DE102004032810B4

DE102004032810B4 - Photovoltaische Solarzelle mit einer Schicht mit Licht streuenden Eigenschaften und Solarmodul

Info

Publication number: DE102004032810B4
Application number: DE102004032810A
Authority: DE
Inventors: Nils-Peter Harder; Paul Mogensen; Ulf Blieske
Original assignee: Saint Gobain Glass Deutschland GmbH
Current assignee: Saint Gobain Glass Deutschland GmbH
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2024-07-08
Also published as: CN101032033A; DE102004032810A1; CN101032033B

Abstract

Photovoltaische Solarzelle (1) mit einer transparenten Frontelektrode (3), einer Absorberschicht (4) und einer Rückelektrode (5) sowie mit Maßnahmen zum Streuen des in die Absorberschicht einfallenden Lichts in Form einer Schicht (5.3) mit Licht streuenden Eigenschaften aus mit einem mineralischen oder organischen Bindemittel gebundenen, Licht reflektierenden Partikeln, wobei die Licht streuende Schicht (5.3) zwischen mindestens zwei Schichten (5.1, 5.2) der Rückelektrode (5) eingeschlossen ist, deren zwischen der Absorberschicht (4) und der Licht streuenden Schicht (5.3) liegende Schicht (5.1) transparent ist, die Rückelektrode (5) mindestens eine auf die Absorberschicht (4) folgende transparente TCO-Schicht (5.1) und eine Metallschicht (5.2) umfasst, wobei letztere auf sie auftreffendes Licht reflektiert, und die Licht streuende Schicht (5.3) eine natürliche Porosität aufweist, welche die Herstellung von elektrisch leitfähigen Verbindungen zwischen der Metallschicht (5.2) und der TCO-Schicht (5.1) ohne weitere Behandlung der Schicht (5.3) sicherstellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine photovoltaische Solarzelle und auf aus solchen Zellen aufgebaute Solarmodule.
Unter Solarmodul wird hier insbesondere eine Anordnung aus mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Solarzellen verstanden.
Ein bekanntes Problem bei photovoltaischen Solarzellen ist die mangelnde Nutzung des einfallenden Lichts. Vor allem bei modernen Dünnschicht-Solarzellen (z. B. bei denen die Absorberschicht aus kristallinem oder amorphem Silizium besteht oder solches enthält) können die Dicken der das Licht absorbierenden und in elektrische Spannung umsetzenden Funktionsschichten gleich oder gar kleiner als die Wellenlängen des einfallenden Lichts in Luft werden. Insbesondere sind die Schichtdicken teilweise geringer als die mittleren Eindringtiefen des einfallenden Lichtes in die Absorber- bzw. Funktionsschichten. Unter diesen Randbedingungen wird die im einfallenden Licht enthaltene Energie jedenfalls bei direkter (senkrechter) Aufstrahlung nur noch unzureichend absorbiert. Der Wirkungsgrad bzw. die Lichtnutzung dieser Solarzellen genügt daher ohne weitere Maßnahmen nicht den aktuellen Ansprüchen und Anforderungen für eine effiziente und kostengünstige Elektrizitätserzeugung.
Auch herkömmliche, d. h. aus Silizium-Wafern hergestellte Solarzellen, bzw. aus z. B. Si mit dickeren als 1 bis 2 Mikrometer dicken Absorbern hergestellte Solarzellen, können mit einer Lichtfallentechnik wie z. B. durch strukturierte Oberflächen und gut reflektierende Rückseiten verbessert werden, um das einfallende Licht so gut wie möglich zur Stromerzeugung zu nutzen.
Generell umfassen (Dünnschicht-)Solarzellen mehrere Schichten, nämlich eine transparente Frontelektrode, welche das einfallende Licht durchzulassen hat, eine das Licht absorbierende und in elektrische Spannung umsetzende Absorberschicht und eine zweite (zumeist metallische) Rückelektrode, die nicht transparent sein muss und daher relativ dick -mit sehr geringem Flächenwiderstand- sein kann.
In aller Regel werden Dünnschicht-Solarzellen auf starren oder flexiblen Substraten aufgebaut. Ihre Elektroden sind meist als kontinuierliche Flächenelektroden ausgeführt. Fall weise kommt noch eine rückwärtige mechanische Abdeckung hinzu; mitunter werden die Solarzellen beispielsweise in Isolierverglasungen eingesetzt.
Das Substrat wird „Superstrat" genannt, wenn es in der Einbausituation als Solarmodul der Sonne zugewandt ist, sich also zwischen Sonne und Absorberschichten befindet. Ein Superstrat muss demzufolge transparent sein, und die Reihenfolge der Schichtabscheidung ist im Falle eines Superstrates in der Regel (i) Frontelektrode, (ii) Halbleiter (Absorber), (iii) Rückelektrode. Ein „echtes" Substrat kann -im Gegensatz zum Superstrat- undurchsichtig sein und die Reihenfolge der Schichtabscheidung ist -ausgehend vom Substrat- in der Regel (i) Rückelektrode, (ii) Halbleiter (Absorber), (iii) Frontelektrode.
Die Flächenelektroden können ihrerseits aus mehreren Schichten zusammengesetzt sein. So kann die Rückelektrode ein Sandwich aus (dotiertem) TCO („transparent conductive Oxide", z. B. ZnO:Al, ITO, SnO₂) und einem Metall wie Silber oder Aluminium umfassen; die Frontelektrode kann eine zwischen dielektrischen Entspiegelungsschichten eingefasste Metallschicht umfassen und/oder auch aus TCO bestehen.
Solarzellen aus Silizium-Wafern sind an sich selbsttragend, und werden meist mit (gedruckten) Gitterelektroden ausgestattet. Auch sie werden jedoch für den Einsatzzweck meist mit großflächigen Substraten verbunden, beispielsweise zwischen zwei Glasscheiben eingebaut.
Lösungsansätze für die Verbesserung der Lichtnutzung in Solarzellen bestehen einerseits darin, die Lichtreflexion an der äußeren Oberfläche zu vermindern. Hierzu ist es einerseits bekannt, die Oberflächen auf der Lichteinfallseite zu entspiegeln, wobei man Entspiegelungs-Beschichtungen auftragen und/oder die Oberfläche mit Mikrostrukturen versehen kann. Die erwähnten Mikrostrukturen können auch das Licht brechen und es unter flachen Winkeln, oder auch diffus, in die Absorberschichten einleiten. Eine weitere bekannte Maßnahme ist es, die transparenten Frontelektroden der Solarzellen (an die sich die Absorberschichten direkt anschließen) bewusst mit einer rauen Oberfläche zu erzeugen, so dass das Licht beim Austreten aus der Elektrodenschicht in die Absorberschicht hinein gestreut wird.
Durch diese Maßnahmen trachtet man, die Länge des Pfades zu vergrößern, den jeder Lichtstrahl innerhalb der Absorberschicht zurücklegt.
Schließlich kann der Licht-Nutzungsgrad auch durch Rückspiegeln der Lichtmenge verbessert werden, die die (wegen ihrer geringen Dicke teiltransparente) Absorberschicht durchquert hat. Zu diesem Zweck können die metallischen (und nicht transparenten) Elek troden genutzt werden, die man üblicherweise auf der vom Lichteinfall abgewandten Flächenseite der Solarzellen anordnet.
Trotz aller dieser Maßnahmen bleibt der von Dünnschicht-Solarzellen produzierte Strom noch geringer als der von den verhältnismäßig dicken Silizium-Wafer-Solarzellen produzierte. Obwohl man damit rechnen muss, dass letztere immer mehr Strom als Dünnschicht-Solarzellen produzieren werden, lassen die recht geringen Ströme aus den (preiswerteren) Dünnschicht-Solarzellen den Schluss zu, dass noch Verbesserungspotenzial vorhanden ist. Allerdings ist die Ausstattung der Solarzellen mit rauen Oberflächen stets ein Kompromiss zwischen der lichtoptischen Optimierung und der Optimierung der rein elektrischen Eigenschaften der Solarzelle. Es ist durch Versuche verifizierbar, dass durch raue Oberflächen in den Grenzflächen zwischen Elektroden und Absorberschicht sich die optischen Eigenschaften (z. B. gemessen am Kurzschlussstrom unter Beleuchtung) tendenziell verbessern, während sich in der Regel mit zunehmender Rauhigkeit die elektrischen Eigenschaften (z. B. gemessen durch die Offen-Klemmen-Spannung unter Beleuchtung) verschlechtern.
Eine Lichtstreuung ohne raue Oberflächen zu erreichen, würde den Effekt des Einfangens des Lichts von der elektrischen Performance der Solarzellen entkoppeln. Man kann sich in dieser Weise eine höhere Lichtausbeute ohne den Nachteil von Beeinträchtigungen der elektrischen Funktion versprechen, und damit einhergehend eine bessere Effizienz der Konversion von Licht in elektrische Energie.
WO 01/90 787 A1 beschreibt eine Licht streuende dünne Beschichtung, die dazu geeignet ist, von einer Lichtquelle ausgestrahltes Licht homogen zu streuen. Als Anwendungsfälle werden insbesondere die Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen, Flächenlampen etc. genannt. Die Beschichtung besteht im Wesentlichen aus mit einem mineralischen oder organischen Bindemittel gebundenen Partikeln mit Durchmessern zwischen 0,3 und 2 µm, wobei das Bindemittel einen Volumenanteil von 10 bis 40% an der Beschichtung hat. Die Beschichtung hat eine Kontrastdämpfung von mehr als 40%. Sie kann eine Lichttransmission von mehr als 45 oder gar 60% haben, insbesondere wenn die Partikel selbst aus halbtransparenten (mineralischen) Materialien bestehen. Der Lichtbrechungsindex der Partikel ist vorzugsweise höher als der des Bindemittels.
Die Licht streuende Schicht wird vorzugsweise mit einer zwischen 1 und 20 µm liegenden Dicke und einem geeigneten Verfahren auf die Oberfläche eines Substrats aufgetragen, z. B. durch Siebdrucken, Tauchbeschichten, Fließbeschichten, Zerstäubung. Sie ist als solche nicht oder schlecht elektrisch leitfähig (hochohmig). Jedoch streut sie das einfallende Licht so gleichmäßig, dass die Intensität des gestreuten Lichtes für jeden Betrachtungswinkel proportional zur Projektionsfläche ist. Mit dispergierend wirkenden Zusatzstoffen können Agglomerationen von Partikeln in Grenzen gehalten werden, die zu unerwünschten Transmissionsstörungen in der Schicht führen könnten.
Das Patent EP 0 88 818 B1 beschreibt Zubereitungen aus Partikeln und Bindemitteln, die auch für Licht streuende Verwendungen z. B. in Leuchtdioden geeignet sind.
WO 2004/005978 A1 beschreibt eine Anwendung von Licht streuenden Schichten der vorgenannten Art in Kombination mit einer gegen elektromagnetische Strahlung dämpfenden oder isolierenden Schicht mit relativ hohem Flächenwiderstand von mehr als 100 Ω/Quadrateinheit. Diese Schicht kann wiederum ein TCO enthalten oder aus einem solchen bestehen, wobei auf einem Substrat zunächst die Licht streuende Schicht und dann darüber die elektromagnetisch isolierende Schicht abgeschieden werden kann. Hintergrund dieser Kombination ist die Anwendung der Licht streuenden Schicht bei hinterleuchteten Flüssigkristall-Bildschirmen, wobei die elektromagnetische Isolierung störende Einflüsse der hinter dem Substrat befindlichen Lichtquelle auf die Flüssigkristalle zu unterbinden hat.
Das Patent US 5 401 330 A offenbart ein Photovoltaik-Element mit einer lichtreflektierenden Schicht einer lichtreflexionsmultiplizierenden Schicht einer n-Schicht, einer i-Schicht und einer p-Schicht, bestehend aus einem nicht einkristallinen Halbleitermaterial.
DE 43 37 694 A1 offenbart ein Solarmodul mit einer semitransparenten, aktiven Schicht und einer ebenfalls transparenten Rückelektrode aus einem dünnen, leitfähigen Oxid hinter der Rückelektrode mit einer Reflexionsschicht, welche ein weißes Pigment enthält.
Das Patent US 5 024 953 A offenbart ein opto-elektrisches Umwandlungsglied und ein Verfahren zur Herstellung desselben, das ein geriffeltes Halbleitersubstrat zur Herstellung eines optisch elektrischen Umwandlungsglieds enthält.
JP 02180081 A offenbart eine amorphe Halbleiter-Solarzelle. Bei der Halbleiter-Solarzelle ist die Umwandlungswirkung durch eine Silicium-Schicht verbessert, welche ein Material mit isolierenden, feinen Teilchen im Beschichtungsmaterial enthält, wobei organisches Silikat als Hauptbestandteil vorhanden ist.
Das Patent US 6 077 411 A offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung einer Zinkoxidschicht auf einem ebenen Substrat.
Die Patentanmeldung US 2001/0037825 A1 offenbart eine Dünnschicht enthaltende Halbleiterschicht, die als Photovoltaikschicht dient und die auf einem Substrat aus einer Metallfolie elektrochemisch geformt ist.
Das Patent US 5 569 332 A offenbart einen optisch verbesserten Rückreflektor einer Photovoltaikvorrichtung, die eine Rückreflektorschicht aus Aluminium enthält. Die Aluminiumschicht hat eine Mehrfachbeschichtung, die reflektionsverbessernd ist und auf der Aluminumschicht aufgetragen ist.
Die Publikation „Light Trapping in Silicon-Film Solar Cells with Rear Pigmented Dielectric Reflectors" von Jeffrey E. Cotter, Robert B. Hall, Michael G. Mauk und Allen M. Barnett in „Progress in Photovoltaics: Research and Applications" aus "Prog. Photovolt: Res. Appl. 7, 261–274 (1999)" offenbart ein neues Verfahren zur Verwendung pigmentierter dielektrischer Reflektoren, um Licht in Dünnschicht-Silicium-Solarzellen einzufangen.
Das Patent US 6 420 647 A offenbart eine Dünnschicht-Silicium-Solarzelle auf einem Glassubstrat. Das Glassubstrat hat eine strukturierte Oberfläche mit kleineren und größeren Strukturen.
Das Patent US 5 897 331 A offenbart eine Halbleiter-Vorrichtung mit einem Substrat und einer leitenden Zwischenschicht, auftragen auf dem Substrat, wobei die Zwischenschicht als eine Rückelektrode dient, ein optischer Reflektor und eine Halbleiterschicht auf der Zwischenschicht aufgetragen sind, wobei die Halbleiterschicht eine Korngröße hat, die zumindest so groß ist wie die Schichtdicke und bevorzugt etwa zehnmal so groß wie die Schichtdicke ist.
Das Patent JP 01077973 A offenbart eine Photovoltaik-Vorrichtung mit verbesserter optoelektronischer Umwandlung, die eine drei Schichten Struktur aufweist, in der ein amorpher Film zwischen einer transparenten Elektrode und einer metallischen Elektrode angeordnet ist.
Das Patent JP 01106472 A offenbart eine Solarzelle, wobei eine Licht streuende Struktur zwischen einer durchscheinenden Elektrode und einer Halbleiterschicht dispersiert ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Lichtstreuung in photovoltaischen Solarzellen oder Solarmodulen unabhängig von einer Oberflächenrauheit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen dieser Erfindung an.
Eine bedeutende Verbesserung der Lichtnutzung wird in photovoltaischen Solarzellen oder -modulen demnach erreicht, wenn man eine Licht streuende Schicht der vorstehend erörterten Art mit einer der Schicht-Oberflächen der Solarzelle kombiniert, welche vom Licht durchdrungen oder erreicht werden. Im Sinne dieser Beschreibung sind als Absorberschichten nicht nur solche aus kristallinem oder amorphem Silizium gemeint, sondern auch Absorber oder Absorberschichten aus Silizium-Wafern, und ferner photovoltaisch aktive Dünnschichten wie CIS, CdTe und vergleichbare Materialien.
Erfindungsgemäß ist die Kombination der von der Lichteinfallseite abgewandten Rückelektrode mit dieser Licht streuenden Schicht vorgesehen Dies wird immer dann von Nutzen sein, wenn das einfallende Licht die Absorberschicht wenigstens teilweise durchdringt, was auch bei Wafer-Absorbern der Fall ist und bei dünneren Wafern in zunehmendem Maße an Bedeutung gewinnt. Vereinfacht ausgedrückt durchdringt das Licht die Absorberschicht dann (teilweise), wenn deren Materialdicke senkrecht zum Lichteinfall kleiner als die Absorptionslänge des Lichtes bei einer Wellenlänge oberhalb der Bandkante des die Absorberschicht bildenden oder in dieser enthaltenen Halbleiters ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die lichtstreuende Schicht zwischen einer an die Absorberschicht anschließenden transparenten (TCO-)Schicht der Rückelektrode und der abschließenden metallischen Elektrodenschicht angeordnet. Hierbei ist allerdings sicherzustellen, dass über die (hochohmige) Licht streuende Schicht ein guter elektrischer Kontakt zwischen den beiden Elektrodenschichten bestehen bleibt.
Denkbar ist auch eine „doppelte" Ausstattung der Solarzelle mit Licht streuenden Schichten beidseits der Absorberschicht.
Die Licht streuende Schicht enthält in an sich bekannter Weise Partikel und Bindemittel. Bevorzugt sind die Partikel transparent oder halb-transparent, um die Lichttransmission der Licht streuenden Schicht möglichst hoch zu halten. Sie können insbesondere mineralische Partikel wie Oxide, Nitride oder Karbide sein.
Ganz bevorzugt verwendet man für die Herstellung der Partikel Oxide von Metallen wie Silizium, Aluminium, Zirkon, Titan, Cer. Ggf. können die Partikel auch aus Mischungen mindestens zweier dieser Oxide bestehen.
Solche Partikel können mit allen dem Fachmann bekannten Herstellungsverfahren gewonnen werden. Sie haben vorzugsweise eine Korngrößenverteilung, nach der mindestens 50% der Partikel nicht mehr als 50% von der mittleren Korngröße abweichen, sind also verhältnismäßig homogen.
Das Bindemittel muss eine hinreichende Temperaturstabilität aufweisen, um den in Solarzellen bei intensiver Sonneneinstrahlung auftretenden recht hohen Temperaturen schadlos widerstehen zu können. In dieser Hinsicht kann ein mineralisches Bindemittel interessant sein, z. B. des Typs Kalium-, Natrium-, Lithium-Silikat, oder Aluminiumphosphat.
Andererseits wird die Licht streuende Schicht im vorliegenden Anwendungsfall nicht äußeren Einflüssen (Witterung, Abrasion) ausgesetzt, so dass ihre mechanische Stabilität kein vorrangiges Kriterium für die Stoffwahl ist. Man kann dann auch ein hinreichend tem peraturstabiles organisches Bindemittel verwenden, z. B. des Typs Vinyl-Polyalkohol-Polymere, wärmehärtbare Harze, Acrylate.
Weitere wesentliche Eigenschaften einer für den hier erörterten Anwendungszweck geeigneten Licht streuenden Schicht können der eingangs erwähnten WO 01/90 787 A1 entnommen werden, deren Offenbarung schon einleitend teilweise wiedergegeben wurde und hinsichtlich der Schichteigenschaften hier ausdrücklich einbezogen wird.
Im Falle der Verwendung der beschriebenen Licht streuenden Schicht in einem Rückreflektor einer Solarzelle wird die Lichtmenge, die noch durch die Licht streuende Schicht gelangt, von der dahinter liegenden metallischen Schicht reflektiert und dann erneut der Lichtstreuung unterworfen.
Infolge der natürlichen Porosität der Licht brechenden Schicht wird ein hinreichend guter elektrischer Kontakt zwischen dem auf die lichtstreuende Schicht aufgebrachten Metall und der unter der Licht streuenden Schicht liegenden TCO-Schicht durch die hochohmige Licht streuende Schicht hindurch gesichert. Man konnte experimentell nachweisen, dass der effektive Übergangswiderstand zwischen den Elektrodenschichten vernachlässigbar gering ist.
Da man im Gegenzug die Oberflächenrauheit der starren Substrate oder der Flächenelektroden verringern oder sogar entfallen lassen kann, ohne die Lichtstreuungswirkung nennenswert zu reduzieren, führt dies an sich schon zu einer merklichen Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der Solarzelle, welche eine eventuelle geringfügige Erhöhung des Übergangswiderstands zwischen den Schichten der Rückelektrode mehr als kompensiert.
Dessen ungeachtet kann man selbstverständlich das Substrat auf der Lichteinfallseite mit einer Licht streuenden Oberflächenstruktur oder -beschichtung und/oder mit einer die Reflexion des einfallenden Lichtes mindernden Beschichtung oder Oberflächenstruktur ausstatten. Geeignete Gläser werden von der Anmelderin für Solaranwendungen seit Jahren hergestellt und sind unter dem Markennamen „ALBARINO^®" im Markt verfügbar.
Wenn man aus erfindungsgemäß ausgerüsteten Solarzellen wie üblich einen oder mehrere Solarmodule aufbaut, die sich aus elektrisch miteinander in Reihe geschalteten Solarzellen zusammen setzen, so kann der Schichtaufbau mit der Licht brechenden Schicht zunächst über die gesamte Fläche des Moduls erzeugt werden, um ihn sodann in der üblichen Weise in die einzelnen Solarzellen zu unterteilen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus der Zeichnung zweier Ausführungsbeispiele und deren sich im folgenden anschließender eingehender Beschreibung hervor.
Es zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung
1 eine schematische Schnittansicht einer Solarzelle, bei der eine Licht streuende Schicht zwischen zwei Schichten der Rückelektrode eingebettet ist;
2 eine erste Ausführungsform der Solarzelle in vergrößertem Detail;
3 eine zweite Ausführungsform analog zu 2, wobei jedoch die Oberflächenrauheit der Flächenelektroden reduziert wurde.
Gemäß 1 umfasst eine Solarzelle 1 im prinzipiellen Aufbau ein Substrat 2 (aus Glas oder Kunststoff), eine darauf abgeschiedene transparente Flächen- oder Frontelektrode 3 aus einem elektrisch leitfähigen Oxid oder einem anderen geeigneten Material oder Schichtsystem (vereinfachend als homogene Einzelschicht dargestellt), eine Absorberschicht 4 aus einem photovoltaisch aktiven Material wie amorphem oder polykristallinem Silizium, ggf. auch einer dünnen Schicht wie CIS oder CdTe eine Rückelektrode 5 aus einer transparenten TCO-Schicht 5.1 und einer metallischen Schicht 5.2. Zwischen den Schichten 5.1 und 5.2 ist eine Licht streuende Schicht 5.3 eingefasst. Die jeweils zur Absorberschicht orientierten Flächen der TCO-Schichten 3 und 5.1 sind vorzugsweise verhältnismäßig rau, damit sie das sie durchdringende Licht streuen (vgl. 2).
An die Metallschicht 5.2 schließen sich noch in an sich bekannter Weise eine Zwischenschicht 6 und eine rückwärtige Abdeckung 7 an. Die Zwischenschicht 6 dient zum flächigadhäsiven Verbinden der Solarzelle 1 nebst ihrem Substrat mit der Abdeckung 7. Es ist bekannt, solche Zwischenschichten aus einem Gießharz oder aus thermoplastischen Folien herzustellen, die jeweils natürlich physikalisch und chemisch mit den Schichten der Solarzelle kompatibel sein müssen. Am äußeren Rand der Solarzelle ist die Zwischenschicht 6 mittels einer Randversiegelung 8 hermetisch abgeschlossen. Die Randversiegelung haftet fest an den beiden starren Scheiben 2 (Substrat) und 7 (Abdeckung).
Diese beiden können aus Glas, ggf. vorgespannt, oder aus Kunststoff, z. B. Polycarbonat, bestehen; ggf. kann man eine Scheibe – vorzugsweise das transparente Substrat 2 – aus Glas und die andere aus Kunststoff verwenden.
Die Dicken der einzelnen Schichten können hier nicht maßstäblich wiedergegeben werden. Die Zwischenschicht 6 ist allerdings regelmäßig deutlich dicker als die Funktions- bzw. Elektrodenschichten 3 bis 5. Deshalb ist durch eine doppelte strichpunktierte Linie angedeutet, dass ein Teil der Dicke der Zwischenschicht 6 weggelassen wurde. Die Metallschicht 5.2 der Rückelektrode 5 wiederum kann, wie angedeutet, dicker sein als die weiteren Funktionsschichten.
Das Detail der 2 verdeutlicht das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Schichtausstattung der Solarzelle 1. Gleiche Bestandteile wie in 1 haben dieselben Bezugszeichen wie dort. Man erkennt wieder das Substrat 2 nebst der darauf abgeschiedenen, vereinfachend als homogene Schicht dargestellten Frontelektrode 3. Deren vom Substrat abgewandte zur Absorberschicht weisende Oberfläche ist bewusst verhältnismäßig rau abgeschieden worden (dies lässt sich mit einer gezielten Einstellung der Abscheidungsparameter z. B. beim Sputtern, Sputtern mit nachfolgendem Ätzen oder Abscheidung aus der Gasphase (CVD, chemical vapour deposition) solcher Schichten weitgehend einsteuern, indem man z. B. im Falle des Sputterns den Druck des Arbeitsgases erhöht oder die Sputterenergie reduziert).
Es versteht sich, dass bei mikroskopischer Betrachtung natürlich auch die Oberfläche des (Glas-)Substrats 2 selbst eine gewisse Rauhigkeit aufweist, die hier jedoch vernachlässigt wird. Es ist aber möglich eine geeignete Glasoberflächentextur gezielt für die effektive Lichtstreuung einzusetzen.
Auf die Absorberschicht 4 folgt die TCO-Elektrodenschicht 5.1 an, ebenfalls mit einer gewissen Oberflächenrauhigkeit erzeugt, sodann die Licht streuende Schicht 5.3 und schließlich die Metallschicht 5.2. Zur Verdeutlichung des direkten elektrischen Kontakts zwischen der Metallschicht 5.2 und der TCO-Schicht 5.1 sind hier einige „Peaks" der Metallschicht 5.2 angedeutet, welche die Licht streuende Schicht 5.3 durchdringen.
Diese Peaks bilden sich quasi automatisch beim Abscheiden der Metallschicht auf der verhältnismäßig porösen Schicht 5.3 aus. D. h. beim Abscheiden der Metallschicht 5.2 auf der Licht streuenden Schicht 5.3 dringen Atomhäufungen des Metalls in die Poren der Schicht 5.3 so weit ein, dass sie einen direkten galvanischen Kontakt zu der TCO-Schicht 5.1 bekommen bzw. herstellen. Auch dieser Prozess kann durch die gezielte Einstellung der Porosität der Schicht 5.3 sowie durch geeignete Einstellung der Abscheidungsparameter für die Metallschicht 5.2 (niedriger Druck des Arbeitsgases, hohe Sputterenergie) unterstützt werden.
Nun wird anhand eines grafisch stark vereinfachten Beispiels die Funktionsweise der Licht streuenden Schicht und die damit einhergehende verbesserte Ausnutzung einfallenden Lichts in der Solarzelle 1 näher erörtert. Es sei dabei bemerkt, dass die dieser bewusst anschaulich gehaltenen Beschreibung zugrunde liegende geometrische Optik bei den hier diskutierten Verhältnissen zwischen Lichtwellenlänge und Oberflächenstrukturgrößen für eine korrekte physikalische Beschreibung nicht mehr alleine angemessen ist. Interferenzsowie Nahfeldeffekte wären für eine exakte Beschreibung hinzuzuziehen. Dennoch ist für eine intuitive Beschreibung die geometrische Optik geeignet, um die grundsätzlich von der Erfindung ausgenutzten Effekte zu verstehen.
Ein von oben senkrecht durch das Substrat 2 und die transparente Frontelektrode 3 in die Solarzelle 1 einfallender Lichtstrahl L wird zunächst an der (unebenen) Grenzfläche zwischen der Frontelektrode 3 und der Absorberschicht 4 gebrochen (zerlegt) und damit schon in die letztere hinein gestreut. Der nicht absorbierte Anteil des Lichts fällt auf die raue Oberfläche der Schicht 5.1 und wird auch dort teilweise gestreut, teilweise -je nach Einfallswinkel- auch reflektiert. Durchgelassene Anteile gelangen sodann in die Licht streuende Schicht 5.3 und werden dort weiter gebrochen/gestreut, sowie von der Metallschicht 5.2 in die Schicht 5.3 reflektiert und von dieser wiederum gebrochen/gestreut.
Insgesamt wird der einzelne einfallende Lichtstrahl L so in eine Vielzahl von Strahlengängen aufgeteilt, die sich alle auf mehr oder weniger großer Länge durch die Absorberschicht 4 erstrecken und damit den Grad der Lichtnutzung bedeutend erhöhen. Es sei nochmals angemerkt, dass die Darstellung auch der Lichtstrahlen nur der Verdeutlichung der Wirkung der Licht streuenden Schicht dient und nur sehr bedingt die tatsächlichen Brechungs- und Reflexionsverläufen wiedergibt.
Während die 2 von einem eher konventionell mit rauen Oberflächen der Elektroden ausgeführten Solarzellentyp oder Schichtaufbau ausging, um die Erfindung darzustellen, zeigt das gleiche Detail in 3 eine Variante. Man erkennt, dass die Frontelektrode 3 und auch die TCO-Schicht 5.1 der Rückelektrode nunmehr (zumindest makroskopisch) glatte Oberflächen haben. Folglich brechen sie den Lichtstrahl L nicht oder jedenfalls weniger stark als ihre Äquivalente in 2.
Erst mit dem Eintritt in die Licht streuende Schicht 5.3 wird L nennenswert gebrochen und aufgeteilt, was sich nach der Reflexion an der Metallschicht 5.2 noch weiter fortsetzt. Auch hier ergibt sich eine wesentlich bessere Lichtnutzung in der Absorberschicht 4, die noch mit einer Verbesserung der elektrischen Eigenschaften im Obergangsbereich (interface) der Absorberschicht 4 zu den Elektroden einhergeht.

Claims

Photovoltaische Solarzelle (1) mit einer transparenten Frontelektrode (3), einer Absorberschicht (4) und einer Rückelektrode (5) sowie mit Maßnahmen zum Streuen des in die Absorberschicht einfallenden Lichts in Form einer Schicht (5.3) mit Licht streuenden Eigenschaften aus mit einem mineralischen oder organischen Bindemittel gebundenen, Licht reflektierenden Partikeln, wobei die Licht streuende Schicht (5.3) zwischen mindestens zwei Schichten (5.1, 5.2) der Rückelektrode (5) eingeschlossen ist, deren zwischen der Absorberschicht (4) und der Licht streuenden Schicht (5.3) liegende Schicht (5.1) transparent ist, die Rückelektrode (5) mindestens eine auf die Absorberschicht (4) folgende transparente TCO-Schicht (5.1) und eine Metallschicht (5.2) umfasst, wobei letztere auf sie auftreffendes Licht reflektiert, und die Licht streuende Schicht (5.3) eine natürliche Porosität aufweist, welche die Herstellung von elektrisch leitfähigen Verbindungen zwischen der Metallschicht (5.2) und der TCO-Schicht (5.1) ohne weitere Behandlung der Schicht (5.3) sicherstellt.
Solarzelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Licht streuende Schicht (5.3) halbtransparente mineralische Partikel aus Oxiden, Nitriden oder Karbiden enthält, insbesondere mit Korngrößen zwischen 0,1 und 3 µm.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht streuende Schicht (5.3) ein organisches oder mineralisches Bindemittel mit einem Volumenanteil von 10 bis 40% enthält.
Solarzelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbrechungsindex der Partikel höher als der des Bindemittels ist.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht streuende Schicht (5.3) bei einer Schichtdicke von zwischen 1 und 20 µm eine Lichttransmission von mehr als 45%, insbesondere mehr als 65% hat.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht streuende Schicht (5.3) des weiteren eine Agglomeration von Partikeln verhindernden, dispergierenden Komponenten enthält.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine ihrer Elektroden oder eine Teilschicht ihrer Elektroden (3, 5.1) mit einer erhöhten Rautiefe ihrer an eine Folgeschicht angrenzenden Oberfläche abgeschieden ist.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer aus kristallinem oder amorphem Silizium bestehenden oder solches enthaltenden Absorberschicht (4).
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7 mit einer aus einem Dünnschichtsystem, insbesondere CIS oder CdTe bestehenden oder ein solches umfassenden Absorberschicht (4).
Solarmodul mit einer Mehrzahl von elektrisch miteinander verschalteten Solarzellen nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Solarmodul nach Anspruch 10, bei dem die Licht streuende Schicht Teil einer gemeinsam von den Solarzellen genutzten Elektrodenschicht ist oder sich an eine solche Elektrodenschicht anschließt.