DE102007008875A1 - Photoactive fiber system comprises photoactive core which has photoactive polymers obtained by fiber extrusion, and photoactive core has transparent coat - Google Patents

Photoactive fiber system comprises photoactive core which has photoactive polymers obtained by fiber extrusion, and photoactive core has transparent coat Download PDF

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Abstract

The photoactive fiber system comprises a photoactive core which has a photoactive polymers obtained by fiber extrusion and two or more refraction layers are freely selected. The core has a transparent coat which specifies the refraction of incident light and acts as an insulator for photoactive core. The wavelengths of the incident light are blocked by dyeing the coat material and the tensile strength of the photoactive fiber is increased by integrating carbon into coat.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur optimierten Fokussierung einfallenden Lichts auf photoaktive Polymere zur Erzeugung elektrischer Energie. Die Herstellung einer Photovoltaikanlagen bestehend aus einer Extruderfaser, deren Kern aus photoaktiven Polymeren besteht, stellt die Basis der vorliegenden Erfindung dar. Die Faser besteht aus einem transparenten, wahlweise beliebig eingefärbten, Mantel und einem photoaktiven Kern. Der Durchmesser der Faser und des Mantels ist dabei frei wählbar. Die Form des transparenten Mantels bestimmt die Fokussierung des Lichts im Inneren der Faser und ermöglicht damit eine optimale Auslastung des photoaktiven Materials im Kern. Dabei lassen sich durch die Einfärbung des Mantels gezielt bestimmte Wellenlänge des Lichts blockieren, so dass sie zudem photoaktiven Kern vordringen können. Die Fokussierung ermöglicht über einen oder mehrerer Schichten die Lichtbrechung dem jeweiligen Anwendungsfall anzupassen. Zudem kann ein Teilbereich des Mantels aus nicht-lichtdurchlässigen Werkstoffen, wie z. B. Karbon, gefertigt werden, um das Verhalten der Photovoltaikfaser dem jeweiligen Einsatz anzupassen.The The invention relates to a method for optimized focusing incident light on photoactive polymers to generate electrical energy. The production of a photovoltaic system consisting of an extruder fiber, whose core consists of photoactive polymers, provides the basis The fiber consists of a transparent, optional arbitrarily colored coat and a photoactive Core. The diameter of the fiber and the jacket is freely selectable. The Shape of the transparent shell determines the focus of the light inside the fiber, allowing for optimal Utilization of the photoactive material in the core. You can do that by the coloring of the coat purposefully certain wavelength Block the light so that they also penetrate the photoactive core can. The focus allows over one or more layers to adjust the refraction of light to the particular application. In addition, a portion of the shell of non-translucent Materials such. As carbon, are made to the behavior to adapt the photovoltaic fiber to the particular application.

Stand der TechnikState of the art

Solarzellen sind Bauelemente, die Licht in elektrische Energie umwandeln. Bekannt sind Dickschicht- und Monokristalline-Zellen, welche einen hohen Wirkungsgrad (von über 20%) erzielen. Dünnschicht Solarzellen bestehen aus amorphen oder kristallinem Silizium und erreichen Wirkungsgrade von über 7%. Neben diesen konventionellen Solarzellen bestehen organische Solarzellen aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen mit spezifischer Struktur, dem konjugierten pi-Elektronensystem. Das konjugierte pi-Elektronensystem verleiht dem Material Eigenschaften eines amorphen Halbleiters.solar cells are components that convert light into electrical energy. Known are thick-film and monocrystalline cells, which have a high Efficiency (of over 20%) achieve. thin Solar cells are made of amorphous or crystalline silicon and achieve efficiencies of over 7%. In addition to these conventional Solar cells consist of organic solar cells made of hydrocarbon compounds with specific structure, the conjugated pi-electron system. The conjugated pi-electron system gives the material properties an amorphous semiconductor.

Vertreter dieser Kohlenwasserstoff-Verbindungen sind konjugierte Polymere oder Moleküle, die auf Grund ihrer Prozessierbarkeit aus der Flüssigphase Basismaterialien für die kostengünstige Massenproduktion liefern. Organische oder hybrid organische/anorganische Solarzellen sind in Shaheen et al., „2.6 Percent Efficient Organic Plastic Solar Cells", Applied Physics Letters 78, 841–843, 2001 ; Huynh et al., „Hybrid Nanorod-Polymer Solar Cells", Science 25, 2425–2427, 2002 ; und O'Regan et al. „A Low-Cost, High-Efficiency solar cell based an dye-senitized colloidal TiO2 Films", Nature, Vol. 353, S.737–740, 1991 beschrieben.Representative of these hydrocarbon compounds are conjugated polymers or molecules that provide base materials for low cost mass production due to their liquid phase processability. Organic or hybrid organic / inorganic solar cells are in Shaheen et al., "2.6 Percent Efficient Organic Plastic Solar Cells", Applied Physics Letters 78, 841-843, 2001 ; Huynh et al., "Hybrid Nanorod Polymer Solar Cells", Science 25, 2425-2427, 2002 ; and O'Regan et al. "A low cost, high-efficiency solar cell based on dye-senitized colloidal TiO2 film", Nature, Vol. 353, pp. 737-740, 1991 described.

Weiterhin bekannt sind Prozesse zur Faserextrudierung aus geschmolzenen Polymere. Da bei wird das Polymer in einen Behälter gegeben indem Hitze und Druck erzeugt werden. Das Erhitzte und unter Druck stehende Polymer wird anschließend durch eine schmale Öffnung gepresst. Der benötigte Abguss, meist aus Eisen, ist dabei nicht einfach ein rundes Loch, sondern es muss sich um eine konische Öffnung handeln. Durch den Überdruck wird das Polymer durch den Abguss gepresst und wird dadurch zu einer Faser, die im Normalfall mehrere Meter nach dem Abguss aufgewickelt wird. Form und Durchmesser der Faser sind dabei von der Form des Abgusses abhängig. Dabei bestimmen die Gravitation, die Wickelgeschwindigkeit, die Temperatur und der Durchmesser des Abgusses den endgültigen Durchmesser der Faser und einige der Materialeigenschaften. Übli che Wickelgeschwindigkeiten zur Lagerung der Fasern liegen bei 4 km/Minute. Hersteller solcher Anlagen sind bekannt. Eine mögliche Bezugsquelle ist das Unternehmen Fibre Extrusion Technology Units F & G Treefield Industrial Estate, Gelderd Road, Leeds, LS27 7JU, UK. Die bekannten Anlagen sind in der Lage, verschiedene Polymerarten, wie PET, PA, PP, HDPE, Bi-Compenet und weitere, zu verarbeiten und können somit auch für die Kombination elektroaktiver Polymere mit einem Mantel aus anderen Materialien verwendet werden.Farther Processes for fiber extrusion from molten polymers are known. Since the polymer is placed in a container by Heat and pressure are generated. The heated and pressurized Polymer is then passed through a narrow opening pressed. The required casting, usually made of iron, is included Not just a round hole, but it has to be a conical opening act. Due to the overpressure, the polymer is through the Casting pressed and thereby becomes a fiber, which normally several meters after the casting is wound up. Shape and diameter The fiber depends on the shape of the casting. The gravitation, the winding speed, the Temperature and diameter of the casting the final diameter fiber and some of the material properties. Overnight Winding speeds for storage of the fibers are 4 km / minute. Manufacturers of such systems are known. A possible The source of supply is the company Fiber Extrusion Technology Units F & G Treefield Industrial Estate, Gelderd Road, Leeds, LS27 7JU, UK. The known plants are able to use different types of polymers, such as PET, PA, PP, HDPE, Bi-Compenet and others, process and thus can also for the combination of electroactive polymers with a Coat can be used from other materials.

Aufgabenstellungtask

Verglichen mit Dünnschicht-Solarzellen oder konventionellen polykristalinen Solarzellen soll ein Verfahren vorgestellt werden, dass die vorgestellte Photovoltaik durch die Verwendung photoaktiver Polymere als Basis mit anderen Werkstoffen leichter verwendet oder kombiniert werden kann. Zudem ist diese Solarzelle flexibler und kann damit leichter in komplexen Formen verwendet werden oder beispielsweise in Kleidung eingewoben werden. Dünnschicht-Solarzellen können zwar sehr dünn gestaltet werden und werden dadurch flexibel, allerdings lassen sich diese nicht beliebig komplexen Formen anpassen, insbesondere bezogen auf Mindestradien die ein Brechen der Dünnschicht-Zellen verhindern.Compared with thin-film solar cells or conventional polycrystalines Solar cells will be presented a procedure that the presented photovoltaic by using photoactive polymers as a base with others Materials can be used or combined more easily. moreover This solar cell is more flexible and can thus be easier in complex Forms are used or woven for example in clothing become. Although thin-film solar cells can do a lot be made thin and therefore flexible, however These can not be adapted to arbitrarily complex forms, in particular based on minimum radii causing a break in the thin-film cells prevent.

Die Energiemenge die aus einer Photovoltaikanlage gewonnen wird ist direkt proportional zu der einfallenden Lichtintensität. Systeme zur Konzentration von Licht, beispielsweise mittels des Linsenseffekts, sind bekannt. Diese Systeme werden eingesetzt, um die Kosten der Stromgewinnung zu reduzieren indem eine bessere Ausleuchtung der Solarzelle erreicht wird. In den Artikeln A. W. Bett et al., „Flatcon and Flashcon Concepts for High Concentration PV" , in: Proc. of the 10 th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Seite 2488, Frankreich, 2004 und G. Siefer et al., „One Year Outdoor Evaluation of a Flatcon Concentrator Module" , in: Proc. of the 10 th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Seite 2078, Frankreich, 2004 . wird eine Übersicht über den Stand der Technik von Konzentratorsystemen für Photovoltaikanlagen gegeben. Die bestehenden Konzentratorsysteme konnten allerdings wegen des hohen Aufwandes keine weite Verbreitung finden, obwohl eine Konzentration des einfallenden Lichts zu einer Senkung der Kosten führen könnte. Ein Hauptnachteil der bestehenden Konzentratorsysteme ist, dass das Gesamtsystem dadurch schwere und unhandlicher wird. Durch die Verwendung des neuen, unten beschrieben Verfahrens ist eine Integration der Lichtkonzentration direkt in die Photovoltaikanlage möglich und erlaubt eine optimiertere Lichtausbeute, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist. Insbesondere ist eine Fokussierung des einfallenden Lichtes von allen möglichen Richtung realisierbar, insbesondere bei Verwendung einer mehrschichtige dreidimensionale Brechungsschicht.The amount of energy gained from a photovoltaic system is directly proportional to the incident light intensity. Systems for concentrating light, for example by means of the lens effect, are known. These systems are used to reduce the cost of power generation by achieving a better illumination of the solar cell. In the articles AW Bett et al., "Flatcon and Flashcon Concepts for High Concentration PV" , in: Proc. of the 10th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, page 2488, France, 2004 and G. Siefer et al., "One Year Outdoor Evaluation of a Flat Concentrator Module" , in: Proc. of the 10th European Solar Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, page 2078, France, 2004 , an overview of the state of the art of concentrator systems for photovoltaic systems is given. The existing concentrator However, systems could not find widespread because of the high cost, although a concentration of the incident light could lead to a reduction in costs. A major disadvantage of existing concentrator systems is that the overall system becomes heavier and more cumbersome. By using the new method described below, integration of the light concentration directly into the photovoltaic system is possible and allows a more optimized light output than is possible in the prior art. In particular, it is possible to focus the incident light from all possible directions, in particular when using a multilayer three-dimensional refraction layer.

Ausführungsbeispiel der Photovolatik-Faserembodiment the photovoltaic fiber

Aufgrund der in der Aufgabenstellung beschriebenen Eigenschaften bestehender Photovoltaikanlagen ist der Bedarf nach einem neuen Lichtfokussierungsverfahren gegeben, das die genannten Schwierigkeiten überwindet. Zudem lässt sich das beschriebene Photovoltaiksystem besser an komplexe Formen anpassen, da es im Vergleich zu Dünnschicht-Solarzellen beliebigen Formen angepasst werden kann und keine minimalen Radien eingehalten werden müssen.by virtue of the properties described in the task Photovoltaic systems is the need for a new light focusing method given that overcomes the difficulties mentioned. In addition, the described photovoltaic system can be better to adapt to complex shapes, as compared to thin-film solar cells can be adjusted to any shape and no minimum radii must be complied with.

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Photovoltaikfaser. Eine Faser besteht aus einem transparenten Mantel und einem photoaktiven Kern. Dabei stellt der transparente Mantel eine natürliche Linse da. Wird ein adäquater Brechungsindex des Mantels gewählt können die einfallenden Lichtstrahlen auf das geometrische Zentrum gebündelt werden. Dadurch kann eine Reduzierung des Materialbedarfs des photoaktiven Materials erreicht werden, indem es nur in dem Zentrum der Faser positioniert wird. Durch die Achsensymmetrie der Faser kann ein fallendes Licht aus 360° gleichförmig auf das Zentrum gelenkt werden. Je höher die gewählte Fokussierung auf das Zentrum der Faser gewählt wird desto geringer ist die benötigte Menge an photoaktivem Material im Kern. Der photoaktive Kern kann beispielsweise durch ein photoaktives Polymer implementiert werden. 1 shows the basic structure of the photovoltaic fiber. A fiber consists of a transparent shell and a photoactive core. The transparent coat provides a natural lens. If an adequate refractive index of the cladding is selected, the incident light rays can be focused onto the geometric center. Thereby, a reduction of the material requirement of the photoactive material can be achieved by being positioned only in the center of the fiber. Due to the axis symmetry of the fiber, a falling 360 ° light can be uniformly directed to the center. The higher the selected focus on the center of the fiber, the lower the required amount of photoactive material in the core. The photoactive core can be implemented, for example, by a photoactive polymer.

Bei kleinen Durchmessern liegt der Grad der Lichtabsorption des Systems über denen von Dünnschicht-Solarzellen bei diffusem Lichtquellen. Die Herstellung kann durch den bekannten Prozess der Faserextrudierung, siehe Stand der Technik, ermöglicht werden. Ein photoaktives Polymer wird dabei in einem Behälter erhitzt und unter Druck gesetzt und im weiteren Verfahren mit einen oder mehreren transparenten Schichten ummantelt, über die der Brechungsindex festgelegt werden kann. 2 zeigt exemplarisch die Fokussierung des Lichts mittels einer zweistufigen Lichtbrechung bei einer ovalen Faser. Durch die Verwendung mehrere Brechungsschichten lassen sich komplexe Lichtbrechungen auf kleinstem Raum realisieren.At small diameters, the degree of light absorption of the system is above that of thin-film solar cells with diffused light sources. The preparation can be made possible by the known process of fiber extrusion, see prior art. A photoactive polymer is heated in a container and pressurized and coated in the further process with one or more transparent layers over which the refractive index can be determined. 2 shows by way of example the focusing of the light by means of a two-stage refraction of light in an oval fiber. By using multiple refractive layers, complex refractions of light can be realized in the smallest space.

Weitere AusführungsformenFurther embodiments

Die Form des Mantels und des photoaktiven Kerns kann bei Bedarf im Durchmesser und in der äußeren Formgebung den jeweiligen Anforderungen angepasst werden, beispielsweise optimiert für eine Einstrahlung des Lichts nur von einer Seite. Der transparente Mantel kann bei Bedarf auch eingefärbt werden und dadurch optisch der Einsatzumgebung angepasst werden. Die Anzahl der Schichten zur Lichtbrechung und deren Form kann dabei nach Bedarf frei gewählt werden.The Shape of the shell and the photoactive core can be in diameter if required and in the outer shape adapted to the respective requirements be optimized, for example, for irradiation of the light from one side only. The transparent coat can at Need to be colored and thereby visually adapted to the environment of use become. The number of layers for refraction and their shape can be freely selected as needed.

Neben einer Gestaltung des Mantels aus transparentem oder gefärbt-transparentem Material lassen sich auch andere Werkstoffe in die Photovoltaikfaser integrieren. Dadurch lassen sich Materialeigenschaften wie Härte, Steifheit und andere beliebig festlegen.Next a design of the shell of transparent or colored-transparent Material can also be other materials in the photovoltaic fiber integrate. This allows material properties such as hardness, Stiffness and others arbitrarily set.

FazitConclusion

Das neue Verfahren besteht aus einer Konzentration des einfallenden Lichts mit Hilfe eines transparenten Mantels, der in seinem Inneren einen photoaktiven Kern besitzt. Die Ausführungsformen des hier beschriebene Verfahren ermöglicht die einfache großtechnische Herstellung von Photovolatikanlagen. Das Verfahren ist in der Lage Solarzellen kostengünstig und effizient herzustellen und lässt sich mit vielen Materialen und Farben kombinieren. Insbesondere die Eindimensionalität des photoaktiven Kerns ermöglicht Lichtfokussierungen, die mit dem Stand der Technik nur komplex oder gar nicht möglich wären.The new procedure consists of a concentration of the incident Light with the help of a transparent coat, which is inside has a photoactive core. The embodiments of the The method described here allows easy industrial-scale Production of photovoltaic systems. The procedure is capable Produce solar cells cost-effectively and efficiently and can be combined with many materials and colors. Especially the one-dimensionality of the photoactive core allows Light focussing with the state of the art only complex or would not be possible.

Zur genaueren Beschreibung der Abwandlungen des beschriebenen funktionsfähigen Beispiels werden verschiedene Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente angeführt. Daher sollte die vorliegende Erfindung nicht unter Bezugnahme auf die vorausgehende Beschreibung bestimmt werden, sondern sollte stattdessen auf die beigefügten Ansprüche und ihrer weiter aufgeführten Äquivalente bestimmt werden. Die weiter aufgeführten Ansprüche sind nicht als Mittel-plus-Funktion oder Schritt-plus-Funktion-Einschränkung beinhaltend auszulegen, außer eine solche Einschränkung wird ausdrücklich in einem gegebenen Anspruch mittels des Ausdrucks „Mittel für" oder „Schritt für" rezitiert.to more detailed description of the modifications of the described functional Examples are various alternatives, modifications and equivalents cited. Therefore, the present invention should not with reference to the preceding description, but should instead refer to the appended claims and their further listed equivalents become. The further claims are not as a means-plus feature or a step-plus-function constraint including, unless such limitation is expressly stated in a given claim by means of Expression "means for" or "step for "recited.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (6)

Photoaktive Faser umfassend: Einen photoaktiven Kern bestehend aus photoaktiven Polymeren, der über Faserextrudierung gewonnen wird, wobei der Kern mit einem transparenten Mantel versehen ist, der die Lichtbrechung des einfallenden Lichts festlegt.Photoactive fiber comprising: a photoactive Core consisting of photoactive polymers, via fiber extrusion is obtained, wherein the core is provided with a transparent jacket, which determines the refraction of the incident light. Anlage nach Anspruch 1, ferner umfassend zwei oder mehr Lichtbrechungsschichten. Die Anzahl der Lichtbrechungsschichten ist dabei frei wählbar und kann nach Bedarf angepasst werden, um komplexe Einfallsmuster des auf den Mantel treffenden Lichtes erreichen.Plant according to claim 1, further comprising two or more refraction layers. The number of refraction layers is freely selectable and can be adjusted as needed to complex patterns of incidence of the light striking the mantle to reach. Anlage nach Anspruch 1, ferner umfassend den transparenten Mantel so zu gestalten, dass er als Isolator des Photoaktiven Kerns verwendet werden kann.Plant according to claim 1, further comprising the transparent Shaping the sheath so that it acts as the insulator of the Photoactive Core can be used. Anlage nach Anspruch 1, ferner umfassend einer beliebigen Einfärbung des Mantelmaterials zur Blockierung bestimmter Wellenlängen des einfallenden Lichts.The system of claim 1, further comprising any one of Coloring of the jacket material to block certain Wavelengths of incident light. Anlage nach Anspruch 1, ferner umfassend die Integration von weiteren Werkstoffen, beispielsweise Karbon, in den Mantel zur Erhöhung der Zugfestigkeit der photoaktiven Faser.The system of claim 1, further comprising the integration of other materials, such as carbon, in the mantle to Increasing the tensile strength of the photoactive fiber. Anlage nach Anspruch 1, ferner umfassend die Integration andere Werkstoffe in Teilbereiche des MantelsThe system of claim 1, further comprising the integration other materials in parts of the jacket
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