在部分遮阴下具有改进的效率和使用寿命的用于将光转换成电能的有机构造元件制造技术

本发明专利技术描述了具有集成式旁通二极管的用于将光转换成电能的有机构造元件，这些构造元件被集成到光电子堆叠中，以便在单独电池单元或电池单元段的部分遮阴/遮阴的情况下提高光电子构造元件的效率和使用寿命。还可以将这种构造元件的生产用于卷对卷方法中的大面积应用。

Organic components for converting light into electricity with improved efficiency and service life under partial shading

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在部分遮阴下具有改进的效率和使用寿命的用于将光转换成电能的有机构造元件
本专利技术作为有机太阳能电池的实例说明了一种光电子模块组件，该组件包括可以在部分遮阴下使用的各种电池单元并且即使在遮阴情况下也保证该模块的改进的效率和更长的使用寿命。现有技术光电子构造元件(例如太阳能单元)作为串联和/或并联连接的模块来制造。单独的模块由多个一般彼此串联的电池单元组成，通常呈电池单元条的形式。在单独模块/电池单元的部分遮阴的情况下，所连接的模块的问题是，遮阴的电池单元相对于与之串联连接的未遮阴或遮阴较少的电池单元形成在截止方向上连接的二极管。因此它们阻止了光生成电流的流出，这对效率产生了负面影响。此外还存在如下风险：在遮阴的电池单元中可能由于缺陷而出现集中的电流，这可能导致局部过热且最终导致电池单元的不可逆退化和因此模块的效率损失。针对性诱发的退化的实例展示在图1中。可以明显看出，这导致模块的可见表面的点状损坏并且这是不希望的。经济性生产的目标是生产具有长使用寿命的大面积、高效率模块。在具有大于50cm、优选大于1m的模块宽度和大于2m、优选大于5或10m的模块长度的大面积模块的情况下，单独电池单元的失效从经济角度看与在例如1cmx1cm的小面积电池单元或模块的情况下相比更严重。对应的更换对于用户来说更加昂贵并且因此同样是不希望的。在常规的薄层光伏装置中使用旁通二极管。在此情况下，单独的或多个模块后续设置有旁通二极管。在有机光伏太阳能电池的领域中，EP1920468B1建议为模块或太阳能电池配备与之并排布置的旁通二极管，其中该旁通二极管和太阳能电池在结构上、尤其在传输层的结构上有所不同。所属的原始国际申请WO2007028036A2还公开了一种染料敏化的太阳能电池，其中在电极与光电层之间使用氟化的氧化锌。这种组件的缺点是它只能用于染料敏化的太阳能电池。WO2007028036A2还公开了必需使用两个层160(顶部覆盖层)和170(底部覆盖层)，这些层在电极上被安置在旁通二极管的区域，由此当光伏电池单元被照射时旁通二极管不生成电流。US20150349164A1公开了一种集成在太阳能电池中的旁通二极管，其中该旁通二极管和太阳能电池包括在基板上的彼此并排的不同区域并且通过沟槽完全电分离，并且后续才进行接触。专利技术概述技术目的本专利技术的目标是，以在单独电池单元或电池单元区域(部分)遮阴的情况下更高的效率和部分和/或完全遮阴的电池单元或电池条的使用寿命的提高来实现一种光电子构造元件、优选太阳能电池的组件(该组件包括至少一个模块)，并且减少现有技术中所描述的缺点。在实现该目的时还要求，所建议的用于改进在部分遮阴情况下的效率和使用寿命的解决方案可以为用户尽可能少地影响太阳能电池(模块)的光学表面并且可以将本专利技术的构造元件的制造整合在卷对卷方法(Rolle-zu-Rolle-Prozess)中并且还适用于大面积光电子模块。另一个目的是，给出一种用于本专利技术组件的制造方法，其中该方法优选可以整合在卷对卷方法中。术语定义光电子构造元件由至少一个具有光活性层的模块组成。有机光电子构造元件是具有至少一个有机光活性层的光电子构造元件。该有机光电子构造元件由至少一个模块组成。模块由不同(光活性)电池单元组成，这些电池单元特别优选串联连接，但是还可以并联连接。条或电池单元条是电池单元在模块中的某种组件，其中电池单元的纵向延伸尺寸在模块宽度上。根据本专利技术，条的一部分理解为，当将旁通二极管安排在条上时，条的由至少一个旁通二极管限定或者包含旁通二极管的子区域。专利技术人将“集成式旁通二极管”理解为具有电压截止范围和导通范围的构造元件，其中根据本专利技术的集成式旁通二极管在光电子构造元件的对应的光电子电池单元的VMpp下产生低电流并且在光电子构造元件的对应的光电子电池单元的反向负载下产生高电流。术语“集成式旁通二极管”基本上理解为根据本专利技术的所有如下变体：这些变体即使不是经典二极管，也仍实现了所要求的目的。有机光电子电池单元取决于光活性层体系的数量，这些层体系由层构造中在这两个基部触点与顶部触点之间的传输层和其他层区分为单结电池单元、级联电池单元或多结电池单元。级联电池单元和多结电池单元由在电极之间彼此重叠安排地至少两个子电池单元组成，其中每个子电池单元至少一个光活性层体系，该层体系包括至少一个光活性(吸收光的)层和至少一个传输层。在本专利技术的意义上，小分子理解为具有介于100与2000g/mol之间的单分散摩尔质量的非聚合物型有机分子，这些分子在常压下(包围我们的大气的空气压力)并在室温下以固相存在。这些小分子尤其还可以是光活性的，其中光活性理解为这些分子在光入射下改变其荷电状态。本专利技术的公开内容和本专利技术的技术效果这个目的通过一种光电子构造元件(即太阳能电池)的组件来实现，在该构造元件中集成有至少一个旁通二极管。集成式旁通二极管可以被印刷或蒸镀。在第一实施方式中，至少一个旁通二极管和电池单元的有机构造元件的这些层在电极之间彼此重叠地安排，其中有机构造元件的这些层在旁通二极管的区域中至少部分被中断或桥接，使得存在旁通二极管的这些层与基部触点和顶部触点的直接电接触。这种组件在下文中称为夹层组件。在一个替代实施方式中，集成式旁通二极管和有机光电子电池单元彼此并排安排在基板上并且在生产期间通过针对性的结构化、优选激光结构化来制造并适当地连接，这种组件在下文中称为激光处理的组件。为了实现如此制造的集成式旁通二极管的更好的结果，加工在集成式旁通二极管的区域中所施加的层是必要的，由此这些层不会由于其与这些有机光电子电池单元的连接而在工作中大幅度降低光电子电池单元的效率。结构化可以设计为，使得旁通二极管在基板上如此集成在光电子电池单元的条旁边或在光电子电池单元的条中，使得光电子电池单元的条的基部触点与相关旁通二极管的顶部触点电子连接并且相关旁通二极管的基部触点与相邻的光电子电池单元的条的基部触点电子连接。在此情况下，旁通二极管在基部触点与顶部触点之间应具有与光电子电池单元的条相同的截止方向。在处理技术方面在这种情况下最简单的是，对于旁通二极管和光电子电池单元使用相同的层堆叠。此外，这种方案具有以下优点：产生了非常均匀的外观印象，因为旁通二极管的面在颜色上与光电子电池单元并无不同。但是这种变体具有以下缺点：旁通二极管同样是光活性的并且因而生成与光电子构造元件反向流动的电流。当旁通二极管面积较小(小于相关联的条的面积的10％、但优选小于5％或进一步优选小于2％、非常特别优选小于0.5％)时这个缺点是可以接受的。根据本专利技术，旁通二极管所需面积的比例还可以通过将旁通二极管设计得非常窄而最小化(小于8mm，优选小于5mm，进一步优选小于2mm)。虽然这要求总体上向某一总面积中集成更多的旁通二极管，但是仍然是有利的，因为与少量但较大的旁通二极管相比，更多的较小的旁通二极管的发热更容易消散。旁通二极管的最优的尺寸在此敏感地取决于结构化方法的精确度。所述的损耗可以根据本专利技术以如下方式降低：通过合适的后处理(例如通过激光辐射、UV辐射、电子或离子轰击)来针对性地减少在旁通二极管的区域中光电子构造元件的层堆叠的光伏函数(载流子生成的外部量子产率)。如果该光电子构造元件为多结电池单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于将光转换成电能的有机构造元件，包括至少一个模块、靠近基板的至少一个基部触点(1)以及至少一个顶部触点(2)，其中每个模块包括至少两个有机光电子电池单元和至少一个集成式旁通二极管，a.该光电子电池单元包括有机的光电子的堆叠层体系，该层体系安排在该基部触点(1)与该顶部触点(2)之间，并且这些光电子电池单元串联连接，b.该集成式旁通二极管在基板上与这些光电子电池单元安排成使得每个旁通二极管与正好一个光电子电池单元或者与多个光电子电池单元并联连接，并且无触点的集成式旁通二极管(4，5)安排成使得该无触点的集成式旁通二极管在该基部触点(1)与该顶部触点(2)之间具有与这些光电子电池单元(3)的条相同的截止方向，并且通过结构化将该旁通二极管与这些光电子电池单元的条并排地集成在该基板上，c.其特征在于，这些光电子电池单元的条的基部触点(1)与相关联的旁通二极管的顶部触点(2)电子连接并且该相关联的旁通二极管的基部触点(1)与相邻的光电子电池单元的条的基部触点(1)电子连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.26 DE 102016118177.31.用于将光转换成电能的有机构造元件，包括至少一个模块、靠近基板的至少一个基部触点(1)以及至少一个顶部触点(2)，其中每个模块包括至少两个有机光电子电池单元和至少一个集成式旁通二极管，a.该光电子电池单元包括有机的光电子的堆叠层体系，该层体系安排在该基部触点(1)与该顶部触点(2)之间，并且这些光电子电池单元串联连接，b.该集成式旁通二极管在基板上与这些光电子电池单元安排成使得每个旁通二极管与正好一个光电子电池单元或者与多个光电子电池单元并联连接，并且无触点的集成式旁通二极管(4，5)安排成使得该无触点的集成式旁通二极管在该基部触点(1)与该顶部触点(2)之间具有与这些光电子电池单元(3)的条相同的截止方向，并且通过结构化将该旁通二极管与这些光电子电池单元的条并排地集成在该基板上，c.其特征在于，这些光电子电池单元的条的基部触点(1)与相关联的旁通二极管的顶部触点(2)电子连接并且该相关联的旁通二极管的基部触点(1)与相邻的光电子电池单元的条的基部触点(1)电子连接。2.用于将光转换成电能的有机构造元件，包括至少一个模块、靠近基板的至少一个基部触点(1)以及至少一个顶部触点(2)，其中每个模块包括至少两个有机光电子电池单元和至少一个集成式旁通二极管，其中a.该光电子电池单元包括有机的光电子的层体系，该层体系安排在该基部触点(1)与该背部触点(2)之间，并且这些光电子电池单元串联连接，b.这些集成式旁通二极管(4，5)在基板上与这些光电子电池单元安排成使得每个旁通二极管与正好一个光电子电池单元或者与多个光电子电池单元并联连接，并且该集成式旁通二极管在这些触点之间具有与这些光电子电池单元相反的截止方向，并且通过结构化将该旁通二极管与这些光电子电池单元的条并排地集成在该基板上，c.其特征在于，该旁通二极管的顶部触点与相关联的光电子电池单元的条的顶部触点电连接并且该旁通二极管的基部触点与该相关联的光电子电池单元的条的基部触点电连接。3.用于将光转换成电能的有机构造元件，包括至少一个模块、靠近基板的至少一个基部触点(1)以及至少一个顶部触点(2)，其中每个模块包括至少两个有机光电子电池单元和至少一个集成式旁通二极管，其中a.该光电子电池单元包括有机的光电子的层体系，该层体系安排在该基部触点(1)与该背部触点(2)之间，并且这些光电子电池单元串联连接，b.这些集成式旁通二极管(4，5)在基板上与这些光电子电池单元安排成使得每个旁通二极管与正好一个光电子电池单元或者与多个光电子电池单元并联连接，其特征在于，c.这些无触点的集成式旁通二极管(4，5)的层序列和该光电子层堆叠(3)在共同的基部触点(1)与共同的顶部触点(2)之间彼此堆叠地安排，使得i)将该无触点的集成式旁通二极管(4，5)的层序列安置在该基部触点(1)上，ii)将该光电子层堆叠安置在基部触点(1)与顶部触点(2)之间或在安置于该基部触点上的该无触点的旁通二极管(4)与该顶部触点(2)之间，并且iii)在该旁通二极管(4)的区域中通过结构化过程、优选通过激光结构化来中断该光电子层堆叠，使得该无触点的集成式旁通二极管(4)的层体系与该顶部触点(2)电连接。4.根据权利要求3所述的有机构造元件，其特征在于，该集成式旁通二极管对应于单载流子装置。5.根据以上权利要求之一所述的有机构造元件，其中该基部触点(1)构成阴极并且该顶部触点(2)构成阳极，其中该顶部触点(1)包括具有小于4.5eV的热学逸出功的金属，优选铝或铝合金、银或银合金，该银合金优选为Ag:Mg或Ag:Ca，并且该集成式旁通二极管包括以下层或层序列中的至少一种：a.无机或有机的、优选本征或弱掺杂的层，其中在该层中掺杂物的浓度小于10％、优选小于5％且特别优选小于1％，或者b.具有大于4.5eV的逸出功的有机或非有机的非本征层，随后是绝缘层，用于关于电极形成隧道二极管，或者c.包括高度掺杂的有机p导体的层，该p导体通过氧化电极的表面、例如通过掺杂物与电极的化学反应在与电极共同作用的情况下产生二极管行为。6.根据以上权利要求之一、优选根据权利要求3或4所述的有机构造元件，其中该基部触点(1)构成阴极并且该顶部触点(2)构成阳极，其中该顶部触点(1)包括金属或具有任意热学逸出功的材料，或者其中在该顶部触点之下的该集成式旁通二极管的区域中安排有包括具有小于约4.5eV的热学逸出功的退化的或高度掺杂的n导体的层，并且该旁通二极管包括以下层或层序列中的至少一种：a.无机或有机的层、优选本征或弱掺杂的层，其中在该层中掺杂物的浓度小于10％、优选小于5％且特别优选小于1％，其中该层安置到该基部触点上，或者b.具有大于4.5eV的逸出功的非本征层，随后是绝缘层，用于关于该退化的或高度掺杂的n导体层形成隧道二极管。7.根据以上权利要求之一所述的光学构造元件，其特征在于，该阴极的热学逸出功a.通过中间层(11，12)，该中间层包括氧化钼、氧化钨、PEDOT:PSS或者自组装单层、或者这些材料的组合，和/或b.通过对该电极的预处理，优选借助于UV-臭氧处理或氧等离子体处理，提高到大于4.5eV、优选大于5eV的值。8.根据以上权利要求之一所述的有机构造元件，其中该集成式旁通二极管的无机或有机的空穴传导层包括以下材料或材料类别中的至少一种：a.具有共轭π电子体系和任选地共轭或不共轭的侧链的低分子空穴传导物质，优选具有在约4.8eV与约5.8eV之间、特别优选在约5.0eV与5.5eV之间的中等逸出功的化合物；b.具有对应官能化的侧基或者包含第二材料的物质，该第二材料能够通过对应官能化的侧基与实际的空穴传导物质反应，例如乙烯基类、甲基丙烯酸酯类、三氯硅烷、叠氮化物类、环氧化物类或氧杂环丁烷；c.聚合物型空穴传导物质，优选具有在4.8eV与约5.8eV之间、特别优选在约5eV与约5.5eV之间的中等逸出功的化合物和/或具有适当的非共轭侧链的化合物，这些非共轭侧链确保对于印刷过程而言足够的溶解度；优选为具有对应官能化的侧基的物质，这些侧基在沉积之后能够以热学方式或在光、优选UV光的作用下交联，优选聚噻吩如PEDOT，传导型染料例如Plexcore，聚吡咯，聚胺如聚苯胺，聚对苯撑，聚亚苯基亚乙烯，聚亚苯基亚乙炔，聚乙烯基咔唑，包含三芳基胺基团、氟基团或咔唑基团的聚合物；d.由聚合物型共轭或非共轭物质与低分子空穴传导物质形成的混合物；在此优选具有在4.8eV与约5.8eV之间、特别优选在约5eV与约5.5eV之间的中等逸出功的化合物和具有适当的非共轭侧链的化合物，这些非共轭侧链确保对于印刷过程而言足够的溶解度。9.根据以上权利要求之一所述的有机构造元件，其中该旁通二极管包含无机电子传导层，例如ZnO、TiO2或其他的具有小于约4.5eV的热学逸出功的半导体氧化物，或者包含有机电子传导层，该有机电子传导层包括以下材料或材料类别中的至少一种：a.低分子电子传导物质，优选富勒烯、包括二羧酸酐、二羧酸酰亚胺或氰基、尤其二氰基乙烯基的化合物，b.优选具有在约3.5eV与约4.5eV之间、优选在约3.8eV与约4.5eV之间的中等电子亲和性的化合物，以及具有适当的非共轭侧链的化合物，这些非共轭侧链确保对于印刷过程而言足够的溶解度，优选带有辅助溶解的烷基、烷氧基、寡聚醚和部分氟化烷基的萘、蒽、2,8-二氮苝-1,3,7,9-四酮、苝、涤纶和四萘嵌三苯的双酰亚胺染料，其中该双酰亚胺的核心骨架可以是未取代的也可以具有吸电子取代基(F、Cl、CN)，c.具有上述辅助溶解的基团的苝双酰亚胺或十环烯三酰亚胺的嵌合式连接的二聚体、三聚体或寡聚物，d.硼-亚酞菁，酞菁，具有吸电子取代基(F、Cl、C...

【专利技术属性】
技术研发人员：布鲁诺·海姆克，克里斯蒂安·乌里希，马丁·普法伊费尔，
申请(专利权)人：赫里亚泰克有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE