DE102010006813A1 - Thin-film solar cell comprises substrate, transparent, electrically conductive front electrode layer provided on light-facing side, and semiconductor layer - Google Patents
Thin-film solar cell comprises substrate, transparent, electrically conductive front electrode layer provided on light-facing side, and semiconductor layer Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dünnschichtsolarzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu deren HerstellungThe This invention relates to a thin film solar cell the preamble of claim 1 and a method for their preparation
Dünnschichtsolarzellen bzw. dünne Solarzellen basierend auf einer Siliziumhalbleiterschicht kommen nicht ohne lichtstreuende Maßnahmen aus, da Silizium ein indirekter Halbleiter ist und eine Mindestschichtdicke im Bereich mehrerer 100 μm für eine vollständige Lichtabsorption benötigt.thin Film solar Cells or thin solar cells based on a silicon semiconductor layer Do not come without light scattering measures, because silicon is an indirect semiconductor and has a minimum layer thickness in the range several 100 μm for a complete Light absorption needed.
Auf der anderen Seite spielen Dünnschichtsolarzellen basierend auf einer Verbundhalbleiter-Schicht, wie II-VI-Halbleiter (bspw. Cadmium-Tellurid) oder I-III-VI2-Halbleiter (bspw. Kupfer-Indium-Diselenid) aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades eine immer größer werdende Rolle. Da sie direkte Halbleiter sind, sind sie in der Lage, Licht bereits mit einer Schichtdicke von wenigen μm vollständig zu absorbieren. Materialeinsparungen, insbesondere risikoreiche Elemente, wie bspw. Indium und eine Reduktion der Kosten werden jedoch auch für Verbundhalbleiter-Schichten immer wichtiger.On the other hand, thin film solar cells based on a compound semiconductor layer such as II-VI semiconductor (eg cadmium telluride) or I-III-VI 2 semiconductor (eg copper indium diselenide) always play due to their high efficiency increasing role. Because they are direct semiconductors, they are able to completely absorb light already with a layer thickness of a few μm. However, material savings, in particular high-risk elements such as, for example, indium and a reduction in costs are becoming increasingly important for compound semiconductor layers.
Um den Weg des Lichts in der Halbleiterschicht zu verlängern und so den Wirkungsgrad zu erhöhen bzw. die Halbleiterschicht dünner ausbilden zu können, werden sog. „light-trapping”-Konzepte eingesetzt, welche die optische Weglänge erhöhen. Das beinhaltet verschiedene Maßnahmen, wie bspw. das Einbringen einer (zusätzlichen) Reflektorschicht an der Rückseite, eine Strukturierung der lichtzugewandten Seite der Solarzellen bzw. Strukturierung der Rückreflektorschicht. Vorteilhaft ist die Erreichung einer Strukturierung über eine Zwischenschicht gegenüber der direkten Strukturierung von Funktionsschichten, wie bspw. direktes Ätzen der Frontelektrodenschicht, da so eine Struktur unabhängig von weiteren Funktionen bei gleichzeitig höherem Freiheitsgrad realisiert werden kann.Around to extend the path of light in the semiconductor layer and thus to increase the efficiency or the semiconductor layer to be able to train thinner, so-called "light-trapping" concepts are used, which increase the optical path length. This contains various measures, such as the introduction of a (additional) reflector layer on the back, a structuring of the light-facing side of the solar cells or Structuring the back reflector layer. Is advantageous the achievement of structuring via an intermediate layer compared to the direct structuring of functional layers, such as direct etching of the front electrode layer, since such a structure regardless of other features can be realized simultaneously higher degree of freedom.
Dazu
ist aus
Aus
Aus
Aufgabe der Erfindung ist es, die Stromsammlung und damit den Wirkungsgrad von Solarzellen wesentlich zu erhöhen.task The invention is the power collection and thus the efficiency of solar cells to increase substantially.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Dünnschichtsolarzelle erreicht. D. h. die sowohl elektrisch leitfähige als auch reflektierende Rückelektrodenschicht wird durch direkte Abscheidung auf der strukturierten Schicht strukturiert. Die Rückelektrodenschicht oder der Rückelektrodenschichtverbund aus den Rückelektrodenteilschichten zeichnet sich dadurch aus, dass sie bzw. er elektrisch leitfähig ist und ein elektrischer Kontakt zur Halbleiterschicht besteht, um die Funktionsfähigkeit der Solarzelle zu gewährleisten.This is according to the invention with the characterized in claim 1 Thin-film solar cell reached. Ie. which are both electric conductive as well as reflective back electrode layer is structured by direct deposition on the structured layer. The back electrode layer or the back electrode layer composite characterized by the back electrode sub-layers characterized that she or he is electrically conductive and a electrical contact to the semiconductor layer is to ensure the functionality to ensure the solar cell.
Die strukturierte Schicht kann außer der reflektierenden Teilschicht mit einer elektrisch leitfähigen Rückelektrodenteilschicht beschichtet sein. Zur Abführung des Stroms der Solarzelle kann die reflektierende Teilschicht oder die elektrisch leitfähige Teilschicht mit einer Stromsammelleitung kontaktiert sein.The structured layer can except the reflective sublayer with an electrically conductive back electrode sublayer be coated. To dissipate the current of the solar cell can be the reflective sub-layer or the electrically conductive Partial layer to be contacted with a power bus.
Dabei kann die Rückelektrodenschicht je nach Zelldesign verschieden realisiert werden. Zum einen kann sie aus einem Schichtstapel aus einer leitfähigen transparenten Teilschicht und wenigstens einer weiteren Teilschicht, beispielsweise einer oder mehrerer Metallschichten gebildet werden. Der Schichtstapel insgesamt bildet dann die Rückelektrodenschicht, welche sowohl die Funktion eines Reflektors als auch die eines Rückkontaktes hat.there For example, the back electrode layer may be different depending on the cell design will be realized. For one thing, it can consist of a layer stack a conductive transparent sub-layer and at least one another sub-layer, for example one or more metal layers be formed. The layer stack as a whole then forms the back electrode layer, which both the function of a reflector and a back contact Has.
Zum anderen kann anstelle einer oder mehrerer Metallschichten auch wenigstens eine elektrisch nichtleitende hochreflektierende Teilschicht eingebracht werden. Bei dieser Rückelektrodenschicht leistet die transparente leitfähige Schicht allein die Funktion des Rückkontakts und der Verbund aus transparenter leitfähiger Schicht und nichtleitender reflektierender Schicht die Funktion des Reflektors. Des weiteren ist es möglich, beide Funktionen, Leitfähigkeit und hohe Reflektivität, in einer einzigen Rückelektrodenschicht zu realisieren.On the other hand, instead of one or more metal layers, at least one electrically nonconductive highly reflective partial layer can also be introduced. In this back electrode layer, the transparent conductive layer alone performs the function of the back contact, and the composite of transparent conductive layer and non-conductive reflective layer performs the function of the reflector. Furthermore, it is possible to use both functions, Conductivity and high reflectivity to realize in a single back electrode layer.
Die strukturierte Schicht kann direkt mit der reflektierenden Rückelektrodenteilschicht beschichtet sein. Auch kann die Rückelektrodenschicht zwischen der strukturierten Schicht und der reflektierenden Rückelektrodenteilschicht eine weitere Teilschicht aufweisen.The structured layer can directly with the reflective back electrode sublayer be coated. Also, the back electrode layer between the structured layer and the reflective back electrode sublayer have a further sub-layer.
Zudem kann zwischen der Rückelektrodenschicht oder der elektrisch leitfähigen transparenten Teilschicht der Rückelektrodenschicht und der Halbleiterschicht eine Zwischenschicht vorgesehen sein, beispielsweise als Barriereschicht, um eine Diffusion von der Rückelektrodenschicht in die Halbleiterschicht zu verhindern.moreover can be between the back electrode layer or the electric conductive transparent sub-layer of the back electrode layer and the semiconductor layer may be provided with an intermediate layer, for example as a barrier layer to diffusion from the back electrode layer to prevent the semiconductor layer.
Für die erfindungsgemäße strukturierte Schicht bedeutet dies, dass sie entweder direkt vor der Rückelektrodenschicht (dies gilt sowohl für eine Rückelektrodenschicht aus einem Schichtstapel als auch für eine Rückelektrodenschicht aus nur einer Schicht) oder im Falle von Schichtstapeln zwischen den die Rückelektrodenschicht bildenden Teilschichten abgeschieden sein kann.For the structured layer according to the invention means this is either directly in front of the back electrode layer (This applies to both a back electrode layer from a layer stack as well as a back electrode layer from only one layer) or in the case of layer stacks between the the back electrode layer forming sub-layers deposited can be.
Durch die Erfindung wird eine deutlich höhere Sammlung von photogenerierten Ladungsträgern und damit ein signifikanter Anstieg des Solarzellenwirkungsgrades erzielt, und zwar durch eine erhöhte Lichtstreuung an der Rückelektrodenschicht. Die Einbringung der strukturierten Schicht hat zur Folge, dass die Oberflächenstruktur der Rückelektrodenschicht bzw. einer ihrer Teilschichten exakt der strukturierten Schicht nachgebildet ist. Die strukturierte Schicht stellt also unmittelbar ein Textur-Templat dar. Die Oberflächenstruktur der Rückelektrodenschicht oder einer ihrer Teilschichten ist also erfindungsgemäß von der Oberflächenstruktur der voranstehenden Schichten, wie bspw. der auf dem Glassubstrat vorgesehenen strukturierten Schicht nach der vorstehend erwähnten Literaturstelle entkoppelt.By The invention will be a much higher collection of photogenerated Carriers and thus a significant increase in the Solar cell efficiency achieved, through an increased light scattering at the back electrode layer. The introduction of the structured Layer has the consequence that the surface structure of the Back electrode layer or one of its sub-layers exactly the structured layer is modeled. The structured layer thus represents directly a texture template. The surface structure the back electrode layer or one of its partial layers So is according to the invention of the surface structure the foregoing layers, such as those provided on the glass substrate structured layer according to the above-mentioned literature decoupled.
Damit wird erfindungsgemäß eine Erhöhung der Reflexion als auch eine verstärkte diffuse Streuung des Lichts an der Rückelektrodenschicht erzielt und damit ein höherer Kurzschlussstrom in der Solarzelle erzeugt.In order to is an increase of the invention Reflection as well as an increased diffuse scattering of the Light achieved at the back electrode layer and thus a higher short-circuit current generated in the solar cell.
Damit die strukturierte Schicht das Textur-Templat für die darauf abgeschiedenen Rückelektrodenschicht bildet, kann die Dünnschichtsolarzelle erfindungsgemäß sowohl in der Substrat-Konfiguration wie in der Superstrat-Konfiguration hergestellt werden.In order to the structured layer is the texture template for it forms deposited back electrode layer, the thin-film solar cell according to the invention both in the substrate configuration as in the superstrate configuration getting produced.
Bei der Herstellung in der Substrat-Konfiguration wird die strukturierte Schicht auf ein steifes oder flexibles Substrat, beispielsweise aus Glas, Keramik, z. B. Glaskeramik, Metall, Polymer oder dergleichen aufgebracht, anschließend die Rückelektrodenschicht z. B. durch Sputtern abgeschieden und darauffolgend nacheinander die Halbleiterschicht, ggf. eine Pufferschicht oder weitere Halbleiterschicht und die Frontelektrodenschicht abgeschieden, wobei die Frontelektrodenschicht normalerweise mit einer transparenten Frontabdeckung, z. B. aus Glas, Glaskeramik oder einem Polymer versehen wird. In Sonderfällen kann das Substrat jedoch auch beschichtet sein, bspw. mit einer Diffusionsbarriere.at the production in the substrate configuration becomes the structured one Layer on a rigid or flexible substrate, for example made of glass, ceramics, z. As glass-ceramic, metal, polymer or the like applied, then the back electrode layer z. B. deposited by sputtering and subsequently successively the semiconductor layer, possibly a buffer layer or further semiconductor layer and the front electrode layer is deposited, the front electrode layer usually with a transparent front cover, z. B. off Glass, glass ceramic or a polymer is provided. In special cases However, the substrate may also be coated, for example. With a Diffusion barrier.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die strukturierte Schicht aus zwischen Rückelektrodenschicht und Halbleiterschicht aufgebracht werden, wobei allerdings beispielsweise durch Aussparungen in der strukturierten Schicht eine elektrische Kontaktierung der Halbleiterschicht mit der reflektierenden Rückelektrodenschicht oder der reflektierenden Rückelektrodenschichtteilschicht vorzusehen ist.To In another embodiment of the invention, the structured Layer applied between the back electrode layer and the semiconductor layer be, however, for example, by recesses in the structured layer with an electrical contacting of the semiconductor layer the reflective back electrode layer or the reflective one Rear electrode layer layer is to be provided.
Bei der Herstellung in der Superstrat-Konfiguration werden auf dem als „Superstrat” bezeichneten transparenten Substrat, beispielsweise Glas, Glaskeramik oder Polymer, nacheinander die Frontelektrodenschicht, ggf. eine Pufferschicht oder weitere Halbleiterschicht und die eigentliche Halbleiterschicht beispielsweise durch Gasphasendeposition abgeschieden.at in superstrate configuration are referred to as "superstrate" transparent substrate, for example glass, glass ceramic or polymer, successively the front electrode layer, possibly a buffer layer or further semiconductor layer and the actual semiconductor layer For example, deposited by gas phase deposition.
Zwischen dem Substrat und der Frontelektrodenschicht können allerdings auch zusätzliche Funktionsschichten, wie ein strukturgebende Schicht und/oder eine Diffusionsbarriere, abgeschieden werden.Between However, the substrate and the front electrode layer can also additional functional layers, such as a structuring Layer and / or a diffusion barrier can be deposited.
In Abhängigkeit des Zelldesign folgt die Abscheidung der ersten Teilschicht der Rückelektrodenschicht, auf welche dann die strukturierte Schicht aufgebracht wird, worauf die wenigstens eine weitere Teilschicht der Rückelektrodenschicht, also beispielsweise eine oder mehrere Metallschichten abgeschieden werden, z. B. durch Sputtern.In Dependence of cell design is followed by the deposition of the first Partial layer of the back electrode layer on which then the structured layer is applied, whereupon the at least a further sub-layer of the back electrode layer, ie for example, one or more metal layers are deposited, z. B. by sputtering.
Stattdessen kann die strukturierte Schicht auch direkt auf der Halbleiterschicht abgeschieden werden und im Anschluss die Rückelektrodenschicht z. B. durch Sputtern. Die Rückelektrodenschicht wird dann normalerweise mit einer Rückseitenabdeckung z. B. aus Glas, Keramik, beispielsweise Glaskeramik, Metall, oder Polymer versehen.Instead The structured layer may also be directly on the semiconductor layer are deposited and then the back electrode layer z. B. by sputtering. The back electrode layer then becomes usually with a back cover z. Glass, Ceramic, for example, glass ceramic, metal, or polymer provided.
Falls die Herstellung in der Superstrat-Konfiguration erfolgt, muss ein elektrischer Kontakt zwischen den Teilschichten der Rückelektrodenschicht bzw. der Halbleiter- und Rückelektrodenschicht hergestellt werden, sofern die strukturierte Schicht zwischen zwei elektrisch leitfähigen Teilschichten des Rückkontakts oder direkt auf die Halbleiterschicht aufgebracht ist. Dies gilt also nicht für den Fall, dass die Rückelektrodenschicht eine nichtleitfähige hochreflektierende Schicht aufweist. Um den Kontakt herzustellen, weist die strukturierte Schicht vorzugsweise Aussparungen auf, durch die im Falle der Superstrat-Konfiguration eine genügend gute Kontaktierung der entsprechenden Schichten realisiert wird.If the production takes place in the superstrate configuration, electrical contact has to be established between the sublayers of the back electrode layer or of the semiconductor and back electrode layer, if the structured layer lies between two electrically conductive sublayers of the back contact or directly onto the semiconductor layer is applied. This does not apply to the case where the back electrode layer has a non-conductive highly reflective layer. In order to produce the contact, the structured layer preferably has recesses, by means of which, in the case of the superstrate configuration, a sufficiently good contacting of the corresponding layers is realized.
Im Falle einer transparenten Rückelektrodenteilschicht ist, um eine Totalreflexion des Lichts an der Rückelektrodenschicht zu verhindern, die Brechzahl der strukturierten Schicht an die der transparenten Rückkontaktschicht angepasst, d. h. sie weicht vorzugsweise maximal 0,5 bis 1, insbesondere maximal 0,3 von der Brechzahl der transparenten Rückelektrodenteilschicht ab. Das heißt, bei einer Rückelektrodenteilschicht aus einem elektrisch leitenden, transparenten Metalloxid, wie Zink-, oder Zinn-Oxid, mit einer Brechzahl von 1,9 bis 2,0 beträgt erfindungsgemäß die Brechzahl der strukturierten Schicht vorzugsweise 1,5 bis 2,4, insbesondere 1,7 bis 2,2.in the Case of a transparent back electrode sublayer, to a total reflection of the light at the back electrode layer To prevent the refractive index of the structured layer to the transparent back contact layer adapted, d. H. she gives way preferably at most 0.5 to 1, in particular at most 0.3 of the Refractive index of the transparent back electrode part layer. That is, in a back electrode part layer of an electrically conductive, transparent metal oxide, such as zinc or tin oxide, with a refractive index of 1.9 to 2.0 according to the invention is the Refractive index of the structured layer preferably 1.5 to 2.4, in particular 1.7 to 2.2.
Die erfindungsgemäße Dünnschichtsolarzelle weist zudem vorzugsweise eine Pufferschicht und/oder eine weitere Halbleiterschicht auf, die zwischen der Frontelektrodenschicht und der Halbleiterschicht abgeschieden ist.The Thin film solar cell according to the invention also preferably has a buffer layer and / or another Semiconductor layer between the front electrode layer and the semiconductor layer is deposited.
Das Substrat ist vorzugsweise mit wenigstens einer Funktionsschicht versehen. Die Funktionsschicht kann durch eine Barriereschicht gebildet sein. Zudem kann auf dem Substrat als Funktionsschicht eine weitere strukturierte Schicht vorgesehen sein.The Substrate is preferably with at least one functional layer Mistake. The functional layer can be formed by a barrier layer be. In addition, on the substrate as a functional layer another be provided structured layer.
Die strukturierte Schicht weist vorzugsweise ein periodisches Muster auf, wobei der Abstand zwischen den Erhöhungen und/oder Vertiefungen benachbarter Muster vorzugsweise im Submikrometer-Bereich liegt und vorzugsweise weniger als 5 μm, bevorzugt weniger als 2 μm, insbesondere weniger als 1000 nm, ganz besonders bevorzugt zwischen 100 bis 500 nm beträgt.The structured layer preferably has a periodic pattern on, with the distance between the elevations and / or Recesses of adjacent patterns preferably in the submicrometer range is, and preferably less than 5 microns, preferably less than 2 microns, especially less than 1000 nm, especially preferably between 100 to 500 nm.
Wenn die Periode des Musters der strukturierten Schicht im Submikrometer-Bereich liegt, wird das auf die Rückelektrodenschicht fallende Licht mit einem großen Raumwinkel abgelenkt.If the period of the pattern of the patterned layer in the submicron range is, the falling on the back electrode layer Deflected light with a large solid angle.
Das Aspektverhältnis, also das Verhältnis aus der Höhe der Erhöhungen bzw. der Tiefe der Vertiefungen des Musters zu deren Abstand voneinander beträgt vorzugsweise 0,01 bis 2, insbesondere 1,0 bis 0,6. Das heißt, das Muster ist relativ flach, um das Licht in einem flachen Winkel zu streuen.The Aspect ratio, ie the ratio of the Height of the elevations or the depth of the depressions the pattern to the distance from each other is preferably 0.01 to 2, especially 1.0 to 0.6. That is, the pattern is relatively flat to scatter the light at a shallow angle.
Die mittlere Schichtdicke der strukturierten Schicht beträgt vorzugsweise maximal 5 μm und kann 0,05 bis 20 μm, insbesondere 0,1 bis 5 μm betragen.The average layer thickness of the structured layer is preferably at most 5 μm and can be 0.05 to 20 μm, in particular 0.1 to 5 microns.
Auf das periodische Muster der strukturierten Schicht im Submikrometer-Bereich sind vorzugsweise periodische Überstrukturen aufmoduliert, die durch Erhöhungen und/oder Vertiefungen gebildet sind. Diese Überstrukturen weisen eine Periode, also einen Abstand zwischen den Erhöhungen und/oder Vertiefungen von mehr als 1 μm, insbesondere 5 bis 20 μm auf. Durch die aufmodulierten Überstrukturen der strukturierten Schicht wird eine zusätzliche Lichtstreuung erreicht. Das Aspektverhältnis der Überstrukturen kann ebenfalls 0,01 bis 2, insbesondere 0,1 bis 0,5 betragen.On the periodic pattern of the structured layer in the submicrometer range preferably periodic superstructures are modulated, which are formed by elevations and / or depressions. These superstructures have a period, ie a distance between the elevations and / or depressions of more than 1 micron, in particular 5 to 20 microns. By the modulated superstructures of the structured layer an additional light scattering is achieved. The aspect ratio The superstructure may also be 0.01 to 2, especially 0.1 to 0.5.
Die periodischen Muster im Submikrometer-Bereich und/oder die aufmodulierten periodischen Überstrukturen sind vorzugsweise isotrop, also richtungsunabhängig ausgebildet. Dazu können die periodischen Muster im Nanometer-Bereich und/oder die aufmodulierten periodischen Überstrukturen durch Kreuzgitter, Mottenaugen, Pyramiden oder invertierte Pyramiden gebildet sein.The periodic patterns in the submicrometer range and / or the modulated Periodic superstructures are preferably isotropic, ie independent of direction. These can be the periodic patterns in the nanometer range and / or the modulated periodic superstructures through cross lattice, moth eyes, Pyramids or inverted pyramids may be formed.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in das Schichtmaterial ein Kreuzgitter mit einer Periode von 500 bis 1200 nm, insbesondere etwa 800 nm, und einer Tiefe von 300 bis 900 nm, insbesondere etwa 600 nm eingeprägt.To a preferred embodiment of the invention is in the layer material is a cross lattice with a period of 500 to 1200 nm, in particular about 800 nm, and a depth of 300 to 900 nm, in particular impressed about 600 nm.
Die strukturierte Schicht wird vorzugsweise durch ein Metalloxid- und/oder Halbmetalloxid-Netzwerk gebildet, das vorzugsweise glasig, also amorph, hybridpolymer, nanokristallin und/oder teilkristallin ausgebildet ist.The structured layer is preferably by a metal oxide and / or Semi-metal oxide network formed, which is preferably glassy, ie amorphous, hybrid polymer, nanocrystalline and / or partially crystalline formed is.
Die strukturierte Schicht kann insbesondere aus Siliziumdioxid (SiO2) als Halbmetalloxid bestehen und transparente Metalloxide enthalten. Das Siliziumdioxid kann in amorpher oder hybridpolymerer Form vorliegen, also organische Restbestandteile aufweisen. Ein Hybridpolymer ist ein vernetzendes und/oder vernetztes polymeres Material aus organischen und anorganischen Bestandteilen. Organische Restbestandteile können z. B. Methyl, Ethyl oder Phenyl-Gruppen sein. Ferner kann die Schicht Polysiloxane enthalten oder deren Zersetzungsprodukte.The structured layer can in particular consist of silicon dioxide (SiO 2 ) as a semi-metal oxide and contain transparent metal oxides. The silicon dioxide can be in amorphous or hybrid polymeric form, that is, have organic residual constituents. A hybrid polymer is a crosslinking and / or crosslinked polymeric material of organic and inorganic constituents. Organic residues can z. For example, be methyl, ethyl or phenyl groups. Furthermore, the layer may contain polysiloxanes or their decomposition products.
In einer bevorzugten Ausführungform liegt das SiO2-Netzwerk als Hybridpolymer bzw. als Vinyl-, Allyl-, Methacrylat- bzw. Epoxyd-funktionalisertes Silan vor.In a preferred embodiment, the SiO 2 network is present as a hybrid polymer or as a vinyl-, allyl-, methacrylate- or epoxide-functionalized silane.
Die transparenten Metalloxide liegen in der Schicht vorzugsweise als amorphe, teilkristlline oder kristalline Nanopartikel vor, welche eingebunden in ein amorphes SiO2 bzw. mit organischen Restbestandteilen funktionalisiertes SiO2-Netzwerk sind. Eine typische Partikel- bzw. Kristallitgröße der Metalloxide ist 0,5–100 nm, bevorzugt 1 bis 50 nm besonders bevorzugt 2–20 nm.The transparent metal oxides are present in the layer preferably as amorphous, partially crystalline or crystalline nanoparticles which are bound in an amorphous SiO 2 or SiO 2 network functionalized with organic radical constituents. A typical particle or crystallite size of the metal oxides is 0.5-100 nm, preferably 1 to 50 nm, more preferably 2-20 nm.
Vorzugsweise liegen in der strukturierten Schicht kugelförmige SiO2-Nanopartikel mit einem Partikeldurchmesser von 4 bis 100 nm, insbesondere 6 bis 50 nm, ganz besonders 6 bis 30 nm vor. Insbesondere werden als SiO2-Nanopartikel sphärische ellipsiode, nadelförmige oder faserartige SiO2-Nanopartikel eingesetzt.Spherical SiO 2 nanoparticles having a particle diameter of 4 to 100 nm, in particular 6 to 50 nm, very particularly 6 to 30 nm, are preferably present in the structured layer. In particular, spherical SiO 2 nanoparticles are used as SiO 2 nanoparticles, spherical ellipsoidal, acicular or fibrous SiO 2 nanoparticles.
Faserartige Nanopartikel können dabei beispielsweise aus Ketten aus mehreren aneinandergereihten, kugelförmigen Nanopartikeln mit einem Durchmesser von 8 bis 20 nm bestehen.fibrous For example, nanoparticles can be made from chains several juxtaposed, spherical nanoparticles consist of a diameter of 8 to 20 nm.
Die mittlere Kettenlänge beträgt dabei zwischen 30 und 200 nm.The mean chain length is between 30 and 200 nm.
Die Metalloxide können in amorpher bzw. nanokristalliner Form vorliegen, auch in Form hybridpolymerer Derivate bzw. Verbindungen oder als Partikel.The Metal oxides can be in amorphous or nanocrystalline form also in the form of hybrid polymer derivatives or compounds or as a particle.
Die transparenten Metalloxide können Titandioxid (TiO2), Zirkondioxid (ZrO2), Nioboxid (NbO2), Manganoxid (MnO2, Mn2O3) Hafniumoxid (HfO2), Germaniumoxid (GeO2), Calcium- bzw. Magnesium- bzw. Yttrium stabilisiertes Zirkondioxid, Aluminiumoxid (Al2O3), Zinkoxid (ZnO), Zinnoxid (SnO2), Gadoliniumoxid (Gd2O3), Samariumoxid (Sm2O3), Lanthanoxid (La2O3), Magnesiumoxid (MgO), Calciumoxid (CaO) und/oder Boroxid (B2O3), Yttriumtitanat (Y2Ti2O7), Lanthanzirkonat (La2ZrO7) sein. Das Zinkoxid kann dabei Indium-, Antimon- oder Aluminium-dotiertes Zinkoxid sein. Bevorzugt werden Metalloxide und deren kristalline bzw. amorphe Nanopartikel mit einer Brechzahl > 2,0.The transparent metal oxides may include titanium dioxide (TiO 2 ), zirconium dioxide (ZrO 2 ), niobium oxide (NbO 2 ), manganese oxide (MnO 2 , Mn 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), germanium oxide (GeO 2 ), calcium or magnesium. or yttrium stabilized zirconia, alumina (Al 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO) and / or boron oxide (B 2 O 3 ), yttrium titanate (Y 2 Ti 2 O 7 ), lanthanum zirconate (La 2 ZrO 7 ). The zinc oxide can be indium-, antimony- or aluminum-doped zinc oxide. Preference is given to metal oxides and their crystalline or amorphous nanoparticles having a refractive index> 2.0.
Mit diesen Metalloxiden kann die Brechzahl der strukturierten Schicht exakt eingestellt werden. So beträgt die Brechzahl von Titanoxid in der Anatase-Kristallmodifikation beispielsweise 2,54. Die Brechzahl von ZrO2 ist beispielweise 2,1.With these metal oxides, the refractive index of the structured layer can be set exactly. For example, the refractive index of titanium oxide in the anatase crystal modification is 2.54. The refractive index of ZrO 2 is for example 2.1.
In besonderen Ausführungsformen können die Metalloxide auch direkt als Nanopartikel eingebracht werden. Vorzugweise werden hierfür redispergierbare Nanopartikel oder deren kolloiddisperse Dispersion in Wasser, Alkoholen oder apolaren Lösungsmitteln verwendet. Wahlweise kann auch von den Hydroxiden, Acetaten oder Propionaten der Metalloxide wie z. B. Al(OH)3, La(acetat)3, Sm(acetat)3, Gd(propionat)3 ausgegangen werden. In einer besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Nanopartikel, im Speziellen die TiO2-Nanopartikel mit einer SiO2-, ZrO2- oder Al2O3-Schicht z. B. über das Sol-Gel-Verfahren beschichtet worden.In particular embodiments, the metal oxides can also be introduced directly as nanoparticles. Redispersible nanoparticles or their colloidally disperse dispersion in water, alcohols or apolar solvents are preferably used for this purpose. Optionally, of the hydroxides, acetates or propionates of metal oxides such. B. Al (OH) 3 , La (acetate) 3 , Sm (acetate) 3 , Gd (propionate) 3 are assumed. In a particular embodiment of the invention, the nanoparticles, in particular the TiO 2 nanoparticles with a SiO 2 , ZrO 2 or Al 2 O 3 layer z. B. over the sol-gel method has been coated.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegen in der strukturierten Schicht SiO2-Nanopartikel neben anderen oxidischen Nanopartikeln, beispielhaft bevorzugt hochbrechende Nanopartikel vor. Die hochbrechenden Nanopartikel haben bevorzugt eine Partikelgröße von 4 bis 80 nm. Das Volumenverhältnis der hochbrechenden Nanopartikeln zu anderem Schichtmaterial, inklusive der Poren, beträgt zwischen 1 zu 10 bis 1 zu 1, bevorzugt 1 zu 5 bis 1 zu 2.In a preferred embodiment, SiO 2 nanoparticles are present in the structured layer in addition to other oxidic nanoparticles, by way of example preferably high-index nanoparticles. The high-index nanoparticles preferably have a particle size of 4 to 80 nm. The volume ratio of the high-index nanoparticles to other layer material, including the pores, is between 1: 10 to 1: 1, preferably 1: 5 to 1: 2.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform liegen die SiO2-Nanopartikel und die hochbrechenden Nanopartikel mit einem glasigen und/oder hybridpolymeren Binder fixiert in der strukturierten Schicht vor. Das Volumenverhältnis von SiO2 und hochbrechenden Nanopartikeln zu Binder beträgt beispielsweise 1 zu 10 bis 10 zu 1, bevorzugt 1 zu 2 bis 5 zu 1.In a preferred embodiment according to the invention, the SiO 2 nanoparticles and the high-index nanoparticles are fixed in the structured layer with a glassy and / or hybrid polymer binder. The volume ratio of SiO 2 and high-index nanoparticles to binders is for example 1 to 10 to 10 to 1, preferably 1 to 2 to 5 to 1.
Die hydrolysierten und polykondensierten Sol-Gel-Vorstufen, können amorph oder kristallin sowie molekular- oder kolloidal-dispers sein, wobei die Teilchengröße dieser Vorstufen vorzugsweise weniger als 20 nm beträgt. Diese Teilchengröße kann durch Kleinwinkelstreuung (SAXS), dynamische Lichtstreuung (DLS) und/oder Fraunhofer-Beugung ermittelt werden.The hydrolyzed and polycondensed sol-gel precursors amorphous or crystalline and molecular or colloidal-disperse, the particle size of these precursors preferably less than 20 nm. This particle size can by small angle scattering (SAXS), dynamic light scattering (DLS) and / or Fraunhofer diffraction are determined.
Die strukturierte Schicht kann durch Prägen oder Drucken einer Schicht gebildet werden, die nach dem Sol-Gel-Verfahren aus hydrolisier- und polykondensierbaren Siliziumverbindungen, insbesondere Silizium-organischen Verbindungen und ggf. hydroslier- und polykondensierbaren Titan-, Zirkon-, Aluminium-, Zink-, Magnesium-, Calcium-, Zer-, Samarium-, Gadolinium-, Lanthan-, Bor-, Yttrium- und/oder Zinn-Verbindungen hergestellt ist. Dabei kann die Silizium- bzw. Siliziumorganische Verbindung photochemisch polymerisierbar sein.The structured layer can be made by embossing or printing a Formed by the sol-gel process from hydrolysing and polycondensable silicon compounds, in particular silicon-organic Compounds and optionally hydrosilyl and polycondensable titanium, Zirconium, aluminum, zinc, magnesium, calcium, cerium, samarium, gadolinium, Lanthanum, boron, yttrium and / or tin compounds produced is. In this case, the silicon or silicon organic compound be photochemically polymerizable.
D. h. die strukturierte Schicht kann nach dem Sol-Gel-Verfahren aus hydrolisier- und kondensierbaren Silizium- und gegebenenfalls Titan-, Zirkon-, Niob-, Aluminium-, Zink-, Germanium-, Magnesium-, Calcium- und Zinn-Verbindungen der allgemeinen Formeln SiORxR'y, TiORxXy, ZrORxXy, NbORxXy, AlORxXy, ZnORxXy, GeORxXy MgORxXy, CaORxXy und/oder SnORxXy hergestellt werden, worin 0 Sauerstoff und R und R' gleiche oder unterschiedliche organische Reste darstellen oder R' Wasserstoff ist, X ein Halogenid, vorzugsweise Chlor, ist und x und y zusammen die Anzahl der Restvalenzen bilden. Organische Reste können beispielsweise Methyl, Ethyl, Phenyl, Propyl, Butyl sein.D. H. the structured layer can be made by the sol-gel method hydrolyzable and condensable silicon and optionally titanium, Zirconium, niobium, aluminum, zinc, germanium, magnesium, calcium and tin compounds of the general formulas SiORxR'y, TiORxXy, ZrORxXy, NbORxXy, AlORxXy, ZnORxXy, GeORxXy MgORxXy, CaORxXy and / or SnORxXy where O is oxygen and R and R 'are the same or different organic radicals or R 'is hydrogen, X is a halide, preferably chlorine, and x and y together are the Forming number of residual valences. Organic residues can for example, methyl, ethyl, phenyl, propyl, butyl.
Für die Siliziumalkoholatvorstufen SiORxR'y werden weiterhin Verbindungen eingesetzt, worin 0 Sauerstoff und R und R' gleiche oder unterschiedliche organische Reste, welche teilweise thermische bzw. photochemisch über eine radikalische und oder ionische Polymerisationsreaktion vernetzt werden können. Organisch vernetzbare Gruppen sind z. B. 3-Glycidoxypropyl, 3-Methacryloxypropyl, Allyl, Vinyl. Besonders bevorzugt sind hierbei Verbindungen wie 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, 3-Glycidoxypropyltriethoxysilan, 3-Methacryloxypropyltriethoxysilan, Allyltriethoxysilan, Vinyltriethoxysilan.Further compounds are used for the silicon alkoxide precursors SiORxR'y, in which O is oxygen and R and R 'are identical or different organic radicals, which can be crosslinked in part thermally or photochemically via a free-radical and / or ionic polymerization reaction. Organically crosslinkable groups are z. 3-glycidoxypropyl, 3-methacryloxypropyl, allyl, vinyl. Particular preference is given to compounds such as 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, allyltriethoxysilane, vinyltriethoxysilane.
Als Haftvermittler zum Substrat können der Lackformulierung, mit der die strukturierte Schicht hergestellt wird, Aminosilane wie beispielsweise 3-Aminopropoyltriethoxysilan oder 3-Aminopropoyltrimethoxysilan zugegeben werden. Die hydrolysierten und polykondensierten Sol-Gel-Vorstufen, können amorph oder kristallin sowie molekular- oder kolloidal-dispers sein, wobei die Teilchengröße dieser Vorstufen vorzugsweise weniger als 20 nm beträgt. Diese Teilchengröße kann durch Kleinwinkelstreuung (SAXS), dynamische Lichtstreuung (DLS) und/oder Fraunhofer-Beugung ermittelt werden.When Adhesion promoters to the substrate may be the paint formulation, with which the structured layer is made, aminosilanes such as 3-aminopropoyltriethoxysilane or 3-aminopropoyltrimethoxysilane be added. The hydrolyzed and polycondensed sol-gel precursors, may be amorphous or crystalline as well as molecular or colloidal be, the particle size of these precursors preferably less than 20 nm. This particle size can by small angle scattering (SAXS), dynamic light scattering (DLS) and / or Fraunhofer diffraction are determined.
Zur Stabilisierung der reaktiven Metalloxidvorstufen insbesondere der Alkoholate können Komplexbildner wie beta-Diketonate wie z. B. Acetylaceton, beta-Carbonylcarbonsäureester wie z. B. Acetessigsäureethylester, Carbonsäuren wie Propionsäure oder Methoxyethoxyessigsäure, Monoethanolamin, Diethanolamin, Triethanolamin, Diole wie z. B. Pentandiol und polymeriserbare Liganden wie Methacrysäure oder Acrylsäure eingesetzt werden.to Stabilization of the reactive metal oxide precursors in particular the Alcoholates can be complexing agents such as beta-diketonates z. For example, acetylacetone, beta-carbonyl carboxylic acid ester such. For example, ethyl acetoacetate, carboxylic acids such as Propionic acid or methoxyethoxyacetic acid, monoethanolamine, Diethanolamine, triethanolamine, diols such as. As pentanediol and polymerizable Ligands such as methacrylic acid or acrylic acid used become.
In einer besonderen Ausführungsform können die Sol-Gel-Vorstufen auch in Pulverform unter Verwendung von dem Fachmann bekannten amorphen bzw. kristallinen Sol-Gel-Vorstufenpulvern eingebracht werden. Beispielweise sind bekannt Vorstufenpulver des TiO2, ZrO2, Al2O3, ZnAl2O4, Mullit (Al2O3/SiO2) und MgAl2O4 mit beispielsweise Triethanolamin, Acetylaceton oder Ethoxyessigsäue als Chelatliganden.In a particular embodiment, the sol-gel precursors can also be introduced in powder form using amorphous or crystalline sol-gel precursor powders known to those skilled in the art. For example, precursor powders of TiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , ZnAl 2 O 4 , mullite (Al 2 O 3 / SiO 2 ) and MgAl 2 O 4 with, for example, triethanolamine, acetylacetone or ethoxyacetic acid as chelate ligands are known.
Die Hydrolyse der Sol-Gel-Vorstufen insbesondere der Alkoholate erfolgt in der Regel unter neutralen bzw. sauren Bedingungen. Saure Bedingungen werden beispielsweise durch die Zugabe von Mineralsäure wie HCl, HNO3, H2SO4 und H3PO4 eingestellt. Wahlweise kann auch eine Hydrolyse oder Vorhydrolyse unter essigsauren Bedingungen erfolgen. Es kann die Hydrolyse und Kondensation auch im alkalischen Milieu vorgenommen werden, beispielsweise kann hierzu NH3 verwendet werden.The hydrolysis of the sol-gel precursors, in particular of the alcoholates, is generally carried out under neutral or acidic conditions. Acidic conditions are adjusted, for example, by the addition of mineral acid such as HCl, HNO 3 , H 2 SO 4 and H 3 PO 4 . Alternatively, a hydrolysis or prehydrolysis can be carried out under acetic acid conditions. The hydrolysis and condensation can also be carried out in an alkaline medium, for example NH 3 can be used for this purpose.
In besonderen Ausführungsformen werden zur Hydrolyse organische Säure wie beispielsweise para-Toluolsulfonsäue eingesetzt.In particular embodiments are organic for hydrolysis Acid such as para-Toluolsulfonsäue used.
Die kristallinen Nanopartikel können aus flüssiger Phase in die Synthese als auch als redispergierbare Nanopartikel mit einer Agglomeratgröße der redispergierten Nanopartikel < 50 nm eingebracht werden.The crystalline nanoparticles can become liquid Phase in the synthesis as well as redispersible nanoparticles with an agglomerate size of the redispersed Nanoparticles <50 nm are introduced.
In einer besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform beträgt der Gehalt an kristallinen bzw. amorphen Nanopartikeln mit einer Brechzahl > 2,0 mehr als 30 insbesondere mehr als 40 Volumen des Gesamtschichtvolumens.In a particular embodiment of the invention is the content of crystalline or amorphous nanoparticles with a refractive index> 2.0 more than 30, in particular more than 40 volumes of the total layer volume.
Die Nanopartikel können dabei über dem Fachmann bekannten Verfahren wie Fällung aus flüssiger Phase, durch Flammenpyrolyse oder unter hydrothermalen Bedingungen herstellt worden sein.The Nanoparticles can be known by those skilled in the art Process such as precipitation from liquid phase, by Produces flame pyrolysis or under hydrothermal conditions have been.
In einer speziellen Ausführungsform kann der Beschichtungslösung ein zusätzlich vernetzbares organisches Monomer zugesetzt werden. Solche Additive können beispielsweise Bernsteinsäureanhydrid, Tetraethylenglycoldimethacrylat, Hexandioldiacrylat oder Trimethylolpropantriacrylat sein.In In a specific embodiment, the coating solution added an additionally crosslinkable organic monomer become. Such additives may include, for example, succinic anhydride, Tetraethylene glycol dimethacrylate, hexanediol diacrylate or trimethylolpropane triacrylate be.
Speziellen Sol-Gel-Systemen können dem Fachmann bekannte Verlaufvermittler wie beispielsweise das Polyacrylate BYK 359 oder BYK 301 zugesetzt werden.special Sol-gel systems can be known to those skilled in the art such as the polyacrylates BYK 359 or BYK 301 added become.
In einer speziellen Ausführungsform kann der Lackformulierung zur Einstellung eines speziellen Abtrocknungsverhaltens und einer speziellen Thixotropie ein Polysiloxan zugegeben werden.In a special embodiment, the paint formulation for setting a special drying behavior and a special thixotropy a polysiloxane can be added.
Um das Ablöseverhalten bzw. Reaktionen und/oder die Adhäsion der Lackformulierung mit dem polymeren oder silkonbasierten Stempelmaterials zu minimieren bzw. zu unterdrücken, können der Formulierung Fluorsilane wie beispielsweise 1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltriethoxysilan, 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecyltriethoxysilan, oder andere fluororganische Verbindungen zugesetzt werden.Around the detachment behavior or reactions and / or the adhesion the paint formulation with the polymeric or silicone based stamping material To minimize or suppress, the Formulation fluorosilanes such as 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorooctyltriethoxysilane, 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodecyltriethoxysilane, or other fluoroorganic compounds are added.
Um eine photochemische Härtung der strukturierten Dünnschichten durchführen zu können, werden den Sol-Gelbeschichtungslösungen, also der Lackformulierung, Photoinitatoren zugegeben, welche z. B. eine radikalische Polymerisations- bzw. Vernetzungsreaktion bei Allyl-, Vinyl-, Methacrylat- oder Acrylat-Gruppen starten können. Sollen Epoxydgruppen photochemisch vernetzt werden, so können kationische Startersysteme eingesetzt werden. Gängige dem Fachman photochemisch anregbare Startersysteme können z. B 1-Hydroxycyclohexyl benzophenon (Irgacure 184), Benzophenon, Mischungen aus 1-Hydroxycyclohexyl-benzophenon und Benzophenon, Phosphinoxidephenyl bis (2,4,6-trimethylbenzoyl) sein. Durch die Wahl des Startersystems kann die Anregungswellenlänge von 200–500 nm variiert und jeweils spezifisch eingestellt werden. Für eine thermische Härtung wird den Solen beispielsweise der Katalysators 1-Methylimidazol zugegeben.Around a photochemical curing of the structured thin films to be able to perform the sol-gel coating solutions, So the paint formulation, photoinitiators added, which z. B. a radical polymerization or crosslinking reaction Allyl, vinyl, methacrylate or acrylate groups can start. If epoxy groups are to be crosslinked photochemically, then cationic starter systems are used. Common to that Fachman photochemically excitable starter systems may, for. B 1-hydroxycyclohexylbenzophenone (Irgacure 184), benzophenone, mixtures from 1-hydroxycyclohexylbenzophenone and benzophenone, phosphineoxyphenyl bis (2,4,6-trimethylbenzoyl). By choosing the starter system For example, the excitation wavelength can be varied from 200-500 nm and each be set specifically. For a thermal Hardening is the brines, for example, the catalyst 1-methylimidazole added.
Falls die strukturierte Schicht durch Prägen gebildet wird, wird bei einer Dünnschichtsolarzelle in Substrat-Konfiguration die strukturierte Schicht durch Beschichten des Substrats oder auf einer auf dem Substrat aufgebrachten Funktionsschicht, wie bspw. eine Diffusionsbarriere, mit dem Sol, Bildung der Gel-Schicht, Prägen der Gel-Schicht und Aushärten der geprägten Gel-Schicht hergestellt. Falls die Dünnschichtsolarzelle in der Superstrat-Konfiguration hergestellt wird, wird die strukturierte Schicht durch Beschichten einer Rückelektrodenteilschicht bzw. der Halbleiterschicht an der lichtabgewandten Seite mit dem Sol, Bildung der Gel-Schicht, Prägen der Gel-Schicht und Aushärten der geprägten Gel-Schicht gebildet.If the patterned layer is formed by embossing, in a substrate thin film solar cell, the patterned layer is passed through Coating the substrate or on a functional layer applied to the substrate, such as a diffusion barrier, with the sol, forming the gel layer, embossing the gel layer and curing the embossed gel layer. If the thin-film solar cell is fabricated in the superstrate configuration, the patterned layer is formed by coating a back electrode sublayer on the light-remote side with the sol, forming the gel layer, embossing the gel layer, and curing the embossed gel layer ,
Das Beschichten kann durch Tauchbeschichtung, Walzenauftrag, Fluten oder Sprühen durchgeführt werden. Zur Serienproduktion wird der Walzenauftrag vorgezogen.The Coating can be done by dip coating, roller application, flooding or spraying. For serial production the roll application is preferred.
Aus dem auf das ggf. mit einer Funktionsschicht beschichteten Substrat bzw. eine Rückelektrodenteil- oder die Halbleiterschicht aufgetragenen wässrigen, lösungsmittelhaltigen Sol wird das Lösungsmittel zumindest teilweise verdampft, um einen prägbaren, ggf. teilweise noch niedrigviskosen oder bereits höher viskosen getrockneten Gelfilm auf dem ggf. beschichteten Substrat bzw. einer Rückelektrodenteil- oder der Halbleiterschicht zu bilden. Der aufgetragene viskose Gel-Film wird dann geprägt und ausgehärtet.Out on the optionally coated with a functional layer substrate or a back electrode part or the semiconductor layer applied aqueous, solvent-containing Sol, the solvent is at least partially evaporated, an embossable, possibly even low viscosity or already more viscous dried gel film on the possibly coated substrate or a Rückelektrodenteil- or to form the semiconductor layer. The applied viscous gel film is then embossed and cured.
Zur Aushärtung können dabei Strahlquellen oder deren Kombinationen verwendet werden, welche im UV-, im sichtbaren Wellenlängenbereich bzw. NIR-IR oder IR-Bereich emittieren.to Curing can be beam sources or their Combinations are used, which in the UV, in the visible wavelength range or emit NIR-IR or IR range.
Als Prägeform kann beispielsweise eine polymere Folie an einem Prägestempel oder einem Prägezylinder verwendet werden.When Embossing mold, for example, a polymeric film on a Embossing stamp or a stamping cylinder used become.
Zur Herstellung der Prägeform wird z. B. interferenzlithographisch das periodische Muster, mit dem die strukturierte Schicht auf dem Substrat bzw. der Rückkontaktschicht versehen werden soll, auf einem Master, z. B. aus Nickel erzeugt und von ihm auf die polymere Folie übertragen. Die polymere Folie weist damit das Negativ des periodischen Musters und das Aspektverhältnis der strukturierten Schicht auf, und falls die strukturierte Schicht Überstrukturen enthält, auch das Negativ der Überstrukturen und deren Aspektverhältnis. Die polymere Folie kann aus einem gummielastischem Material, beispielsweise Silikongummi oder perfluoriertem Polymer bestehen. Der Anpressdruck beim Prägen ist vorzugsweise 0,01 bis 5 bar. Bei einen höheren Druck kann die Solarzelle beschädigt werden.to Production of the mold is z. B. interference lithographic the periodic pattern with which the structured layer on the Substrate or the back contact layer to be provided on a master, z. B. made of nickel and from him to the polymeric Transfer film. The polymeric film thus has the negative of the periodic pattern and the aspect ratio of the structured ones Layer, and if the structured layer contains superstructures, also the negative of the superstructures and their aspect ratio. The polymeric film may be made of a rubber elastic material, for example Silicone rubber or perfluorinated polymer. The contact pressure when embossing is preferably 0.01 to 5 bar. At one higher pressure can damage the solar cell.
Das Prägen kann im Vakuum durchgeführt werden, um zu verhindern, dass sich in die Vertiefungen des geprägten Gel-Films Flüssigkeit ansammelt, die die Struktur der strukturierten Schicht verändern kann. Auch kann dazu eine poröse Prägeform verwendet werden, die diese Flüssigkeit aufnimmt.The Embossing can be done in a vacuum to prevent being in the depressions of the embossed Gel-film liquid accumulates the structure of the structured Shift can change. Also can be a porous Embossing mold to be used, this liquid receives.
Während die Prägeform gegen den plastischen Gelfilm auf dem Substrat gedrückt wird, wird der Gelfilms ebenfalls gehärtet, um die zu übertragende Struktur zu fixieren. Wahlweise kann die Aushärtung auch durch den Prägestempel, mittel UV-Licht oder IR Strahlung erfolgen. Ein Härtung mit anderen Strahlquellen wie hochenergetischer Strahlung ist ebenfalls möglich. In der Regel schließt sich nach der Vorhärtung vor dem Prägevorgang, der Aushärtung während des Prägevorgangs noch eine Nachhärtung an.While the embossing mold against the plastic gel film on the substrate is pressed, the gel film is also cured, to fix the structure to be transferred. Optional Curing can also be effected by the embossing stamp, medium UV light or IR radiation. A hardening with other beam sources such as high energy radiation is also possible. Usually closes after pre-hardening before the embossing process, the curing during the embossing process still a post-curing.
Das Voraushärten, das Härten während des Prägevorgangs und das endgültige Aushärten kann beispielsweise thermisch und/oder mit UV-Licht bzw. IR-Strahlung erfolgen. Dazu kann der Gelfilm während er gegen den die Prägeform gedrückt ist, beim Voraushärten zunächst auf 50 bis 140°C erwärmt werden. Nach einer Dauer des Voraushärtens von vorzugsweise 0,1 Sekunden bis 1 Minute, ist die Prägestruktur fixiert, sodass die Prägeform von der strukturierten Schicht auf dem ggf. beschichteten Substrat bzw. einer Rückelektrodenteil- oder der Halbleiterschicht entfernt werden kann.The Pre-curing, hardening during the embossing process and the final cure may be, for example thermally and / or with UV light or IR radiation. To can the gel film while he is against the the embossing mold is pressed, when pre-curing first be heated to 50 to 140 ° C. After a duration pre-curing of preferably 0.1 seconds to 1 minute, the embossed structure is fixed so that the embossing form from the structured layer on the optionally coated substrate or a back electrode part or the semiconductor layer can be removed.
In der Regel wird der nasse Gelfilm bereits vor dem eigentlichen Prägevorgang mittel UV- bzw. IR-Strahlung oder thermisch vorgetrocknet bzw. vorgehärtet.In Usually, the wet gel film is already before the actual embossing process medium UV or IR radiation or thermally pre-dried or pre-cured.
Das Aushärten der geprägten strukturierten Gel-Schicht wie das der nachstehend noch näher erläuterten gedruckten strukturierten Gel-Schicht kann thermisch durchgeführt werden, vorzugsweise bei 300 bis 750°C.The Curing the embossed structured gel layer as explained in more detail below Printed structured gel layer can be thermally performed be, preferably at 300 to 750 ° C.
So kann die endgültige Aushärtung bei einer Temperatur von vorzugsweise 450 bis 740°C durchgeführt werden, wenn das Substrat der nach der Substrat-Konfiguration hergestellten Dünnschichtsolarzelle bzw. das als „Superstrat” bezeichnete Substrat der nach der Superstrat-Konfiguration hergestellten Solarzelle entsprechend temperaturstabil ist.So can be the final cure at a temperature be carried out from preferably 450 to 740 ° C, when the substrate prepared according to the substrate configuration Thin-film solar cell or referred to as "superstrate" Substrate of the solar cell produced after the superstrate configuration is thermally stable accordingly.
Demgegenüber wird bei einem Substrat aus einem Polymer z. B. Polyimid aufgrund der geringen Temperaturstabilität eine Aushärtetemperatur von normalerweise höchstens 300°C, insbesondere höchstens 200°C angewendet.In contrast, is in a substrate of a polymer z. As polyimide due the low temperature stability, a curing temperature of normally at most 300 ° C, especially at most 200 ° C applied.
Dazu können die vorstehend genannten Reste R, R' der Verbindungen, aus denen das Sol und damit der Gel-Film gebildet wird, bei erhöhter Temperatur und/oder unter UV-Strqhlung abspaltbare Reste sein, beispielsweise Epoxy- oder Methacrylat-Reste, um die Aushärtetemperatur herabzusetzen.To the abovementioned radicals R, R 'of the compounds, from which the sol and thus the gel film is formed, at elevated temperature and / or radicals which can be split off under UV radiation, for example Epoxy or methacrylate residues to the curing temperature decrease.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, eine Härtung mittels UV-Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 200–300 nm durchzuführen, da hierdurch ein ausreichend hohe Prozessgeschwindigkeit gewährleistet ist. Auch ist es hierdurch möglich eine exakte und defektfreie Struktur-Abformung zu erreichen.When it has proven to be particularly advantageous to cure by means of UV radiation in a wavelength range of 200-300 nm, as this results in a sufficiently high process speed is guaranteed. It is also possible through this to achieve an exact and defect-free structure impression.
Mit anorganischen, hybridpolymeren oder organischen nur thermisch vernetzbaren Systemen, welche keine photochemisch polymerisierbaren Funktionalitäten enthalten, ist dies nicht mit ausreichend hoher Prozessgeschwindigkeit möglich. Bevorzugt werden hierfür Beschichtungssol-Formulierungen, welche auf Methylmethacrylat-, Acrylat-, Vinyl- und/oder Epoxy-gruppen-funktionalierten Partikeln und Silanen basieren.With inorganic, hybrid or organic only thermally crosslinkable Systems which do not have photochemically polymerizable functionalities This is not with a sufficiently high process speed possible. For this coating sol formulations are preferred, which are functionalized on methyl methacrylate, acrylate, vinyl and / or epoxy groups Particles and silanes are based.
Um die Anbindung des Gel-Films an die Prägeform beim Entfernen der Prägeform von der strukturierten Schicht zu verhindern, kann die Prägeform, also beispielsweise die Prägefolie, mit Tensiden oder dergleichen entnetzenden Verbindungen versehen werden, beispielsweise mit perfluorierten Kohlenwasserstoffen, fluorierten Silanen oder dergleichen.Around the connection of the gel film to the embossing mold when removing to prevent the embossing mold from the structured layer can the embossing mold, so for example the stamping foil, be provided with surfactants or the like entendenenden compounds, for example with perfluorinated hydrocarbons, fluorinated Silanes or the like.
Bei Herstellung der Dünnschichtsolarzelle nach der Substrat-Konfiguration kann zudem das Substrat einer Vorbehandlung unterworfen werden, um die Haftung der strukturierten Schicht an dem Substrat zu verbessern. So kann ein Primer verwendet werden oder eine Corona- Behandlung des Substrats vor dem Aufbringen des Sols durchgeführt werden.at Production of the thin-film solar cell according to the substrate configuration In addition, the substrate can be subjected to a pretreatment in order to to improve the adhesion of the structured layer to the substrate. Thus, a primer can be used or a corona treatment of the substrate before applying the sol become.
Anstelle des Beschichtens des Substrats bzw. der Rückkontaktschicht mit dem Sol und Prägen des Gel-Films auf dem ggf. beschichteten Substrat bzw. einer Rückelektrodenteil- oder der Halbleiterschicht kann das ggf. beschichtete Substrat bzw. eine Rückelektrodenteil- oder die Halbleiterschicht auch durch Bedrucken mit der strukturierten Schicht versehen werden. In der Druckform, die ein Zylinder oder eine Platte sein kann, kann dann vertieft das Negativ des periodischen Musters mit dem Aspektverhältnis der strukturierten Schicht vorgesehen sein, und falls diese strukturierte Schicht Überstrukturen enthält, auch das Negativ der Überstrukturen mit deren Aspektverhältnis.Instead of the coating of the substrate or the back contact layer with the sol and embossing the gel film on the optionally coated Substrate or a back electrode part or the semiconductor layer If necessary, the coated substrate or a back electrode part or the semiconductor layer also by printing with the structured Layer be provided. In the printing form, a cylinder or a Plate can then deepen the negative of the periodic Pattern with the aspect ratio of the structured layer be provided, and if this structured layer superstructures contains, also the negative of superstructures with their aspect ratio.
Die strukturierte Schicht kann damit durch Bedrucken des ggf. beschichteten Substrats bzw. einer Rückelektrodenteil- oder der Halbleiterschicht mit der mit dem Gel versehenen Druckform, Halten der Druckform gegen das Substrat bzw. der Rückkontaktschicht während des Voraushärtens der strukturierten Schicht, Entfernen der Druckform von der vorausgehärteten strukturierten Schicht und endgültige Aushärtung der strukturierten Schicht gebildet werden.The structured layer can thus by printing the possibly coated Substrate or a back electrode part or the semiconductor layer with the gel provided printing form, holding the printing form against the substrate or the back contact layer during precoating the structured layer, removing the printing form of the precured structured layer and final curing of the structured layer be formed.
Das Voraushärten und endgültige Aushärten kann dabei in gleicher Weise durchgeführt werden, wie vorstehend im Zusammenhang mit dem Prägen beschrieben. Gleiches gilt für die Vorbehandlung der Druckform.The Pre-curing and final curing can be carried out in the same way as above described in the context of embossing. same for for the pretreatment of the printing form.
Auf die strukturierte Schicht auf dem ggf. beschichteten Substrat bzw. einer Rückelektrodenteil- oder der Halbleiterschicht wird dann beispielsweise durch Sputtern die Rückelektrodenschicht bzw. deren weitere Teilschicht(en) abgeschieden.On the structured layer on the optionally coated substrate or a back electrode part or the semiconductor layer then, for example, by sputtering the back electrode layer or their further partial layer (s) deposited.
Um den elektrischen Kontakt zwischen den Rückelektrodenteilschichten bzw. der Halbleiterschicht und der Rückelektrodenschicht herzustellen, können beim Prägen oder Drucken der strukturierten Schicht Aussparungen in der strukturierten Schicht erzeugt werden, beispielsweise übermodulierte Aussparungen in der Präge- bzw. Druckformstruktur.Around the electrical contact between the back electrode sublayers or the semiconductor layer and the back electrode layer can be used when embossing or printing the structured layer creates recesses in the structured layer be, for example, overmodulated recesses in the Embossing or printing form structure.
Die Halbleiterschicht weist die für Dünnschichtsolarzellen übliche Dicke von weniger als 2 μm, insbesondere weniger als 1 μm auf.The Semiconductor layer has the usual for thin-film solar cells Thickness of less than 2 microns, especially less than 1 micron on.
Die Halbleiterschicht der erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarzelle besteht vorzugsweise aus einem Halbleiter auf Silizium-Basis, also insbesondere amorphem, mikrokristallinem oder mikromorphem oder mono- oder nano- oder polykristallinem Silizium oder einem Verbundhalbleiter. Der Verbundhalbleiter besteht vorzugsweise aus II-VI Halbleitern, wie Cadmium-Tellurid oder I-III-VI2-Halbleitern, wie Cu(Inx, Ga1-x)(Sy, Se1-y)2, wobei x und y 0 bis 1 ist. Vorzugsweise weist die Halbleiterschicht mehr als einen pn-Übergang auf.The semiconductor layer of the thin film solar cell according to the invention preferably consists of a semiconductor based on silicon, that is to say in particular amorphous, microcrystalline or micromorphous or mono- or nano- or polycrystalline silicon or a compound semiconductor. The compound semiconductor is preferably made of II-VI semiconductors such as cadmium telluride or I-III-VI 2 semiconductors such as Cu (In x Ga 1-x) (S y Se 1-y) 2, wherein x and y 0 to 1 is. Preferably, the semiconductor layer has more than one pn junction.
Die Rückelektrodenschicht oder eine ihrer Teilschichten kann eine Metallschicht beispielsweise aus Molybdän, Vanadium, Wolfram, Nickel, Titan, Palladium, Silber, Aluminium, Kupfer oder eine Legierung dieser Metalle sein. Sie kann an der Rückseite mit weiteren Metallschichten versehen sein.The Back electrode layer or one of its sub-layers can a metal layer of, for example, molybdenum, vanadium, Tungsten, nickel, titanium, palladium, silver, aluminum, copper or be an alloy of these metals. She can be at the back be provided with additional metal layers.
In einer besonderen Ausführungsform kann eine der Rückelektrodenteilschichten jedoch auch durch eine weiße Farbschicht, beispielsweise aus Titandioxid oder Bariumsulfat gebildet sein, wobei dann die weitere Rückelektrodenteilschicht auf der lichtzugewandten Seite aus einer transparenten elektrisch leitfähigen Schicht, insbesondere aus einem Oxid (TCO), beispielsweise Zinn- oder Zink-Oxid besteht, um die Rückelektrode zu bilden. In weiteren Ausführungsformen kann die Rückelektrode auch durch eine oder mehrere Metallschichten und eine transparente elektrisch leitfähige Schicht gebildet werden.In In a particular embodiment, one of the back electrode sublayers but also by a white color layer, for example be formed of titanium dioxide or barium sulfate, in which case the further back electrode sub-layer on the light-facing Side of a transparent electrically conductive layer, in particular from an oxide (TCO), for example tin or zinc oxide exists to form the back electrode. In further embodiments The back electrode may also be through one or more metal layers and a transparent electrically conductive layer are formed.
In besonderen Ausführungsformen kann die strukturierte Schicht an der Rückelektrode bzw. zwischen den Rückelektrodenteilschichten auch in sog. „Multijunction-Devices”, allen voran die sog. Tandemstruktur, eingesetzt werden.In particular embodiments, the structured layer on the back electrode or between the back electrode sublayers may also be in so-called. "Multijunction devices", above all the so-called tandem structure, are used.
Das Substrat der erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarzelle kann ein Kalk-Natron-, Borosilicat- oder Aluminosilicat-Glas sein.The Substrate of the thin-film solar cell according to the invention may be a soda lime, borosilicate or aluminosilicate glass.
Das
Kalk-Natron-Glas enthält vorzugsweise 40 bis 80 Gew.-%
SiO2, 0 bis 5 Gew.-% Al2O3, 3 bis 30 Gew.-% R2O,
3 bis 30 Gew.-% R'O sowie weitere Bestandteile von 0 bis 10 Gew.-%,
wobei R mindestens ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist,
die aus Li, Na und K besteht, und wobei R' mindestens ein Element
ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mg, Ca,
Sr, Ba und Zn besteht, oder
50 bis 76 Gew.-% SiO2,
0 bis 5 Gew.-% Al2O3,
6 bis 25 Gew.-% R2O, 6 bis 25 Gew.-%, R'O
sowie weitere Bestandteile von 0 bis 10 Gew.-%, wobei R mindestens
ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die
aus Li, Na und K besteht, und wobei R' mindestens ein Element ist,
das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mg, Ca, Sr,
Ba und Zn besteht, oder mindestens 0,1 Gew.-% Al2O3, vorzugsweise mindestens 0,5 Gew.-% Al2O3.The soda-lime glass preferably contains 40 to 80% by weight SiO 2 , 0 to 5% by weight Al 2 O 3 , 3 to 30% by weight R 2 O, 3 to 30% by weight R ' O and other ingredients of 0 to 10 wt .-%, wherein R is at least one element selected from the group consisting of Li, Na and K, and wherein R 'is at least one element selected from the group is, which consists of Mg, Ca, Sr, Ba and Zn, or
50 to 76 wt .-% SiO 2 , 0 to 5 wt .-% Al 2 O 3 , 6 to 25 wt .-% R 2 O, 6 to 25 wt .-%, R'O and other components from 0 to 10% by weight, wherein R is at least one member selected from the group consisting of Li, Na and K, and wherein R 'is at least one member selected from the group consisting of Mg, Ca , Sr, Ba and Zn, or at least 0.1 wt% Al 2 O 3 , preferably at least 0.5 wt% Al 2 O 3 .
Das
Borosilicatglas enthält vorzugsweise 60 bis 85 Gew.-% SiO2, 1 bis 10 Gew.-% Al2O3, 5 bis 20 Gew.-% B2O3, 2 bis 10 Gew.-% R2O
und 0 bis 10 Gew.-% an weiteren Bestandteilen, wobei R mindestens
ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die
aus Li, Na und K besteht, oder
70 bis 83 Gew.-% SiO2, 1 bis 8 Gew.-% Al2O3, 6 bis 14 Gew.-% R2O
und 0 bis 10 Gew.-% an weiteren Bestandteilen, wobei R mindestens
ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die
aus Li, Na und K besteht.The borosilicate glass preferably contains 60 to 85 wt .-% SiO 2 , 1 to 10 wt .-% Al 2 O 3 , 5 to 20 wt .-% B 2 O 3 , 2 to 10 wt .-% R 2 O and 0 to 10% by weight of other ingredients, wherein R is at least one member selected from the group consisting of Li, Na and K, or
70 to 83 wt .-% SiO 2 , 1 to 8 wt .-% Al 2 O 3 , 6 to 14 wt .-% R 2 O and 0 to 10 wt .-% of further constituents, wherein R is at least one element , which is selected from the group consisting of Li, Na and K.
Das
Aluminiumsilicatglas enthält vorzugsweise 55 bis 70 Gew.-%
SiO2, 10 bis 25 Gew.-% Al2O3, 0 bis 5 Gew.-% B2O3, 0 bis 2 Gew.-% R2O,
3 bis 25 Gew.-% R'O sowie weitere Bestandteile von 0 bis 10 Gew.-%,
wobei R mindestens ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus Li, Na und K besteht, und wobei R' mindestens ein Element ist,
das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mg, Ca, Sr,
Ba und Zn besteht, oder
mindestens 0,5 Gew.-% B2O3.The aluminosilicate glass preferably contains 55 to 70 wt.% SiO 2 , 10 to 25 wt.% Al 2 O 3 , 0 to 5 wt.% B 2 O 3 , 0 to 2 wt.% R 2 O, 3 to 25% by weight of R'O and other ingredients of 0 to 10% by weight, wherein R is at least one member selected from the group consisting of Li, Na and K, and wherein R 'is at least one Is element selected from the group consisting of Mg, Ca, Sr, Ba and Zn, or
at least 0.5% by weight of B 2 O 3 .
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematischbelow the invention with reference to the accompanying drawings by way of example explained in more detail. In each case show schematically
Gemäß
Auf
der Glasscheibe, also unterhalb der Frontelektrodenschicht
Auf
die erste Rückelektrodenteilschicht
Damit
ein elektrischer Kontakt zwischen den beiden Rückelektrodenteilschichten
Die
Rückelektrodenteilschicht
Gemäß
In
besonderen Ausführungsformen kann das Substrat
Die
Halbleiterschicht
Die
strukturierte Schicht
Wie
aus
Durch
die Erhöhungen im Abstand von z. B. 200 nm der strukturierten
Schicht
Außerdem
weist die strukturierte Schicht
Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.The The following examples serve for further explanation the invention.
Lackformulierung 1:Paint formulation 1:
Zur Herstellung werden 1,5 mol Titantetraethylat mit 1 mol Acetylacteon umgesetzt und anschließend mit 5 mol Wasser, in dem 0,1 mol Paratoluolsulfonsäure gelöst sind, hydrolysiert. Das Lösungsmittel wird entfernt und das Pulver wird anschließend für 4 Std bei 125°C getrocknet. Das Pulver wird in 10 Masse-%iger Konzentration in Wasser redispergiert und anschließend 15 Stunden bei 160°C in einer Metallbombe hydrothermal behandelt. Die Nanopartikel werden anschließend mit n-Butanol aus der wässrigen Phase extrahiert. Nach Entfernen des n-Butanol werden redispergierbare TiO2-Nanopartikel erhalten.For the preparation, 1.5 mol of titanium tetraethylate are reacted with 1 mol of acetylactone and then hydrolyzed with 5 mol of water in which 0.1 mol of paratoluene sulfonic acid are dissolved. The solvent is removed and the powder is then dried for 4 hours at 125 ° C. The powder is redispersed in 10% strength by mass concentration in water and then hydrothermally treated for 15 hours at 160 ° C. in a metal bomb. The nanoparticles are then extracted from the aqueous phase with n-butanol. After removal of the n-butanol, redispersible TiO 2 nanoparticles are obtained.
In einem Gefäß werden 0,40 mol Methacryloxypropyltrimethoxysilan (MPTMS), 0,04 mol Tetraethoxysilan und 0,1 g Paratoluolsulfonsäure, gelöst in 16 g Wasser, vorgelegt. Die Lösung wird 1 h gerührt. Zu dieser Lösung wird anschließend langsam unter Eiskühlung und heftigem Rühren 300 g einer Dispersion aus nanopartikulären TiO2-Partikeln in n-Butanol (15 Mass-%, Anatase, Kristallitgröße 7–12 nm) gegeben.0.40 mol of methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPTMS), 0.04 mol of tetraethoxysilane and 0.1 g of paratoluene sulfonic acid, dissolved in 16 g of water, are placed in a vessel. The solution is stirred for 1 h. 300 g of a dispersion of nanoparticulate TiO 2 particles in n-butanol (15% by mass, anatase, crystallite size 7-12 nm) are then slowly added to this solution while cooling with ice and vigorously stirred.
Der Lackformulierung 1 werden 15 g des Photoinitators Irgagure 184® zugesetzt und dann einseitige Beschichtungen mittels Rollenbeschichtung durchgeführt. Nach der Abtrocknung des Lösungsmittels wird in den niedrigviskosen plastischen Gelfilm ein polymerer bzw. silkonartiger Prägestempel mit einem Prägedruck 0,1–2,0 bar flächig (10·10 cm2) eingedrückt. Der Prägestempel ist dabei aus einem Material, welches in einem Wellenlängenbereich > 230 nm durchlässig ist. Die Struktur des Prägestempel ist eine periodische Mottenaugenstruktur mit einer Periode von 300 nm und einem Aspektverhältnis von im Mittel 1. Während der Prägestempel mit dem Schichtmaterial in Kontakt ist, wird mittels einer UV-Lampe, welche im Wellenlängenbereich von etwa 250 nm emittiert,. eine erste Härtung der Schicht durchgeführt. Nach dem Entfernen des Prägestempels erfolgt eine weitere UV-basierte Schichthärtung.The paint formulation 1 15 g of Photoinitators Irgagure 184 ® was added and then performed one-sided coatings by means of roller coating. After the solvent has dried, a polymeric or silcon-like embossing stamp having an embossing pressure of 0.1-2.0 bar is pressed flat (10 × 10 cm 2 ) into the low-viscosity plastic gel film. The embossing stamp is made of a material which is permeable in a wavelength range> 230 nm. The structure of the stamper is a periodic moth-eye structure having a period of 300 nm and an aspect ratio of on average 1. While the stamper is in contact with the layer material, is emitted by means of a UV lamp, which emits in the wavelength range of about 250 nm. performed a first hardening of the layer. After removal of the embossing stamp, a further UV-based layer hardening takes place.
Die mittlere glasig-keramisch Schichtdicke der geprägten Schicht beträgt 500 nm. Das Aspektverhältnis der geprägten Struktur beträgt 0,5–0,6.The average glassy-ceramic layer thickness of the embossed layer is 500 nm. The aspect ratio of the embossed Structure is 0.5-0.6.
Lackformulierung 2:Paint formulation 2:
In einem Gefäß werden 0,80 mol Glycidoxpropyltriethoxysilan (GPTMS) und 0,20 mol Tetraethoxysilan (TEOS) vorgelegt und mit 0,13 mol H2O, welches 0,0018 mol Paratoluolsulfonsäure enthält hydrolysiert. Nach 10 Minuten werden 0,10 mol kugelförmige SiO2-Nanopartikel (8 nm Partikeldurchmesser) als 30 mass-%-ige Dispersion in Isopropanol und 2,4 mol kristalline TiO2-Nanopartikel in n-Butanol hinzugegeben. Die Lösung wird 24 Stunden gerührt.0.80 mol of glycidoxpropyltriethoxysilane (GPTMS) and 0.20 mol of tetraethoxysilane (TEOS) are introduced into a vessel and hydrolyzed with 0.13 mol of H 2 O, which contains 0.0018 mol of paratoluene sulfonic acid. After 10 minutes, 0.10 mol of spherical SiO 2 nanoparticles (8 nm particle diameter) as a 30% by mass dispersion in isopropanol and 2.4 mol of crystalline TiO 2 nanoparticles in n-butanol are added. The solution is stirred for 24 hours.
Der Lackformulierung 0,6 g eines Iodiumsalzes als Photoinitiator zugeben. Der Photoinitiator ist unter dem Markennamen irgagure 250® erhältlich. Anschließend wird eine einseitige Beschichtung mittels Rollenbeschichtung durchgeführt. Nach der Abtrocknung des Lösungsmittels wird in den niedrigviskosen plastischen Gelfilm ein polymerer oder silikonhaltiger Prägestempel mit einem Prägedruck 0,1 bis 2,0 bar flächig (10 × 10 cm2) eingedrückt. Der Prägestempel ist dabei aus einem Material, welches in einem Wellenlängenbereich > 230 nm durchlässig ist. Die Struktur der Prägestempel ist eine periodische Kreuzgitterstruktur mit einer Periode von 500 nm und einem Aspektverhältnis von im Mittel eins. Während der Prägestempel mit dem Schichtmaterial in Kontakt ist, wird mittels einer UV-Lampe, welche im Wellenlängenbereich von etwa 250 nm emittiert eine erste Härtung der Schicht duchgeführt. Nach dem Entfernen des Prägestempels erfolgt eine weitere UV-basierte Schichthärtung und eine thermische Schichthärtung bei 170°C für 1 Stunde.Add 0.6 g of an iodonium salt as photoinitiator to the paint formulation. The photoinitiator is under the brand name irgagure 250 ® available. Subsequently, a one-sided coating is carried out by roller coating. After the solvent has dried, a polymeric or silicone-containing embossing stamp having an embossing pressure of 0.1 to 2.0 bar (10 × 10 cm 2 ) is pressed into the low-viscosity plastic gel film. The embossing stamp is made of a material which is permeable in a wavelength range> 230 nm. The structure of the stamper is a periodic cross lattice structure with a period of 500 nm and an aspect ratio of one mean. During the embossing stamp in contact with the layer material is, is carried out by means of a UV lamp, which emits in the wavelength range of about 250 nm, a first hardening of the layer. After removal of the embossing stamp, a further UV-based layer hardening and a thermal layer hardening takes place at 170 ° C. for 1 hour.
Die mittlere glasig-keramische Schichtdicke der geprägten Schicht beträgt zwischen 800 bis 900 nm. Das Aspektverhältnis der geprägten Struktur beträgt 0,75. Das Schichtmaterial hat eine Brechzahl von ca. 1,7.The average glassy-ceramic layer thickness of the embossed layer is between 800 to 900 nm. The aspect ratio the embossed structure is 0.75. The layer material has a refractive index of about 1.7.
Lackformulierung 3:Paint formulation 3:
In einem Gefäß werden 0,5 mol Vinyltriethoxysilan und 0,1 mol Tetraethoxysilan mit 1,0 mol H2O, welches 0,03 mol HCl enthält, hydrolysiert. Die Lösung wird 1 h gerührt. Zu dieser Lösung wird zunächst langsam unter Eiskühlung 0,5 mol Zirkontetrapropylat, versetzt mit 0,5 mol Methacrylsäure, getropft.In a vessel, 0.5 mol of vinyltriethoxysilane and 0.1 mol of tetraethoxysilane are hydrolyzed with 1.0 mol of H 2 O containing 0.03 mol of HCl. The solution is stirred for 1 h. 0.5 mol of zirconium tetrapropylate, mixed with 0.5 mol of methacrylic acid, is slowly added dropwise to this solution while cooling with ice.
Die Formulierung 3 wird anschließend mit 100 ml Ethanol verdünnt und mit 12 g Irgacure 189 versetzt. Die Aushärtung und Strukturierung erfolgt wie bei Formulierung 1 oder 2 beschrieben.The Formulation 3 is then diluted with 100 ml of ethanol and mixed with 12 g Irgacure 189. The curing and Structuring takes place as described for Formulation 1 or 2.
Lackformulierung 4:Paint formulation 4:
Zur Herstellung werden 100 g Titantertrapropylat mit 50 g 1-Propanol und 6 g konz HCl versetzt. Nach einer Stunde wird mit 7,5 g Wasser in 15 g 1-Propanol hydrolysiert. Die Lösung wird anschließend 1 Stunde bei 200°C in einer Metallbombe hydrothermal behandelt. Nach Entfernen des 1-Propanol werden redispergierbare TiO2-Nanopartikel erhalten.For the preparation, 100 g of titanium tetrapropylate are mixed with 50 g of 1-propanol and 6 g of concentrated HCl. After one hour, hydrolyzed with 7.5 g of water in 15 g of 1-propanol. The solution is then hydrothermally treated for 1 hour at 200 ° C in a metal bomb. After removal of the 1-propanol, redispersible TiO 2 nanoparticles are obtained.
In einem Gefäß werden 100 g (0,40 mol), Methacryloxypropyltrimethoxysilan (MPTMS) und 1,5 g konz HCl in 14 g Wasser vorgelegt. Die Lösung wird 1 h gerührt. Zu dieser Lösung werden anschließend langsam unter Eiskühlung und heftigem Rühren 300 g einer Dispersion aus nanopartikulären TiO2-Partikeln in Toluol (15 Mass-%, Anatase, Kristallitgröße 7–12 nm) gegeben.In a vessel 100 g (0.40 mol), methacryloxypropyltrimethoxysilane (MPTMS) and 1.5 g of concentrated HCl in 14 g of water are introduced. The solution is stirred for 1 h. 300 g of a dispersion of nanoparticulate TiO 2 particles in toluene (15% by mass, anatase, crystallite size 7-12 nm) are then slowly added to this solution while cooling with ice and vigorously stirred.
Die Formulierung 4 wird anschließend mit mit 15 g Irgacure 189 versetzt. Die Aushärtung und Strukturierung erfolgt wie bei Formulierung 1 oder 2 beschrieben.The Formulation 4 is then mixed with 15 g Irgacure 189 offset. The curing and structuring takes place as described in Formulation 1 or 2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- - Journal of Non-Cystralline Solids 218 (1997) 391–394 [0005] - Journal of Non-Cystralline Solids 218 (1997) 391-394 [0005]
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