DE10017610C2

DE10017610C2 - Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls mit integriert serienverschalteten Dünnschicht-Solarzellen und Verwendung davon

Info

Publication number: DE10017610C2
Application number: DE10017610A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Harneit; Arnulf Jaeger-Waldau; Martha Christina Lux-Steiner
Original assignee: Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: WO2001075976A1; JP2003529938A; HK1053904A1; US20030121542A1; EP1269542A1; US7019207B2; DE10017610A1; JP4056744B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung eines Solar moduls mit strukturierten und integriert serienverschalteten Dünnschicht- Solarzellen und auf eine Verwendung davon. Dabei können die Solarzellen als Trägerschicht sowohl ein Substrat als auch ein Superstrat aufweisen.

Dünnschicht-Solarzellen beider Typen weisen lichtabsorbierende Absorberschichten aus kostengünstigen amorphen, poly- oder mikrokristallinen Halbleitermaterialien auf, die sich auf großflächigen Sub- oder Superstraten durch eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden abscheiden oder aufbauen lassen. Durch die geringe Schichtdicke der Absorberschichten und durch die Strukturierungsmöglichkeit während der Herstellung erniedrigen sich die Herstellungskosten weiter, sodass Dünnschicht-Solarzellen eine kosten günstige Alternative zu den gegenwärtig zumeist eingesetzten kostenin tensiven Silizium-Solarzellen darstellen, die als einkristalline Ein- oder Mehr schichtsysteme erst nach der Herstellung in einzelne Zellen zersägt und dann wie hochwertige Halbleiterprodukte aufwendig weiterverarbeitet werden müssen. Durch photovoltaische Umwandlung von Sonnenenergie in elektri sche Leistung erzeugen Dünnschicht-Solarzellen Spannungspegel von unter 1 Volt. Um eine technisch verwertbare Leistung bei einer Spannung von typisch 12 Volt oder 24 Volt zu erhalten, wird eine entsprechend ausreichende Anzahl von einzelnen Solarzellen in Reihe geschaltet. Bei Dünnschicht- Solarzellen kann diese Serienverschaltung in den Schichtherstellungsprozess integriert werden. Dabei werden ganzflächig erfolgte Beschichtungen mittels geeigneter Strukturierungsverfahren, beispielsweise Pastenschreibmethoden und Lift-off-Techniken sowie mechanische und insbesondere Laser-Bearbei tungsverfahren, in schmale Streifen unterteilt. Ziel der Strukturierung ist es, eine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden an Vorder- und Rück seite benachbarter streifenförmiger Solarzellen zu schaffen.

Aus der US 4 675 467 ist ein Verfahren zur Serienverschaltung eines integrierten Dünnschicht-Solarmoduls bekannt, bei dem beide Elektroden bereits in vorgefertigter Streifenform in eine unstrukturierte Absorberschicht eingebracht werden. Die leitenden Verbindungen zwischen den entsprechen den Elektroden benachbarter Solarzellen werden dann durch einen Strukturierungsschritt mittels einer Laserbestrahlung von der durchsichtigen Substratseite her in einem Überdeckungsbereich der Elektrodenstreifen er zeugt. Durch eine genau festgelegte Energiedosis werden dabei entsprechen de Bereiche der Absorberschicht in niederohmige Bereiche umgewandelt, wobei aber die Gefahr eines Schädigung des Halbleitermaterials besteht. Durch die fehlende räumliche Strukturierung der Absorberschicht ist das Halbleitermaterial benachbarter Solarzellen nicht elektrisch gegeneinander isoliert, sodass die Leistungsausbeute mindernde Kurzschlussströme ent stehen. Die Laserbehandlung erfordert eine hochgenaue Dosierung, Positionierung und Fokussierung des eingesetzten Laserstrahls, um den gewünschten Umwandlungseffekt ortsgenau erzielen zu können. Dabei sind Schichtablösungen und Schädigungen in unmittelbarer Nachbarschaft des Strukturierungsschrittes nicht auszuschließen. Weiterhin ist immer der Einsatz eines transparenten Substrats genau festgelegter, homogener Schichtstärke erforderlich, um das Eindringen des Laserstrahls von der Substratseite her zu ermöglichen und seine dosisabhängige Eindringtiefe in die zu trennenden bzw. umzuwandelnden Schichten genau festlegen zu können.

In der US 4 999 308 wird ein ähnliches Verfahren mit vorgefertigten Elektrodenstreifen beschrieben, bei dem die Laserbehandlung zur Bereichs umwandlung auch gleichzeitig zur Trennung der Absorberschicht durchgeführt wird, um hier Isolierungsgräben durch Absprengung von damit verlorenem Halbleitermaterial zu erzeugen. Bei dieser gemeinsamen Behandlung stellt die Energiedosierung ein Problem dar, durch das insbesondere die Umwandlungs bereiche mit einer gewissen Unsicherheit angelegt werden, auch wenn die Behandlung von der Oberseite der Solarzellen und nicht durch das Substrat hindurch erfolgt. Der Einsatz zweier "scribing-Prozesse" zur nacheinander erfolgenden Auftrennung von Absorberschicht und Frontelektrode an unterschiedlichen, seitlich zueinander verschobenen Orten ist aus der US 5 296 674 bekannt. Die Auftrennung erfolgt mittels indirekter Laserbestrahlung durch das Substrat als Schutzschicht hindurch, sodass die Absorberschicht benachbarte Solarzellen weiterhin direkt miteinander verbin det. Bei diesem Verfahren wird unter Inkaufnahme von Kurzschlussströmen eine mehrfache Positionierung eines transparenten Substrats erforderlich.

Aus der WO 95/03628 A1 ist ein Verfahren zur Serienverschaltung eines integrierten Dünnschicht-Solarzellenmoduls bekannt, bei dem alle funktionellen Schichten in speziellen Verfahrensschritten getrennt strukturiert werden. Bei diesem Verfahren wird zunächst durch ein beliebiges Strukturierungsverfahren eine zuvor auf einem transparenten Substrat ganzflächig abgeschiedene Metallschicht in eng benachbarte Streifen zur Bildung einer streifenförmigen Rückelektrode aufgeteilt. Nach dem nachfolgenden ganzflächigen Beschichten mit einer dünnen Halbleiterschicht zur Bildung einer Absorberschicht und einer Frontschicht zur Bildung einer Frontelektrode werden zwei weitere, getrennte Strukturierungsschritte mittels Laserbestrahlung von der Substratseite her durchgeführt. Die erste Laserbestrahlung dient der streifenförmigen Struktu rierung von Absorberschicht und Frontelektrode, mit der zweiten Laserbe strahlung wird wiederum derjenige Anteil der Absorberschicht in einen nieder ohmigen Bereich umgewandelt, der im Überdeckungsbereich zwischen den gegenüberliegenden Elektrodenstreifen benachbarter Solarzellen liegt, sodass eine integrierte leitende Serienverbindung zwischen den Solarzellen gebildet wird. Das bekannte Verfahren erfordert also eine Strukturierung mit einer dreifachen Trennbehandlung, darunter zwei aufwendigere Laserstrahl behandlungen. Dabei dient die erste dem Trenn-Prozess von Frontelektrode und Absorberschicht gemeinsam. Insbesondere beim laserunterstützten Abtragen der empfindlichen Halbleiterschicht besteht immer auch die Gefahr, diese zu beschädigen oder zu verändern. Die zweite Behandlung zur Bereichs umwandlung erfordert wiederum eine genaue Laserenergiedosierung mit den bereits weiter oben beschriebenen Problemen.

Den beschriebenen Verfahren liegt die gemeinsame Optimierungs aufgabe im Sinne einer maximierten Leistungsabgabe oder einer minimierten Flächengröße der hergestellten Solarmodule aus streifenartig strukturierten Dünnschicht-Solarzellen beider Trägerschichttypen zugrunde. Derartige Solar zellen haben gegenüber Einkristall-Solarzellen bereits einen geringeren Energie-Wirkungsgrad, der bei sich gegenüber dem Normalfall (Lichtkonzen tration AM 1,5) geringeren Lichtverhältnissen weiter rapide verringert. Dies bedeutet, dass bei den üblichen Schwankungen der Lichtintensität zwischen den Jahreszeiten und von Tag zu Tag je nach Witterung und bei Anwendungen im Innenraumbereich (bis auf 10% der maximal verfügbaren Einstrahlung herunter) Dünnschicht-Solarzellen bedeutende Leistungsverluste aufweisen. Hierin ist mit ein Grund dafür zu sehen, dass Dünnschicht- Solarzellen bislang in Bereichen mit stark unterschiedlicher Sonnen einstrahlung und generell in Innenraumbereichen kaum Anwendungen finden. Bei Einkristall-Solarzellen ist es aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt, lichtsammelnde Konzentratormodule aus optischen Elementen vorzusehen, die die Lichtintensität im für die Einkristall-Solarzellen optimalen Wirkungsbereich halten bzw. in diesen bringen. Ziel solcher bekannter Maßnahmen ist aber nicht eine Leistungsmaximierung, sondern eine möglichst bedeutende Verkleinerung der sehr teuren, benötigten Solarmodulfläche.

Beispielsweise ist aus der US 5 118 361 ein Solarmodul aus einkristal linen Tandem-Solarzellen aus GaAs/GaSb bekannt, das in ein Gehäuse eingebaut ist, dessen Abdeckung von einem Konzentratormodul aus einzelnen Fresnellinsen aus Kunststoff gebildet ist, die in ihrer Anordnung zusammen mit lichtsammelnden Trichtern den einzelnen Solarzellen vorgelagert sind. Diese sind im Modul auf einem flexiblen Verschaltungsband mit leitenden und nicht leitenden Streifen angeordnet. Bei einer sehr ähnlichen Anordnung für einkristalline GaAs-Solarzellen gemäß der EP 0 657 948 A2 ist deren automati sierte mikrochipgleiche Verschaltung bekannt, die einer Flächenminimierung dienen soll. Konzentrator-Anordnungen mit Linienfokus-Linsen in der oder als Modulabdeckung, die sich besonders für streifenförmig ausgeprägte Solar module eignen, sind beispielsweise aus der US 4 711 972 für einkristalline Silizium-Solarzellen und der US 5 505 789 für einkristalline integrierte Solar zellen-Chips aus GaAs bekannt. Der DE 197 44 840 A1 ist ein Solarmodul mit vorgeschaltetem Konzentratormodul aus Kunststoff-Fresnellinsen zu entneh men, das als bauliche Einheit für eine verbesserte Energiebilanz dem Sonnen stand durch Verkippen oder Verschieben nachführbar ist. In der EP 0 328 053 A schließlich werden streifenförmige Solarmodule mit einer vorgesetzten Fresnel linse beschrieben, die jeweils in eine Ecke einer Fensterscheibe eines Doppelfensters integriert sind und die Stromversorgung für einen Jalousie betrieb in der Mitte des Doppelfensters liefern sollen.

Aus keiner dieser genannten Druckschriften ist ein Einsatz von Konzentratormodulen speziell für amorphe, poly- oder mikrokristalline Dünn schicht-Solarmodule in irgendeiner Ausführungsform bekannt, sodass solche Module bislang eine relativ schlechte und äußerst tageszeit- und witterungs abhängige Leistungsbilanz aufzeigen. Gerade im Hinblick auf Anwendungen im Fensterbereich wird außerdem bei bekannten Solarmodulen, auch bei großflächig auf Glassubstraten abgeschiedenen Dünnschicht-Solarzellen, wenig oder gar keine Rücksicht auf optische Gestaltungsmaßnahmen genommen, was zu relativ abwechslungslosen, rein technischen Gesichtspunkten unterworfenen Solarmodulausprägungen führt, die in der Hauptsache auch im industriellen Gebiet Anwendungen finden. Nach ästhetischen Gesichtspunkten gestaltete Solarmodule findet man beispiels weise in Form von Dachziegeln (vgl. DE 42 27 929 A1, DE 43 17 674 A1) oder bei Armbanduhren, bei denen auch unterschiedliche Farbgebungen berücksichtigt werden können (vgl. EP 0 895 141 A1).

Aus der Auslegeschrift DE 15 64 935 A ist es bekannt zur Herstellung von integriert serienverschalteten Solarzellen Metallstreifen mittels Metallmasken strukturiert aufzudampfen und dadurch aufwendige Lithografieschritte zu sparen.

Auch die US 34 83 038 verwendet zur Herstellung von integriert serienverschalteten Solarzellen mit zuverlässigen ohmschen Kontakten mit guter Haftung das Aufdampfen von Elektrodenmetallen durch Schattenmasken. Zudem ist es aus der US 34 83 038 bekannt auch die photoempfindlichen Halbleiterschichten mittels Aufdampfen durch geeignete Masken aufzubringen. Es wird jedoch keine Anregung gegeben für das Aufdampfen der Elektroden und Halbleiterschichten dieselbe Maske zu verwenden, und diese Maske dafür gezielt zu verschieben.

Die US 43 35 161 behandelt die Herstellung von Dünnschichttransistoren für Flachbildschirme und dampft isolierende, halbleitende und metallische Schichten mittels einer einzigen Schattenmasken auf, die zwischen der Abscheidung einzelner Schichten gezielt verschoben wird, um die Transistoranordnung zu erzeugen, ohne dabei einmal das Vakuum brechen zu müssen.

Vor dem Hintergrund der vorangehenden Erläuterungen und ausgehend von dem dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst liegenden Stand der Technik für ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls mit strukturierten und integriert serienverschalteten Dünnschicht-Solarzellen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zunächst ein verbessertes Herstellungsverfahren mit einem möglichst geringen Strukturierungsaufwand anzugeben. Dabei sollen sich die Aspekte der Verbesserung, die gleichermaßen für die Herstellung von Substrat- als auch von Superstratzellen gelten sollen, insbesondere beziehen auf eine Vereinfachung des Verfahrens bei gleichzeitig verbesserter Kontrollier- und Reproduzierbarkeit des Herstellungsprozesses. Weiterhin soll ein äußerst sparsamer Materialumgang und eine sichere Trennung der einzelnen Schichten bei einer vollständigen Isolation der einzelnen Solarzellen erreicht werden. Aus diesen Aspekten ableitbar soll ebenfalls eine Verbesserung der Kostengünstigkeit des Herstellungsverfahrens sein.

Die Lösung für den genannten Aufgabenkomplex ist zur Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen im Substrattyp dem Anspruch 1, für Dünnschicht- Solarzellen im Superstrattyp dem nebengeordneten Anspruch 2 zu ent nehmen. Dabei entsprechen sich die Verfahren der beiden Ansprüche weitestgehend mit dem Unterschied, dass das Verfahren gemäß Anspruch 2 gleichsam das inverse Verfahren zu dem Verfahren gemäß Anspruch 1 ist.

Dies ist insofern verständlich, als Substrat- und Superstrat-Solarzellen einen prinzipiell gleichen Aufbau mit einer inversen Schichtenreihenfolge aufweisen. Dabei fungiert das Substrat als untere Trägerschicht und das Licht fällt von oben in die Solarzelle, wohingegen das Superstrat als obere Trägerschicht fungiert und der Lichteinfall durch das Superstrat hindurch erfolgt. Um jedoch die Beschreibung übersichtlich gestalten zu können, sollen die Vorteile der Erfindung zunächst an dem Verfahren gemäß Anspruch 1 näher erläutert werden, zumal sie sich ebenso bei dem inversen Verfahren gemäß Anspruch 2 ergeben. Daran anschließend erfolgt eine kurze Erläuterung der Unterschiede zwischen den beiden Verfahren.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 ermöglicht eine durchgängige Strukturierung aller funktionellen Schichten bei einem äußerst geringen Strukturierungsaufwand. Durch den Einsatz einer Maske, die insbe sondere streifenartig ausgeprägt sein kann, werden zwei ansonsten erforderliche Strukturierungsschritte eingespart. Hierbei handelt es sich zum einen um die übliche Strukturierung der Rückelektrode nach dem Aufbringen auf das Substrat bzw. bei dem inversen Verfahren nach dem Aufbringen auf die Absorberschicht. Bei der Erfindung wird die Rückelektrode direkt beim Beschichten mit einer entsprechenden Metallschicht bei aufgelegter Maske strukturiert. Dabei entsteht kein Materialverlust, da die Maske weiterverwendet werden kann. Zum anderen entfällt auch der Verfahrensschritt der ansonsten üblichen, besonders kritischen nachträglichen Strukturierung der Halbleiter- Absorberschicht. Dies ist auch insofern sehr günstig, als dadurch die auftretenden Probleme beim mechanischen oder insbesondere laser strahlgestützen Schneiden der Absorberschicht vermieden werden. Beschä digungen der einzelnen Schichten, ungenaue Schichtgrenzen und nicht reproduzierbare, umgewandelte Schichtzustände durch Laserbestrahlung können nicht auftreten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 1 wird die Absorberschicht genau wie die Rückelektrode durch Verwendung der Maske strukturiert. Dabei erfolgt die integrierte Serienverschaltung der einzelnen Solarzellen durch einen einfachen, aber besonders wirkungsvollen Verfahrens schritt. Vor dem Aufbringen der Absorberschicht auf Substrat und Maske wird diese um einen geringen Betrag seitlich verschoben, sodass schmale Über- und Unterdeckungsstege entstehen, die nach der Maskenentfernung durch die nachfolgend ganzflächig aufzubringende leitende Frontschicht als Frontelektro de entsprechend kontaktiert werden. Im Bereich der Unterdeckungsstege wird beim Aufbringen der Absorberschicht ein vollständiger Einschluss der Rück elektrodenabschnitte auf der einen Seite erzielt. Eine Unterbrechung der Absorberschicht zwischen den einzelnen Solarzellen wird durch die mitbeschichtete Maske selbst erreicht, sodass hier keine Kurzschlussströme auftreten können. Eine Aussparung der Absorberschicht über den Rückelektrodenabschnitten auf ihrer anderen Seite wird im Bereich der Überdeckungsstege erreicht und dient der späteren Kontaktierung durch die Frontelektrode. Durch die Mitbeschichtung der Maske entsteht wiederum kein Materialverlust, gleichzeitig wird auch die Maske bis zur Absorberschicht vollständig mitprozessiert. Nach der Entfernung der Maske und dem ganzflächigen Aufbringen der transparenten leitenden Frontschicht ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nurmehr ein einziger nachträglicher Strukturie rungsschritt durch mechanische oder lasergestützte Methoden erforderlich. Dabei wird in einem Trennbereich, der die Überdeckungsstege und einen Teil der jeweils angrenzenden Solarzelle umfasst, die Frontschicht bis auf die Rückelektrode mit einer solchen Trennstegbreite einfach aufgetrennt, dass eine entsprechend strukturierte Frontelektrode ohne Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Solarzellen entsteht. Schwer zu beherrschende Umwandlungs vorgänge in der Absorberschicht zur Bildung von Leiterbrücken entfallen. Auch ist die Lage der Trennstellen nicht weiter kritisch, da sie lediglich im Bereich der Überdeckungsstege oder in Richtung der angrenzenden Solarzelle seitlich versetzt liegen müssen. Wichtig für die Lage der Trennstellen ist die unbedingte Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen Rück- und Frontelektrode. Beim Schnitt im Bereich der aktiven Solarzelle ist dies sicher gewährleistet.

Das Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Herstellung von Substrat- Solarzellen entspricht prinzipiell dem Verfahren gemäß Anspruch 2 zur Herstellung von Superstrat-Solarzellen, wobei hierbei die Verfahrensschritte in umgekehrter Reihenfolge durchzuführen sind. Da jedoch bei Superstratzellen die transparente leitende Frontschicht für die Frontelektrode auf dem Superstrat mechanisch nicht so stabil ist wie die Metallschicht zur Bildung der Rückelektrode auf dem Substrat bei Substratzellen, ist bei der Herstellung von Superstratzellen der mechanische Trennschritt zur Strukturierung der Frontelektrode nicht in gleicher Weise durchführbar (das Durchritzen würde hier bis auf das Superstrat herunter erfolgen). Deshalb wird bei dem Verfahren gemäß Anspruch 2 zunächst das gesamte transparente Superstrat mit einer leitenden Frontschicht bedeckt. Nach dem Fixieren der Maske wird dann die Strukturierung durch Ritzen entlang der Vollflächen der Maske wie an einem Anlegelineal durchgeführt, sodass die Maske mit jeweils einem ihrer seitlichen Ränder direkt neben den Strukturierungsgräben liegt. Danach wird dann die Absorberschicht aufgebracht und die Strukturierungsgräben ebenfalls mit Absorber aufgefüllt. Nach dem lateralen Verschieben der Maske entstehen wieder die entsprechenden Über- und Unterdeckungsstege. Nach dem Aufbringen der Metallschicht zur Strukturierung der Rückelektrode, die auch als p-TLO ausgebildet sein kann, wird die Maske, die nunmehr ebenfalls mit einem kompletten Solarzellenaufbau belegt ist, schließlich entfernt. Die Haupt unterschiede zum Verfahrensablauf gemäß Anspruch 1 sind also in dem vorgezogenen Strukturierungsschritt und in dem späteren Entfernen der Maske zu sehen.

Besonderes Augenmerk liegt bei den erfindungsgemäßen Herstellungs verfahren auf der Gestaltbarkeit der Maske. Waren reihenverschaltete Solar zellen bislang durchgängig abwechslungslos streifenförmig aufgebaut, können hier bei der Erfindung gestalterische Maßnahmen einfließen. Nahezu jedes geometrische Muster, beispielsweise auch zickzack- oder wellenartige Muster sowie Schriftzüge oder Firmenlogos, kann unter Beachtung von zwei einfachen Randbedingungen umgesetzt werden. Dabei handelt es sich zum einen um den Grundcharakter des Musters, das aus einzelnen, kleineren Teilflächen zusammen gesetzt sein muss. Diese "Digitalisierung" der analogen Muster stellt aber keine Einschränkung der optischen Funktion dar, da sie schon aus einiger Entfernung nicht mehr sichtbar ist, wenn sie nicht ein gezielt ein gesetztes Element des Geometriemusters sein soll. Bei der Aufteilung des Musters in kleine Teilflächen sind als zweite Randbedingung diese in ihrer Größe so zu berechnen, dass jeweils die Leerflächen und gegebenenfalls auch die Vollflächen im Geometriemuster annähernd dieselbe Fläche aufweisen. Dadurch wird ein Stromgemisch vermieden, dass bei unterschiedlich groß ausgelegten Teilflächen entstehen würde. Eine Gleichheit der Vollflächen ist immer dann erforderlich, wenn - wie weiter unten ausgeführt - auch die Maske zu einer vollständigen Solarzelle weiterprozesssiert werden soll, wobei die Fläche der Vollflächen jedoch verschieden von der der Leerflächen sein kann. Auch die zweite Randbedingung stellt kein größeres Problem in der Umsetzung dar, da sie einfach in die Solarmodul-Auslegung einbezogen werden kann.

Mit der relativ freien Gestaltbarkeit der benötigten Maske für den Herstellungsprozess kann nunmehr ein völlig neuer Aspekt in die Anwendung von erfindungsgemäß hergestellten Solarmodulen integriert werden. Aufgrund ihrer Funktion sind diese ohnehin zumeist im sichtbaren Bereich angeordnet. Jetzt können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Solarmodule auch als ästhetische Gestaltungselemente für Gebäudefassaden und als Werbeträger eingesetzt werden, was ihre Verwendungsattraktivität bedeutend erhöht. Im Normalfall wird das Geometriemuster aus rechteckigen und grad linigen schmalen Streifen bestehen. Damit diese in der Maske zusammen halten, kann die Maske an ihren Rändern Verbindungsstege aufweisen. Beim Auftragen der einzelnen Schichten zur Herstellung des Solarmoduls können diese Verbindungsstege dann außerhalb der jeweiligen Trägerschicht angeordnet sein. Ist dies beispielsweise aus Dimensionierungsgründen nicht der Fall oder benötigt das Geometriemuster auch in seinem Inneren Verbindungsstege, insbesondere auch zu Erlangung einer ausreichenden mechanische Stabilität, dann bilden derartige Stege im Verfahrensablauf zunächst zusätzliche Kurzschlussbrücken. In Abhängigkeit von der Komplexität des Geometriemusters ist es deshalb nach einer Fortführung der erfindungsgemäßen Verfahren sinnvoll, nach dem Verfahrensschritt (1.8) oder (2.8) einen zusätzlichen Verfahrensschritt vorzusehen: (A) Strukturieren von durch Verbindungsstege in komplexeren Geometriemustern bedingten Kurzschlussbereichen in der Frontschicht.

Die einzelnen Beschichtungen können mit den allgemein bekannten Verfahren, wie beispielsweise Aufdampfen oder Katodenzerstäubung (sputtering) erfolgen. Die Zusammensetzung des erforderlichen Schichten pakets für ein erfindungsgemäß hergestelltes Solarmodul in Dünnschicht technik erfolgt in Abhängigkeit von den eingesetzten Materialien und den Anwendungsfällen. Insbesondere kann optional vor dem Aufbringen von Rück- oder Frontelektrode gemäß Verfahrensschritt (1.2) oder (2.1) nach einer weiteren Erfindungsfortführung folgender zusätzlicher Verfahrensschritt vorgesehen sein: (B) Aufbringen einer Sperrschicht zur Bildung einer Diffusionsbarriere. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Cr-Schicht handeln, die eine Interdiffusion von z. B. Na verhindert. Weiterhin kann optional nach dem Aufbringen der Metallschicht (1.3) oder vor dem Strukturieren der Frontschicht (2.4) vorteilhaft folgender zusätzlicher Verfahrensschritt vorgesehen sein: (C) Aufbringen einer Haft- und/oder Quellschicht zur Bildung eines Haftvermittlers. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Na- Quellschicht (NaF) und/oder eine haftvermittelnde Schicht, z. B. aus ZnSe oder ZnS, handeln. Schließlich kann optional zwischen der absorberbildenden Beschichtung und der Auftragung der Frontschicht, das heißt vor Verfahrensschritt (1.6) oder (2.5) noch ein zusätzlicher Verfahrensschritt vorteilhaft eingefügt werden: (D) Aufbringen zumindest einer Pufferschicht zur Bildung einer Raumladungszone. Diese Schicht kann beispielsweise CdS oder auch aus ZnS bestehen.

Weiterhin kann je nach späterem Anwendungsfall des fertiggestellten Solarmoduls bei einer Fortführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ein Einsatz von transparenten Materialien zur Bildung der Sub- oder Superstratschicht und/oder Metallschicht vorgesehen sein. Dadurch wird eine besondere Eignung für Fenster- und semitransparente Bereiche erzielt, die sich die Tatsache zunutze macht, dass als großflächige Sub- oder Superstrate für Dünnschicht -Solarzellen in der Regel ohnehin Glas scheiben verwendet werden. Bei dem Material zur Bildung der transparenten Metallschicht kann es sich beispielsweise um ZnO, SnO oder ITO (Indium Tin Oxide) handeln, das neben anderen Schichten unterschiedlicher Dotierung ebenfalls für die Bildung der transparenten, leitenden Frontschicht (TLO) eingesetzt werden kann. Nichttransparente Metallschichten können dagegen aus Molybdän, Wolfram oder einem anderen Metall bestehen. Zur Bildung der Absorberschicht, die ebenfalls nichttransparent ist, schließlich kann nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens dieses gekennzeichnet sein durch einen trägerschichtabhängigen Einsatz von amorphem oder poly- oder mikrokristallinem Silizium, von polykristallinem CdTe oder von Chalkopyritverbindungen der allgemeinen Struktur Ag_xCu_1-xIn_yGa_1-yS_zSe_2-z-wTe_w als Halbleitermaterial, wobei x und y Werte zwischen 0 und 1 sowie z und w Werte zwischen 0 und 2 so annehmen können, dass die Summe aus w + z den Wert 2 nicht wesentlich überschreitet. Die Maske kann aus unterschiedlichen, die erforderliche mechanische Festigkeit erbringenden Materialien bestehen. Zur Formierung von Substratzellen kann die Maske als Metallmaske ausgeprägt sein. Prinzipiell ist eine Transparenz der Maske nicht erforderlich, da sie von der undurchsichtigen Absorberschicht bedeckt ist. Bei der Herstellung von Superstratzellen kann eine transparente, aber nicht notwendigerweise metallene Maske eingesetzt werden, wenn eine separate Verwendung der Maske als Positiv vorgesehen ist. Bevor jedoch eine solche Maske, die beispielsweise aus Glas oder verfahrensbeständigem transparenten Kunststoff besteht, auf dem Superstrat lösbar fixiert wird, ist sie auf ihrer Oberseite separat mit einer transparenten Frontelektrode (TLO) zu versehen. Diese Beschichtung kann zum Beispiel ähnlich wie die Beschichtung zur Bildung der Rückelektroden bei Substratzellen erfolgen.

Die wesentliche Verfahrensverbesserung und -erleichterung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch den Einsatz der nach vorgegebenen Wünschen und Randbedingungen konfigurierbaren Maske erreicht. Hierdurch kann eine Reihe von Strukturierungsvorgängen als separate Verfahrensschritte entfallen. Insbesondere durch die Maßnahme der lateralen Verschiebung der Maske werden zwei ansonsten erforderliche Scribing-Schnitte eingespart. Dabei ist das Maß der lateralen Verschiebung ein Platzhalter für die Unterdeckung der Elektrodenabschnitte auf der einen Seite, um hier einen Zugang für die nächste Beschichtung zu schaffen, und für die Überdeckung auf der anderen Seite, um hier eine Aussparung von der nächsten Beschichtung zu schaffen. Die Größe von Unter- und Überdeckung steht dabei in Relation zu den Gesamtmaßen der strukturierten Solarzellen und soll eine sichere Überdeckung einerseits und einen sichere Trennung andererseits gewährleisten. Vorteilhaft ist es deshalb gemäß einer anderen Verfahrens fortführung, wenn das Verfahren gekennzeichnet ist durch eine laterale Verschiebung der Maske im Bereich von 0,1 mm. Eine solche Verschiebung ist technisch einfach umzusetzen und sicher zu gewährleisten und erfordert keine große Veränderung im Verfahrenssetup zwischen den einzelnen Verfahrens schritten.

Die Maske spielt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei unterschiedlichen Aspekten eine bedeutende Rolle. Durch ihre direkte Mitprozessierung treten keine Materialverluste auf. Insbesondere bei Masken mit komplexeren geometrischen Mustern, durch die ein höherer Kostenaufwand bei der Erstellung entsteht, ist eine mehrfache Wiederverwendung der Maske ohne zwischenzeitliche Wiederaufbereitung sinnvoll. Dabei stören in vorange gangenen Verfahrensdurchläufen aufgebrachte Schichten mit ihren nur gerin gen Materialaufträgen nicht. Wird die Maske schließlich nicht mehr weiter verwendet, kann das aufgetragene Material einem Recycling zugeführt werden, dem bei großtechnischen Produktionen ohnehin eine besondere Bedeutung zukommt. Neben diesen und den weiter oben genannten Vorteilen weist die Maske auch noch den weiteren Vorteil auf, dass sie getrennt von dem großflächig herzustellenden Solarmodul, das gleichermaßen als "Negativ" der Maskenform konfiguriert wird, auch als "Positiv" für eine eigene Konfiguration genutzt werden kann. Deshalb ist es insgesamt gesehen nach einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, wenn dieses gekennzeichnet ist durch einen wiederholten Einsatz oder eine separate Weiterprozessierung der abgelösten Maske. Ein Unterschied in der Verfahrensführung ergibt sich dabei nicht, die Prozessierung auf dem Substrat oder Superstrat und der Maske verläuft jeweils identisch. Durch die Verwend barkeit auch der Maske tritt an keiner Verfahrensstelle ein Materialverlust auf, die relativ kostenintensiven Materialien werden optimal eingesetzt. Weiterhin unterstützt die Verwendbarkeit den ästhetischen Gesichtspunkt, bei dem die geometrischen Muster, insbesondere Firmenlogos, auch als Positiv eingesetzt werden können. Bei weniger komplexen Maskenstrukturen können mit der Maske auch einzelne Solarzellen einfacher Geometrie entstehen, die durch entsprechende Serienverschaltung zu Solarmodulen kombiniert werden können (vgl. weiter unten). Insgesamt ist jedoch gemäß einer weiteren Erfindungsfortführung bei der Festlegung der Geometrie zu beachten, dass eine geometrische, an ästhetischen und/oder informellen orientierte Struktu rierung der einzelnen Solarzellen unter Einhaltung von flächengleichen Teil mustern jeweils in den Leerflächen und/oder in den Vollflächen vorliegt. Dadurch erzielen die Solarzellen auf dem Negativ wie auch die Solarzellen auf dem Positiv jeweils einen identischen Strombeitrag, sodass kein Stromgemisch entsteht. Eine Flächengleichheit zwischen Voll- und Leerflächen ist nicht erforderlich. Weiterhin sind zusätzliche gestalterische Aspekte gemäß einer Erfindungsfortführung auch dadurch umsetzbar, dass die Teilmuster unterschiedliche Farbgebungen aufweisen, wobei die gewählten Farben in den photovoltaischen Prozess integrierbar sein müssen.

Neben den ästhetischen Gesichtspunkten bei Solarmodulen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, sind auch die optimierenden Gesichtspunkte hinsichtlich einer Leistungsmaximierung bzw. einer Flächenminimierung zu berücksichtigen. Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn die Solarmodule ein lichtsammelndes Konzentratormodul aus einzelnen Konzentratoren in Form von abbildenden oder nicht-abbildenden optischen Elementen aufweisen, die in ihrer Anordnung auf die Anordnung der einzelnen Solarzellen abgestimmt sind. Die Verwendung von Konzentratoren ermöglicht eine bedeutende Steigerung der mittleren und totalen Energiewandlungs effizienz eines Solarmoduls. Bei den optischen Elementen kann es sich beispielsweise um Linsen in konventioneller halbkonvexer oder in fresnelartiger Form oder auch um Prismen in konischer oder anderer geometrischer Form handeln. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Solarmodul an seiner Lichteinfallsseite durch einen transparenten Glas- oder Kunststoff mit oder ohne eine transparente Abdeckscheibe verkapselt ist und die Konzentratoren in den Glas- oder Kunststoff integriert oder auf die Innenseite der Abdeckscheibe aufgebracht oder in diese hinein geschliffen sind. Dabei kann das Aufbringen insbesondere durch eine Klebung erfolgen. Eine Strukturierung der Außenseite ist dagegen ungünstig, da dadurch eine Reinigung erschwert wird und Witterungseinflüsse und Schmutz die Sammelwirkung der Konzentratoren beeinflussen können. Die verwendeten Konzentratoren können bevorzugt einen geometrischen Konzentrationsfaktor C_g aufweisen, der in einem Zahlenbereich zwischen 1 und 10 liegt. Derartige Konzentratormodule sind prinzipiell an sich bekannt und wurden eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik bereits eingehend gewürdigt. Gerade aber im Bezug auf die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Solarmodule sind hier einige interessante Kombinationen möglich. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Konzentratormodul mit einem Abstand vor dem Solarmodul mit lateral geradlinig strukturierten Solarzellen angeordnet und in Form einer Jalousie ausgebildet ist, deren einzelne Lamellen von linearen Konzentrator-Linsen gebildet sind, die entsprechend dem Sonnenstand parallel nachführbar sind. Derartige Ausführungen eignen sich besonders für eine Anordnung im Fensterbereich und hier insbesondere natürlich bei besonders besonnten Fenstern. Dies auch deshalb, da das Solarmodul an sich halb durchsichtig gestaltet werden kann, sodass es bereits zu einer Abschattung des Innenraums beiträgt. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass jede Konzentrator-Linse an ihren beiden Enden über zwei geschenkelte Aufhängepunkte an zwei Führungsstangen fixiert ist, die ihrerseits in Führungsschlitzen in gegenüber dem Solarmodul positionsfixierten Endblöcken laufen und durch einfachen Andruck von beweglichen Keilblöcken verstellbar sind. Alle Linsen sind so gemeinsam justierbar. Weiterhin folgen die Konzentrator-Linsen so einer Bahn, die bei verschiedenem Lichteinfall eine korrekte Justage gegenüber den Solarzellen gewährleistet.

Im Zusammenhang mit der Maske als eigenständigem Solarzellenträger kann gemäß einer Verwendung einer strukturierten und integriert serienverschalteten Dünnschichtsolarzelle, deren Elektrodenschichten oder photovoltaisch aktiven Halbleiterschichten mittels einer Maske beim Abscheiden dieser Schichten nach dem vorstehend erläuterten, erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden, in einem Solarmodul vorteilhaft vorgesehen sein, dass die aus der Maske hergestellten Solarzellen, die über ein integriertes, metallisiertes Kontaktband in Reihe geschaltet sind, verwendet werden. Hierbei kann insbesondere das Kontaktband als transparente, flexible Kontaktfolie ausgebildet sein, deren Breite der gesamten Solarmodulbreite entspricht. Weiterhin kann hierbei dann vorgesehen sein, dass das Solarmodul vor oder hinter (je nach Solarzellentyp) einem weiteren strukturierten und integriert serienverschalteten Solarmodul, das ortsfest angeordnet ist, und über eine seitliche Auf- bzw. Abwicklung der über das Solarmodul hinausgeführten Kontaktfolie seitlich verschiebbar gelagert ist, wobei die seitliche Auf- bzw. Abwicklung gleichzeitig als elektrische Polarisierung für den Solarzellenstrom ausgebildet ist. Je nach Stellung der einzelnen Solarmodule zueinander kann zwischen maximaler Lichtdurchlässigkeit und maximaler Stromproduktion gewählt werden. Durch derartige Maßnahmen ergibt sich ein teilweise durchsichtiges Solarmodul mit veränderbarer Abschattung, das insbesondere auch nach ästhetischen Gesichtspunkten gestaltet werden kann. Durch die optimale Verbindung von ästhetischen mit funktionellen Gestaltungselementen kann für ein Solarmodul, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und optional zur Leistungssteigerung modifiziert worden ist, deshalb vorgesehen sein, dass es einzeln oder gemeinsam mit weiteren Solarmodulen vor oder in Fenster-, Fassaden- oder Dachelementen eines Gebäudes oder in dessen Innenbereich angeordnet ist. Dabei können die Transparenzgrade der verwendeten Solarmodule denen der Gebäudeflächen angepasst und veränderlich sein, beispielsweise volltransparent vor schattigen Fenstern und Glasbauelementen, halbtransparent vor sonnigen Fenstern und nichttrans parent vor Gebäudewänden, im Dachbereich oder als Sonnenschutz. Bei Anwendungen von semitransparenten Solarmodulen kann durch den Einsatz von Konzentratoren die mit Solarzellen zu bedeckende Fläche wesentlich verringert werden. Dadurch ergibt sich mehr Flexibilität für die architektonische Gestaltung. Der geringe Abstand zwischen Solar- und Konzentratormodul erlaubt es, einsatzfertige Versatzstücke für den Hausbau zu fertigen, ohne den Platzbedarf für herkömmliche Solarmodule nennenswert zu erhöhen. Ins gesamt erschließen sich völlig neue Anwendungsgebiete, die die Verwendung von Solarmodulen - auch im Innenraumbereich - wesentlich attraktiver machen dürften. Um zu genannten Modifikationen Wiederholungen zu vermeiden, wird bezüglich weiterer Details auf den anschließenden speziellen Beschreibungs teil verwiesen.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren und Ausbildungsformen von damit hergestellten Solarmodulen werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren zum weiteren Verständnis näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 den Ablauf des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine Substratzelle,

Fig. 2 den Ablauf des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für eine Superstratzelle,

Fig. 3 ein mit dem Verfahren hergestelltes Solarmodul aus Substrat zellen mit einem Konzentratormodul,

Fig. 4a, 4b ein mit dem Verfahren hergestelltes Solarmodul aus Substrat zellen mit einem Konzentratormodul in Jalousieform in zwei Positionen,

Fig. 5a, 5b ein mit dem Verfahren hergestelltes Solarmodul aus Substrat zellen mit veränderbarer Abschattung in der Draufsicht und im Schnitt und

Fig. 6 ein Diagramm zur Wirkung der Konzentratormodule.

In der Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand ausge wählter Fertigungszustände einer Ausführungsform eines herzustellenden Solarmoduls im Querschnitt dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt (1.1) wird eine dünnschichtige Maske 100 hergestellt, die der gewünschten Geometrie unter Einhaltung der vorgegebenen Randbedingungen entspricht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine kamm artige Geometrie mit flächengleichen Vollflächen 101 und Leerflächen 102. Verbindungsstege 103 im Geometriemuster liegen außerhalb der herzu stellenden Solarzellenstruktur und werden deshalb nicht weiter berücksichtigt. In einem Verfahrensschritt (1.2) wird die Maske 100 auf einer transparenten Substratschicht 104 aus Glas lösbar fixiert. In einem nächsten Verfahrensschritt (1.3) wird auf die Substratschicht 104 und die fixierte Maske 100 eine Metallschicht 105 aufgebracht. Dadurch entsteht auf der Substratschicht 104 eine streifenartig strukturierte Rückelektrode 106 in Form der Leerflächen 102 im Geometriemuster der Maske 100. Auch auf den Vollflächen 101 der Maske 100 wird im Verfahrensschritt (1.3) eine Metallschicht 105 abgelagert. Im nachfolgenden Verfahrensschritt (1.4) wird die Maske 100 lateral über die streifenförmige Rückelektrode 106 hinüber in Pfeilrichtung verschoben, beispielsweise um einen Betrag im Bereich von 0,1 mm. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Dimensionierungen zugunsten einer übersichtlichen Darstellung verzerrt dargestellt sind. Bei der lateralen Verschiebung bilden sich schmale Unterdeckungsstege 107 und schmale Überdeckungsstege 108.

In einem nächsten Verfahrensschritt (1.5) wird eine photovoltaisch aktive, dünne Halbleiterschicht 109, beispielsweise aus der Chalkopyritverbin dung CuInS₂, auf das Substrat 104 und die lateral verschobene Maske 100 aufgebracht. Dadurch wird eine über die Maske 100 strukturierte Absorberschicht 110 gebildet, die sich auch auf den Unterdeckungssteg 107, nicht aber auf den Überdeckungssteg 108 erstreckt. Dadurch wird die streifenartige Rückelektrode 106 im Bereich des Unterdeckungssteges 107 von der Halbleiterschicht 109 umschlossen und im Bereich des Überdeckungs steges 108 freigelassen. Im Verfahrensschritt (1.6) wird die Maske 100 abgelöst und entfernt. Sie kann danach getrennt, aber parallel zu einem "Positiv-Solarmodul" weiterprozessiert werden und unterscheidet sich von dem "Negativ-Solarmodul" nur durch einen Wegfall der Substratschicht 104, die aber mechanisch durch die Maske 100 ersetzt wird. Im folgenden Verfahrens schritt (1.7) wird auf das Substrat 104 auch im nunmehr durch Entfernen der Maske 100 freigewordenen Bereich und im Bereich des Überdeckungssteges 108 auf der Rückelektrode 106 sowie ggfs. getrennt davon auf die entfernte Maske 100 eine transparente, leitende Frontschicht 111 aufgebracht, durch die eine Frontelektrode 112 gebildet wird. Damit ist die getrennte Maske 100 fertigprozessiert und bildet ein zunächst unverschaltetes Solarmodul 113 aus einzelnen Dünnschicht-Solarzellen 114 in Form der Vollflächen 101 des geometrischen Musters ohne dessen Verbindungsstege. Durch nachfolgende geeignete Verschaltungsmaßnahmen, die aufgrund der fehlenden Substrat schicht 104 und der nach unten freiliegenden Metallschicht 105 relativ einfach und integriert durchzuführen sind, kann das Solarmodul 113 dann fertiggestellt werden (analog in Fig. 3 und 5). Der Lichteinfall erfolgt im eingebauten Zustand dann in Pfeilrichtung auf das Substrat 104.

Auf dem "negativen" Solarmodul 115 ist die Frontelektrode 112 zunächst unstrukturiert und verbindet alle Solarzellen 116 im elektrischen Kurzschluss. In einem anschließenden Verfahrensschritt (1.8) wird deshalb die Frontschicht 111 in Trennbereichen 119 der Überdeckungsstege 108 durch ein geeignetes scribing-Verfahren, beispielsweise mittels Laserstrahl, mit kurzschlussaufhebenden Trennstegen 117 bis auf die streifenartige Rück elektrode 106 aufgetrennt. Diese zeigt im Allgemeinen ein wesentlich besseres Haftverhalten auf der Substratschicht 104 als die Absorberschicht 109. Dadurch sind die Solarzellen 116 integriert elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die einzelnen Absorberschichtstreifen 118 elektrisch isoliert bleiben. Damit ist das Solarmodul 115 fertiggestellt und einsatzfertig.

In der Fig. 2 ist analog das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Superstratzellen dargestellt. In einem ersten Verfahrens schritt (2.1) wird wiederum eine dünne Maske 150 nach einem vorgegebenen Geometriemuster bereitgestellt. Ist eine spätere Weiterverwendung der Maske als eigenständigem Solarmodul geplant, besteht diese aus einem trans parenten Material und ist an ihrer Oberseite mit einer separat aufgebrachten, in der Figur nicht weiter dargestellten Frontelektrode versehen. In einem anschließenden Verfahrensschritt (2.2) wird auf ein Superstrat 151 eine transparente, leitende Frontschicht 152 zur Bildung einer Frontelektrode 153 aufgebracht. Im gewählten Ausführungsbeispiel besteht diese aus mehreren SnO-Schichten verschiedener Dotierung (ITO oder ZnO ebenfalls möglich). Danach wird die Maske 150 lösbar auf der Frontschicht 152 fixiert (Verfahrensschritt (2.3)). Danach erfolgt in einem Verfahrensschritt (2.4) das "Scribing" der Frontschicht 152 entlang der als mechanische oder optische Führungslineale wirkenden Außenkanten der Maske 150 zur Strukturierung der Frontelektrode 153. In einem nächsten Verfahrensschritt (2.5) wird eine Halbleiterschicht 154 zur Bildung einer entsprechend der Maskengeometrie strukturierten Absorberschicht 155 aufgebracht. Danach wird die Maske 150 in dem Verfahrensschritt (2.6) analog zum oben beschriebenen Verfahren um einen geringen Betrag von ca. 0,1 mm lateral verschoben. Es bilden sich Überdeckungsstege 156 und Unterdeckungsstege 157. Diese werden im anschließenden Verfahrensschritt (2.7) genau wie die geritzten Strukturie rungsgräben 158 ebenfalls mit einer Metallschicht 159 zur Strukturierung einer Rückelektrode 160 überdeckt. Im letzten Verfahrensschritt (2.8) wird dann wiederum die Maske 150 entfernt. Das Solarmodul 161 ist mit einer entsprechenden Strukturierung und integrierten Serienverschaltung zwischen den einzelnen Dünnschicht-Solarzellen 162 fertiggestellt. Im eingebauten Zustand erfolgt der Lichteinfall dann in Pfeilrichtung durch das Superstrat 151 hindurch.

Nach der Beschreibung der beiden analogen Verfahren zur Herstellung von Substrat- oder Superstratzellen sollen im Folgenden mit den Verfahren hergestellte Solarmodule insbesondere im Zusammenhang mit einem Einsatz von Konzentratormodulen näher erläutert werden. Dabei wird durchgängig vom Substratzellentyp ausgegangen. An dieser Stelle sei jedoch ausdrücklich vermerkt, dass alle Ausführungsformen nach entsprechender, geläufiger tech nischer Anpassung auch mit Superstratzellen ausgeführt werden können.

In der Fig. 3 (hier und in den folgenden Figuren nicht weiter erläuterte Bezugszeichen sind in ihrer Bedeutung der Fig. 1 oder der jeweils vorher gehenden Figur zu entnehmen) ist ein nach dem erfindungsgemäßen Verfah ren hergestelltes Solarmodul 200 in teilweise durchsichtiger Ausführungsform mit lateral strukturierten Solarzellen 201 auf einem transparenten Substrat 202 und mit einem lichtsammelnden Konzentratormodul 203 als integrierte Licht konzentration dargestellt. Ein derartiges Solarmodul 200 kann beispielsweise als Fenster oder als Element für architektonisch anspruchsvolle Fassaden ein gesetzt werden. Eine Verkapselung, die jedes Standard-Dünnschichtsolar modul benötigt, um gegenüber Witterungseinflüssen unempfindlich zu sein, wird im gewählten Ausführungsbeispiel durch ein Gehäuse 204, das auch der Ableitung des erzeugten elektrischen Stromes dient, und eine vorgesetzte Glasplatte 205 realisiert, die mit einem den Zwischenraum ausfüllenden transparenten Kunststoff 206 (z. B. Epoxy oder Kunstharz) hinterfüllt ist. Das Konzentratormodul 203 ist auf der Innenseite 207 der vorgesetzten Glasplatte 205 angeordnet und weist einzelne Konzentratoren 208 auf, die in ihrer Anordnung auf die Anordnung der einzelnen Solarzellen 201 abgestimmt sind. Im gewählten Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um streifenförmige, halbkonvexe Linsen, die innen auf die Glasplatte 205 aufgeklebt sind. Zur Erläuterung der Wirkung der Konzentratoren wird auf die Fig. 6 verwiesen.

Der Fig. 4 ist die Ausführungsform eines teilweise transparenten Solarmoduls 300 mit geradlinig strukturierten Solarzellen 301 auf einem transparenten Substrat 302 und mit einem Konzentratormodul 303 in Form einer "Solar-Jalousie" aus nachführbaren, linear fokussierenden Konzentrator- Linsen 304 zu entnehmen. Die Solarzellen 301 werden hinter dem separat aufgehängten, jalousieartigen Konzentratormodul 303 angebracht. Dieses besteht aus ebenso vielen lamellenartigen, linear fokussierenden Konzen trator-Linsen 304 wie es streifenförmige Solarzellen 301 im Solarmodul 300 gibt. Jede Konzentrator-Linse 304 ist an ihren beiden Enden über zwei geschenkelte Aufhängepunkte 305 an zwei Führungsstangen 306 fixiert, die ihrerseits in Führungsschlitzen 307 in Endblöcken 308 laufen. Die Position der Endblöcke 308 ist gegenüber dem Solarmodul 300 fixiert, wodurch eine einzelne Justage der Konzentrator-Linsen 304 entfällt. Die Führungsstangen 306 werden in den Führungsschlitzen 307 durch einfachen Andruck von beweglichen Keilblöcken 309 verstellt. Dadurch folgen die Konzentrator-Linsen 304 einer Bahn, die bei verschiedenem Lichteinfall eine korrekte Justage gegenüber den Solarzellen 301 gewährleistet. Der Lichteinfall ist durch strichlierte Lichtstrahlen 310 für zwei verschiedene Einfallswinkel im oberen (a) und im unteren Teil (b) der Fig. 4 angedeutet. Zu bemerken ist erstens, dass diese Art der Lichtkonzentration sich besonders für Superstratzellen eignet, bei denen die Integration der Konzentratoren in das Solarmodul auf Schwierigkeiten stößt, und zweitens, dass durch die beschriebene Art der Aufhängung nicht nur der Neigungswinkel der Konzentrator-Linsen 304 sondern auch ihre Schwerpunktsposition korrekt nachgeführt wird. Das Stellsignal für die Nachführung kann in einfacher Weise aus dem Stromabgriff der Solarzellen 301 gewonnen werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel muss die Form der lateralen Strukturierung der Solarzellen 301 geradlinig sein, damit eine korrekte Ausleuchtung durch die Konzentrator-Linsen 304 gewährleistet ist. Jedoch kann je nach gewünschtem geometrischem Konzentrations verhältnis das Tastverhältnis Solarzelle : Freiraum auch anders als 2 : 1 gewählt werden.

Die Fig. 5 zeigt ein teilweise durchsichtiges, lateral strukturiertes Kombi-Solarmodul 400 mit veränderbarer Abschattung, oben (a) in der Draufsicht, unten (b) im Querschnitt. Das Kombi-Solarmodul 400 besteht aus einem ortsfesten Solarmodul 401, das mit starren Solarzellen 402 auf einem transparenten Substrat 403 aufgebaut ist, und aus einem oberhalb des ortsfesten Solarmoduls 401 angeordneten, ortsveränderlichen Solarmodul 404, das auf einer streifenförmigen Maske 405 realisiert ist. Auf der Maske 405 präparierte Solarzellen 406 sind durch eine flexible, transparente Kontaktfolie 407 zwischen den Vorder- und Rückseiten der streifenförmigen Solarzellen 406 elektrisch miteinander in Serie geschaltet. Die Kontaktfolie 407 ist mit einem transparenten, leitenden Oxid großflächig metallisiert. Dadurch kann die Kontaktfolie 407 über die ganze Breite eines Fensters ausgelegt werden, sodass sich einerseits ein geringerer Serienwiderstandsverlust und anderer seits eine erhöhte mechanische Stabilität des flexiblen Solarmoduls 404 ergibt. Die verbindende Kontaktfolie 407 ist an den Enden jeweils auf einen zylin drischen Körper 408 aufgewickelt, der gleichzeitig als elektrische Zuführung nach außen fungiert. Der zylindrische Körper 408 ist in einem Rahmenelement 409 aufgehängt und kann von außen gedreht werden, sodass das flexible Solarmodul 404 seitwärts bewegt werden. Dadurch wird wahlweise das ortsfeste Solarmodul 401 auf dem Glassubstrat 403 verschattet, wodurch das Fenster insgesamt halbtransparent wird bei geringerer Stromproduktion. Im anderen Falle werden die ortsveränderlichen Solarzellen 406 zwischen den starren Solarzellen 402 des ortsfesten Solarmoduls 401 positioniert, wodurch das Fenster vollkommen undurchsichtig und die Stromproduktion maximiert wird. Über dieses Ausführungsbeispiel hinaus müssen die Solarzellen 402, 406 nicht notwendigerweise als geradlinige Streifen strukturiert sein, sondern sie können auch nach ästhetischen Gesichtspunkten strukturiert werden, solange ihre Flächen den allgemeinen Randbedingungen entsprechen und für diesen Anwendungsfall zusätzlich noch kongruent sind. An dieser Stelle sei noch bemerkt, dass bei einem Einsatz von Superstratzellen die ortsveränderlichen Solarzellen unterhalb der ortsfesten Solarzellen anzuordnen wären.

Die Konzentratoren werden aufgrund des bei den gewählten Ausfüh rungsbeispielen relativ geringen Abstandes zu den Solarzellen nur eine geringe Lichtkonzentration zulassen, was aber trotzdem für Dünnschicht-Solarzellen eine entscheidende Verbesserung des durchschnittlichen Wirkungsgrades herbeiführt. In der Fig. 6 ist eine typische Messkurve des Wirkungsgrades einer Chalkopyrit-Solarzelle in Abhängigkeit von der Lichtkonzentration dargestellt, anhand derer drei charakteristische Aussagen getroffen werden können:

1. Die mittlere spektrale Bestrahlungsstärke an einem Sommertag mittags wird international durch das AM1.5 Globalspektrum nach IEC-Norm 904-3 (1989) angenähert. In unseren Breitengraden herrschen Lichtverhält nisse, bei denen die Lichtintensität um bis zu einen Faktor zehn variieren kann zwischen Sommer und Winter einerseits und durch wechselnde Bewölkung andererseits. Daher ist die Solarzelle im Betrieb einer Bestrahlungsstärke von etwa 10%-100% der nach AM1.5 global zu erwartenden ausgesetzt.
2. Der auf die Bestrahlungsintensität bezogene Energiewirkungsgrad η von Dünnschicht-Solarzellen variiert in einer Weise, dass der Betrieb bei geringeren Bestrahlungsstärken ungünstig ist. So wird bei der in der Fig. 5 gezeigten Solarzelle ein Energiewirkungsgrad von η = 9.2% bei einer Bestrah lung mit AM 1.5 global (C = 1) gemessen, bei 10% dieser Bestrahlung (C = 0.1) jedoch nur ein Energiewirkungsgrad von η = 6.5%. Der optimale Wirkungsgrad dieser Solarzelle, η = 9.5%, wird erst bei einer Konzentration C = 2-3 erreicht.
3. Durch den Einsatz von Lichtkonzentratoren mit geringen geo metrischen Konzentrationsfaktoren C_g wird die im Betrieb zu erwartende Bestrahlungsstärke in einen für die Dünnschicht-Solarzellen günstigen Bereich verschoben. In der Fig. 6 sind drei mögliche Konzentrationsfaktoren C_g = 1,3, 6 dargestellt und es wird deutlich, dass bei einem Lichteinfall von 10%-100 % der Standardsonne AM1.5 global schon bei sechsfacher Lichtkonzentration mit C_g = 6 der mittlere Energiewirkungsgrad dieser typischen Solarzelle stets größer als η = 8.8% bleibt, d. h. über 90% des maximalen mit dieser Zelle erreichbaren Wirkungsgrades von 9.7%. Mit zunehmender Optimierung der Solarzelleneigenschaften (Erniedrigung des Serienwiderstandes) ist eine Verschiebung des Maximums zu höheren Konzentrationen hin zu erwarten.

Günstig ist daher insgesamt gesehen der Einsatz von Konzentratoren, die einen geometrischen Konzentrationsfaktor C_g in einem Zahlenbereich zwischen 1 und 10 aufweisen. Dabei ist in den meisten Fällen bereits eine geo metrische Konzentration C_g = 6 völlig ausreichend, um den optimalen Wirkungs grad zu gewährleisten. Dieser niedrige Wert macht insbesondere den Einsatz von kostengünstigen Kunststoff-Fresnel-Linsen für Chalkopyritzellen inter essant. Dabei wird eine Solarzelle einer typischen Größe von 0,5 bis 5 cm² nicht genau in den Brennpunkt der Fresnellinse gebracht, sondern etwa 0,5 cm davor, sodass die Ausleuchtung der Solarzelle homogen ist. Weitere Maß nahmen zur Konzentrationssteigerung, z. B. in der Herstellung teuere Sekundärkonzentratoren, wie sie für Si- oder GaAs-Zellen notwendig sind, sind für amorphe und poly- oder mikrokristalline Solarzellen nicht erforderlich.

Bezugszeichenliste

100

Maske

101

Vollfläche

102

Leerfläche

103

Verbindungssteg

104

Substratschicht

105

Metallschicht

106

Rückelektrode

107

Unterdeckungssteg

108

Überdeckungssteg

109

Halbleiterschicht

110

Absorberschicht

111

Frontschicht

112

Frontelektrode

113

unverschaltetes Solarmodul,

114

unverschaltete Dünnschicht-Solarzelle

115

Solarmodul

116

Solarzelle

117

Trennsteg

118

Absorberschichtstreifen

119

Trennbereich

150

Maske

151

Superstrat

152

Frontschicht

153

Frontelektrode

154

Halbleiterschicht

155

Absorberschicht

156

Überdeckungssteg

157

Unterdeckungssteg

158

Strukturierungsgraben

159

Metallschicht

160

Rückelektrode

161

Solarmodul

162

Dünnschicht-Solarzelle

200

Solarmodul

201

lateral strukturierte Solarzelle

202

transparentes Substrat

203

Konzentratormodul

204

Gehäuse

205

Glasplatte

206

transparenter Kunststoff

207

Innenseite

208

Konzentrator

300

Solarmodul

301

Solarzelle

302

transparentes Substrat

303

Konzentratormodul

304

Konzentrator-Linse

305

Aufhängepunkt

306

Führungsstange

307

Führungsschlitz

308

Endblock

309

Keilblock

310

Lichtstrahl

400

Kombi-Solarmodul

401

ortsfestes Solarmodul

402

starre Solarzelle

403

transparentes Substrat

404

ortsveränderliches Solarmodul

405

Maske

406

flexible Solarzelle

407

Kontaktfolie

408

zylindrischer Körper

409

Rahmenelement

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von strukturierten und integriert serienverschalteten Dünnschicht-Solarzellen (116) des Substratzellentyps, mit den Verfahrensschritten:

1. (1.1) Bereitstellen einer dünnschichtigen Maske (100) nach einem vorgegebe nen Geometriemuster aus flächengleichen Vollflächen (101) und Leerflächen (102),
2. (1.2) lösbares Fixieren der Maske (100) auf einem Substrat (104) als Trägerschicht,
3. (1.3) Aufbringen einer Metallschicht (105) zur Strukturierung einer Rückelektrode (106) in Form der Leerflächen (102) im Geometriemuster der Maske (100),
4. (1.4) laterales Verschieben der Maske (100) über die strukturierte Rückelektrode (106) hinüber zur Bildung von schmalen Überdeckungs stegen (108) und Unterdeckungsstegen (107),
5. (1.5) Aufbringen einer photovoltaisch aktiven, dünnen Halbleiterschicht (109) aus amorphem oder poly- oder mikrokristallinem Halbleitermaterial zur Bildung einer strukturierten Absorberschicht (110),
6. (1.6) Ablösen und Entfernen der Maske (100),
7. (1.7) Aufbringen einer transparenten, leitenden Frontschicht (111) aus zumindest einer Schichtlage zur Bildung einer Frontelektrode (112) und
8. (1.8) Strukturieren der Frontschicht (111) in Trennbereichen (119) der Über deckungsstege (108) mit kurzschlussaufhebenden Trennstegen (117) bis auf die Metallschicht (105) der Rückelektrode (106) herunter.

2. Verfahren zur Herstellung von strukturierten und integriert serienverschalteten Dünnschicht-Solarzellen (162) des Superstratzellentyps, mit den Verfahrensschritten:

1. (2.1) Bereitstellen einer dünnschichtigen Maske (150) nach einem vorgegebe nen Geometriemuster aus flächengleichen Vollflächen und Leerflächen,
2. (2.2) Aufbringen einer transparenten, leitenden Frontschicht (152) aus zumindest einer Schichtlage auf einem Superstrat (151) als Trägerschicht zur Bildung einer Frontelektrode (153),
3. (2.3) lösbares Fixieren der Maske (150) auf der transparenten Superstratschicht (151),
4. (2.4) Strukturieren der Frontschicht (152) entlang der Vollflächen im Geome triemuster der Maske (150) bis auf die Superstratschicht (151) herunter,
5. (2.5) Aufbringen einer photovoltaisch aktiven, dünnen Halbleiterschicht (154) aus amorphem oder poly- oder mikrokristallinem Halbleitermaterial zur Bildung einer strukturierten Absorberschicht (155),
6. (2.6) laterales Verschieben der Maske (150) über die strukturierte Absorber schicht (155) hinüber zur Bildung von schmalen Überdeckungsstegen (156) und Unterdeckungsstegen (157),
7. (2.7) Aufbringen einer Metallschicht (159) zur Strukturierung einer Rück elektrode (160) in Form der Leerflächen im Geometriemuster der Maske (150) und
8. (2.8) Ablösen und Entfernen der Maske (150).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den dem Verfahrensschritt (1.8) oder (2.8) folgenden zusätzlichen Verfahrensschritt in Abhängigkeit von der Komplexität des Geometriemusters:

A) Strukturieren von durch Verbindungsstege (103) in komplexeren Geometriemustern bedingten Kurzschlussbereichen in der Frontschicht (111; 152).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den dem Verfahrensschritt (1.2) oder (2.1) folgenden zusätzlichen Verfahrensschritt

A) Aufbringen einer Sperrschicht zur Bildung einer Diffusionsbarriere.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch den dem Verfahrensschritt (1.3) folgenden oder dem Verfahrensschritt (2.3) vorangehenden zusätzlichen Verfahrensschritt

A) Aufbringen einer Haft- und/oder Quellschicht zur Bildung eines Haftver mittlers.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch den dem Verfahrensschritt (1.6) oder (2.5) vorangehenden zusätzlichen Verfahrensschritt

A) Aufbringen zumindest einer eine Raumladungszone bildenden Pufferschicht vom n-Typ zur Verbesserung des komplexen p-n- Übergangs der Dünnschicht-Solarzellen (162).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Einsatz von transparenten Materialien zur Bildung der Sub- oder Super stratschicht und/oder Metallschicht (104; 151/105; 159).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen trägerschichtabhängigen Einsatz von amorphem oder poly- oder mikro kristallinem Silizium, von polykristallinem CdTe oder von Chalkopyritverbin dungen der allgemeinen Struktur Ag_xCu_1-xIn_yGa_1-yS_zSe_2-z-wTe_w als Halbleiter material zur Bildung der Absorberschicht (110), wobei x und y Werte zwischen 0 und 1 sowie z und w Werte zwischen 0 und 2 so annehmen können, dass die Summe aus w + z den Wert 2 nicht wesentlich überschreitet.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Einsatz von transparenten Materialien zur Herstellung der Maske (150).

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine laterale Verschiebung der Maske (100; 150) im Bereich von 0,1 mm.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen wiederholten Einsatz oder eine separate Weiterprozessierung der abgelösten Maske (100; 150).

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die Erzeugung einer geometrischen, an ästhetischen und/oder informellen Gesichtspunkten orientierten Strukturierung der einzelnen Solarzellen unter Einhaltung von flächengleichen Teilmustern jeweils in den Leerflächen (102) und/oder in den Vollflächen (101).

13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch unterschiedliche Farbgebungen in den Teilmustern, wobei die gewählten Farben in den photovoltaischen Prozess integrierbar sind.

14. Verwendung einer strukturierten und integriert serienverschalteten Dünnschichtsolarzelle, deren Elektrodenschichten oder photovoltaisch aktiven Halbleiterschichten mittels einer Maske (405) beim Abscheiden dieser Schichten gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 erzeugt werden, in einem Solarmodul (404), dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Maske (405) hergestellten Solarzellen (406), die über ein integriertes, metallisiertes Kontaktband (407) in Reihe geschaltet sind, verwendet werden.

15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktband als transparente, flexible Kontaktfolie (407) ausgebildet ist, deren Breite der gesamten Solarmodulbreite (400) entspricht.

16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul (404) je nach Solarzellentyp vor oder hinter einem weiteren strukturierten und integriert serienverschalteten Solarmodul (401), das ortsfest angeordnet ist, und über eine seitliche Auf- bzw. Abwicklung (408) der über das Solarmodul (404) hinausgeführten Kontaktfolie (407) seitlich verschiebbar gelagert ist, wobei die seitliche Auf- bzw. Abwicklung (408) gleichzeitig als elektrische Polarisierung für den Solarzellenstrom ausgebildet ist.

17. Verwendung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul einzeln oder gemeinsam mit weiteren Solarmodulen (200; 300; 400) vor oder in Fenster-, Fassaden- oder Dachelementen eines Gebäudes oder in dessen Innenbereich angeordnet ist.