Title:
Motor vehicle component, has photovoltaic element formed on surface of component, and optically active structural element i.e. convex micro optical element, provided within and/or adjacent to photovoltaic element
Kind Code:
A1


Abstract:
The component has a photovoltaic element (10) formed as a micro-structural element on a surface (12) of the component, and an optically active structural element i.e. convex micro optical element (16) is provided within and/or adjacent to the photovoltaic element. The structural element is formed as a micro-structured surface structure such as a mirror, diffuser, diffraction grating, micro-prism and filter, and comprises pixels. The structure element is pressed on the surface of the component by screen printing process, drum printing process or pad printing process. An independent claim is also included for a method for manufacturing a motor vehicle component.



Inventors:
SCHLAYER STEFAN (DE)
WIEDEMANN BERNHARD (DE)
Application Number:
DE102009053768
Publication Date:
05/19/2011
Filing Date:
11/18/2009
Assignee:
DAIMLER AG (DE)



Foreign References:
200702954002007-12-27
Claims:
1. Kraftwagenbauteil mit zumindest einem photovoltaischen Element (10), welches als Mikrostrukturelement auf einer Oberfläche des Kraftwagenbauteils ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des und/oder benachbart zum photovoltaischen Element (10) wenigstens ein optisch wirksames Strukturelement (16, 18) vorgesehen ist.

2. Kraftwagenbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (16, 18) als mikrostrukturierte Oberflächenstruktur des Bauteils ausgebildet ist, welche aus einzelnen Pixeln aufgebaut ist.

3. Kraftwagenbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (16, 18) als Spiegel, Diffusor, Beugungsgitter, Mikroprisma, Filter oder dergleichen ausgebildet ist.

4. Verfahren zum Herstellen eines Kraftwagenbauteils mit zumindest einem photovoltaischen Element (10), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein optisch aktives Strukturelement (16, 18) mittels eines Druckverfahrens in Form einzelner Pixel auf eine Oberfläche des Bauteils und/oder des photovoltaischen Elements aufgedruckt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckverfahren ein druckformbasiertes Verfahren, insbesondere Siebdruck, Trommeldruck oder Tampondruck verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckverfahren ein druckkopfbasiertes Verfahren, insbesondere ein druckkopfbasiertes Verfahren mit kontinuierlichem Tropfenstrom oder ein druckkopfbasiertes Verfahren mit diskontinuierlichem Tropfenstrom, bei welchem Einzeltropfen mechanisch oder thermisch erzeugt werden, verwendet wird.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Kraftwagenbauteil mit zumindest einem photovoltaischen Element nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 4.

Aus der US 2007/0295400 A1 ist ein Verfahren zum Aufbringen organischer photovoltaischer Elemente auf Folienbahnen bekannt. Mit derart hergestellten Folienbahnen können verschiedenste Elemente, unter anderem auch Kraftwagenbauteile beklebt werden. Organische photovoltaische Elemente lassen sich als besonders dünne Strukturen aufbringen, so dass das optische Erscheinungsbild derart hergestellter Bauteile nicht beeinträchtigt wird. Nachteiliger Weise ist der Wirkungsgrad bekannter organischer photovoltaischer Elemente und anderer in dünnen Schichten herstellbarer Solarzellen auf Nicht-Halbleiterbasis deutlich geringer als derjenige von Solarzellen auf Siliziumbasis.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Kraftwagenbauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiter zu entwickeln, dass der Wirkungsgrad eines photovoltaischen Elements erhöht wird. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Kraftwagenbauteils bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Kraftwagenbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kraftwagenbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst.

Ein derartiges Kraftwagenbauteil weist zumindest ein photovoltaisches Element auf, welches als Mikrostrukturelement auf einer Oberfläche des Kraftwagenbauteils ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass innerhalb des und/oder benachbart zu dem photovoltaischen Element wenigstens ein optisch wirksames Strukturelement vorgesehen ist. Aufgrund der geringen Schichtdicke von mikrostrukturierten photovoltaischen Elementen steht einem auf das Element einfallenden Photon nur ein geringer Weg zur Verfügung, in welchem ein Absorptionsprozess und damit eine Umwandlung in elektrische Energie stattfinden kann. Durch innerhalb des photovoltaischen Elements oder benachbart zu diesem angeordnete optische Strukturelemente können einfallende Photonen auf effizientere Pfade geleitet werden. Insbesondere ist es möglich, die Wegstrecke, die ein Photon innerhalb der aktiven Schicht eines photovoltaischen Elements zurücklegt, durch derartige optisch wirksame Strukturelemente zu erhöhen. Damit steigt auch die Wahrscheinlichkeit der Absorption eines einfallenden Photons und damit die Quantenausbeute und der Wirkungsgrad des photovoltaischen Elements.

Bevorzugter Weise ist das Strukturelement selbst als mikrostrukturierte Oberflächenstruktur des Bauteils ausgebildet, welche aus einzelnen Pixeln aufgebaut ist. Solche pixelbasierten Mikrostrukturen können beispielsweise durch verschiedene Drucktechniken auch mehrschichtig auf Oberflächen aufgebracht werden. Es ist so möglich, auch komplexe Strukturen zu formen, die an die Form des Bauteils selbst und des bevorzugt ebenfalls mikrostrukturierten photovoltaischen Elements angepasst sind.

Das Strukturelement ist vorzugsweise als Spiegel, Diffusor, Beugungsgitter, Mikroprisma, Filter oder dergleichen ausgebildet. Auch eine Kombination unterschiedlicher Strukturelemente kann Verwendung finden, um die Quantenausbeute des photovoltaischen Elements zu erhöhen.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Kraftwagenbauteils mit zumindest einem photovoltaischen Element. Erfindungsgemäß ist hier vorgesehen, dass wenigstens ein optisch aktives Strukturelement mittels des Druckverfahrens in Form einzelner Pixel auf eine Oberfläche des Bauteils und/oder des photovoltaischen Elements aufgedruckt wird. Hierdurch kann in und um das photovoltaische Element eine Anordnung von Spiegeln, Diffusoren, Beugungsgittern, Mikroprismen oder dergleichen erzeugt werden, welche die Länge des Pfades, der von einfallenden Photonen im photovoltaischen Element zurückgelegt wird, vergrößert. Damit steigt auch die Wahrscheinlichkeit der Absorption eines Photons und der damit einhergehenden Elektron-Lochpaarbildung.

Durch das Aufbringen derartiger Strukturelemente in Form einzelner Pixel können besonders effiziente optische Strukturen und photovoltaische Elemente geschaffen werden, die gleichzeitig eine sehr geringe Schichtdicke besitzen, so dass das äußere Erscheinungsbild des Kraftwagenbauteils nicht beeinträchtigt wird.

Als Druckverfahren können druckformbasierte Verfahren wie Siebdruck, Trommeldruck oder Tampondruck Anwendung finden. Alternativ hierzu ist auch die Verwendung von druckkopfbasierten Verfahren möglich. Hierbei kann es sich um druckkopfbasierte Verfahren mit kontinuierlichem oder diskontinuierlichem Tropfenstrom handeln. Gerade durch druckkopfbasierte Verfahren wird das Aufbringen von Mikrostrukturen auch auf die Oberfläche von komplex geformten Bauteilen ermöglicht, da der Druckkopf beispielsweise robotisch entlang komplexer Raumkurven geführt werden kann. Es ist daher mit dem genannten Verfahren möglich, praktisch beliebige Bauteile mit derartigen optisch aktiven Strukturelementen zu versehen.

Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

1 ein Strahlengang in einem photovoltaischen Element für eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftwagenbauteils mit reflektierenden mikrooptischen Elementen

2 eine Detaildarstellung der reflektierenden mikrooptischen Elemente für das Kraftwagenbauteil gemäß 1

3 ein photovoltaisches Element für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftwagenbauteils mit Diffusorelementen

4A und B die Strahlengänge in einem photovoltaischen Element mit und ohne Diffusorelementen bei flachem Einfall der Lichtstrahlen

Die Quantenausbeute – also der Anteil produktiv absorbierter Lichtquanten in einem photovoltaischen Element – und damit der Wirkungsgrad eines photovoltaischen Elements hängt außer von Materialkonstanten auch vom Strahlengang des einfallenden Lichts innerhalb des photovoltaischen Elements ab. Dies ist insbesondere bei organischen photovoltaischen Elementen, wie beispielsweise Bulk-Heterojunction-Photozellen oder Grätzelzellen von Bedeutung, da diese eine nur sehr geringe Schichtdicke aufweisen. Je länger die Verweildauer eines Photons in der photovoltaisch aktiven Schicht ist, desto größer ist jedoch die Wahrscheinlichkeit der produktiven Absorption.

Es ist daher von Bedeutung, den Strahlengang trotz geringer Schichtdicke möglichst lang zu gestalten. Dies kann durch mikrooptische Elemente erzielt werden. Lichtstrahlen, die in eine photovoltaisch aktive Schicht 10 einfallen, werden zunächst an deren Oberfläche 12 gebeugt. Die einfallenden Strahlen S1 verlaufen dann geradlinig durch die photovoltaisch aktive Schicht 10. Eine effektive Verdoppelung des Strahlengangs in der photovoltaisch aktiven Schicht 10 kann durch Verspiegeln der Rückseite 14 dieser Schicht erreicht werden. Die reflektierten Strahlen S2 verlaufen dabei symmetrisch zu den Strahlen S1, so dass mehr Gelegenheiten zur produktiven Absorption bestehen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, konvexe mikrooptische Elemente 16 an der Rückseite der photovoltaisch aktiven Schicht 10 anzuordnen. Wie auf der rechten Seite von 1 zu erkennen, werden die einfallenden Strahlen S1 in einem flacheren Winkel an den konvexen mikrooptischen Elementen 16 reflektiert, so dass die ausfallenden Strahlen S3 einen längeren Weg zurücklegen als die Strahlen S2, die durch Reflexion an einer ebenen Oberfläche entstehen. In 2 sind solche konvexen mikrooptischen Elemente 16 im Detail dargestellt.

Eine Alternative zu Reflektorelementen sind Streuzentren 18 innerhalb der photovoltaisch aktiven Schicht 10. Solche Streuzentren 18 können stochastisch verteilt über die Schicht 10 angeordnet werden. Die einfallenden Strahlen S1 werden dabei in zufällige Raumrichtungen gestreut, wobei ein einzelner Strahl auch von mehreren Streuzentren 18 gestreut werden kann, so dass sich ein besonders langer Weg der Strahlen S1, S4, S5 durch die photovoltaisch aktive Schicht 10 ergibt.

Wie 4 zeigt, sind solche Streuzentren besonders in Randbereichen 20 der photovoltaisch aktiven Schicht 10 besonders wirksam. Aufgrund des Einfallswinkels der Strahlen S1 bleibt ein keilförmiger, in 4A schraffiert dargestellter Randbereich 20 der photovoltaisch aktiven Schicht 10 unbestrahlt. Durch Streuzentren 18 in der photovoltaisch aktiven Schicht 10 sowie durch Reflektorelemente 16 können Strahlen S6, S7, S8 in diesen keilförmigen Bereich 20 geleitet werden, so dass das aktive Volumen der photovoltaisch aktiven Schicht 10 erhöht wird. Damit erhöht sich auch der Wirkungsgrad der Solarzelle.

Durch geeignete Wahl der Größe der Diffusoren 18 kann auch die Wellenlängenverteilung des einfallenden Lichtes beeinflusst werden. Insbesondere ist es möglich, die Intensität in kurzwelligen Spektralbereichen < 400 nm zu reduzieren, so dass organische Bestandteile der photovoltaisch aktiven Schicht 10, die gegenüber diesen Wellenlängen empfindlich sind, weniger stark geschädigt werden.

Eine Aufteilung der Wellenlängenbereiche ist ebenfalls durch optische Gitter auf oder in der photovoltaisch aktiven Schicht 10 zu erzielen. Durch Beugung an solchen Gittern können gezielt nur die gewünschten Wellenlängenbereiche in die photovoltaisch aktive Schicht 10 eingeleitet werden.

Alle genannten mikrooptischen Strukturen werden bevorzugt mit der so genannten Pixeltechnik auf oder in die photovoltaisch aktive Schicht 10 eingebracht. Hierbei wird durch ein Druckverfahren das Material für die mikrooptischen Strukturen schichtweise aufgetragen, wobei der Auftrag in Form einzelner Pixel erfolgt. Dies kann durch druckformbasierte Verfahren, wie beispielsweise den Siebdruck, Trommeldruck oder Tampondruck erfolgen. Auch druckkopfbasierte Verfahren können Verwendung finden. Insbesondere druckkopfbasierte Verfahren sind gut geeignet, um komplexe mehrschichtige Strukturen auch auf komplex geformte Bauteile aufzutragen.

Bezugszeichenliste

10
photovoltaisch aktive Schicht
12
Oberfläche
14
Rückseite
16
mikrooptisches Element
18
Streuzentren
20
Randbereich
S1
Strahlen
S2
Strahlen
S3
Strahlen
S4
Strahlen
S5
Strahlen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • US 2007/0295400 A1 [0002]