DE102006062018A1 - Thin section solar module has different cell types which deliver different electric voltage and current at even homogenous radiation of module, and at operation near maximum power point - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Dünnschichtsolarmodul mit verschiedenen Zelltypen, und insbesondere eine Verbesserung des Wirkungsgrads bei Dünnschichtsolarmodulen mit verschiedenen Zelltypen.The The invention relates to a thin-film solar module with different cell types, and especially an improvement the efficiency of thin-film solar modules with different cell types.
Um in photovoltaischen Halbleiterzellen (PV-HL-Zellen) einen hohen Anteil der Lichtumwandlung in Strom erzeugende Elektronen und Löcher zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn die Licht umwandelnde Halbleiterschicht dicker ausgebildet ist. Dem gegenüber steht die Tatsache, dass in dickeren Schichten die generierten Ladungsträger einen längeren Weg zu den Strom ableitenden Elektroden zurücklegen müssen, wobei es teilweise zur Rekombination der generierten Elektronen und Löcher kommt und damit immer weniger der durch Licht generierten Ladungsträger zur Stromerzeugung beitragen.Around in photovoltaic semiconductor cells (PV-HL cells) a high Proportion of light conversion into electricity producing electrons and holes, it is advantageous if the light-converting semiconductor layer is thicker. Opposite that stands the fact that in thicker layers the generated charge carriers dissipate a longer path to the current Cover the electrodes have to, where it is partly for recombination of the generated electrons and holes and thus less and less of the charge carriers generated by light Contribute to electricity generation.
Ein
Ausweg, die negativen Einflüsse
der Rekombination abzuschwächen,
besteht darin, mehrere PV-HL-Zellen mit entsprechend dünneren Schichten im
Lichtweg hintereinander zu stapeln. Dies wirkt sich insbesondere
bei Zellen aus amorphem Silizium auch positiv durch geringere zeitliche
Degradation des Wirkungsgrades aus.
Legende zu
- 1717
- Einfallendes Lichtincident light
- 2525
- Licht, das nach Durchgang durch Zelle C1 zu einer weiteren Zelle C2 kommt.Light, after passing through cell C1 comes to another cell C2.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, mehrere Zellen mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten im Lichtweg hintereinander zu stapeln, um Licht, das in der ersten Zelle (C1) nicht absorbiert wurde, der zweiten Zelle (C2) zu zuführen und damit den gesamten Wirkungsgrad der Umwandlung in elektrischen Strom zu verbessern. Die Zellen C1 und C2 stellen PV-HL Zellen dar, die unterschiedliche Zelltypen repräsentieren (Typ A und Typ B).Furthermore It is advantageous to have multiple cells with different spectral Stacking sensitivities in the light path one behind the other to light, that was not absorbed in the first cell (C1), the second one To feed cell (C2) and thus the overall efficiency of the conversion into electrical To improve electricity. Cells C1 and C2 represent PV-HL cells, representing the different cell types (type A and type B).
In diesem Dokument gelten als unterschiedliche Zelltypen eines Solarmoduls HL-PV-Zellen, die bei homogener Bestrahlung des Moduls und bei Betrieb nahe dem MPP (Maximum Power Point: Arbeitspunkt an dem die Zelle die maximale Ausgangsleistung liefert) unterschiedliche elektrische Spannungen und/oder Ströme liefern, was zurückzuführen ist
- – auf die unterschiedliche Bauart (unterschiedliche Halbleitermaterialien, unterschiedliche Schichtdicken, unterschiedliche Fläche)
- – auf die unterschiedliche Anordnung bezüglich der einfallenden Lichtstrahlung (sie können beispielsweise in unterschiedlichen Schichten liegen und/oder im Lichtweg hintereinander liegen, was Einfluss auf die Lichtstrahlung hat, die auf die Zelle trifft und dort in elektrischen Strom umgewandelt wird.)
- – auf Fertigungsstreuungen bei der Herstellung des Moduls.
- - on the different design (different semiconductor materials, different layer thicknesses, different surface area)
- - The different arrangement with respect to the incident light radiation (they may, for example, lie in different layers and / or in the light path behind the other, which has an influence on the light radiation that strikes the cell and is converted there into electrical current.)
- - on manufacturing variations in the manufacture of the module.
Verringerung des Wirkungsgrades durch elektrische FehlanpassungReduction of efficiency due to electrical mismatch
Es ist nahe liegend und üblich, dass die im Lichtweg hintereinander liegenden Zellen elektrisch in Serie geschaltet werden. Wenn zwei (oder mehrere) PV-HL-Zellen elektrisch in Serie geschaltet sind, führen Stromfehlanpassungen zwischen den Zellen zu deutlichen Verlusten in der Effektivität der Umwandlung, wenn nicht sichergestellt ist, dass beide (oder alle) Zellen nahezu den gleichen Strom (unter MPP Bedingungen der jeweiligen Zelle; MPP = Maximum Power Point) bei für die Anwendung typischer Bestrahlung liefern.It is obvious and commonplace that in the light path one behind the other cells electrically Series are switched. When two (or more) PV-HL cells are electrically connected in series, lead Current mismatches between cells lead to significant losses in the effectiveness the conversion if it is not certain that both (or all) cells have nearly the same current (under MPP conditions) respective cell; MPP = Maximum Power Point) for the application provide typical irradiation.
Stand der Technik ist, dass mehrere im Lichtweg hintereinander angeordnete HL-PV-Zellen elektrisch in Serie geschaltet sind. Grund dafür ist u. a. dass damit die elektrische Verdrahtung der Zellen am einfachsten ist und der Herstellungsaufwand am geringsten ist.was standing The technique is that several in the light path arranged one behind the other HL-PV cells electrically are connected in series. Reason for this is u. a. that with it Electrical wiring of the cells is easiest and the manufacturing cost is lowest.
Grundsätzlich muss – wie vorstehende Überlegungen bei Zellen mit unterschiedlichen Strömen zeigen – bei Betrieb verschiedener Zelltypen in Serienschaltung mit Verlusten aufgrund der elektrischen Fehlanpassung gerechnet werden.Basically - as mentioned above show in cells with different currents - when operating different Cells in series with losses due to electrical mismatch be counted.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Verluste zu reduzieren und den Wirkungsgrad eines Dünnschichtsolarmoduls mit verschiednen Zelltypen zu erhöhen.The invention is based on the object to reduce such losses and to increase the efficiency of a thin-film solar module with different cell types.
Diese Aufgabe wird durch ein Dünnschichtsolarmodul mit verschiedenen Zelltypen gelöst, wobei sich auf dem Modul verschiedene Zelltypen befinden, die bei gleichmäßiger homogener Bestrahlung des Moduls und bei Betrieb nahe dem MPP unterschiedliche elektrische Spannungen und/oder Ströme liefern, was zurückzuführen ist
- • auf die unterschiedliche Bauart (unterschiedliche Halbleitermaterialien, unterschiedliche Schichtdicken, unterschiedliche Fläche)
- • auf die unterschiedliche Anordnung bezüglich der einfallenden Lichtstrahlung (sie können beispielsweise in unterschiedlichen Schichten liegen und/oder im Lichtweg hintereinander liegen, was Einfluss auf die Lichtstrahlung hat, die auf die Zelle trifft und dort in elektrischen Strom umgewandelt wird.)
- • auf Fertigungsstreuungen bei der Herstellung des Moduls,
wobei in jeder Gruppe die gleichen Zelltypen vorgesehen sind und jeder Zelltyp in der gleichen Zahl wie in jeder anderen Gruppe vertreten ist
wobei werter sämtliche zu einer Sub-Gruppe gehörenden Zellen so ausgelegt sind, dass sie bei für die Anwendung typischer Bestrahlung bei Betrieb in der Nähe des MPP nahezu den gleichen Strom liefern
wobei weiter eine Sub-Gruppenspannung und die Zahl der Elemente in den Sub-Gruppen so gewählt werden, dass bei für die Anwendung typischer Bestrahlung und bei Betrieb in der Nähe des MPP alle zu einer Sub-Gruppe gehörenden Zellen in Serienschaltung näherungsweise die Sub-Gruppenspannung USGr erreichen. Die Sub-Gruppenspannung USGr gilt für alle Subgruppen einer Gruppe, d. h. sie ist insbesondere nicht davon abhängig, welche Zelltypen sich in der Subgruppe befinden,
wobei weiter alle zu einer Sub-Gruppe gehörenden Zellen in Serie geschaltet sind
und näherungsweise die Sub-Gruppenspannung USGr erreichen,
und wobei alle zu einer Gruppe gehörenden Sub-Gruppen parallel geschaltet sind.This object is achieved by a thin-film solar module with different cell types, wherein there are different cell types on the module, which provide different electrical voltages and / or currents with uniform homogeneous irradiation of the module and in operation near the MPP, which is due
- • on the different design (different semiconductor materials, different layer thicknesses, different surface area)
- • The different arrangement with respect to the incident light radiation (they may, for example, lie in different layers and / or lie behind each other in the light path, which has an influence on the light radiation that strikes the cell and is converted there into electrical current.)
- • on manufacturing variations in the manufacture of the module,
where the same cell types are provided in each group and each cell type is represented in the same number as in any other group
wherein all cells belonging to a sub-group are designed to provide nearly the same current under typical application irradiation in the vicinity of the MPP
further selecting a sub-group voltage and the number of elements in the sub-groups such that in typical applications for application and in the vicinity of the MPP, all sub-group connected cells in series approximate the sub-group voltage U SGr reach. The subgroup voltage U SGr applies to all subgroups of a group, ie, in particular, it does not depend on which cell types are in the subgroup,
wherein further all belonging to a sub-group cells are connected in series
and approximately reach the sub-group voltage U SGr ,
and wherein all subgroups belonging to a group are connected in parallel.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.further developments The invention will become apparent from the dependent claims.
Kurze Beschreibung der Figuren:Brief description of the figures:
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsvarianten der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert:in the Below are various embodiments of the invention explained with reference to the figures:
Gruppe von mehreren Zellen mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit, die in verschiedenen Schichten angeordnet sindGroup of multiple cells with different spectral Sensitivity, which are arranged in different layers
Wenn man mehrere HL-PV-Zellen in übereinander liegenden und gleichzeitig durchstrahlten Schichten anordnet, kann man den Wirkungsgrad der Umsetzung in elektrischen Strom dadurch verbessern, dass man Zelltypen verwendet, die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten haben und jeweils das Licht aus einem bestimmten Wellenlängenbereich mit höherem Wirkungsgrad in elektrischen Strom konvertieren.By arranging several HL-PV cells in superimposed and simultaneously irradiated layers, one can improve the efficiency of conversion to electrical current by using cell types that have different spectral sensitivities and, respectively, the light from a particular wavelength Converting genbereich with higher efficiency into electricity.
Dafür geeignete Zellen kann man beispielsweise durch Wahl von Halbleitermaterialien mit unterschiedlichem Bandabstand herstellen, was jedoch zur Folge hat, dass sich auch die Spannungen der unterschiedlichen Zelltypen unterscheiden, und damit bei elektrischer Parallelschaltung der Zellen mit deutlichen Verlusten aufgrund der Fehlanpassung der Zellspannung gerechnet werden muss. Aus diesem Grund ist es üblich, übereinander gestapelte Zellen so auszulegen, dass sie bei für die Anwendung typischer Bestrahlung nahezu den gleichen Strom liefern und elektrisch in Serie geschaltet werden, wobei die Stromanpassungsverluste unter idealen Betriebsbedingungen dann relativ gering sind.Suitable for this Cells can be, for example, by choosing semiconductor materials produce with different band gap, but what the result that also has the tensions of different cell types distinguish, and thus in electrical parallel connection of Cells with significant losses due to cell voltage mismatch must be expected. For this reason, it is common to stacked cells be interpreted so that they at the application of typical irradiation provide almost the same current and electrically connected in series, the current adjustment losses under ideal operating conditions are then relatively low.
In der Praxis sind jedoch auch in diesem Fall größere Stromanpassungsverluste unvermeidbar, da die spektrale Zusammensetzung des Lichts nicht immer gleich ist (im Verlauf eines Tages bzw. eines Jahres) und sich daher das Verhältnis der Ströme (jeweils bei MPP-Bedingungen) der einzelnen elektrisch in Serie geschalteten unterschiedlichen Zellentypen ändert.In In practice, however, in this case, larger power adjustment losses unavoidable, since the spectral composition of the light is not always the same (in the course of a day or a year) and Therefore, the ratio the streams (each at MPP conditions) of each electrically in series Switched different cell types changes.
Gruppe aus drei oder mehreren ZellenGroup of three or more cells
Die hier betrachteten Dünnschicht-Solarmodule bestehen aus mehreren Zellen, die in Gruppen (in jeder Gruppe sind die gleichen Zelltypen und jeder Zelltyp ist in der gleichen Zahl wie in jeder anderen Gruppe vertreten) aufgeteilt werden können. Sofern eine Gruppe aus mindestens drei HL-PV-Zellen besteht, die zumindest zwei verschiedene Zelltypen repräsentieren, kann durch eine Kombination aus Serien- und Parallelschaltung erreicht werden, dass die Anpassungsverluste reduziert werden. Beispielhaft ist im Folgenden dargestellt, wie dies bei einer Gruppe von drei bzw. vier Zellen aussehen kann.The here considered thin-film solar modules consist of several cells that are in groups (in each group the same cell types and each cell type is in the same number as represented in any other group) can be divided. If one Group consists of at least three HL-PV cells, at least two represent different cell types, can be achieved by a combination of series and parallel connection, that the adjustment losses are reduced. Exemplary is in As shown below, as in a group of three or four Cells can look like.
Bei
3 Zellen ist dies dann möglich,
wenn die Spannung der Zelle mit der höchsten Spannung (C1: UMPP1) näherungsweise
gleich der Summe der Spannung der beiden anderen Zellen (C2: UMPP2 und C3: UMPP3)
ist (jeweils unter MPP-Bedingungen bei für die Anwendung typischer Bestrahlung),
was wiederum näherungsweise
der Subgruppenspannung (USGr) entspricht.
Die
vorteilhafte Verschaltung dazu ist in
Die gesamte Gruppe aus 3 Zellen wird noch einmal in 2 Sub-Gruppen geteilt. Zur ersten Sub-Gruppe (SGr-A) gehört nur C1, während C2 und C3 zur zweiten Subgruppe (SGr-BC) gehören. Alle Elemente einer Sub-Gruppe müssen so ausgelegt sein, dass sie bei für die Anwendung typischer Bestrahlung bei Betrieb in der Nähe des MPP nahezu den gleichen Strom liefern. Der Zelltyp von C1 (Typ A) ist unterschiedlich dem Zelltyp von C2 (Typ B) und C3 (Typ C). C2 und C3 können, aber müssen nicht, den gleichen Zelltyp repräsentieren.The entire group of 3 cells is divided once again into 2 sub-groups. Only C1 belongs to the first subgroup (SGr-A), while C2 and C3 belong to the second subgroup (SGr-BC). All elements of a subgroup have to be designed so that they are typical for the application of radiation when operating nearby of the MPP provide almost the same power. The cell type of C1 (type A) is different to the cell type of C2 (type B) and C3 (type C). C2 and C3 can, but have to not to represent the same cell type.
Die Sub-Gruppenspannung USGr gilt für alle Subgruppen einer Gruppe, d. h. sie ist insbesondere nicht davon abhängig welche Zelltypen sich in der Subgruppe befinden.The subgroup voltage U SGr applies to all subgroups of a group, ie in particular it does not depend on which cell types are in the subgroup.
Die Sub-Gruppenspannung USGr wird bei Serienschaltung aller zu einer Subgruppe gehörenden Zellen näherungsweise (jeweils bei Betrieb unter MPP Bedingungen bei für die Anwendung typischer Bestrahlung) erreicht.The sub-group voltage U SGr is achieved in series connection of all cells belonging to a subgroup approximately (in each case when operating under MPP conditions in the case of typical irradiation for the application).
Bei
einer Gruppe mit 4 Zellen unterschiedlichen Zelltyps ist es erstrebenswert,
wenn die Summe der Spannungen (jeweils unter MPP Bedingungen bei
für die
Anwendung typischer Bestrahlung) von jeweils zwei Zellen identisch
ist.
Jeweils 2 Zellen werden elektrisch so in Serie geschaltet, dass die resultierenden Spannungen (jeweils unter MPP Bedingungen bei für die Anwendung typischer Bestrahlung) etwa gleich groß sind.Each 2 cells are electrically connected in series so that the resulting Voltages (each under MPP conditions for irradiation typical for the application) are about the same size.
Die
Verschaltung der Zellen ist in
Verschaltung der Zellen bei Gruppen mit vielen ZellenInterconnection of the cells Groups with many cells
Ein
PV-Modul ist in der Regel aus einer Vielzahl von Einzelzellen aufgebaut.
Innerhalb dieses Moduls soll gelten:
Es werden Gruppen gebildet,
in denen sich Zellen verschiedener Zelltypen befinden. In jeder
Gruppe sind die gleichen Zelltypen und jeder Zelltyp ist in der gleichen
Zahl wie in jeder anderen Gruppe vertreten.As a rule, a PV module is made up of a large number of individual cells. Within this module should apply:
Groups are formed in which cells of different cell types are located. In each group are the same cell types and each cell type is represented in the same number as in any other group.
Im Folgenden wird beispielhaft davon ausgegangen, dass 2 verschiedene Zelltypen (Zelltyp A und Zelltyp B) existieren. Jedoch können diese Überlegungen auch auf mehr als 2 Zelltypen übertragen werden, wobei auch verschiedene Zelltypen in einer Sub-Gruppe sein können.In the following, it is assumed by way of example that 2 different cell types (cell type A and cell type B) exist. However, these over also be transferred to more than 2 cell types, whereby also different cell types can be in a sub-group.
Vorteilhafte Verschaltungsmöglichkeiten mit geringen Anpassungsverlusten ergeben sich, wenn eine Serienschaltung von M Zellen des Zelltyps A nahezu die gleiche Spannung wie eine Serienschaltung von wie N Zellen des Zelltyps B liefert (jeweils unter MPP-Bedingungen bei für den Einsatz üblicher Bestrahlung). M und N sind hierbei ganze Zahlen.advantageous Interconnection with low adjustment losses arise when a series connection of M cells of cell type A almost the same voltage as one Series connection of how N cells of cell type B delivers (each under MPP conditions at for the use of usual Irradiation). M and N are integers.
Wenn geeignete Zahlen M und N gefunden wurden, werden innerhalb einer Gruppe jeweils M Zellen des Zelltyps A in Serie geschaltet zu einer Sub-Gruppe (SGr-A), die jeweils die Sub-Gruppenspannung USGr erzeugen (unter MPP-Bedingungen bei üblicher Bestrahlung).If suitable numbers M and N are found, within each group, M cells of cell type A are connected in series to a subgroup (SGr-A), each generating sub-group voltage U SGr (under normal irradiation MPP conditions ).
Ebenso werden jeweils N Zellen des Zelltyps B in Serie geschaltet zu einer Sub-Gruppe (Sgr-B).As well In each case N cells of cell type B are connected in series to one Subgroup (Sgr-B).
Innerhalb einer Gruppe gibt es in diesem Beispiel insgesamt S Sub-Gruppen (SGr-A 1 ... SGr-A S) mit jeweils M Zellen vom Zelltyp A und T Sub-Gruppen mit jeweils N Zellen vom Zelltyp B (SGr-B 1 ... SGr-B T).Within In this example, there are a total of S subgroups in a group (SGr-A 1... SGr-A S) with M cells of cell type A and T subgroups, respectively each with N cells of cell type B (SGr-B 1 ... SGr-B T).
Innerhalb einer Sub-Gruppe müssen sich nicht wie in diesem Beispiel – ausschließlich Zellen eines Typs befinden. Jedoch dürfen sich in einer Subgruppe nur Zellen befinden, die bei für die Anwendung typischer Bestrahlung bei Betrieb in der Nähe des MPP nahezu den gleichen Strom liefern.Within need a sub-group are not, as in this example, exclusively cells of one type. However allowed There are only cells in a subset that are in the application typical irradiation when operating near the MPP almost the same Supply electricity.
In einer Gruppe können sämtliche Sub-Gruppen parallel geschaltet werden, ohne dass große Anpassungsverluste entstehen. Insgesamt gibt es S Sub-Gruppen mit Zelltyp A mit jeweils M Zellen und T Sub-Gruppen mit Zelltyp B mit jeweils N Zellen. In der Gruppe befinden sich S·M Zellen vom Typ A und T·N Zellen vom Typ B.In a group can all Sub-groups are switched in parallel without causing large adjustment losses arise. In total, there are S subgroups with cell type A, respectively M cells and T subgroups with cell type B with N cells each. In of the group are S · M Cells of type A and T · N cells Type B.
Beispiel mit Zahlenwerten:Example with numerical values:
- Zellenspannung des Zelltyps A unter MPP-Bedingungen bei für die Anwendung typischer Bestrahlung UMPPA = 0,5 VCell voltage of cell type A under MPP conditions with radiation typical for the application U MPP A = 0.5 V.
- Zellenspannung der Zelltyps B unter MPP-Bedingungen bei für die Anwendung typischer Bestrahlung UMPPB = 0,9 VCell voltage B of cell type B under MPP conditions for irradiation typical for the application U MPP B = 0.9 V.
- Geeignete Zahlen für N und M sind in diesem Fall M = 9; N = 5 (oder ganzzahlige Vielfache davon)Suitable numbers for N and M are in this case M = 9; N = 5 (or integer Multiple of them)
Anknüpfend an das obige Beispiel könnte durch Wahl von S = 5 und T = 9 erreicht werden, dass in einer Gruppen sich jeweils 45 Zellen vom Zelltyp A und 45 Zellen vom Zelltyp B befinden.Building on the above example could be through Choice of S = 5 and T = 9 can be achieved in one groups each 45 cells of cell type A and 45 cells of cell type B are located.
Es müssen nicht immer von allen Zelltypen gleich viele Zellen in einer Gruppe vorhanden sein. Beispielhaft soll hier nur gezeigt werden, wie durch Wahl von S und T die hier beschriebene Zellverschaltung mit geringen Anpassungsverlusten angewandt werden kann, wenn die verschiedenen Zelltypen in gleicher Anzahl oder in einem bestimmten Zahlenverhältnis zueinander vorhanden sind.It have to not always the same number of cells in a group of all cell types to be available. By way of example only will be shown here, as by choice from S and T the cell interconnection described here with low Adjustment losses can be applied when the different Cell types in the same number or in a specific numerical relationship to each other available.
Beispiel für Aufbau eines Zellenstapels bei einer Gruppe von 3 ZellenExample of a structure of a cell stack in a group of 3 cells
Wird
von einer Gruppe von 3 Zellen ausgegangen, so gilt die Anordnung
von
Dies kann beispielsweise näherungsweise erreicht werden durch Verwendung von a-Si:H als Halbleiter von Zelle 1 sowie durch Verwendung von amorphem Silizium-Germanium (a-SiGe:H) für Zelle 2 und Zelle 3.This can be achieved, for example, approximately are made by using a-Si: H as the semiconductor of cell 1 as well by using amorphous silicon germanium (a-SiGe: H) for cell 2 and cell 3.
Durch das Mischungsverhältnis Silizium zu Germanium in a-SiGe:H wird insbesondere die spektrale Empfindlichkeit sowie die Spannung der Zelle bestimmt. Das Mischungsverhältnis zwischen Silizium und Germanium in beiden Zellen C2 und C3 kann unterschiedlich sein und sollte so gewählt werden, dass die Summe der Ausgangsspannungen der Zellen C2 und C3 (UMPP2 und UMPP3 bei MPP Bedingungen bei für die Anwendung typischer Bestrahlung) näherungsweise UMPP1 erreichen. Zusätzlich sollte bei der Festlegung der Zellspannungen von C2 und C3 die bestmögliche Umwandlung des Lichts in elektrischen Strom berücksichtigt werden. Die spektrale Empfindlichkeit der Zellen sowie die Zellenspannung kann insbesondere auch durch Zumischung von Kohlenstoff zu Silizium (a-SiC:H) beeinflusst werden.The mixing ratio of silicon to germanium in a-SiGe: H determines, in particular, the spectral sensitivity and the voltage of the cell. The mixing ratio between silicon and germanium in both cells C2 and C3 can be different and should be chosen so that the sum of the output voltages of cells C2 and C3 (U MPP 2 and U MPP 3 at MPP conditions typical for the application of irradiation) approximates Reach U MPP 1. In addition, when determining the cell voltages of C2 and C3, the best possible conversion of the light into electrical current should be considered. In particular, the spectral sensitivity of the cells and the cell voltage can also be influenced by adding carbon to silicon (a-SiC: H).
Grundsätzlich ist
es in
Auch sind die verwendeten Halbleitermaterialien nicht auf Mischungen von Silizium, Germanium und Kohlenstoff begrenzt, sondern es können beliebige andere Halbleitermaterialien eingesetzt werden, sofern die damit hergestellten Zellen geeignete spektrale Empfindlichkeiten und geeignete Zellenspannungen aufweisen.Also the semiconductor materials used are not based on mixtures limited by silicon, germanium and carbon, but it can be any other semiconductor materials are used, provided that produced cells suitable spectral sensitivities and suitable Have cell voltages.
Legende zu
- 11
- Glas (Strahlungsfenster, durch das Licht auf die Zellen eintritt)Glass (Radiation window through which light enters the cells)
- 22
- transparente leitfähige Schicht (z. B. TCO: transparent conducting Oxid)transparent conductive Layer (eg TCO: transparent conducting oxide)
- 33
- p-dotiertes a-Si:Hp-doped a-Si: H
- 44
- intrinsisches (undotiertes oder schwach dotiertes) a-Si:Hintrinsic (undoped or weakly doped) a-Si: H
- 55
- n-dotiertes a-Si:Hn-doped a-Si: H
- 66
- transparente leitfähige Schicht (z. B. TCO: transparent conducting Oxid)transparent conductive Layer (eg TCO: transparent conducting oxide)
- 77
- n-dotiertes a-SiGe:Hn-doped a-SiGe: H
- 88th
- intrinsisches (undotiertes oder schwach dotiertes) a-SiGe:Hintrinsic (undoped or weakly doped) a-SiGe: H
- 99
- p-dotiertes a-SiGe:Hp-doped a-SiGe: H
- 1010
- n-dotiertes a-SiGe:Hn-doped a-SiGe: H
- 1111
- intrinsisches (undotiertes oder schwach dotiertes) a-SiGe:Hintrinsic (undoped or weakly doped) a-SiGe: H
- 1212
- p-dotiertes a-SiGe:Hp-doped a-SiGe: H
- 1313
- (optional) transparente leitfähige Schicht (z. B. TCO: transparent conducting Oxid)(Optional) transparent conductive Layer (eg TCO: transparent conducting oxide)
- 1414
- Rückseitenkontakt (und Reflektor)Back contact (and reflector)
- 1515
- Plus Pol der Zellgruppeplus Pol of the cell group
- 1616
- Minus Pol der Zellgruppeminus Pol of the cell group
- 1717
- einfallendes Lichtincident light
Auch in diesem Fall gibt es die Problematik der Anpassungsverluste der Ströme der elektrisch hintereinander geschalteten Zellen C2 und C3, die sich in der gleichen Sub-Gruppe befinden.Also In this case, there is the problem of adjustment losses of streams the electrically connected in series cells C2 and C3, the located in the same subgroup.
Die Optimierung der Ströme von 2 elektrisch in Serie geschalteten Zellen ist jedoch leichter als bei 3 elektrisch in Serie geschalteten Zellen.The Optimization of the currents however, 2 cells connected in series are lighter as in 3 electrically connected in series cells.
Gute Anpassung kann auch erreicht werden, indem man für Zelle 2 und 3 jeweils statt der im Beispiel genannten a-SiGe:H Verbindungen jeweils mikrokristallines Silizium (μc-Si:H) verwendet. Zellen aus mikrokristallinem Silizium erreichen typischerweise eine Zellenspannung von ca. 0,4 V...0,5 V (unter MPP Bedingungen bei für die Anwendung typischer Bestrahlung) und damit etwa den halben Wert von Zellen aus amorphem Silizium. Da dann die Zellen C2 und C3 aufgrund des gleichen Materials gleiche oder sehr ähnliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen, ist die Auslegung der Zellen auf gleichen Strom deutlich erleichtert.Quality Adaptation can also be achieved by going for cell 2 and 3 respectively the a-SiGe mentioned in the example: H compounds in each case microcrystalline Silicon (μc-Si: H) used. Microcrystalline silicon cells typically reach a cell voltage of about 0.4 V ... 0.5 V (under MPP conditions at for the application of typical irradiation) and thus about half the value of Amorphous silicon cells. Because then the cells C2 and C3 due same or very similar spectral sensitivity of the same material The design of cells on the same stream is clear facilitated.
Darüber hinaus
können
die Eigenschaften (insbesondere der Strom) der Zellen C2 und C3
noch besser angeglichen werden, wenn beide Zellen innerhalb der
gleichen Halbleiterschichten hergestellt werden. Damit sind die
Zellen C2 und C3 vom gleichen Zelltyp und können problemlos in einer Sub-Gruppe
zusammengefasst sein. Einen möglichen
Aufbau einer Gruppe von 3 Zellen wovon 2 Zellen vom gleichen Zelltyp
sind und in Serie geschalten sind zeigt
Hierbei sind die in der gleichen Halbleiterschicht nebeneinander liegenden Zellen C2 und C3 im Lichtweg hinter der Zelle C1 angeordnet.in this connection are the juxtaposed in the same semiconductor layer Cells C2 and C3 are arranged in the light path behind the cell C1.
Legende zu
- 11
- Glas (Strahlungsfenster, durch das Licht auf die Zellen eintritt)Glass (Radiation window through which light enters the cells)
- 22
- transparente leitfähige Schicht (z. B. TCO: transparent conducting Oxid)transparent conductive Layer (eg TCO: transparent conducting oxide)
- 33
- p-dotiertes a-Si:Hp-doped a-Si: H
- 44
- intrinsisches (undotiertes oder schwach dotiertes) a-Si:Hintrinsic (undoped or weakly doped) a-Si: H
- 55
- n-dotiertes a-Si:Hn-doped a-Si: H
- 66
- transparente leitfähige Schicht (z. B. TCO: transparent conducting Oxid)transparent conductive Layer (eg TCO: transparent conducting oxide)
- 1515
- Plus Pol der Zellgruppeplus Pol of the cell group
- 1616
- Minus Pol der Zellgruppeminus Pol of the cell group
- 1717
- einfallendes Lichtincident light
- 1818
- optisch transparenter elektrischer Isolator (z. B. SiN oder SiON); alternativ elektrisch isolierendes Schichtsystem mit optischer Filterwirkungoptical transparent electrical insulator (eg SiN or SiON); alternative electrically insulating layer system with optical filter effect
- 1919
- transparente leitfähige Schicht (z. B. TCO: transparent conducting Oxid)transparent conductive Layer (eg TCO: transparent conducting oxide)
- 2020
- p-dotiertes μc-Si:Hp-doped μc-Si: H
- 2121
- intrinsisches (undotiertes oder schwach dotiertes) μc-Si:Hintrinsic (undoped or weakly doped) μc-Si: H
- 2222
- n-dotiertes μc-Si:Hn-doped μc-Si: H
- 2323
- (optional) transparente leitfähige Schicht (z. B. TCO: transparent conducting Oxid)(Optional) transparent conductive Layer (eg TCO: transparent conducting oxide)
- 2424
- Rückseitenkontakt (und Reflektor)Back contact (and reflector)
Auch bei dieser Konfiguration ist die Reihenfolge des Zellaufbaus (pin bzw. nip) vertauschbar, sofern bei der Verschaltung der Zellen die Polarität der Zellen beachtet wird.Also In this configuration, the order of cell construction (pin or nip) interchangeable, provided that in the interconnection of the cells polarity the cells is observed.
Ebenso ist auch diese Konfiguration als Superstrate-Design (wie hier angedeutet) oder als Substrate-Design herstellbar.As well is this configuration as superstrate design (as indicated here) or produced as a substrate design.
Zum Verschalten und Strukturieren der Zellen können die bei der Herstellung von Dünnschichtzellen üblichen Prozesse (CVD, PECVD, APCVD, Sputtern, Aufdampfen, Laserstrukturierung, Photolithographie, Ätzen, ...) und Materialien (TCO wie zum Beispiel SnO:F, ZnO, Metalle wie zum Beispiel Al, Ag, Cu, ... Isolatoren wie zum Beispiel Siliziumoxid, SiON, SiN, ZnNx) verwendet werden.For interconnecting and structuring the cells, the usual processes in the production of thin-film cells (CVD, PECVD, APCVD, sputtering, vapor deposition, laser structuring, photolithography, etching, ...) and materials (TCO such as SnO: F, ZnO, metals such as Al, Ag, Cu, ... insulators such as silicon oxide, SiON, SiN, ZnN x ) can be used.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass Zellen aus amorphem Silizium zu einer Degradation des Wirkungsgrades neigen, insbesondere wenn sie zu dick werden, ist es anzustreben, dass statt einer relativ dicken a-Si:H Zelle zwei halb so dicke im Lichtweg hintereinander angeordnete a-Si:H Zellen verwendet werden.Under consideration the fact that cells made of amorphous silicon cause a degradation of the Efficiency tend, especially if they are too thick, is to strive for that instead of a relatively thick a-Si: H cell two half as thick in the light path one behind the other arranged a-Si: H cells be used.
Hinter diesen Stapel aus zwei a-Si:H Zellen, die elektrisch parallel geschaltet werden, können nun nebeneinander liegend zwei Zellen aus μc-Si:H angeordnet werden, die elektrisch in Serie geschaltet sind.Behind this stack of two a-Si: H cells, which are electrically connected in parallel can, can now juxtaposed two cells from μc-Si: H are arranged, the electrically connected in series.
Diese Gruppe aus 4 Zellen besteht aus 3 Sub-Gruppen,
- – der ersten a-Si:H Zelle
- – der zweiten a-Si:H Zelle
- – der Serienschaltung von zwei μc-Si:H-Zellen.
- - the first a-Si: H cell
- - the second a-Si: H cell
- - the series connection of two μc-Si: H cells.
Diese
3 Subgruppen werden nun parallel verschaltet. Eine mögliche Realisierung
zeigt
Grundsätzlich sind die vorgeschlagenen Aufbauten nicht auf Si-Halbleiter beschränkt. Insbesondere können statt a-Si:H und μc-Si:H andere Halbleitermaterialien verwendet werden, sofern sich damit Zellen herstellen lassen die sich etwa im Faktor 2 in der Spannung (in der Nähe des MPP) unterscheiden.Basically the proposed structures are not limited to Si semiconductors. Especially can instead of a-Si: H and μc-Si: H other semiconductor materials are used, provided that cells can be produced in about the factor 2 in the voltage (in nearby of the MPP).
Durch Zumischung von Kohlenstoff und/oder Germanium zu Silizium kann insbesondere die spektrale Empfindlichkeit und die Spannung der Zellen beeinflusst werden, und dadurch das System weiter optimiert werden.By Addition of carbon and / or germanium to silicon can in particular affects the spectral sensitivity and the voltage of the cells and thereby further optimizing the system.
Bei
im Lichtweg hintereinander angeordneten Zellen (vergl.
So werden durch mehrere im Lichtweg hintereinander angeordnete Zellen sukzessiv ausgehend vom kurzwelligen Licht weitere langwelligere Spektralbereiche des Lichts in elektrischen Strom gewandelt.So become by several in the light path successively arranged cells successively starting from the short-wave light further long-wave spectral ranges of light converted into electricity.
Vorteilhaft ist, wenn beim Übergang des Lichts von einer Zelle, die für kurzwelliges Licht optimiert wurde (KW-Zelle) zu einer Zelle, die für langwelligeres Licht optimiert wurde (LW-Zelle) zwischen den Zellen ein dichroitischer Filter gelegt wird, der kurzwelliges Licht, das von der KW-Zelle umgewandelt werden kann, reflektiert (damit es bei einem weiteren Durchgang durch die KW-Zelle umgewandelt wird) und langwelliges Licht zur LW Zelle (und eventuell weiteren folgenden Zellen) durchlässt.Advantageous is when at the transition the light from a cell that is optimized for shortwave light became (KW cell) a cell optimized for longer-wave light A dichroic filter was placed between the cells (LW cell) , the shortwave light that is converted by the KW cell can, reflected (so that it passes through the KW cell) and long-wave light to the LW cell (and possibly following cells).
Bei
den in
Bei
der in
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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- 2006-12-29 DE DE200610062018 patent/DE102006062018A1/en not_active Withdrawn
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