DE102004055225A1 - Anordnung mit Solarzelle und integrierter Bypass-Diode - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit zumindest einer Solarzelle, die durch eine erste Schichtfolge unterschiedlich dotierter Schichten über einem Substrat gebildet ist, und zumindest einer Bypass-Diode, die mit der Solarzelle verschaltet ist, insbesondere in einem monolithisch serienverschalteten Solarmodul. Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Bypass-Diode durch eine zweite Schichtfolge gebildet ist, die zwischen dem Substrat und der ersten Schichtfolge angeordnet ist. DOLLAR A Mit der vorliegenden Anordnung lassen sich bei einem sehr geringen Verlust an aktiver Empfangsfläche monolithisch serienverschaltete Solarmodule bilden, bei denen die Solarzellen durch Bypass-Dioden geschützt sind.

Description

  • Technisches Anwendungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit zumindest einer Solarzelle, die durch eine erste Schichtfolge über einem Substrat gebildet ist, und zumindest einer Bypass-Diode, die mit der Solarzelle verschaltet ist, insbesondere in einem monolithisch serienverschalteten Solarmodul.
  • Solarzellen werden vor häufig in Solarmodulen eingesetzt, in denen sie reihen- und spaltenweise angeordnet sind. Durch eine Serienverschaltung der Solarzellen im Solarmodul wird eine ausreichend hohe elektrische Spannung für den Verbraucher erzeugt. Bei einer Teilabschattung eines Solarmoduls besteht jedoch aufgrund der Serienverschaltung die Gefahr der Zerstörung der abgeschatteten Zellen, die in diesem Fall als elektrische Verbraucher arbeiten. Die einzelnen Solarzellen im Solarmodul sollten daher durch Bypass-Dioden vor Überspannungen in Sperrrichtung geschützt werden.
  • Die Verschaltung der einzelnen Solarzellen mit Bypass-Dioden ist jedoch in monolithisch serienverschalteten Modulen (MIM: Monolithically Interconnected Module) nicht ohne Einschränkungen möglich. Monolithisch serienverschaltete Solarmodule weisen eine größere Anzahl von Solarzellen auf, die auf ein gemeinsames, semi-isolierendes Substrat als Schichtfolge aufgebracht sind. Die einzelnen Solarzellen sind hierbei durch Gräben in der Schichtfolge voneinander getrennt und über integrierte metallische Kontakte miteinander verschaltet. Ein Beispiel für ein MIM-Solarmodul sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung kann bspw. der Veröffentlichung von S. van Riesen et al., „GaAs-Monolithically Interconnected Modules (MIMS) with an Efficiency above 20%", 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 7–11 June 2004, Paris, entnommen werden. Die einzelnen photovoltaisch aktiven Flächen der Solarzellen eines derartigen Solarmoduls weisen in der Regel nur eine kleine Breite von etwa 1 mm auf, um die Stromstärke bei intensivem Lichteinfall in Grenzen zu halten. Sie eigenen sich daher sehr gut für den Einsatz in Konzentratorsystemen, bspw. in Parabolspiegel- und Form-Konzentratoren. Bei der Verschaltung der Einzelzellen monolithisch serienverschalteter Solarmodule mit Bypass-Dioden muss allerdings bisher ein erheblicher Verlust aktiver Empfangsfläche hingenommen werden, um die Bypass-Dioden zwischen den Solarzellen in das Solarmodul zu integrieren. Weiterhin ist die Leistungsfähigkeit der Dioden in einer derartigen Anordnung begrenzt.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung einer Solarzelle mit einer Bypass-Diode anzugeben, die eine höhere Leistungsfähigkeit der Bypass-Diode ermöglicht und zu einem geringeren Verlust aktiver Empfangsfläche bei der Integration in einem Solarmodul führt.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird mit der Anordnung aus Solarzelle und Bypass-Diode gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
  • Die vorliegende Anordnung mit einer Solarzelle, die in bekannter Weise durch eine erste Schichtfolge unterschiedlich dotierter Schichten über einem Substrat gebildet ist, und einer Bypass-Diode, die mit der Solarzelle verschaltet, zeichnet sich dadurch aus, dass die Bypass-Diode durch eine zweite Schichtfolge gebildet ist, die zwischen dem Substrat und der ersten Schichtfolge angeordnet ist. Die erste Schichtfolge stellt hierbei die photovoltaisch aktive Schichtfolge der Solarzelle dar.
  • Bei der vorliegenden Verschaltung der Solarzelle mit der Bypass-Diode ist somit die Bypass-Diode in den das Substrat und die erste Schichtfolge umfassenden Aufbau der Solarzelle integriert. Die Bypass-Diode besteht dabei aus einer Schichtfolge aus einer n-leitenden und einer p-leitenden Schicht, die vollflächig zwischen der photovoltaisch aktiven Schichtfolge der Solarzelle und dem Substrat ausgebildet sind. Somit wird für die Bypass-Diode selbst keine zusätzliche Fläche neben der photovoltaisch aktiven Fläche, d.h. der aktiven Empfangsfläche der Solarzelle, benötigt. Lediglich die zur Kontaktierung der Bypass-Diode notwendige Fläche verursacht einen geringen zusätzlichen Verlust an aktiver Empfangsfläche von weniger als 5%. Dennoch sind sämtliche Solarzellen in einem derartigen Solarmodul, vorzugsweise einem MIM-Solarmodul, durch die Bypass-Dioden geschützt. Die vollflächige Ausbildung der Bypass-Diode führt auch zu einer höheren Leistungsfähigkeit dieses Bauelements.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Anordnung liegt zwischen der photovoltaisch aktiven Schichtfolge der Solarzelle und der die Bypass-Diode bildenden Schichtfolge eine dünne hochdotierte Schichtfolge, die eine Tunneldiode bildet. Durch diese Tunneldiode lässt sich ein vereinfachter Aufbau der Anordnung realisieren.
  • Vorzugsweise umfasst die erste Schichtfolge zumindest eine p-leitende und eine n-leitende Schicht, die den photovoltaisch aktiven Bereich bilden, und auf einer hochdotierten Querleitschicht (LCL: Lateral Conduction Layer) liegen. Weiterhin können zusätzliche Reflexions- und/oder Passivierungsschichten vorgesehen sein. Eine derartige Schichtfolge zur Bildung einer Solarzelle ist aus dem Stand der Technik, bspw. der in der Beschreibungseinleitung genannten Veröffentlichung von S. van Riesen, bekannt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die vorliegende Anordnung Bestandteil eines monolithisch serienverschalteten Solarmoduls (MIM), in dem mehrere Solarzellen mit integrierter Bypass-Diode nebeneinander angeordnet und in Serie miteinander verschaltet sind. Hierbei werden die einzelnen Schichten vorzugsweise zunächst ganzflächig mit einem Epitaxieverfahren, vorzugsweise MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxie) auf ein gemeinsames Substrat aufgebracht. Die zweite Schichtfolge zur Bildung der Bypass-Dioden kommt dabei zwischen der ersten Schichtfolge zur Bildung der Solarzellen und dem Substrat zu liegen. Nach dem Aufbringen der Schichtfolgen werden tiefer liegende Halbleiterschichten zur elektrischen Kontaktierung durch Ätzen von Gräben freigelegt und die einzelnen Solarzellen des Solarmoduls durch diese Gräben, die sich bis in das Substrat hinein erstrecken, voneinander isoliert. Wo dies notwendig oder vorteilhaft ist, werden die Flanken der geätzten Gräben durch einen Isolator abgedeckt. Anschließend erfolgt die Serienverschaltung der benachbarten Solarzellen durch Aufbringen einer strukturierten Metallschicht, die unterschiedliche Halbleiterschichten in den Gräben und außerhalb der Gräben elektrisch miteinander verbindet. Bei dieser elektrischen Kontaktierung werden die Bypass-Dioden in die Verschaltung eingebunden.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Anordnung wird ein Schichtaufbau gewählt, bei dem auf dem semi-isolierenden Substrat in der folgenden Reihenfolge eine hochdotierte n-leitende Querleitschicht, eine dünne eine Tunneldiode bildende Schichtfolge, eine p-dotierte Schicht und eine hochdotierte n-leitende Querleitschicht zur Bildung der Bypass-Diode, eine dünne eine weitere Tunneldiode bildende Schichtfolge, und eine p-dotierte Schicht sowie eine n-dotierte Schicht zur Bildung der photovoltaisch aktiven Schichtfolge aufgebracht sind. Weiterhin können auch hier an geeigneter Stelle im Schichtaufbau zusätzliche Reflexions- und/oder Passivierungsschichten vorgesehen sein. Bei diesem Aufbau müssen für die Serienverschaltung benachbarter Solarzellen unter Einschluss der Bypass-Dioden lediglich n-dotierte Schichten metallisch kontaktiert werden, so dass dies mit einer einheitlichen strukturierten Metallschicht möglich ist. Dies verringert den Produktionsaufwand gegenüber einer Ausgestaltung, bei der sowohl n-dotierte als auch p-dotierte Halbleiterschichten kontaktiert werden müssen, wofür unterschiedliche Metallschichten erforderlich sind.
    •
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Anordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzumfangs nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 in Querschnittsdarstellung ein erstes Beispiel für einen Aufbau der vorliegenden Anordnung in einem Solarmodul;
  • 2 ein Ersatzschaltbild für die Darstellung der 1;
  • 3 ein modifiziertes Ersatzschaltbild für die Darstellung der 1;
  • 4 in Querschnittsdarstellung ein zweites Beispiel für einen Aufbau der vorliegenden Anordnung in einem Solarmodul;
  • 5 ein Ersatzschaltbild für die Darstellung der 4; und
  • 6 ein abgewandeltes Ersatzschaltbild für die Darstellung der 4.
  • Wege zur Ausführung der Erfindung
  • 1 zeigt ein Beispiel für einen Aufbau der vorliegenden Anordnung in einem monolithisch serienverschalteten Solarmodul (MIM). In der Figur ist ein Ausschnitt aus dem Solarmodul zu erkennen, in dem 3 serienverschaltete Solarzellen mit Bypass-Dioden zumindest zum Teil dargestellt sind. Die Figur zeigt einen Querschnitt durch eine die Schichtstruktur sowie die Verschaltung der benachbarten Solarzellen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Schichtstruktur aus den folgenden Halbleiterschichten:
    Auf dem semi-isolierenden Substrat 6, einem Wafer aus GaAs, ist eine Schichtfolge 4, 5 aus Halbleiterschichten entgegengesetzter Dotierung aufgebracht, die die Bypass-Diode, bilden. Die Schicht 4 aus GaAs mit einer p-Dotierung von ca. 2·1018 cm–3 und einer Dicke von etwa 50 nm stellt den Emitter der Bypass-Diode dar. Die n-dotierte Schicht 5, ebenfalls aus GaAs, setzt sich aus einer 50 nm dicken Teilschicht mit einer Dotierung von ca. 2·1018 cm–3 als Basis der Bypass-Diode und einer 500 nm dicken Teilschicht mit einer Dotierung von ca. 5·1018 cm–3 zusammen, die eine Querleitschicht der Bypass-Diode bildet.
  • Auf dieser Schichtfolge 4, 5 ist eine weitere dünne Halbleiterschicht 3 aus GaAs zur Bildung einer Tunneldiode aufgebracht. Diese Schicht setzt sich aus einer unteren p-dotierten Teilschicht (20 nm; p=1019 cm–3) als Basis und einer oberen n-dotierten Teilschicht (20 nm; n=1019 cm–3) als Emitter der Tunneldiode zusammen.
  • Auf die die Tunneldiode bildende Schicht 3 folgt schließlich eine Schichtfolge 1, 2 aus zwei Halbleiterschichten entgegengesetzter Dotierung. Die obere Schicht 1 besteht aus einer 1000 nm dicken p-dotierten Schicht aus GaAs mit einer Dotierung von ca. 2·1018 cm–3 als Emitter der Solarzelle, auf der als Fensterschicht eine 20 nm dicke Passivierungsschicht aus AlGaAs aufgebracht ist, die Minoritätsladungsträger reflektiert. Die n-dotierte Schicht 2 besteht aus drei Teilschichten, von denen die oberste 2000 nm dicke Teilschicht aus GaAs mit einer Dotierung von ca. 5·1017 cm–3 die Basis der Solarzelle bildet. Darunter liegt eine 50 nm dicke Passivierungsschicht aus AlGaAs mit einer Dotierung von ca. 5·1018 cm–3. Die unterste Teilschicht aus GaAs bildet aufgrund ihrer hohen Dotierung von ca. 5·1018 cm–3 und ihrer hohen Dicke von 2000 nm eine hochleitfähige Querleitschicht mit geringem Schichtwiderstand.
  • Zur Trennung der einzelnen Solarzellen innerhalb des Solarmoduls sowie zur elektrischen Serienverschaltung sind Gräben in die epitaktisch gewachsene Schichtstruktur eingebracht, die sich zum Teil bis in das Substrat erstrecken. Durch diese Gräben wird zum einen die Isolation zwischen den einzelnen Solarzellen des Solarmoduls erreicht. Zum anderen dienen diese Gräben der elektrischen Kontaktierung der in unterschiedlicher Tiefe befindlichen Halbleiterschichten. Die Seiten flanken der Gräben werden hierbei zunächst mit einer Isolationsschicht 7, bspw. aus Polyimid, bedeckt. Die Auftragung dieses Isolators erfolgt in bekannter Weise durch geeignete Photolithographie- und/oder Ätzschritte in strukturierter Form. Das Gleiche gilt für die Metallschicht 8, die eine elektrische Verbindung zur Serienverschaltung benachbarter Solarzellen einerseits und zur Parallelverschaltung der jeweiligen Bypass-Diode mit der Solarzelle andererseits dient. Sie besteht aus gebräuchlichen, dünnen Metallkontakten zur Herstellung ohmscher Metall-Halbleiter-Übergänge und einer darüber liegenden, hochleitfähigen 2 μm dicken Silberschicht. Die Metallisierung erstreckt sich als Kontaktgrid 9 aus feinen Kontaktfingern bis über die photovoltaisch aktive Fläche der jeweiligen Solarzelle.
  • 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für die in der 1 dargestellte Verschaltung der einzelnen Solarzellen und Bypass-Dioden. Die Solarzellen sind in diesem Ersatzschaltbild in bekannter Weise durch eine Stromquelle und eine dazu parallele Diode repräsentiert, wobei parallel zur Solarzelle die Bypass-Diode und die Tunnel-Diode geschaltet sind. Aus diesem Ersatzschaltbild ist erkennbar, dass die bei einer Abschattung einer einzelnen Solarzelle in Sperrrichtung über der Solarzelle anliegende Spannung über die Bypassdiode abgebaut wird.
  • 3 zeigt schließlich noch ein modifiziertes Ersatzschaltbild, in dem zusätzlich der Schichtaufbau der Solarzelle sowie der Bypass-Diode berücksichtigt ist.
  • Der Schichtaufbau der Anordnung gemäß 1 in einem Solarmodul unterscheidet sich von bekannten Solarmodulen ohne integrierte Bypass-Diode durch die zusätzliche Schichtfolge der die Bypass-Diode bildenden Halbleiterschichten 4, 5 sowie der die Tunneldiode bildenden Schicht 3 und die zusätzliche metallische Kontaktierung der Halbleiterschicht 5, die Bestandteil der Bypass-Diode ist. Bei dem in 1 dargestellten Schichtaufbau besteht die Notwendigkeit, Halbleiterschichten unterschiedlicher Dotierung, d. h. sowohl n-dotierte als auch p-dotierte Halbleiter, zu kontaktieren. Dazu sind unterschiedliche Metallschichten notwendig, so dass der Produktionsaufwand steigt. Dieser zusätzliche Produktionsaufwand kann durch den Einbau einer weiteren Tunneldiode vermieden werden, wie dies anhand der folgenden Figuren dargestellt ist.
  • 4 zeigt hierzu ein Beispiel für einen modifizierten Aufbau der Anordnung aus Solarzelle und Bypass-Diode innerhalb eines MIM-Solarmoduls. In diesem Beispiel besteht die epitaktisch gewachsene Schichtstruktur aus den folgenden Halbleiterschichten:
    Über dem semi-isolierenden Substrat 16 liegt zunächst eine hoch n-dotierte Querleitschicht 15 (LCL). Auf dieser Schicht ist eine dünne Schichtfolge 20 zur Bildung einer Tunneldiode aufgebracht. Oberhalb der die Tunneldiode bildenden Schichtfolge 20 befindet sich eine Schichtfolge aus einer p-dotierten Schicht 14 sowie einer hochdotierten n-leitenden Querleitschicht 13, durch deren pn-Übergang die Bypass-Diode gebildet wird. Es folgt eine weitere, eine Tunneldiode bildende dünne Schichtfolge 21, auf der eine p-dotierte Halbleiterschicht 12 als Basis der Solarzelle liegt. Schließlich folgt die den Emitter der Solarzelle bildende n-dotierte Halbleiterschicht 11. Die Ausbildung der Gräben, die Isolation der Seitenflanken der Gräben mit einer Isolationsschicht 17 sowie die elektrische Verschaltung der einzelnen Solarzellen und Bypass-Dioden dieser Struktur mit der Metallschicht 18, die über der photovoltaisch aktiven Fläche in eine Kontaktfingerstruktur 19 übergeht, erfolgen in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel der 1–3.
  • Durch den Schichtaufbau der 4 wird erreicht, dass lediglich Halbleiterschichten der gleichen Dotierung (hier: n-Dotierung) mit der Metallschicht 18 kontaktiert werden müssen. Dies verringert den Produktionsaufwand, erfordert jedoch den Einbau einer zusätzlichen Tunneldiode.
  • 5 zeigt ein Ersatzschaltbild dieses Schichtaufbaus, in dem die Solarzelle, die beiden Tunneldioden sowie die Bypass-Diode zu erkennen sind. In gleicher Weise wie 3 zeigt 6 noch ein abgewandeltes Ersatzschaltbild dieser Schichtstruktur unter zusätzlicher Berücksichtigung des Schichtaufbaus. Auch aus diesen Ersatzschaltbildern ist ersichtlich, dass die Bypass-Diode die einzelnen Solarzellen bei Anliegen einer Überspannung in Sperrrichtung schützt.
  • Weiterhin ist aus den 1 und 4 unmittelbar ersichtlich, dass die vorliegend gewählte Integration der Bypass-Diode in den Schichtaufbau der einzelnen Solarzellen nur einen geringen Verlust an aktiver Empfangsfläche mit sich bringt. Somit lassen sich bei Einsatz der vorliegenden Anordnung in einem monolithisch serienverschalteten Solarmodul großflächige Empfänger bereitstellen, in denen jede einzelne Solarzelle mit den Bypass-Dioden geschützt ist.
    • 1
    p-dotierte Halbleiterschicht als Emitter der
    Solarzelle
    2
    n-dotierte Halbleiterschicht als Basis der
    Solarzelle
    3
    Tunneldiode bildende Schichtfolge
    4
    p-dotierte Halbleiterschicht als Emitter der
    Bypass-Diode
    5
    n-dotierte Halbleiterschicht als Basis der Bypass-
    Diode
    6
    semi-isolierendes Substrat
    7
    Isolationsschicht
    8
    Metallschicht
    9
    Kontaktgrid
    11
    n-dotierte Halbleiterschicht als Emitter der
    Solarzelle
    12
    p-dotierte Halbleiterschicht als Basis der
    Solarzelle
    13
    n-dotierte Halbleiterschicht
    14
    p-dotierte Halbleiterschicht
    15
    n-dotierte Querleitschicht
    16
    semi-isolierendes Substrat
    17
    Isolationsschicht
    18
    Metallschicht
    19
    Kontaktgrid
    20
    Tunneldiode bildende Schichtfolge
    21
    Tunneldiode bildende Schichtfolge

Claims (8)

  1. Anordnung mit zumindest einer Solarzelle, die durch eine erste Schichtfolge (1, 2, 11, 12) unterschiedlich dotierter Schichten über einem Substrat (6, 16) gebildet ist, und zumindest einer Bypass-Diode, die mit der Solarzelle verschaltet ist, insbesondere in einem monolithisch serienverschalteten Solarmodul, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Diode durch eine zweite Schichtfolge (4, 5, 13, 14) gebildet ist, die zwischen dem Substrat (6, 16) und der ersten Schichtfolge (1, 2, 11, 12) angeordnet ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1, 2, 11, 12) und der zweiten Schichtfolge (4, 5, 13, 14) zumindest eine dritte Schichtfolge (3, 20, 21) liegt, die eine Tunneldiode bildet.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schichtfolge (1, 2, 11, 12) zumindest eine p-leitende und eine n-leitende Schicht umfasst, die einen photovoltaisch aktiven Bereich bilden, und auf einer hochdotierten Querleitschicht liegen.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schichtfolge (4, 5, 13, 14) zumindest eine p-leitende und eine n-leitende Schicht umfasst.
  5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (16) zumindest die folgenden Schichten oder Schichtfolgen in der angegebenen Reihenfolge aufgebracht sind: – eine hochdotierte n-leitende Querleitschicht (15); – eine dünne eine Tunneldiode bildende Schichtfolge (21); – eine p-dotierte Schicht (14) und eine hochdotierte n-leitende Querleitschicht (13) als zweite Schichtfolge; – eine dünne eine weitere Tunneldiode bildende Schichtfolge (20); und – eine p-dotierte Schicht (12) sowie eine n-dotierte Schicht (11) als erste Schichtfolge.
  6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtfolgen durch epitaktisch gewachsene Schichten gebildet sind.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass tiefer liegende Schichten der Schichtfolgen über Gräben in den Schichtfolgen elektrisch kontaktiert sind.
  8. Solarmodul aus mehreren nebeneinander angeordneten und in Serie miteinander verschalteten Solarzellen, die in einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit Bypass-Dioden verschaltet sind.
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