zelle 2 beschichtet und strukturiert (P1), wobei die Grundelektrodenschicht in Grundelektroden 3 der einzelnen Segmente 7 getrennt wird. Anschließend wird das Schichtsystem 5 auf die Grundelektroden 3 aufgebracht. Das Schichtsystem 5 kann als Single-, Tandem- oder Mehrfachzelle aufgebracht werden, bevorzugt durch Verdampfen von kleinen Molekülen. Das Aufbringen einzelner Schichten auf einen Bereich der Grundelektrode 3 zum Bilden des Schichtsystems 5 kann zumindest teilweise durch einen Druckprozess, bevorzugt durch einen Injket-, Siebdruck-, Gravuredruck- oder Flexoprintprozess, oder durch Verdampfung der aufzubringenden Materialien, erfolgen. Das Schichtsystem 5, insbesondere einzelne Schichten des Schichtsystems 5, wird bevorzugt mittels Verdampfen im Vakuum aufgebracht. Anschließend erfolgt die Strukturierung des Schichtsystems 5 der photovoltaischen Zellen 2 (P2). Auf das Schichtsystem 5 wird die Deckelektrodenschicht aufgebracht, und die abschließende Strukturierung (P3) trennt die Deckelektrodenschicht in einzelne Deckelektroden 4. Die Strukturierung der einzelnen Schichten der photovoltaischen Zelle 2 kann beispielsweise mittels Laserablation, Elektronen- oder Ionenstrahlablation, oder Schattenmasken erfolgen.
In einem Ausführungsbeispiel werden für die Strukturierungen P1 / P2 / P3 mittels eines Lasers folgende Parameter verwendet: PI: 1030 nm Wellenlänge und 50 µm Linienbreite; P2: 515 nm Wellenlänge und 50 µm Linienbreite, und P3: 1030 nm Wellenlänge und 100 µm Linienbreite. P1 / P2 / P3 sind dabei in Reihe verschaltet, wohingegen die einzelnen Segmente parallel verschaltet sind.
Ein Ausführungsbeispiel einer Laserstrukturierung der photovoltaischen Zellen 2 ist in 3 gezeigt. Es sind die Strukturierungen P1 / P2 / P3 dargestellt. Der Stromfluss ist durch Pfeile gekennzeichnet. Der photogenerierte Strom fließt in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere über die Deckelektrode 4 der verschatteten photovoltaischen Zelle 2 aufgeteilt auf die einzelnen Segmente 7 der photovoltaischen Zelle 2 und kann dort über die zusätzliche P2 Strukturierung in verbessertem Maße in die Grundelektrode 3 hineinfließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20150349164 A1 [0004]
EP 1920468 B1 [0005]
WO 2014/051889 A1 [0006]
WO 2004083958 A2 [0019]
WO 2011013219 A1 [0019]
WO 2011138021 A2 [0019]
WO 2011161108 A1 [0019]
WO 2006092134 A1 [0019]
WO 2010133208 A1 [0019]
WO 2014206860 A1 [0019]
WO 2014128278 A1 [0019]
WO 2017114937 A1 [0019]
WO 2017114938 A1 [0019]

Claims

Photovoltaisches Element (1) mit mindestens einer photovoltaischen Zelle (2), aufweisend eine Grundelektrode (3), eine Deckelektrode (4), und ein Schichtsystem (5), mit mindestens einer photoaktiven Schicht (6), wobei das Schichtsystem (5) zwischen der Grundelektrode (3) und der Deckelektrode (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine photovoltaische Zelle (2) zumindest teilweise in Segmente (7) segmentiert ist, wobei die Segmentierung derart ausgebildet ist, dass zumindest die Deckelektrode (4) und das Schichtsystem (5) eines Segments (7) von der Deckelektrode (4) und dem Schichtsystem (5) eines weiteren Segments (7), oder die Deckelektrode (4), das Schichtsystem (5) und zumindest teilweise die Grundelektrode (3) eines Segments (7) von der Deckelektrode (4), dem Schichtsystem (5) und zumindest teilweise der Grundelektrode (3) eines weiteren Segments (7) jeweils durch mindestens einen Hohlraum (8) sich nicht berührend voneinander getrennt sind, wobei der mindestens eine Hohlraum (8) zumindest weitgehend vertikal relativ zu dem Schichtsystem (5) der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) ausgebildet ist, und wobei die Segmente (7) der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) parallel zueinander elektrische leitend verschaltet sind, so dass ein elektrischer Stromfluss durch die mindestens eine photovoltaische Zelle (2) auf die einzelnen Segmente (7) verteilt ist.
Photovoltaisches Element (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Element (1) mindestens eine erste photovoltaische Zelle (2) und eine zweite photovoltaische Zelle (2) aufweist, wobei die mindestens erste photovoltaische Zelle (2) und zweite photovoltaische Zelle (2) in Reihe geschaltet sind, und wobei die Deckelektrode (4) der ersten photovoltaischen Zelle (2) mit der Grundelektrode (3) der zweiten photovoltaischen Zelle (2) elektrisch leitend verbunden ist, wobei bevorzugt die Grundelektroden (3) der photovoltaischen Zellen (2) untereinander in horizontaler Richtung, bezogen auf das Schichtsystem (5), voneinander getrennt sind, und die Deckelektroden (4) der photovoltaischen Zellen (2) untereinander in horizontaler Richtung, bezogen auf das Schichtsystem (5), voneinander getrennt sind.
Photovoltaisches Element (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche (9) der Segmente (7) der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2), bezogen auf die horizontale Ausdehnung des Schichtsystems (5), untereinander gleich ist, wobei bevorzugt eine Größe der Querschnittsfläche (9) der Segmente (7) in Abhängigkeit eines Stromflusses durch die mindestens eine photovoltaische Zelle (2) gleich ausgebildet ist.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (10) eines Segments (7) 1 cm bis 2 m beträgt, bevorzugt 5 cm bis 1 m, und/oder ein Abstand der einzelnen Segmente (7) untereinander horizontal zum Schichtsystem (5) in einem Bereich von 10 nm bis 200 nm liegt, bevorzugt von 40 nm bis 80 nm.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (11) der Segmente (7), insbesondere die Länge (11) der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2), 1 mm bis 1 m beträgt, bevorzugt 5 mm bis 5 cm, wobei die Segmente (7) bevorzugt zumindest weitgehend parallel zueinander ausgebildet sind.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Segmente (7) jeweils über eine gesamte Richtung der photovoltaischen Zelle (2) ausgebildet sind, wobei bevorzugt eine Form der Segmente (7) unterschiedlich ausgebildet ist.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (7) zumindest weitgehend parallel, bevorzugt streifenförmig, ausgebildet sind, wobei bevorzugt die Segmente (7) einer nachfolgenden photovoltaischen Zelle (2) im Vergleich zur vorhergehenden photovoltaischen Zelle (2) parallel relativ gegeneinander versetzt sind.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaischen Zellen (2) des photovoltaischen Elements (1) mittels mindestens einer Sammelschiene elektrisch leitend verbunden sind.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (5) mindestens zwei photoaktive Schichten (6) aufweist, wobei die photovoltaische Zelle (2) eine Tandem-Zelle ist, bevorzugt mindestens drei photoaktive Schichten (6) aufweist, wobei die photovoltaische Zelle (2) bevorzugt eine Triple-Zelle ist, und/oder das Schichtsystem (5) zusätzlich mindestens eine Ladungsträgertransportschicht aufweist, wobei die mindestens eine Ladungsträgertransportschicht zwischen der Grundelektrode (3) oder der Deckelektrode (4) und einer photoaktiven Schicht (6) angeordnet ist, bevorzugt mindestens eine erste Ladungsträgertransportschicht und eine zweite Ladungsträgertransportschicht aufweist, wobei die erste Ladungsträgertransportschicht zwischen der Grundelektrode (3) und der mindestens einen photoaktiven Schicht (6) angeordnet ist, und wobei die zweite Ladungsträgertransportschicht zwischen der mindestens einen photoaktiven Schicht (6) und der Deckelektrode (4) angeordnet ist.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Element (1) ein organisches photovoltaisches Element (1) ist, bevorzugt ein flexibles organisches photovoltaisches Element (1), wobei bevorzugt mindestens eine photoaktive Schicht (6) des organischen photovoltaischen Elements (1) kleine Moleküle als Absorbermaterial aufweist.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Element (1) keine Bypass-Diode aufweist.
Photovoltaikanlage, mit mindestens zwei photovoltaischen Elementen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die mindestens zwei photovoltaischen Elemente (1) in Reihe geschaltet sind.
Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Elements (1), insbesondere eines flexiblen photovoltaischen Elements (1), mit mindestens zwei photovoltaischen Zellen (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, jeweils aufweisend eine Grundelektrode (3), eine Deckelektrode (4), und einem zwischen der Grundelektrode (3) und der Deckelektrode (4) angeordneten Schichtsystem (5), wobei das Schichtsystem (5) mindestens eine photoaktive Schicht (6) aufweist, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Substrats mit einer Grundelektrodenschicht, b) Laserstrukturierung der Grundelektrodenschicht, so dass die Grundelektrodenschicht in einzelne Grundelektroden (3) unterteilt wird, c) Aufbringen eines Schichtsystems (5) mit mindestens einer photoaktiven Schicht (6) auf die strukturierten Grundelektroden (3), und Bilden mindestens einer zu jeder einzelnen Grundelektrode (3) zugehörigen Öffnung in dem Schichtsystem (5) mittels Laserablation, wobei die Grundelektroden (3) an der mindestens einen Öffnung zumindest teilweise freigelegt werden, d) Aufbringen einer Deckelektrodenschicht in die mindestens eine Öffnung und/oder auf das Schichtsystem (5) mit der mindestens einen Öffnung, wobei die mindestens eine Öffnung aufgefüllt wird, e) Laserstrukturierung der Deckelektrodenschicht und des Schichtsystems (5), so dass einzelne Deckelektroden (4) und einzelne Schichtsysteme (5) gebildet werden, wobei die Deckelektrode (4) einer ersten photovoltaischen Zelle (2) mit der Grundelektrode (3) einer zweiten photovoltaischen Zelle (2) elektrisch leitend verbunden wird, und f) Segmentieren zumindest der Deckelektrode (4) und des Schichtsystems (5), oder der Deckelektrode (4), des Schichtsystems (5) und zumindest teilweise der Grundelektrode (3) der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) mittels Laserablation, wobei Segmente (7) der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) gebildet werden.
Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Elements (1) nach Anspruch 13, wobei die Deckelektrodenschicht in horizontaler Richtung bezogen auf das Schichtsystem (5) der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) unterteilt wird, so dass Deckelektroden (4) erhalten werden, und die Grundelektrodenschicht in horizontaler Richtung bezogen auf das Schichtsystem (5) der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) unterteilt wird, so dass Grundelektroden (3) erhalten werden.
Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Elements (1) nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Verfahren in einem Rolle-zu-Rolle Verfahren eingesetzt wird.