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CN112753106B - 具有图案化盖板和光学干涉层的太阳能模块 - Google Patents

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CN112753106B CN201980063723.7A CN201980063723A CN112753106B CN 112753106 B CN112753106 B CN 112753106B CN 201980063723 A CN201980063723 A CN 201980063723A CN 112753106 B CN112753106 B CN 112753106B
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Abstract

本发明涉及一种太阳能模块（1），其在前面包括具有外表面（11）和内表面（13）的盖板（10），其中所述外表面（11）具有至少一个图案化区域（15），在其上布置用于反射预定波长范围内的光的光学干涉层（16），其中所述图案化区域（15）具有以下特征：‑垂直于盖板（10）的平面，具有凸起和凹陷的高度轮廓，其中凸起和凹陷之间的平均高度差为至少2µm，‑至少50%的图案化区域（15）由区段（17）组成，所述区段（17）相对于盖板（10）的平面倾斜，其中，参照盖板（10）的平面，至少20%的区段具有大于0°至最大15°的倾斜角，并且至少30%的区段具有大于15°至最大45°的倾斜角，其中‑所述区段（17）在每种情况下是平坦的，并具有至少1µm2的区段面积，其中在所述图案化区域（15）的至少一个区中，所述区段（17）在每种情况下具有小于外表面（11）上的光学干涉层（16）的层厚度的15%的平均粗糙度。

Description

具有图案化盖板和光学干涉层的太阳能模块
本发明属于光伏发电的技术领域并涉及具有图案化盖板和至少一个光学干涉层的太阳能模块。本发明进一步扩展至生产根据本发明的太阳能模块的方法以及所述太阳能模块的用途。
太阳能模块作为墙壁或外立面元件的用途目前是在经济上仍相对较小但在生态上非常令人感兴趣的市场。特别地，考虑到对分布式能量解决方案和能量中性建筑的力度加大，对使用太阳能模块作为建筑围护结构（envelopes）的一体化组件的需求日益增长。太阳能模块的其它令人感兴趣的应用领域是降噪墙（公路、铁路）、室外隐私屏障（privacybarriers）或温室墙。这些新应用对太阳能模块提出全新的要求，特别是在美观性、使用寿命和其它功能，如密封和隔热方面。特别地，用于此的太阳能模块必须以各种形状、尺寸和颜色供应并留下尽可能最均匀的颜色印象。根据颜色的来源（吸收/再发射、干涉、折射），太阳能模块的本身均匀的表面的颜色可取决于视角和/或入射角。此外，光的光谱和物理分布（漫射、聚焦）也决定颜色印象。
这些新应用对太阳能模块提出全新的要求，特别是在美观性、使用寿命和其它功能，如密封和隔热方面。特别地，用于此的太阳能模块必须以各种形状、尺寸和颜色供应并留下尽可能最均匀的颜色印象。但是，对太阳能模块的这些要求造成与太阳能模块的实际功能（即尽可能最高效地由日光发电）冲突的技术问题。
考虑到效率优化，理想的太阳能模块是完全吸收入射光以将辐射能最优转化成电能的黑体。但是，入射辐射从每个实际主体反射并且吸收的辐射再发射，在人眼中基本通过光的光谱选择反射和再发射建立颜色印象。太阳光谱在可见光谱范围内具有最高能量强度并且人眼具有最高灵敏度。当太阳能模块被设计为彩色时，换言之，当意图在人眼中产生不同于理想黑体的颜色印象时，必须降低在光学活性半导体中吸收的光的强度和因此太阳能模块的电输出或效率。原则上只能用黑色太阳能模块实现最优效率。另一方面，根据颜色的来源（吸收/再发射、干涉、折射），太阳能模块的本身均匀的表面的颜色可取决于视角和/或入射角。此外，光的光谱和物理分布（漫射、聚焦）也决定颜色印象。
在国际专利申请WO 2014/045142中，描述了前玻璃内侧上的多层干涉层，其反射日光的限定光谱范围。此类多层干涉层的生产相当昂贵，由此对工业开发的适用性有限。还提出了任选使用漫射覆盖玻璃，其中该多层干涉层和该覆盖玻璃的粗糙侧面位于该覆盖玻璃的不同侧面上（多层干涉层，内部；粗糙化，外部）。
还已知采用仿生方法，其中生成类似于蝴蝶的纳米结构（参见Fraunhofer, Bläsi等人  33rd European PV Solar Energy Conference and Exhibition, 2017年9月24-29 日, Amsterdam, The Netherlands）。这些方法相当复杂且成本高昂，还不适于大面积太阳能模块的工业批量生产。
进一步已知的是通过陶瓷丝网印刷或使用有机玻璃颜色在覆盖玻璃板上施加颜色。这些是比较廉价的技术，其也可以产生多种颜色。此外，颜色印象仅在有限的程度上取决于角度。但是，这样的颜色层原则上是不透明和吸光的，使得效率损失不可避免地高。对浅色调尤其如此，这通常导致不可接受的效率损失。
相比之下，本发明的目的在于提供一种有色太阳能模块，其中颜色应尽可能少地取决于视角和入射角，因为否则在用于建筑一体化领域时，颜色将强烈取决于观察者的位置或太阳的位置。此外，对消费者所需的每种颜色，该太阳能模块的效率损失应当尽可能小。对于工业批量生产，同样重要的是，该太阳能模块可以在可接受的成本下并以令人满意的均匀性大面积生产。
通过并列权利要求的太阳能模块及其生产方法，根据本发明的建议实现了这些和其它目的。本发明的有利的实施方案由从属权利要求的特征来显示。
根据本发明提出了具有串联电连接的太阳能电池的用于光伏发电的太阳能模块。原则上，根据本发明的太阳能模块可以是任何类型的太阳能模块，特别是具有单片集成串联连接的太阳能电池的晶片基、硅基太阳能模块或薄膜太阳能模块。
优选地，根据本发明的太阳能模块是薄膜太阳能模块。有利地，该太阳能模块是具有复合板结构的薄膜太阳能模块，所述复合板结构具有通过热塑性或交联聚合物中间层（例如PVB或EVA）彼此固定粘接的前透明盖板（front transparent cover plate）和背基板（例如玻璃板）。本发明尤其涉及基板构造的薄膜太阳能模块，其中将用于制造太阳能电池的层结构施加在面向光入射侧的背基板表面上。本发明同样涉及覆板（superstrate）构造的薄膜太阳能模块，其中将层结构施加在背向光入射侧的前透明盖板表面上。
按照惯例，术语“薄膜太阳能模块”是指具有层结构的模块，所述层结构具有例如几微米的低厚度，该模块需要载体以获得足够的机械稳定性。该载体可以例如由无机玻璃、塑料、金属或金属合金制成，并可以根据相应的层厚度和特定材料性质设计为刚性板或柔性膜。
在薄膜太阳能模块的情况下，该层结构以本身已知的方式包括背电极层、前电极层和布置在该背电极层与该前电极层之间的光伏活性吸收剂层。该前电极层是光学透明的，因为必须允许光穿过该层结构。光学透明的前电极层通常包含或由掺杂的金属氧化物（TCO = 透明导电氧化物）制成，例如n-导电的，特别是铝掺杂的氧化锌（AZO）。
该光伏活性吸收剂层优选包含或由黄铜矿半导体制成，有利地为选自铜铟/镓二硫化物/二硒化物（Cu(In,Ga)(S,Se)2）的三元I-III-VI-化合物半导体。在上式中，铟和镓各自可以单独存在或组合存在。对硫和硒同样如此，其各自可以单独存在或组合存在。特别适于作为吸收层材料的是CIS（铜铟二硒化物/二硫化物）或CIGS（铜铟镓二硒化物、铜铟镓二硫化物、铜铟镓二硫硒化物（disulfoselenide））。该吸收剂层通常具有第一导体类型（电荷载流子类型）的掺杂，前电极具有相反导体类型的掺杂。一般而言，吸收剂层是p-导电的（p-掺杂的），即具有过量的欠缺电子（空穴），并且该前电极层是n-导电的（n-掺杂的），使得自由电子过量存在。缓冲层通常布置在该吸收剂层与该前电极层之间。对基于Cu(In,Ga)(S,Se)2的吸收剂层尤其如此，采用这种方式，一般而言，在p-导电的Cu(In,Ga)(S,Se)2吸收剂层与n-导电的前电极之间需要缓冲层。根据目前的理解，该缓冲层使得吸收剂与前电极之间可以发生电子匹配。此外，其在沉积前电极（例如通过DC磁控溅射）的后续工艺步骤中提供了对溅射破坏的防护。通过连续的n-导电前电极层、缓冲层和p-导电吸收剂层，形成了p-n-异质结，换言之，在相反导体类型的层之间的结。该光伏活性吸收剂层还可以例如由碲化镉（CdTe）或非晶和/或微晶硅制成。
在该薄膜太阳能模块中，通过图案化区（zone）形成串联连接的太阳能电池。由此，至少将背电极层通过第一图案化线（P1线）细分为彼此完全分隔的部分，该部分形成太阳能电池的背电极。同样，至少将吸收剂层通过第二图案化线（P2线）细分为彼此完全分隔的部分，该部分形成太阳能电池的吸收体，和至少将前电极层通过第三图案化线（P3线）细分为彼此完全分隔的部分，该部分形成太阳能电池的前电极。相邻的太阳能电池经由第二图案化线中的导电材料彼此串联地电连接，其中一个太阳能电池的前电极与相邻太阳能电池的背电极电连接，并通常而非强制性地与之直接物理接触。每个图案化区包括三个图案化线P1-P2-P3的直接序列（在每种情况下均为该顺序）。
按照惯例，术语“太阳能电池”是指层结构的一个区域，该层结构具有前电极、光伏活性吸收体和背电极，并由彼此直接相邻的两个图案化区分隔。这类似地适用于该模块的边缘区域，其中，取代图案化区，存在用于电接触太阳能电池串联连接的连接部分（connection section），以使太阳能电池由具有前电极、吸收体和背电极的层区域限定，所述层区域位于图案化区与直接相邻的连接部分之间。每个太阳能电池具有光学活性区，其包含以叠层形式叠置排列的背电极、吸收体和前电极，并能够将光光电转化为电流。
根据本发明的太阳能模块包括光入射侧或前透明盖板，其具有面向外部环境的外表面和与外表面相反的内表面。在外立面中外立面元件的安装状态下，该盖板的外表面面向外部环境，并任选与施加于其上的层一起形成外立面的外侧或外表面的一部分。根据本发明的一个实施方案，该盖板由同一种材料制成，例如玻璃或塑料，优选钠钙玻璃。优选地，该盖板是刚性玻璃或塑料板。该盖板的外表面或内表面在这种情况下由该盖板的相应材料形成。根据本发明的一个替代实施方案，该盖板由至少两种不同的材料制成，其中该盖板的外表面和/或内表面由不同于盖板的芯的材料形成。该盖板的芯优选由同一种材料制成，例如玻璃或塑料，优选钠钙玻璃。施加在盖板芯、外侧和/或内侧上的是不同于盖板的芯的材料，其是透明的，并具有与盖板芯材料相同的光学折射率。该盖板的外表面或内表面在这种情况下由施加在盖板芯上的相应材料形成。根据本发明，术语“盖板”还包括“复合体”，条件是形成该盖板的材料是透明的并具有同一个光学折射率。优选地，该盖板没有曲率，由此是平面的（平坦的）。但是，该盖板也可以是弯曲的。该盖板可以是刚性或柔性的。以柔性盖板的形式，其可以以平面形式提供。
平坦（平面）盖板限定了一个平面，其在本发明的上下文中是指“该盖板的平面”。在弯曲盖板的情况下，局部平面（其也指“该盖板的平面”）可以由该平面的任何点处的（假想的）平切表面来限定。
在本发明的上下文中，术语“透明度”或“透明”是指至少85%，特别是至少90%，优选至少95%，特别是100%的可见光透射率。通常，可见光在380 nm至780 nm的波长范围内。术语“不透明度”或“不透明”是指小于5%，特别是0%的可见光透射率。百分比数据是指基于由外部环境撞击前盖板的光强度，在前盖板的模块内侧上测得的光的强度。盖板的透明度可以以简单的方式使用其中例如白光源（可见光源）布置在前盖板一侧上且可见光检测器布置在前盖板另一侧上的测量布置来测定。对光学折射率所提及的下列值始终是指在380 nm至780 nm的可见波长范围中的光学折射率。
在用白光照射模块外侧的过程中，特别是用日光照射的过程中，根据本发明的太阳能模块向观察者提供在至少一个模块部分中的均匀的颜色印象，换言之，该太阳能模块在该模块部分中是有色的。在整个表面上具有均匀颜色印象的太阳能模块被认为是特别有吸引力的。太阳能模块的颜色可以由三个颜色坐标L*、a*、b*来描述，其中颜色坐标是指本身为本领域技术人员已知的(CIE)L*a*b*颜色空间，其中准确定义了所有可感知的颜色。该颜色空间规定在欧洲标准EN ISO 11664-4 “Colorimetry – Part 4:CIE 1976 L*a*b*Colour Space”中, 该参考文献在本发明的说明书中全文引用。在该(CIE)L*a*b*颜色空间中，每种颜色由具有三个笛卡尔坐标L*、a*、b*的颜色位置来定义。绿色和红色在a*轴上彼此相对；b*轴在蓝色与黄色之间延伸；L*轴描述颜色的明度（亮度）。为了更清楚地表述，该值可以转化为Lhc颜色空间，其中L保持相同，半径的饱和度和h是a*b*平面内的颜色点的角度。
太阳能模块的颜色基于由外部环境观察该太阳能模块，换言之，观察前盖板。该太阳能模块的比色法或颜色坐标的测定可以以简单的方式通过市售色度计（分光光度计）来进行。为此目的，分光光度计指向前盖板的外表面，特别是放置在该外表面上。常见的分光光度计能够实现符合标准的比色法，其结构和公差通常遵循国际标准，例如由DIN 5033、ISO/CIE 10527、ISO 7724和ASTM E1347来限定。例如，关于比色法参考标准DIN 5033的全文。作为实例，分光光度计具有氙闪光灯、钨卤素灯、或一个或多个LED作为光源，采用所述光源，用生成的光（例如白光）照射体的外表面，并测量由太阳能模块接收的光。如引言中解释的那样，通过比色计测得的体颜色来自于太阳能模块反射和再发射的光。
为了确保根据本发明的太阳能模块至少在一个部分中以相对小的角度依赖性具有均匀的颜色，透明盖板的外表面具有至少一个图案化区域，在其上布置用于反射预定或可预定波长范围内的光的着色（透明）光学干涉层。该光学干涉层优选直接布置在该盖板的外表面上（没有另一中间层）。光学干涉层可以实施为单层或多层，换言之，具有一个或多个光折射层（折射层）。该光学干涉层用于生成太阳能模块的颜色，其中实施该光学干涉层，以使在光学干涉层的各种界面上反射的光的相长干涉或相消干涉是可能的。该太阳能模块的颜色来自于在光学干涉层的界面上反射的光的干涉。在用（白）光，特别是日光照射时，该光学干涉层充当滤色器以产生均匀的颜色。该光伏活性太阳能电池——其例如具有黑蓝色（CIGS 薄膜太阳能电池）——有助于该太阳能模块的整体颜色。
优选地，该外表面的图案化区域在整个盖板上，即在该盖板的整个外表面上延伸，使得该太阳能模块具有均匀的颜色。该太阳能模块还可以具有多个模块部分，其各自具有均匀的颜色。该模块部分的颜色可以彼此相同或不同。
垂直于该盖板的平面，所述至少一个图案化区域具有高度轮廓，所述高度轮廓具有凸起（突起）和凹陷（下陷），其中凸起与凹陷之间的平均高度差为至少2 µm，并且优选而非强制性地，最大为该透明盖板厚度的20%。此外，该外表面的图案化区域的至少50%由不同倾斜的区段（segments）或刻面（facets）（表面的反射区域）组成。该区段是朝向外部环境的盖板表面的部分，并在每种情况下作为相对于盖板平面倾斜的平坦表面来实施。在这里，参照盖板平面，至少20%的区段具有大于0°至最大15°的倾斜角，并且至少30%的区段具有大于15°至最大45°的倾斜角。有利地，但非强制性地，小于30%的区段具有大于45°的倾斜角。该图案优选不是周期性的和各向异性的。但是，对于特殊的光学效果，也可以使用周期性图案和各向异性图案。另外，区段在每种情况下是平坦（平面）的并具有至少1µm2的区段面积。可以例如通过盖板的蚀刻、喷砂或轧制产生图案化区域。
因此，该图案化区域具有多个平坦的（平面）区段。在本发明的上下文中，平坦的（平面）区段可以由非弯曲表面形成。但是，也可以由略微弯曲的表面形成该平坦的（平面）区段。在本发明的上下文中，当对该区段的每个点满足以下条件时区段是略微弯曲的：如果在该区段的一个点处，构造面积为1 µm2的（假想）切线平面，基于相对于切线平面的法向，区段表面与切线平面之间距离小于50 nm。
以下也是事实：在图案化区域的至少一个区（即子区域）中，区段在每种情况下具有小于施加至图案化区域的光学干涉层的层厚度的15%的平均粗糙度。如果该光学干涉层由多个折射层组成，所述至少一个区的区段在每种情况下具有小于具有最小层厚度的折射层的层厚度的15%的平均粗糙度。其中所述区段各自具有小于光学干涉层的层厚度的15%的平均粗糙度的区可以对应于该图案化区域，即该区与该图案化区域是相同的。
在本发明的上下文中，术语“图案化”或“图案化区域”是指该盖板的外表面或内表面的一个区域，前一段落中描述的特征组合存在于其中。
借助图案化区域的特征，可以有利地确保在用光照射该盖板时，即使在掠射角外观察时（入射光的入射角对应于反射光的反射角，参照盖板的平面），光也以相对高的强度被反射。其原因在于，即使在掠射角外观察时，以足够的数量、合适的尺寸和合适的粗糙度以及合适的倾斜角存在的不同倾斜的区段也能够提供高强度的反射光。向外通过在具有图案化的区段上折射和向内通过在具有图案化的区段上反射，总是存在足够的倾斜区段，其在盖板掠射角外的方向上散射足够的强度。
如这里和下文中所用，术语“掠射角”是指相对于盖板平面的法线，区别于“局部掠射角”（其是指相对于区段平面的法线）。掠射角和局部掠射角可以相等（区段平行于盖板的平面），但是一般而言是不同的（区段相对于盖板的平面倾斜）。
结果，可以实现未在掠射角中反射（即散射）的光的强度相对较高，并且与不具有此类图案化区域的反射表面相比，相对于入射方向和观察方向仅具有极小的角度依赖性。借助光学干涉层，取决于光学干涉层的折射率和层厚度，可以对掠射角外反射的光进行颜色选择，以使盖板表面以相对小的角度依赖性具有均匀的颜色。
在这方面，有利的是，该图案化区域具有高度轮廓，其中凸起和凹陷之间的平均高度差为至少2 µm，优选至少10 µm，特别优选至少15 µm。此类图案化区域可以通过蚀刻盖板（例如覆盖玻璃）来制造。在这方面同样有利的是，该图案化区域具有高度轮廓，其中凸起和凹陷之间的平均高度差为至少50 µm，优选至少100 µm。此类图案化区域可以通过轧制盖板（例如覆盖玻璃）来制造。因此，本发明有利地扩展至外立面元件，其中该盖板的至少一个图案化区域通过蚀刻或轧制制得，借此可以产生所述高度轮廓。但是，该图案也可以通过在盖板上施加透明和图案化的层来制造。该层必须具有与盖板相同（或至少非常类似）的折射率。根据本发明，盖板表面的图案化还应包括施加此类透明和图案化的层。
该盖板的图案化区域的所述性质可以通过常规测量装置来测定，如显微镜，特别是共聚焦显微镜或触针式轮廓仪。
优选地，借助于根据本发明的太阳能模块的（未涂布）盖板的所述至少一个图案化区域，实现在45°和15°的视角（在每种情况下基于相对于盖板平面的法线）和与相应掠射角（在两个方向上）相差45°的入射角的情况下，反射光的亮度L为至少10。优选地，反射光的亮度L为至少15和更优选至少20。在测量过程中，在背向待表征侧面的（未涂布）盖板的侧面上安装黑色覆盖物。D65光源用于测量，用市售多角度分光光度计（10°孔径角）测量亮度L。在下文结合图14详细说明该测量设置。在这方面，参考欧洲标准EN ISO 11664-4的全文。
本发明因此扩展至用于光伏发电的太阳能模块，其包括透明盖板，所述透明盖板具有面向外部环境的外表面和相反的内表面，其中外表面具有至少一个图案化区域，在其上布置用于反射预定波长范围内的光的光学干涉层，其中该图案化区域具有以下特征：
- 垂直于盖板的平面，具有凸起和凹陷的高度轮廓，其中凸起和凹陷之间的平均高度差为至少2 µm，
- 至少50%的图案化区域由区段组成，所述区段相对于盖板的平面倾斜，其中，参照盖板平面，至少20%的区段具有大于0°至最大15°的倾斜角，并且至少30%的区段具有大于15°至最大45°的倾斜角，其中
- 该区段在每种情况下是平坦的，并具有至少1 µm2的区段面积，其中该区段在每种情况下具有小于外表面上的光学干涉层的层厚度的15%的平均粗糙度。
这里，有利的是实施具有黑色背表面的图案化、未涂布盖板，使得在45°和15°的视角（在每种情况下基于相对于盖板平面的法线）和与相应掠射角（在两个方向上）相差45°的入射角的情况下，反射光的亮度L为至少10、至少15、或至少20。
本发明同样扩展至用于光伏发电的太阳能模块，其包括透明盖板，所述透明盖板具有面向外部环境的外表面和相反的内表面，其中外表面具有至少一个图案化区域，在其上布置用于反射预定波长范围内的光的光学干涉层，其中实施设有黑色背表面并具有至少一个图案化区域的未涂布盖板，使得在45°和15°的视角（在每种情况下基于相对于盖板平面的法线）和与相应掠射角（在两个方向上）相差45°的入射角的情况下，反射光的亮度L为至少10、至少15、或至少20。
根据本发明，可以相当令人满意地解决引言中描述的在太阳能模块的均匀的颜色与小的角度依赖性和同时的高效率之间的权衡。一方面，由于该盖板的图案化表面，即使在掠射角外也反射具有高强度和小的角度依赖性的光。另一方面，由于光学干涉层的滤光作用，使得光可以以高强度撞击太阳能电池的光伏活性半导体，由此可以以太阳能模块的高效率或至少以低效率损失将大部分的入射光转化为电流。此外，由于着色光学干涉层，实现了良好的均匀的颜色印象。该干涉层充当具有最佳可能的窄带反射和宽带透射的滤光器。
在根据本发明的太阳能模块的一个优选实施方案中，盖板的外表面具有至少一个图案化区域，在其上布置着色光学干涉层。此外，盖板的内表面不具有图案化区域和光学干涉层。内表面优选是光滑的（在生产不精确性范围内）。光学干涉层优选直接布置在盖板的外表面上（换言之，没有附加的中间层）。
在根据本发明的太阳能模块的另一个优选实施方案中，盖板的外表面具有至少一个图案化区域，在其上布置着色光学干涉层。此外，内表面不具有图案化区域，用于反射预定波长范围内的光的另外的光学干涉层布置在盖板的内表面上。内表面优选是光滑的（在生产不精确性范围内）。关于盖板的外表面上的光学干涉层的以上陈述类似地适用于盖板的内表面上的光学干涉层。两个光学干涉层可以彼此相同或不同。特别地，两个用于反射光的光学干涉层在同一波长范围内实施。但是，也可能两个用于反射光的光学干涉层在不同的或仅部分重叠的波长范围内实施。两个光学干涉层的层厚度和折射率可以彼此相同或不同。由此，可以甚至更好地限定太阳能模块的颜色。此外，可以产生混色。
在根据本发明的太阳能模块的另一个优选实施方案中，盖板的外表面具有至少一个图案化区域，在其上布置着色光学干涉层。此外，内表面具有至少一个图案化区域，在其上布置用于反射预定波长范围内的光的光学干涉层。关于盖板的外表面的图案化区域的以上陈述类似地适用于盖板的内表面的图案化区域。内表面的图案化区域和外表面的图案化区域可以彼此相同或不同。对于盖板的内表面上的附加的光学干涉层，太阳能模块的上一实施方案中这方面的陈述类似地适用，其中两个光学干涉层的层厚度和折射率可以彼此相同或不同。由此，也可以甚至更好地限定太阳能模块的颜色。此外，可以产生混色。
在根据本发明的太阳能模块中，由于盖板的至少一个图案化表面，甚至在掠射角外反射具有高强度和极小的角度依赖性的光。由于至少一个光学干涉层，其用于产生颜色，产生非常均匀的颜色印象。对上述所有实施方案共同的是，当光撞击具有干涉层的图案化外表面时，由于反射和干涉，甚至在掠射角外产生具有高强度和极小的角度依赖性的颜色。内表面上的附加干涉层和/或图案化可以进一步强化该效果。
在根据本发明的太阳能模块的一个有利的实施方案中，该外表面或内表面（取决于哪个表面被图案化）的图案化区域的至少80%，特别优选至少90%由相对于盖板平面倾斜的区段组成。通过增加区段的数量，甚至进一步提高甚至在掠射角外被该盖板表面的图案化区域反射的光的强度及其角度稳定性。
在根据本发明的太阳能模块的另一有利的实施方案中，至少一个图案化区域的区段的至少30%具有大于0°至最大15°的倾斜角；至少40%的区段具有大于15°至最大45°的倾斜角，并且优选地，但非强制性地，小于10%的区段具有大于45°的倾斜角。特别优选地，至少40%的区段具有大于0°至最大15°的倾斜角；至少50%的区段具有大于15°至最大45°的倾斜角；并且优选地，但非强制性地，小于10%的区段具有大于45°的倾斜角。如果存在相对大量的具有小于15°的小倾斜角的刻面，则基本上仅出现在掠射角附近的视角处的反射强度（如在未图案化表面的情况下），这根据本发明是不合意的。采用更陡峭的刻面，降低反射光的角度依赖性；但是，采用大量非常陡峭的刻面（大于45°），会越来越多地出现多次反射，这是不利的，因为这会在更大程度上导致在本发明的背景下期望其反射的那部分光耦合至吸收剂层中。此外，采用许多涂布方法，难以确保同时在平坦和陡峭的表面区段上具有相等的层厚度的一致覆盖。该光学干涉层的层厚度由此依赖于倾斜角，再次导致不合意的角度依赖性。在这方面最优选的是其中该区段在每种情况下具有大于0°和最大45°的倾斜角的实施方案。根据先前的条件，即使在掠射角外也可以获得反射光的极高强度，同时强度的角度依赖性特别小。
该图案优选不是周期性的和各向异性的。但是，对于特定的光学效果，也可以使用周期性图案和/或各向异性图案。周期性的和各向异性的图案（如金字塔、四边形或六边形蜂巢图案，或半球）也可以在玻璃拉制过程中用辊很好地制得。它们可用于吸引人的光泽和颜色效果。当表面图案满足前述条件时，对掠射角外的角度，该太阳能模块又呈现出显著减少的色度降低；但是，角度依赖性相对于模块水平上的取向是各向异性的。
所述至少一个光学干涉层可以包括一个或多个折射层，并特别可以由其制成。折射层由同一种材料制成（具有相同的组成）并尤其在整个层厚度上具有均匀（相等）的折射率。当该光学干涉层包括多个折射层时，至少两个折射层由彼此不同的材料制成，并具有不同的折射率。有利地，至少一个折射层具有大于1.7，优选大于2.0，特别优选大于2.3的折射率n。原则上，折射率越大，反射光的角度依赖性越低，使得可以进一步降低颜色印象的角度依赖性。
有利地，该光学干涉层含有至少一种选自TiOx、ZrOx、SiC和Si3N4的化合物。当该光学干涉层具有两层、三层或更多层时，该光学干涉层优选含有至少一种选自MgF2、Al2O3、SiO2和氧氮化硅的化合物。这些是具有相对较低的折射率的化合物。
在根据本发明的太阳能模块中，由于图案化表面与仅具有少量折射层（例如一至三个折射层）的光学干涉层的组合，已经可以实现良好的颜色印象。由于少量的折射层，简化了太阳能模块的生产，并降低了生产成本。
有利地，该太阳能模块的至少一个光学干涉层（特别是所有光学干涉层）包括恰好一个折射层（或由其制成），其折射率n大于1.9，优选大于2.3。
同样有利地，该太阳能模块的至少一个光学干涉层（特别是所有光学干涉层）包括恰好两个折射层（或由其制成），其中具有第一折射率n1的第一折射层存在于具有折射率nd的盖板上，具有第二折射率n2的第二折射层存在于第一折射层上。对于折射率的差值的量（绝对值）：|n1-nd| > 0.3和|n2-n1| > 0.3，且折射率n1或n2的至少一个大于1.9，优选大于2.3。
同样有利地，该太阳能模块的至少一个光学干涉层（特别是所有光学干涉层）包括恰好三个折射层（或由其制成），其中具有第一折射率n1的第一折射层存在于具有折射率nd的盖板上，具有第二折射率n2的第二折射层存在于第一折射层上，具有第三折射率n3的第三折射层存在于第二折射层上。对于折射率的差值的量（绝对值）：|n3-n2| > 0.3和|n2-n1| > 0.3，且|n1-nd| > 0.3。这里，折射率的值交替表现为：n1 > n2和n3 > n2或n1 < n2和n3 < n2。此外，折射率n1、n2或n3的至少一个大于1.9，优选大于2.3。
由于具有恰好一个、恰好两个或恰好三个折射层的光学干涉层，可以获得太阳能模块的均匀的颜色印象，并简化太阳能模块的生产，降低其生产成本。由于两层或三层的层，颜色强度（换言之，亮度和饱和度，即特定窄波范围内的反射）可以提高。由于相对高的折射率，降低了角度依赖性。由超过三个层的叠层制成的干涉层与根据本发明和提出的实施方案的图案化盖板组合也落在本发明的范围内，但是生产更复杂。例如，采用具有交替的高和低折射率的四层折射层，可以以改善的透射率进一步降低反射光的带宽。
在该盖板的图案化区域中，甚至在掠射角外以相对高的强度发生入射光束的反射。为此，优选实施该图案化区域，使得存在超过50%，特别优选超过90%的反射雾度。可以通过市售雾度计测定该反射雾度。根据ASTM D1003，雾度是反射光的漫射份额对总反射的比。
在根据本发明的太阳能模块中，提供至少一个区，其中区段具有小于外表面上的光学干涉层的层厚度的15%的平均粗糙度，由此能够实现反射光的相长干涉或相消干涉。有利地，该区域在整个盖板上延伸。根据本发明的一个实施方案，该图案化区域具有至少一个其它区，即(子)区域，其中该区段在每种情况下具有使得在光学干涉层上不发生干涉的平均粗糙度。例如，该区段在这里具有干涉层的层厚度的50%至100%的平均粗糙度。在这些区中，该太阳能模块不具有由光学干涉层产生的颜色。
本发明还涉及制造如上所述的根据本发明的太阳能模块的方法。根据本发明的方法包括以下步骤来加工该盖板：
在第一步骤a）中，提供平坦透明盖板，其具有意在面向外部环境的外表面和相反的内表面。
随后，从以下三个（替代）步骤中选择并实施单个第二步骤b1）、b2）或b3）：
b1）至少在一个区域中图案化该外表面，并在该图案化区域上施加光学干涉层。在这种情况下，不将该内表面图案化并且不在该内表面上施加光学干涉层。
b2）至少在一个区域中图案化该外表面，在该外表面的图案化区域上施加光学干涉层，并在内表面上施加另外的光学干涉层。在这种情况下，不将内表面图案化。
b3）至少在一个区域中图案化该外表面，在该外表面的图案化区域上施加光学干涉层，至少在一个区域中图案化该内表面，并在该内表面的图案化区域上施加另外的光学干涉层。
在上述方法中，外表面或内表面的图案化还包括在该盖板上施加设有至少一个图案化区域的透明层，其形成外表面或内表面。
本发明进一步扩展至根据本发明的太阳能模块作为建筑围护结构（建筑墙）或独立式墙（例如隐私墙或噪音屏障）的（一体化）组件的用途。
本发明的各种实施方案可以单独或以任意组合实现。特别地，上文和下文提及的特征不仅可以以所示组合使用，还可以以其它组合使用或单独使用，而不背离本发明的范围。
参照附图在下文中详细说明本发明。所述附图以简化、非按比例的方式描绘了：
图1 根据本发明的太阳能模块的示例性实施方案的示意性截面图；
图2 根据本发明的太阳能模块的基本结构的示意性截面图；
图3 图2的太阳能模块的盖板的放大细节的示意性截面图；
图4 作为外立面元件实施的太阳能模块的典型光学关系的示意图；
图5-8 图2的太阳能模块的盖板上的反射中的示例性光路的示意图；
图9 光束在光学干涉层中干涉的示意图；
图10-13 根据本发明的太阳能模块的各种实施方案；
图14 多角度颜色测量的测量方法的示意图；
图15 显示四种不同玻璃板的亮度的角度依赖性测量的实测值的图；
图16-17 各种玻璃板的高度轮廓；
图18 显示各种玻璃板的区段的角分布的图；
图19-23 显示光学干涉层的各种性质的图；
图24 图示说明根据本发明的方法的流程图。
图1使用截面图（截面垂直于模块表面）示意性图示说明了根据本发明的太阳能模块，其作为整体用标号1参考。作为实例以薄膜太阳能模块形式实施的太阳能模块1包括以集成形式彼此串联连接的多个太阳能电池12，其中，以大大简化的方式，仅显示两个太阳能电池。当然，一般而言，在太阳能模块1中，大量太阳能电池12（例如大约100-150个）串联连接。该太阳能模块1具有基板构造的复合板结构。其包括背基板2，其中由薄膜制成的层结构3施加于其上，其中该层结构3布置在基板2的光入射侧表面上。该基板2在这里实施为例如刚性的、平坦的玻璃板，具有相对较高的透光率，其中同样可以使用相对于所进行的工艺步骤具有所需稳定性和惰性行为的其它电绝缘材料。
该层结构3包括布置在基板2的表面上的不透明的背电极层5，其例如由不透光的金属如钼（Mo）制成并通过气相沉积或磁控增强阴极溅射（溅射）施加在基板2上。该背电极层5例如具有300 nm至600 nm的层厚度。在背电极层5上施加光伏活性（不透明）吸收剂层6，其由掺杂有金属离子的半导体制成，其带隙能够吸收最大可能份额的日光。该吸收剂层6例如由p导电型黄铜矿半导体制成，例如组Cu(In/Ga)(S/Se)2的化合物，特别是钠（Na）掺杂的Cu(In/Ga)(S/Se)2。在上式中，铟（In）和镓（Ga）以及硫（S）和硒（Se）可以任选或组合存在。该吸收剂层6的层厚度例如为1-5 µm，特别为大约2 µm。为了制造吸收剂层6，通常例如通过溅射施加各种材料层，该层随后通过在炉中，任选在含有S和/或Se的气氛中加热（RTP=快速热处理）来热转化以形成该化合物半导体。化合物半导体的这种生产方式是本领域技术人员公知的，因此无需在本文中详细讨论。沉积在吸收剂层6上的是缓冲层7，其在这里例如由单层的硫化镉（CdS）和单层的本征氧化锌（i-ZnO）组成，未在图1中详细描绘。前电极层8例如通过溅射施加在该缓冲层7上。该前电极层8对可见光谱范围内的辐射是透明的（“窗电极”），使得入射的日光4（在图1中由箭头表示）仅略微减弱。该前电极层8基于例如掺杂的金属氧化物，例如n导电型铝（Al）掺杂的氧化锌（ZnO）。此类前电极层8通常被称为TCO层（TCO=透明导电氧化物）。前电极层8的层厚度为例如大约500 nm。借助前电极层8以及缓冲层7和吸收剂层6，形成异质结（换言之，一系列相反导体类型的层）。该缓冲层7可以实现吸收剂层6与前电极层8之间的电子匹配。
为了防止环境影响，在层结构3上施加（塑性）胶粘剂层9，其用于封装该层结构3。用胶粘剂层9胶合的是对日光透明的前侧或光入射侧盖板10，其在本文中例如以刚性（平面）玻璃板的形式实施，所述玻璃板由具有低铁含量的超白玻璃制成。盖板10用于密封和机械保护层结构3。该盖板10具有面向太阳能电池12的内表面13和背向太阳能电池12的外表面11，其同时为模块表面或模块上侧面。该太阳能模块1可以经由该外表面11吸收日光4以便在所得电压连接（+,-）上产生电压。在图1中通过串联排列的箭头描绘了电流路径。盖板10和基板2用胶粘剂层9彼此固定粘接（“层压”），所述胶粘剂层9在这里例如作为热塑性胶粘剂层实施，其可以通过加热塑性变形，并在冷却后将盖板10和基板2彼此固定粘接。该胶粘剂层9可以在生产过程中作为层压膜提供，并在这里例如由PVB制成。具有嵌在胶粘剂层9中的太阳能电池12的盖板10和基板2一起形成层压复合物。模块的背面14是背向太阳能电池12的基板2的表面。
为了形成和串联连接太阳能电池12，使用合适的图案化技术（例如激光划线和/或机械削磨）将层结构3图案化。通常，为此目的，在每种情况下将三个图案化线P1-P2-P3的直接序列引入该层结构3。这里，至少背电极层5被第一图案化线P1细分，产生太阳能电池12的背电极。至少吸收剂层6被第二图案化线P2细分，产生太阳能电池12的光伏活性区域（吸收体）。至少前电极层8被第三图案化线P3细分，产生太阳能电池12的前电极。借助第二图案化线P2，一个太阳能电池12的前电极电连接到相邻太阳能电池12的背电极，其中前电极例如直接接触该背电极。在图1的示例性实施方案中，第一图案化线P1的沟槽由吸收剂层6的材料填充，第二图案化线P2的沟槽由前电极层8的材料填充，且第三图案化线P3的沟槽由胶粘剂层9填充。第一、第二和第三图案化线P1-P2-P3的每个直接序列形成用于串联连接到直接相邻的太阳能电池12的图案化区域。
现在参考图2，其中描绘了根据本发明的太阳能模块1的基本结构。该太阳能模块1包括盖板10（例如前玻璃）和施加在背基板2上的层结构3，其通过胶粘剂层9彼此固定粘接（层压膜）。着色元件是涂布的盖板10，其外表面11面向入射光，并且其内表面13经由胶粘剂层9连接至光伏太阳能电池（硅晶片或薄膜太阳能电池）。该太阳能模块1特别可以如图1中所述构造。这里，盖板10例如由具有最小可能吸收的玻璃板，例如低铁钠钙玻璃构成。着色盖板10在外表面11上被图案化（例如通过蚀刻、喷砂或拉制过程中的轧制），并在图案化区域上具有光学干涉层形式的涂层，其并未描绘在图1和图2中（参见图3）。
图3描绘了图1和2的太阳能模块1的盖板10的放大细节的截面图。该盖板10的外表面11在区域15中被图案化，所述区域15在本实例中在整个外表面11上延伸。光学干涉层16直接布置在外表面11上。在图案化区域15中，该外表面11具备具有凸起和凹陷的高度轮廓。这里，该外表面11的超过50%由平面区段17组成，其平面在每种情况下相对于盖板10的平面倾斜，也就是说，具有非零角度。区段17在每种情况下具有至少1µm2的区段面积和小于光学干涉层16的层厚度的15%的平均粗糙度。外表面11的最高点（凸起）与最低点（凹陷）之间的平均高度差为至少2 µm，并例如最大为透明盖板10的厚度的20%。相对于盖板10的平面，至少20%的区段具有大于0°至最大15°的倾斜角；至少30%的区段具有大于15°至最大45°的倾斜角；和小于30%的区段17具有大于45°的倾斜角。在图3的示例性实施方案中，所有区段均具有最大45°的倾斜角。该光学干涉层16是薄的，具有例如0.1至2微米的层厚度使得薄干涉层16的表面遵循图案化区域15的凸起和凹陷。该光学干涉层16具有大于1.7，优选大于2.0，特别优选大于2.3的折射率n，以及对入射光的最小可能吸收。该光学干涉层16可以是单层或多层的，并可以由一个或多个折射层组成。每个折射层具有特定的折射率，并由相同材料制成。例如，该光学干涉层16由MgO、SiONx、Si3N4、ZrO2、TiOx和/或SiC制成。一个或多个折射层的电导率应当尽可能低。
在下文中，详细描述了外表面11的图案化的操作原理。首先考虑图4，其中，作为实例，图示说明了作为外立面元件实施的太阳能模块1的典型光学关系。据此，来自太阳S的光直接撞击在太阳能模块1的外表面11上并在掠射角（入射角 = 反射角，相对于盖板平面的表面法线）中被反射。描绘了入射光束E和在掠射角中反射的光束R。除了反射光束R之外，该入射光还在掠射角之外被漫射。作为实例描绘了两个漫射的光束R'。通过反射、散射和干涉产生了颜色效果。当观察者B站在太阳能模块1前方并与外表面11成直角直接看自己前方时，采用直射阳光，直接反射的光R仅在最罕见的情况下射入他的眼睛（换言之，观察者通常不在掠射角内）。这显示在图4中，其中观察者B位于掠射角之外，并仅看到漫射的光束R'。在不具有图案化区域15的光滑表面的情况下，漫射光R'的强度低，并具有强烈的角度依赖性。仅当漫射份额足够大时，才存在具有令人满意的强度（亮度，L值）的清晰颜色。
图5中图示说明了图案化区域15的倾斜区段17的基本操作原理，其中，通过示例，为与太阳能模块1的玻璃表面或外表面11成直角观看的观察者B描绘了各种光路。描绘了相对于盖板10的示意性示出的平面GE具有不同倾斜度的三个区段17，以及撞击区段17的光束E，其在每种情况下在掠射角中被区段17反射到观察者B (反射光束R)。中心区段17相对于盖板10的平面GE平行布置，入射光束E以直角撞击区段17并以直角反射到观察者B (反射光束R)。在两个相邻的区段17的情况下，入射光束E在每种情况下具有相对于盖板10的平面GE的表面法线的非零角度，并且同样在掠射角中撞击观察者B。由于区段17的不同倾斜度，来自不同方向的光在每种情况下在区段17的局部掠射角中反射到在模块表面处以直角观看的观察者B。在图5的示例性实施方案中，入射角和反射角最大为45°。
图6描述了观察者B相对于盖板10的平面GE的表面法线以45°角观察的情况。如图5中所示，作为示例，描绘了相对于盖板10的平面GE具有不同倾斜度的三个区段17，以及在每种情况下入射在区段17上的光束E，所述光束E由区段17在局部掠射角中反射到观察者B(反射光束R)。由于区段17的不同倾斜度，光在每种情况下在局部掠射角中从不同方向反射到观看模块表面的观察者B。在图6的示例性实施方案中，入射角和反射角最大为67.5°。原则上，在掠射角的相对大的值的情况下，反射光蓝移。通过光学干涉层的较高折射率可以减小这种蓝移。在相对陡峭的表面倾斜度的情况下，也可能发生相邻刻面上的多次反射。
图7描述了光源以及相应的入射光束总是相对于模块表面(盖板10的平面GE)以45°的角度倾斜的情况。观察者B以不同的角度观察模块表面。图7中的角度数据应被理解如下：入射角(相对于盖板10的平面GE) /视角或反射角(相对于平面GE的表面法线，与掠射角的偏差)。没有指示度数符号"°"。图7通过示例的方式描绘了相对于盖板10的平面GE具有不同倾斜度的四个区段17。仅在其平面相对于盖板10的平面GE平行的一个区段17中，观察者B位于相对于盖板10的平面GE的掠射角中：45/0。这意味着入射光束相对于盖板10的平面GE具有45°的角度；反射光束，与掠射角的角偏差为零。对于其它区段17，观察者B位于掠射角之外(相对于盖板10的平面GE)。对于两个左区段17 (45/90、45/45)，观察者以相对于掠射角成90°或45°的角度观察模块表面，其中光相对于平面GE成45°的角度撞击。对于右区段17(45/-15)，观察者位于相对于掠射角成-15°的角度。由于不同倾斜的区段17和由此产生的掠射角中的局部反射(相对于区段17的平面)，即使当观察者不位于相对于盖板10的平面GE的掠射角中时，光也以足够的强度被反射到观察者B。
图8描绘了观察者B总是以相对于模块表面或盖板10的平面GE成45°的角度观察太阳能模块1的表面的情况，图8通过示例描绘了相对于盖板10的平面GE具有不同倾斜度的四个区段17。仅在其平面相对于盖板10的平面GE平行的一个区段17中，观察者B位于相对于盖板10的平面GE的掠射角中：45/0。对于其它区段17，观察者B位于掠射角(相对于盖板10的平面GE)之外。对于两个左区段17 (45/90、45/45)，观察者B以45°的角度观察模块表面，其中光相对于掠射角(相对于盖板10的平面GE的表面法线)偏离90°或45°撞击。对于右区段17(45/-15)，光以相对于掠射角成-15°的角度撞击。由于不同倾斜的区段17和由此产生的掠射角中的局部反射(相对于区段17的平面)，即使当光在掠射角之外(相对于盖板10的平面GE)撞击时，光也以足够的强度被反射到观察者B。
在根据本发明的太阳能模块1中，通过盖板10的外表面11的图案化结合着色光学干涉层16，可以实现在可预定波长范围内的均匀的颜色印象，其中颜色印象与未图案化的模块表面相比具有小得多的角度依赖性。
图9描绘了具有层厚度d的光学干涉层16。入射光束E在大气/干涉层界面处(R1)和干涉层/盖板界面处(R2)都被反射。如果两个光束R1、R2的路径差对应于入射光束的波长的倍数，则发生相长干涉；在半波长倍数的路径差的情况下，发生相消干涉。在用白光照射的情况下，光学干涉层充当滤色器，因为根据干涉条件λ= 4d(n2-sin2(α))1/2，依赖于折射率n和层厚度d的相长干涉仅发生在合适波长的光下。这里，α是反射光束R1、R2相对于表面法线的角度。例如，当干涉层/盖板界面的粗糙度太大时，光束R '显示出掠射角之外的反射光，这可以发生在图案化区域15中。为了满足干涉条件，散射中心在每种情况下必须小于波长和层厚度。这可以通过根据本发明所要求保护的区段的最小面积和它们的最大粗糙度来实现。根据本发明的一个实施方案(参见图10)利用了这种效果。
由于盖板10的外表面11涂布有由无机的、化学惰性的硬质层，例如Si3N4制成的光学干涉层，太阳能模块1具有高的抗划伤性、化学稳定性和防污作用。气候测试也已经证明由例如Si3N4或TiO2的材料制成的干涉层也防止玻璃被湿热腐蚀。此外，使用光催化层如TiO2可产生自清洁效果。
现在参考图10，其中描绘了根据本发明的太阳能模块1的另一实施方案。为了避免不必要的重复，仅描述相对于图1和图2的实施方案的差异；否则，参考上述陈述。在该实施方案中，外表面11的图案化区域15具有第一区18和第二区19。这里，实施第一区18使得所述区段具有小于光学干涉层16的层厚度d的15%的平均粗糙度。在图2的实施方案中，整个图案化区域15都是如此，相反，第二区19中的平均粗糙度足够大以防止光学干涉层16中的干涉，例如，第二区19中的区段17的平均粗糙度大于光学干涉层16的层厚度的50%，因此，太阳能模块1在第一区18中具有由光学干涉层16的颜色过滤作用产生的均匀颜色。在第二区19中，光学干涉层16由于缺乏相长干涉而不具有颜色过滤作用；因此基本上有对应于没有光学干涉层16的太阳能模块的表面。因此太阳能模块1可以在可预定的第一区18中任选具有均匀的颜色，图10通过更大的粗糙度示意性地描述了第二区19。
图11描绘了根据本发明的太阳能模块1的另一实施方案。为了避免不必要的重复，仅描述相对于图1和图2的实施方案的差异；否则，参考上述陈述。因此，太阳能模块1在盖板10的外表面11上的图案化区域15上具有第一光学干涉层16，并且在盖板10的内表面13上具有第二光学干涉层16'，盖板10的内表面13未被图案化，即，不具有与外表面11类似的图案化区域15。第二光学干涉层16'具有与第一光学干涉层16相同的层厚度d '和光学折射率n'；然而，层厚度和折射率不必相同。由于第二光学干涉层16'，颜色效果被进一步加强。这产生具有颜色过滤作用的第二反射源，因为盖板10 (玻璃)和胶粘剂层9之间的第二光学干涉层的折射率大于盖板10 (玻璃)和胶粘剂层9的折射率。由于光折射，入射角随第二次反射而变小。由于光通过光学干涉层总共三次，到达观察者的光被更强地过滤。特别地，两个光学干涉层16、16'的层厚度d、d '和折射率n、n '也可以彼此显著不同。在涂布有显著不同的光学厚度n*d或n'* d'的情况下，由于第一光学干涉层16产生与第二干涉层16'不同的反射光谱，并且被16'反射的光在再次穿过第一光学干涉层16时被重叠，能够产生混色。因此，可以以非常简单和经济的方式生产具有多种颜色和高的角度稳定性的有色模块。
图12以高度简化的方式图示说明了入射光E和反射光R1、R2的光束路径，其中存在两个光学干涉层16、16'。该图没有示出盖板的图案化。这里仅描述了相对于盖板平面的掠射角中的单个光束路径。可以看出，已经穿过第一干涉层16的光在盖板10 (例如玻璃)中折射，并在第二干涉层16'上第二次反射，从而通过干涉被过滤。在离开盖板10时，它第三次通过干涉层。
图13描绘了根据本发明的太阳能模块1的另一实施方案。为了避免不必要的重复，仅描述相对于图11的实施方案的差异；否则，参考上述陈述。因此，太阳能模块在盖板10的外表面11上具有第一图案化区域15；以及在盖板10的内表面13上具有第二图案化区域15'，其中第一光学干涉层16布置在第一图案化区域15上并且第二光学干涉层16'布置在第二图案化区域15'上(在太阳能电池侧上)。两个图案化区域15、15'可以类似地实施。同样地，两个光学干涉层16、16'可以类似地实施并且具有相同的层厚度d ' = d和相同的折射率n '= n；然而，层厚度d '和折射率n '不必完全相同。特别地，两个光学干涉层16、16'的层厚度d和折射率n也可以彼此不同。当为两个光学干涉层16、16'选择相同的光学厚度n'*d'时，能够使太阳能模块1的颜色加强。在具有显著不同的光学厚度的涂层的情况下，可以产生混色。
图3、11和12中描述的实施方案的共同点在于，当光撞击具有干涉层的图案化外表面时，即使在掠射角之外，作为反射和干涉的结果，也产生具有高强度和极小的角度依赖性的颜色。在图11和12的实施方案中，内表面上的附加干涉层和/或图案化可以进一步加强这种效果。
图14描绘了多角度颜色测量的测量方法，其中用市售多角度分光光度计21（x-rite MA-T12）测量尚未涂布有光学干涉层16的盖板10（在本文中作为玻璃板实施）的漫射。图案化区域15在该盖板10的整个外表面11上延伸。D65标准光源的光束在各种入射角下对准要表征的盖板10的外表面11，并光谱测量来自各种视角（这里例如相对于玻璃板的表面法线为15°或45°）的散射或反射光。黑色无光泽层20（例如用折射率为大约1.5的液体附着）位于盖板10下方。采用多角度分光光度计 21，可以使用D65标准照明和10°孔径角测定L-a-b体系中的亮度。已经发现，存在良好的角度稳定性（散射光的角度依赖性低），如果在45°和15°视角处（在每种情况下相对于盖板的平面的法线）和在45°的入射角处，由掠射角（在两个方向上）测得，仍然存在至少L=10，优选L=15和甚至更好L= 20的亮度。度数数据应理解如下：反射角（相对于表面法线）/入射角（相对于掠射角）。例如，采用45°的视角（相对于表面法线测得）和45°的入射角（由掠射角测得），入射光束严格垂直于该表面撞击（45/45）。采用15°的视角和45°的入射角，入射方向与观察方向相同的一侧上的表面法线呈30°角（15/45）。该多角度分光光度计21相对于表面法线以45°或15°的视角定位。
图15显示了如图14中那样用多角度分光光度计21测得的没有着色光学干涉层的四种不同前玻璃的亮度L的测量结果。在前玻璃的背侧，使用甘油（折射率n= 1.47）薄层光学附着两侧涂黑的亚光玻璃，使得基本上测量该表面的反射。测量的是雾度为94%的两种磨砂玻璃a、b，雾度为2%的具有抗反射层的略带纹理的太阳能玻璃c（太阳能玻璃，类型：Albarino T），以及雾度为< 0.5%的未图案化的浮法玻璃d。角度数据对应于图14中的那些，但是“/”被“as”代替。两种磨砂前玻璃a、b在外表面11上具有根据本发明的图案化区域15，另两种玻璃c、d不具有这样的图案化区域。
显然，两种磨砂前玻璃a、b总体上具有比略带纹理的太阳能玻璃c或未图案化的浮法玻璃d明显高得多的反射光强度。浮法玻璃d在掠射角中基本上仅具有一个反射（掠射角本身没有用该仪器测量，因此未显示）。特别是在远离掠射角的角度的情况下，用两种磨砂玻璃a、b仍然可以觉察明显的亮度。确切而言，根据本发明有利地将这种效果与着色干涉层组合使用。由于玻璃的粗糙度，总是可以使用具有最佳倾斜角（局部掠射角，入射角=出射角）的微观表面，使得颜色（尤其是亮度）的方向依赖性明显低于使用在具有低雾度的未图案化玻璃板（例如浮法玻璃d）上的涂层。根据本发明的图案化表面在每种情况下必须具有尺寸大于可见光波长的刻面与图案尺寸。蚀刻玻璃例如适于此。但是，该图案也可以在亚毫米和毫米范围内，例如轧制玻璃。轧制的图案也可以与蚀刻纹理组合。还可以通过沉积工艺和不同透明材料的图案化在盖板上施加该图案。该图案应当具有尽可能不同的表面倾斜度，以及宽的倾斜角分布。
图16显示了图15的略带纹理的玻璃板c（太阳能玻璃，类型：Albarino T）的高度轮廓；图17显示了图14的通过蚀刻更强烈图案化的玻璃板（磨砂玻璃）的高度轮廓。通过使用共聚焦显微镜的测量生成该高度轮廓。
图18显示了由图16和17的共聚焦显微镜测量生成的角度分布。虽然使用略微图案化的玻璃板c（太阳能玻璃，类型：Albarino T），该区段相当大，并出现了仅5-10°的倾斜角，蚀刻玻璃版a（磨砂玻璃）的区段在40 µm（玻璃板中凸起-凹陷的距离）范围内，平均角度为大约25°。蚀刻玻璃板a的角度分布比略微图案化的玻璃板c宽得多。在图15中还可以看到，在距掠射角大于20-30°的角度下，用略带纹理的玻璃板c仅获得很小的反射强度（作为L值测得）。相比之下，采用磨砂玻璃板a，在45/45或15/45处仍看到显著的亮度。图18显示了其它玻璃板的角度分布（磨砂玻璃板b、类型Albarino S的略带纹理的太阳能玻璃c'、附加的玻璃e、e'）。
根据本发明，通过在玻璃板的图案化表面上施加光学干涉层可以实现颜色效果的明显可检测的增强。与此相反，当在未图案化的玻璃板的内表面上施加光学干涉层时，颜色效果较小，并具有强烈的角度依赖性。此外，在图案化外表面上涂布光学干涉层的情况下，与在外图案化玻璃板的内表面上涂布光学干涉层相比，颜色更强烈。通常，更高的折射率对比导致更强的反射，并由此导致更强烈的颜色。由于用光学干涉层（例如Si3N4）从外部涂布前玻璃，折射率对比空气/Si3N4/玻璃/封装聚合物比层序列空气/玻璃/Si3N4/封装聚合物更高。采用SiC、ZrO2或TiO2而不是Si3N4，颜色效果（即反射有色光的强度）甚至更高。
由薄层上的干涉规律而言，其遵循以下规律：采用更高的折射率，颜色改变的角度依赖性更小（λ= 4*d*(n2-sin2(α))1/2的相长干涉）。
表I
从表I的以上简单实例，清楚的是采用倾斜入射，存在反射光的蓝移并且通过更高的折射率可以降低该蓝移。
图19显示了在各种角度的波长依赖性反射率。采用倾斜入射再次看到蓝移。
该光学干涉层可以是单层或多层，其中每个层由具有均匀折射率的同一种材料的折射层形成。特别地，该光学干涉层可以由恰好两个或恰好三个折射层组成。例如，在作为布拉格滤镜（λ/4层）的三层的层的情况下，反射光谱中着色最大值的宽度变得更小，并且强度变得更强。采用合适的层组合，也可以产生红色的色调，由于更高的阶数总是引入过多的蓝色或绿色，在采用单层的情况下这几乎是不可能的。模拟显示例如采用玻璃上的65 nmTiO2/ 115 nm SiO2/ 65 nm TiO2组合，获得具有强的红色分量的反射光谱(RGB坐标(0.81;0.31; 0.08))。借助两层或三层光学干涉层，也可以获得透射和反射之间更好的折衷。甚至有色太阳能模块也应具有可能的最高效率。太阳辐射的最大值在绿色光谱范围。借助两层或三层的层，可以缩窄反射光的光谱范围，并且有更大的自由度来寻找正确的色调（colorshade）。
下表II显示了例如一些层组合及其性质。这里，通过模拟，寻找最适合特定的强的较暗的蓝色调(L =37，a =22，b = -60)的层组合。对于所有的层体系，颜色距离dE由该颜色值计算。此外，将得到的透射光谱与太阳光谱加权并计算透射率。然后，由此计算由层体系导致的透射率损失。本发明的要点是光学干涉层的角度稳定性。通过将多层干涉层与图案化的玻璃板组合，可以获得涂布玻璃元件的高角度稳定性和高颜色强度。因此，还计算了模拟的层封装(在光滑基板上)在20°和50°照射之间的颜色值差异。对光滑玻璃的模拟用作图案化玻璃上的涂层的参考点。利用图案化玻璃，观察者然后从不同的角度看到反射的总和。如果层封装在光滑玻璃上具有更大的角度稳定性和更大的颜色强度，则这也适用于图案化玻璃。然而，在图案化玻璃上，亮度和饱和度的角度稳定性要好得多。
表II
通过三层的层，可以生产几乎白色的太阳能模块，然而其仍提供电能，因为在太阳能电池方向上在可见光范围内的透射率仍然为10-20%，并且在近红外范围内仍然高于90%。
图20显示了由45nm TiO2/90nm Si3N4/45 nm TiO2组成的层体系的模拟光谱。该层封装的反射光谱的颜色系数可以在RGB坐标中计算(0.8；0.86；0.76)。这对应于略带灰色的白色。在倾斜入射(60°)的情况下，蓝色分量稍微增加。然而，整体印象保持在RGB = (0.66；0.81；0.84)处的相对的颜色中性。
已经简单地通过使用2层光学干涉层，可以由此改进色调的亮度与饱和度，同时优化透射率。优选地，该光学干涉层由具有不同折射率n1、n2的两种不同材料的恰好两层制成。以下适用于折射率的差异量：│n1-nd│ >0.3和|n2-n1| >0.3，且折射率 n1或n2的至少一个大于1.9，优选大于2.3，其中nd是盖板的折射率。
使用3层光学干涉层能够提供甚至更多的颜色以及色调、角度依赖性与透射率方面的进一步优化。恰好三层（折射层）的光学干涉层可以由两种或三种具有折射率n1、n2、n3的不同材料制成，其中以下适用：│n3-n2│ > 0.3和│n2-n1│ > 0.3和|n1-nd| > 0.3。折射率的值交替表现：即n1 > n2和n3 > n2或n1 < n2和n3 < n2。此外，折射率n1、n2、或n3的至少一个大于1.9，优选大于2.3。较低折射率的可能材料是例如SiO2、SiON、Al2O3和MgF2。采用1或2或最大3层，与图案化盖板组合已经能够获得高亮度和饱和度值。
下面描述在各种实施方案中本发明的技术实施的结果：
制造了CIGS薄膜太阳能模块。代替常规前玻璃，使用涂布和图案化的前玻璃。标准前玻璃具有抗反射层并经略微图案化（雾度=2%）。化学蚀刻的（即磨砂的）玻璃用作图案化或纹理化玻璃。该玻璃具有94%的雾度。显微分析表明，表面图案的图案尺寸为20-40 µm，图案高度为15 µm。图17显示了所用磨砂玻璃的表面的共聚焦显微镜图像。表面图案的角度（相对于玻璃平面的角度）相当平坦，典型角度为大约20-40°。为了比较，使用在内侧上具有多层干涉层的市售前玻璃。
使用磁控溅射在该玻璃的图案化一侧上涂布单层氮化硅（Si3N4）。随后，将它们层压到CIGS薄膜电路上，涂布和图案化一侧向外（即面向太阳的一侧）。在第二个实验中，光滑内侧也另外涂布有氮化硅层。用作参考的是市售前玻璃，其在内侧上用由具有不同折射率的各种材料制成的多层的层涂布。
随后，使用多角度分光光度计表征该模块，并在Lhc坐标（L= 亮度，C= 色度或饱和度，且H= 色相或色调）中评估颜色值。该多角度分光光度计在每种情况下具有两个视角和6个照明角度。照明角度参考掠射角。在每种情况下，不在掠射角中进行测量。
图21至23显示了在外侧、两侧上涂布和具有多层的层体系（内侧）的L、h,和c的结果。轴标记“15as45”类似于先前注释是指在观察方向的方向上距掠射角为15°的检测角度和45°的照明角度，换言之，照明方向与观察方向之间的角度小于掠射角；“15as-45”是指在掠射角之后45°，换言之，照明方向与观察方向之间的角度大于掠射角。
发现在外侧上涂布的亮度L确实略低，但更稳定。在两侧上涂布的亮度L变得非常接近多层的层。在颜色饱和度方面也存在类似的结果：在外侧上涂布的饱和度略弱，但非常稳定。采用根据本发明的涂层，色调的角度依赖性略强。在较大角度处，看到轻微蓝移。通过使用具有较高折射率的材料（TiOx、SiC）可以将其降低。
在另一实验中，将单层的Si3N4或二氧化钛涂布到各种玻璃上，并将该玻璃以各种配置并入模块中。用分光光度计测量该模块，该分光光度计漫射该表面（光类型D65）并测量相对于表面法线为8°的角度处的颜色。可以包括（SCI）或排除（SCE）掠射角中的照明。在Lab坐标中计算颜色值，并也由此确定色度（饱和度）和色调。
表III
颜色 材料 层厚度 位置 L c h
灰色 Si3N4 26 外侧 36 7 N/A
蓝色 Si3N4 161 外侧 33 25 284
蓝色/紫色 TiO2 125 外侧 40 37 294
绿色 TiO2 230 外侧 40 32 170
金色 Si3N4 236 外侧 50 22 108
金色 TiO2 80 外侧 60 26 90
表III显示采用单层的层，获得饱和颜色和明亮的色调。层厚度为20 nm至300 nm。如预期的，采用二氧化钛，可以产生甚至更亮和更强烈饱和的色调。采用非常薄的层，可以产生甚至灰色色调。
还测定了色差dE(2000)中包括掠射角和排除掠射角的颜色之间的差值。该测量方法还给出了角度稳定性的评估。
蓝色色调实施例的结果列于下表IV中。对于在一侧磨砂的玻璃上的Si3N4单层已经有非常小的dE (2000)值。当这种结构在内部补充了另一层Si3N4时，亮度和颜色饱和度增加，dE仅略微增加。当将TiO2涂布在一侧磨砂的玻璃的外侧时，与具有极低dE的前述结构相比，亮度和颜色饱和度增加。作为参考，将TiO2涂布到一侧磨砂的玻璃板的光滑侧上，并层压以形成涂层朝外的模块。由于玻璃和层压膜的折射率仅略微不同，因此磨砂侧现在几乎没有任何影响。在这种情况下，在包括掠射的情况下，获得良好的亮度和饱和度；然而，在排除掠射的情况下，颜色效果完全消失，亮度和饱和度大大降低，换句话说，SCI对SCE的dE相当大。
作为优化颜色和性能而角度稳定性不变的证据，将三层的层TiO2 (27nm)/Si3N4(100 nm)/TiO2 (18nm)涂布到具有所述结构性质的磨砂覆盖玻璃上。与之相比，将单层TiO2(125nm)沉积在另一覆盖玻璃上。进一步加工这两种玻璃以形成CIGS薄膜模块。两个蓝色模块都具有L =41的亮度和c =36的饱和度；具有单层的层的模块的性能损失为25%，而具有三层的层的模块仅损失15%的性能。
本发明的一个优选实施方案是将具有高折射率的材料涂布到纹理化玻璃板上并集成到模块中，其中涂布和纹理化侧在外侧。在两侧上涂布也是有利的。通过在两侧磨砂的玻璃的两侧上进行涂布，可以进一步增加亮度和饱和度。具有上述性质的在图案化玻璃上外侧上的具有三层的层的单侧涂层产生用于建筑集成的具有高饱和度、良好的角度稳定性、优化的性能的颜色的光伏模块。
表IV
图24图示说明了用于制造根据本发明的太阳能模块1的根据本发明的方法，其中仅描述用于加工盖板的步骤。
在这里，在第一步骤a）中提供平面透明盖板，其具有意在面向外部环境的外表面和相反的内表面。随后，从以下三个（替代）步骤中选择并实施单个第二步骤b1）、b2）或b3）：
b1）至少在一个区域中图案化该外表面，并在该图案化区域上施加光学干涉层。在这种情况下，不将该内表面图案化并且不将光学干涉层施加在内表面上。
b2）至少在一个区域中图案化该外表面，在该外表面的图案化区域上施加光学干涉层，并在内表面上施加另外的光学干涉层。在这种情况下，不将内表面图案化。
b3）至少在一个区域中图案化该外表面，在该外表面的图案化区域上施加光学干涉层，至少在一个区域中图案化该内表面，并在该内表面的图案化区域上施加另外的光学干涉层。
本发明提供了一种改进的太阳能模块以及其制造方法，所述太阳能模块具有非常均匀的、强烈的颜色，并且几乎不具有或不具有方向依赖性。通过使用光学干涉来产生颜色，与使用不透明着色层相比，对下方太阳能模块获得了明显更低的效率损失。本发明提供了一种非常简单和经济的方法来制造具有高效率和高耐受性的有色太阳能模块。
附图标记列表
1 太阳能模块
2 基板
3 层结构
4 阳光
5 背电极层
6 吸收剂层
7 缓冲层
8 前电极层
9 胶粘剂层
10 盖板
11 外表面
12 太阳能电池
13 内表面
14 模块背面
15、15' 图案化区域
16、16' 光学干涉层
17、17' 区段
18、18' 第一区
19 第二区
20 黑色层
21 多角度分光光度计。

Claims (16)

1.用于光伏发电的太阳能模块(1)，其包括透明盖板(10)，所述透明盖板(10)具有面向外部环境的外表面(11)和相反的内表面(13)，其中所述外表面(11)具有至少一个图案化区域(15)，在其上布置用于反射预定波长范围内的光的光学干涉层(16)，其中所述图案化区域(15)具有以下特征：
-垂直于所述盖板(10)的平面，具有凸起和凹陷的高度轮廓，其中所述凸起和所述凹陷之间的平均高度差为至少2μm，
-至少50％的图案化区域(15)由区段(17)组成，所述区段(17)相对于所述盖板的平面倾斜，其中，参照所述盖板的平面，至少20％的区段具有大于0°至最大15°的倾斜角，并且至少30％的区段具有大于15°至最大45°的倾斜角，其中
-所述区段(17)在每种情况下是平坦的，并具有至少1μm2的区段面积，其中所述区段(17)在每种情况下具有小于所述外表面(11)上的光学干涉层(16)的层厚度的15％的平均粗糙度。
2.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中所述内表面(13)不具有图案化区域和光学干涉层。
3.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中所述内表面(13)不具有图案化区域，并在所述盖板(10)的内表面(13)上布置用于反射预定波长范围内的光的另外的光学干涉层(16')。
4.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中所述内表面(13)具有至少一个图案化区域(15')，在其上布置用于反射预定波长范围内的光的光学干涉层(16')。
5.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中至少一个光学干涉层(16、16')包括恰好一个折射层，其中所述折射层具有大于1.7的折射率n。
6.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中至少一个光学干涉层(16、16')包括恰好两个折射层，其中具有第一折射率n1的第一折射层布置在具有折射率nd的盖板(10)上，并且具有第二折射率n2的第二折射层布置在第一折射层上，其中以下适用于折射率的差值的绝对值：|n1-nd|>0.3和|n2-n1|>0.3，其中折射率n1或n2的至少一个大于1.9。
7.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中至少一个光学干涉层(16、16')包括恰好三个折射层，其中具有第一折射率n1的第一折射层布置在具有折射率nd的盖板(10)上，具有第二折射率n2的第二折射层布置在第一折射层上，并且具有第三折射率n3的第三折射层布置在第二折射层上，其中以下适用于折射率的差值的绝对值：|n3-n2|>0.3，|n2-n1|>0.3和|n1-nd|>0.3，其中折射率n1、n2或n3的至少一个大于1.9，其中以下适用：
(i)n1>n2和n3>n2，或(ii)n1<n2和n3<n2。
8.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中至少80％的图案化区域(15、15')由相对于盖板(10)的平面倾斜的区段(17、17')组成。
9.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中
i)区段(17、17')的至少30％具有大于0°至最大15°的倾斜角，区段(17、17')的至少40％具有大于15°至最大45°的倾斜角，和区段(17、17')的小于10％具有大于45°的倾斜角，或
ii)区段(17、17')的至少40％具有大于0°至最大15°的倾斜角，区段(17、17')的至少50％具有大于15°至最大45°的倾斜角，和区段(17、17')的小于10％具有大于45°的倾斜角。
10.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中至少一个光学干涉层(16、16')含有至少一种选自TiOx、ZrOx、SiC和Si3N4的化合物。
11.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中至少一个光学干涉层(16、16')含有至少一种选自MgF2、Al2O3、SiO2和氧氮化硅的化合物。
12.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中所述盖板(10)具有超过50％的反射雾度。
13.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中实施设有黑色背表面的图案化未涂布盖板(10)，使得在45°和15°的视角和与相应掠射角在两个方向上相差45°的入射角的情况下，反射光的亮度L为至少10。
14.如权利要求1所述的太阳能模块(1)，其中所述凸起和所述凹陷之间的平均高度差为至少50μm。
15.制造如权利要求1至14之一所述的太阳能模块(1)的方法，其包括以下步骤：
a)提供透明盖板(10)，其具有面向外部环境的外表面(11)和相反的内表面(13)，
b1)至少在一个图案化区域(15)中图案化所述外表面(11)，并在所述图案化区域(15)上施加光学干涉层(16)，或
b2)至少在一个图案化区域(15)中图案化所述外表面(11)，在所述图案化区域(15)上施加光学干涉层(16)，并在所述内表面(13)上施加另外的光学干涉层(16')，或
b3)至少在一个图案化区域(15)中图案化所述外表面(11)，在所述图案化区域(15)上施加光学干涉层(16)，至少在一个区域(15')中图案化所述内表面(13)，并在所述内表面(13)的所述图案化区域(15')上施加另外的光学干涉层(16')，
其中所述图案化区域(15、15')具有下列特征：
-垂直于所述盖板(10)的平面，具有凸起和凹陷的高度轮廓，其中所述凸起和所述凹陷之间的平均高度差为至少2um，
-至少50％的图案化区域(15、15')由区段(17、17')组成，所述区段(17、17')相对于所述盖板(10)的平面倾斜，其中，参照所述盖板(10)的平面，至少20％的区段(17、17')具有大于0°至最大15°的倾斜角，并且至少30％的区段(17、17')具有大于15°至最大45°的倾斜角，其中
-所述区段(17、17')在每种情况下是平坦的，并具有至少1μm 2的区段面积，其中所述区段(17、17')在每种情况下具有小于所述外表面(11)上的光学干涉层(16)的层厚度的15％的平均粗糙度。
16.如权利要求1至14之一所述的太阳能模块(1)作为建筑围护结构或独立式墙的一体化组件，或作为外立面或屋顶元件的用途。
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