DE102006062092B4 - In Bezug auf Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit optimierte Solarmodule - Google Patents

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Abstract

Photovoltaikmodul mit Solarzellen auf Basis von monokristallinen oder multikristallinen Halbleiter-Wafern, bei dem die Lichtstrahlen, die auf dem Weg von der Umgebung zu den lichtempfindlichen Stellen des die Strahlungsenergie in elektrischen Strom umwandelnden Halbleitermaterials ein Zell-Schichtsystem durchlaufen, das Reflexionsverluste reduziert durch Verminderung der an den Grenzflächen auftretenden optischen Reflexionen, wobei das Zell-Schichtsystem zwischen dem Laminierungsmaterial und der Licht aufnehmenden Oberfläche der Strom erzeugenden Solarzelle angeordnet ist, und einen mit einer Tiefe x variierenden Brechungsindex nss(x) aufweist, der zwischen n2, dem Brechungsindex des Laminierungsmaterials, das bei x = 0 an der dem Frontglas zugewandten Seite des Schichtsystems angrenzt und n4, dem Brechungsindex des in der Zelle für die Absorption der Strahlung verantwortlichen Silizium Halbleiters, liegt, so dass gilt: n2 ≤ nss(x) ≤ n4und wobei ferner der Brechungsindex des Schichtsystems ausgehend von dem Einbettungsmaterial in Richtung zum Halbleiter monoton ansteigt, und das Zell-Schichtsystem aus mindestens drei Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex besteht und die Schichten aus den Elementen Si, N, O und H bestehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Verminderung von Reflexionsverlusten bei einem Photovoltaikmodul.
  • Bei Solarzellen ist es von größter Bedeutung, dass einfallendes Licht möglichst ohne Verluste in das absorbierende Halbleitermaterial gelangt. Auf dem Weg dorthin wird die Intensität des Lichts, insbesondere durch Reflexionen, abgeschwächt, die an Grenzen entstehen, an denen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes zusammenkommen.
  • Am Beispiel von Dünnschicht-Solarzellen wird gezeigt, wie die Verluste durch derartige Reflexionen vermindert werden können:
    Bei Dünnschicht Solarzellen, bei denen das Licht durch ein durchsichtiges Material (sehr häufig Glas) eintritt und über eine transparente leitfähige Schicht (auch als TCO bezeichnet; englisch: transparent conducting oxide) in die Licht absorbierende Halbleiterschicht gelangt, kann damit zusätzlich ein häufiges Zuverlässigkeitsproblem gelöst werden, nämlich die allmähliche Ablösung von TCO verhindert werden. Durch diese Ablösung des TCO kann es zu einer Leistungsminderung oder einem Totalausfall der Solarzelle kommen.
  • 1 zeigt beispielhaft den typischen Aufbau einer Dünnschichtsolarzelle wie sie bereits im Stand der Technik bekannt ist (Superstrate Design; nicht maßstabsgerecht!).
  • Im Einzelnen zeigen die Bezuszeichen in 1 Folgendes:
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Einfallendes Licht
    2
    Front-Glas (Strahlungsfenster, durch das Licht eintritt; Substrat bei Superstrate Design
    3
    Interface zwischen Glas (2) und transparenter leitfähiger Schicht (4)
    4
    transparente leitfähige Schicht (z. B. TCO: transparent conducting oxide)
    5
    Licht absorbierende Halbleiterstruktur (bestehend aus mehreren Schichten)
    6
    Schicht zur Verbesserung der Reflexion
    7
    Rückseitenkontakt
    8
    Laminierungsschicht
    9
    Rückseitenschutz (z. B. Glas, Rückseitenglas)
  • Um kostengünstig PV-Dünnschicht Module herzustellen, werden beispielsweise auf einem mehrere mm dicken Glassubstrat (2) Solarzellenstrukturen aufgebaut, die Licht absorbierende Halbleiterschichten (5), transparente leitfähige Schichten (4), metallisch leitfähige Schichten (7) sowie gegebenenfalls andere funktionelle Schichten und Strukturen (3, 6) umfassen. Das Licht (1) tritt hierbei durch die Glasscheibe (2) ein, durchdringt den Frontkontakt (4), der häufig aus einem transparenten leitfähigen Oxid (auch als TCO bezeichnet; transparent conducting oxid). besteht und trifft auf die Licht absorbierende Halbleiterschicht, wo das Licht in elektrischen Strom umgewandelt wird. Über den Rückkontakt (7) und den Frontkontakt (4) wird der erzeugte Strom abgeleitet. Darüber hinaus kann der Rückkontakt das noch nicht umgewandelte Licht noch einmal zur Licht absorbierenden Halbleiterschicht zurückreflektieren.
  • Beispielsweise kann es sich bei Schicht (3) um eine Interfaceschicht oder ein Interfaceschichtsystem handeln zur Verminderung der Reflexionen, die beim Übergang des Lichts (1) vom Glas (2) zur transparenten leitfähigen Schicht entstehen. Bei Schicht (6) kann es sich um eine Schicht zur Verbesserung der Reflexion des Lichts handeln, das beim Durchgang durch den Halbleiter noch nicht in elektrischen Strom umgewandelt wurde.
  • Um diese funktionellen Schichten und Strukturen vor Umwelteinflüssen zu schützen, wird ein weiteres Material (z. B wiederum Glas) als Rückseitenschutz (9) mittels einer Verbindungsschicht (8) auf das erste Glas mit den funktionellen Schichten und Strukturen aufgebracht oder auflaminiert.
  • Bei vielen Dünnschicht Solarmodulen hat es sich als problematisch herausgestellt, dass es im Verlauf der Zeit (über Monate und Jahre) zu einer Ablösung des TCO von der Glasschicht kommen kann. Eine Ursache dafür ist die Bewegung von im Glas vorhandenen Alkali- und Erdalkaliionen (hauptsächlich Natrium) infolge von elektrischem Feld und Temperatur. Dadurch kann es zu einer Anhäufung von beispielsweise Natrium im Grenzgebiet Glas zu TCO kommen und schließlich zu einer Ablösung (Delamination) des TCO von der Glasscheibe.
  • Eine bekannte Methode dies zu unterbinden besteht darin, zwischen Glas und TCO eine Barriereschicht (< 1 μm), zum Beispiel aus Siliziumoxid, einzubauen, die verhindert, dass beispielsweise Natrium in großer Menge aus dem Glas in den Bereich der Grenzfläche zum TCO gelangt. Diese Schicht muss gleichzeitig eine gute Haftung zu Glas und zu TCO haben. Hierdurch müssen zusätzliche Reflexionsverluste in Kauf genommen werden.
  • In US 5 298 312 A („non iridescent transparent product”) wird beschrieben wie Reflexionen vermindert werden wobei die Reflexionen insbesondere durch eine Schicht mit deutlicher Extinktion unterdrückt werden und zusätzlich die Schichtdicke. Dabei werden zwar irritierende Reflexion unterdrückt, jedoch sind damit auch relativ hohe Transmissionsverluste verbunden.
  • In US 4 485 146 A („glass body provided with an alkali diffusion-preventing silicon oxide layer”) wird beschrieben wie die Barriere Eigenschaften einer Silizium-Oxid Schicht durch Einbau von Wasserstoff-Silizium Bindungen in die Schicht verbessert werden können.
  • In US 5 234 748 A („anti-reflective transparent coating with gradient zone”) und EP 0 519 690 A1 wird beschrieben wie Reflexionen verhindert werden können in Kombination mit einer Zone mit einem Gradienten bezüglich des Brechungsindexes. Wesentlich ist hier, dass eine wenige nm dicke Schicht mit hohem Brechungsindex verwendet wird, die für Licht absorbierende Eigenschaften hat, und daher für die bei Solarzellen benötigte hohe Transmission ungeeignet ist.
  • In EP 0 275 622 A1 wird die Herstellung von Schichten beschrieben, die die Migration von Alkaliionen verhindern, auf einer 600 bis 750°C heißen Glasoberfläche.
  • In DE 197 52 678 A1 wird eine Solarmodul vorgeschlagen, bei dem sich die Solarzellen in einem mit einem gasförmigen Medium gefüllten Hohlraum befinden und eine oder mehrere Antireflexionsbeschichtungen die optischen Verluste minimieren sollen.
  • Erfindungsgemäß wird das Problem der Reflexionsverluste durch ein Schichtsystem gelöst, bei dem vorgesehen ist, dass
    • – zwischen zwei Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex (n2 und n4) ein Schichtsystem eingebaut wird, das einen Brechungsindex (nss) aufweist, der zwischen den beiden Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex liegt n2 ≤ nss ≤ n4.
    • – das Schichtsystem entweder aus mehren Schichten besteht, deren Brechungsindizes von der Schicht mit dem geringeren Brechungsindex (n2) zu der Schicht mit dem höheren Brechungsindex (n4) ansteigen, oder aus einer Schicht besteht, deren Brechungsindex kontinuierlich ansteigt von der Schicht mit dem geringeren Brechungsindex (n2) zu der Schicht mit dem höheren Brechungsindex (n4).
  • Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung sieht vor, dass eine Schicht aus Siliziumnitrid sowie Mischschichten aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid gleichzeitig die Reflexionsverluste vermindern können und eine Barrierefunktion übernehmen können, die den Ionentransport hinreichend verhindert, so dass TCO-Ablösung vermieden werden kann. Derartige Schichten haben sich in der Mikroelektronik vielfach als Ionenbarriere bewährt.
  • Mischschichten von Siliziumnitrid und Siliziumoxid haben den Vorteil, dass sie abhängig von den Herstellungsbedingungen einen Brechungsindex zwischen ca. 1,4 und 2,1 haben können. Je nach Herstellungsverfahren ist bei diesen Schichten in der Regel auch ein gewisser Wasserstoffanteil enthalten. Wenn man auch noch siliziumreiche Schichten wie SiOx und SiNy mit x, y gegen 0 betrachtet, so kann man Brechungsindizes bis über 3 erreichen.
  • Für Solarmodule verwendete Frontgläser [Float Glas, eisenarmes Glas („Low Iron Glas”)] haben in der Regel einen Brechungsindex n2 um 1,5. Siliziumoxid hat einen Brechungsindex von ca. 1,4 und die Brechungsindizes der üblichen TCOs (n4) liegen im Bereich von 2 oder darüber.
  • Damit können Mischschichten aus Siliziumnitrid und Siliziumoxid sehr gut die erfindungsgemäßen Anforderungen bezüglich Brechungsindex und Barrierewirkung erfüllen.
  • Wenn Licht durch die Glasscheibe zum TCO gelangt, kommt es an sämtlichen Grenzflächen, an denen sich der Brechungsindex ändert, zu Reflexionen, die die Intensität des Lichts reduzieren, das über das TCO zur Licht absorbierenden Halbleiterschicht gelangt.
  • Bei Eintritt des Lichts in das Glas gehen dadurch ca. 4% verloren. Beim Übergang von Glas zum TCO gehen noch einmal ca. 4% verloren. Weitere Verluste entstehen, wenn zwischen Glas und TCO noch eine Oxidschicht mit n = 1,4 eingefügt wird.
  • Der Einbau einer Interfaceschicht (Schichtsystem) zwischen Glas und TCO, die Silizium, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff enthält (häufig als SiON bezeichnet; die Bezeichnung SiON gibt nur die Hauptbestandteile wieder, sagt aber nichts über das Zahlenverhältnis der Atome aus) hat nun neben der oben erwähnten Verhinderung der TCO – Delamination den Vorteil, dass sie gleichzeitig als Antireflexschicht wirken kann. Damit können Reflexionen, die beim Übergang vom Glas zum TCO auftreten, deutlich verringert werden, wenn der Berechungsindex der Interfaceschicht so eingestellt wird, dass er zwischen dem von Glas und dem von TCO liegt.
  • Sofern es sich bei dieser Interfaceschicht um eine homogene Schicht mit ortsunabhängigem Brechungsindex handelt, sollte der Brechungsindex etwa bei der Wurzel aus n1·n2 liegen. Bei einem Brechungsindex von Glas von 1,5 und einem Brechungsindex des TCO von 2,0 sollte die Interfaceschicht einen Brechungsindex von ca. 1,73 haben.
  • Die Dicke der Interfaceschicht sollte bei senkrechtem Lichteinfall ¼ der Wellenlänge λOpt,n entsprechen, da es dann zur Auslöschung der an beiden Grenzflächen reflektierten Lichtwellen kommt. Hierbei ist zu beachten, dass für λopt,n die Wellenlänge unter Berücksichtigung des jeweiligen Brechungsindexes n zu berechen ist. λopt,n ist im Medium mit Brechungsindex n die Wellenlänge, für die die Reflexionsverminderung optimiert ist.
  • Möchte man beispielsweise die Interfaceschicht für eine minimale Reflexion bei einer Wellenlänge von λopt,n=1 = 500 nm (im Vakuum) mit einer Schicht mit n = 1,73 optimieren, so ist zunächst λopt,n für n = 1,73 zu berechnen: λopt,n = λopt,n=1/n = 500 nm/1,73 = 290 nm d(λopt,n=1 = 500 nm)= λopt,n/4 = 290 nm/4 = 72 nm
  • 2 zeigt für dieses Beispiel den Verlauf der Reflexion bei senkrechtem Einfall in Abhängigkeit der Wellenlänge im Vakuum (Simulation mit einer Schicht n = 1,73; d = 72 nm).
  • Die Gleichungen für den Brechungsindex sowie für die Dicke stellen die bekannte Regel für die Herstellung, einer einlagigen Antireflexschicht dar. Mehrlagige Antireflexschichten wenden in der Regel so aufgebaut, dass mehrere Schichten näherungsweise mit der Dicke λopt,n/4 oder einem Vielfachen davon hintereinander gelegt werden. Damit ist es möglich die Reflexion für einen bestimmten Wellenlängenbereich und einen bestimmten Einfallswinkel zu minimieren. Die Verminderung der Reflexion erfolgt hierbei dadurch, dass für einen bestimmten Wellenlängenbereich sich die an den einzelnen Grenzschichten reflektierten Wellen näherungsweise um λopt,n/2 (daher kommt die Verwendung von λopt,n/4 Schichten, die sowohl beim Hinweg, als auch beim Rückweg durchlaufen werden und somit einen Phasenunterschied von λopt,n/2 erzielen) unterscheiden und damit gegenseitig aufheben. Nachteil der so aufgebauten Antireflexschichten ist, dass für bestimmte Wellenlängen dann auch starke konstruktive Interferenzen auftreten und somit die Wirksamkeit nur in einem relativ kleinen Wellenlängenbereich gegeben ist. Abweichungen der Schichtdicken beeinflussen direkt das wellenlängenabhängige Reflexionsverhalten; d. h. das System ist nicht sehr robust gegenüber Streuungen im Fertigungsprozess.
  • Betrachtet man beispielsweise bei der einlagigen Antireflexschicht Licht mit der halben optimalen Wellenlänge λopt,n/2, dann verstärken sich die an beiden Grenzflächen reflektierten Wellen und es kommt zu einer verstärkten Reflexion (bei 250 nm in 2).
  • Das Optimum ist darüber hinaus stark vom Einfallswinkel der Strahlung abhängig.
  • Die Reflexionen an den Grenzflächen und damit die Verluste können weiter reduziert werden, wenn als Interfaceschichtsystem zwischen Glas und TCO nicht nur eine homogene Zwischenschicht, sondern mehrere Schichten mit ansteigenden Brechungsindizes (von Glas zu TCO) hintereinander liegen.
  • Erfindungsgemäß können die Dicken der Zwischenschichten so eingestellt werden, dass für einen bevorzugten Wellenlängenbereich und einen bevorzugten Einfallswinkel (in der Regel senkrechter Einfall) die unerwünschten Reflexionen an den Grenzflächen durch kontrollierte Interferenzen (durch die Schichtdicke) noch einmal reduziert werden.
  • Durch diese Maßnahmen ist es möglich, den Verlust durch parasitäre Reflexionen auf dem Weg vom Glas zum TCO in einem weiten Wellenlängenbereich auf deutlich unter 1% zu reduzieren.
  • Als besonders geeignet hat es sich erwiesen, wenn eine Schicht verwendet wird, deren Brechungsindex kontinuierlich vom Brechungsindex des Glases (allgemein: niedrigerer Brechungsindex: n2) bis zum Brechungsindex des TCO (allgemein: höherer Brechungsindex: n4) ansteigt. (3).
  • Der Anstieg des Brechungsindexes sollte dabei näherungsweise exponentiell von der Ortskoordinate x abhängen. Wenn das Verhältnis der Brechungsindizes n4/n2 nicht zu groß (< 2) ist, bringt auch ein näherungsweise linearer Anstieg des Brechungsindexes mit der Ortskoordinate gute Ergebnisse.
  • Der Vorteil eines über einen weiteren Bereich verteilten Anstiegs des Brechungsindexes ist, dass die Reflexionen der Lichtwellen, die infolge der Brechungsindexänderung auftreten, völlig unterschiedliche Phasen haben (die Änderung des Brechungsindexes erfolgt jetzt nicht abrupt an einer Stelle, sondern verteilt sich über einen weiteren örtlichen Bereich) und sich daher durch Interferenz über einen größeren Wellenlängenbereich weitgehend aufheben. Im Gegensatz zum herkömmlichen Aufbau von Antireflexschichten durch λ/4 Schichten wird hier nicht für einen bestimmten Wellenlängenbereich destruktive Interferenz durch gegenphasige Reflexionen gezüchtet. Stattdessen wird für Wellenlängen, die kürzer als eine bestimmte Grenzwellenlänge sind, eine konstruktive Interferenz weitestgehend verhindert, und zwar durch die Überlagerung von sehr vielen reflektierten Wellen mit unterschiedlichem Phasengang. Sofern die Wellenlänge des Lichts im Schichtsystem deutlich größer als die Dicke des Schichtsystems wird (mehr als 4 mal so groß), nimmt die Reflexionsverminderung des Schichtsystems mit zunehmender Wellenlänge deutlich ab, da die Phasenverschiebung innerhalb des Schichtsystems immer weniger ausreicht um destruktive Interferenz zur Verminderung der Reflexionen zu erzeugen.
  • Sofern der Anstieg des Brechungsindexes nicht kontinuierlich erfolgen kann, kann erfolgt der Anstieg erfindungsgemäß in mehreren Stufen, wobei man zunächst von mehreren etwa gleich dicken Schichten ausgeht, deren Brechungsindex entweder in gleich großen Stufen oder entsprechend einer geometrischen Reihe ansteigt. Hiermit können auch schon bei 3 Stufen gute Ergebnisse erzielt werden mit Reflexionsverlusten von unter 1%.
  • Für hohe Anforderungen und bei einem Verhältnis der Brechungsindizes n4/n2 < 2 sollte die gesamte Dicke des Interfaceschichtsystems mindestens die Hälfte der Längsten wesentlich zur Stromerzeugung beitragenden Wellenlänge betragen (d > λmax,n/2) (λmax,n: Wellenlänge im Schichtsystem, unter der die Reflexionsverminderung wirksam sein soll). Maßgeblich ist hierbei die (mittlere) Wellenlänge des Lichts im Interfaceschichtsystem. Geht man von λmax,n = 1000 nm aus (ausgehend von einem mittleren Brechungsindex in dem Interfaceschichtsystem von 1,75 bedeutet dies in Vakuum eine Wellenlänge von 1750 nm). Mit einer 500 nm dicken nach den obigen Regeln aufgebauten Interfaceschichtsystem kann man eine hochwertige breitbandige Antireflexschicht für (Vakuum-)Wellenlängen < 1750 nm aufbauen.
  • Vorteilhaft bei dieser Erfindungsvariante ist unter anderem auch, dass man damit eine sehr breitbandige Verminderung der Reflexionen erreichen kann, die auch bei nicht senkrechtem Lichteinfall noch sehr wirksam ist. Darüber hinaus ist sie relativ robust gegenüber Streuungen des Fertigungsverfahrens (Schichtdicke und Brechungsindex).
  • Als generelle Regeln können angegeben werden
    • – dass die Reflexionsverminderung umso besser wird, je dicker das Schichtsystem wird;
    • – dass die Reflexionsverminderung insbesondere im kurzwelligen Bereich umso besser wird, je größer die Zahl der Schichten (s) in dem Schichtsystem ist. Bei s > 15 wird jedoch die zusätzlich erreichbare Verbesserung relativ gering.
    • – dass die Reflexionsverminderung umso schlechter wird, je mehr das Verhältnis der Brechungsindizes zweier benachbarter Schichten des Schichtsystems von 1 abweicht. Als Regel wird daher hier angegeben, dass der relative Unterschied der Brechungsindizes zweier benachbarter Schichten des Schichtsystems bei einfachen Anforderungen eine Grenze von 15% und bei hohen Anforderungen eine Grenze von 5% nicht übersteigen soll. Sollte dies nicht eingehalten werden können, oder trotzdem noch kein befriedigendes Ergebnis erzielt sein, so ist die Gesamtdicke der Schichtsystems zu erhöhen (z. B. auf d = λmax,n oder darüber).
  • 1 zeigt beispielhaft den typischen Aufbau einer Dünnschichtsolarzelle wie sie bereits im Stand der Technik bekannt ist;
  • 2 zeigt für ein Beispiel den Verlauf der Reflexion bei senkrechtem Einfall in Abhängigkeit der Wellenlänge im Vakuum (Simulation mit einer Schicht n = 1,73; d = 72 nm) zwischen Schichten mit n2 = 1,5 und n4 = 2.
  • 3 zeigt beispielhaft für eine nicht erfindungsgemäße Dünnschichtsolarzelle die Lage eines reflexionsvermindernden Schichtsystems und die jeweils dazugehörenden Brechungsindizes.
  • Im Einzelnen zeigen die Bezugszeichen in 3 folgendes:
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Einfallendes Licht
    2
    Front-Glas (Strahlungsfenster, durch das Licht eintritt; Substrat bei Superstrate Design) mit Brechungsindex n2
    3
    Interface Schichtsystem (SS) zwischen Glas (2) und transparenter leitfähiger Schicht (4)
    4
    transparente leitfähige Schicht (z. B. TCO: transparent conducting oxid) mit Brechungsindex n4
    5
    Licht absorbierende Halbleiterstruktur (bestehend aus mehreren Schichten) mit Brechungsindex n5
  • 4 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Schichtsystems aus 9 Schichten zwischen Schichten mit n2 = 1,5 und n4 = 2 den Verlauf der Reflexion bei senkrechtem Einfall in Abhängigkeit der Wellenlänge im Vakuum.
  • 5 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Schichtsystems aus 8 Schichten zwischen Schichten mit n2 = 1,5 und n4 = 3,41 den Verlauf der Reflexion bei senkrechtem Einfall in Abhängigkeit der Wellenlänge im Vakuum.
  • 6 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Schichtsystems aus 3 Schichten zwischen Schichten mit n2 = 1 und n4 = 1,5 den Verlauf der Reflexion bei senkrechtem Einfall in Abhängigkeit der Wellenlänge im Vakuum.
  • Eine nicht erfindungsgemäße Variante ist ein Interfaceschichtensystem für Dünnschichtsolarzellen wobei das Schichtsystem zwischen Glas mit einem Brechungsindex n2 = 1,5 und TCO mit einem Brechungsindex von n4 = 2 liegt.
  • Werden in einer kostensensitiven Anwendung geringere Anforderungen gestellt, genügt für das gesamte Schichtsystem bereits eine Dicke von 25% ... 35% der Wellenlänge λmax,n im Interfaceschichtsystem (λmax,n: Wellenlänge im Schichtsystem, unter der die Reflexionsverminderung wirksam sein soll). Reicht beispielsweise das Spektrum des absorbierten Lichts nur bis zu einer Vakuumwellenlänge von maximal 1300 nm (dies ist bei Verwendung von Zellen auf der Basis von mikrokristallinem Silizium mehr als ausreichend; bei einem mittleren Brechungsindex von 1,75 im Interfaceschichtsystem entspricht dies einer Wellenlänge von 740 nm) genügt bereits eine Schichtdicke von 740 nm·0,35 260 nm.
  • Ein Schichtsystem mit linearem Anstieg des Brechungsindexes wurde im Rahmen von Versuchen zu der Erfindung näherungsweise durch ein System von 9 Schichten jeweils mit einer Dicke von 29 nm beschrieben und simuliert. Das System leistet die Anpassung zwischen einem Brechungsindex von n2 = 1,5 (Glas) zu einem Brechungsindex von n4 = 2,0 (TCO) wobei die 9 Schichten einen Brechungsindex von nss1 = 1,55; nss2 = 1,6; nss3 = 1,65; nss4 = 1,7; nss5 = 1,75; nss6 = 1,8; nss7 = 1,85; nss8 = 1,9 und nss9 = 1,95; aufweisen. Das Ergebnis der Simulation ist in 4 zu sehen.
  • Sämtliche Schichten des Interfaceschichtsystems können beispielsweise mit CVD – Verfahren hergestellt werden, wobei PECVD das bevorzugte Verfahren darstellt. Das gesamte Schichtsystem kann in einem Reaktor aufgebracht werden, wobei während des Aufbringens lediglich die Abscheidebedingungen (Zusammensetzung der Gase, Plasmaleistung, Temperatur, ....) so verändert werden, dass sich der gewünschte Verlauf des Brechungsindexes ergibt. Auch ist eine Abscheidung mit PVD (z. B. Sputtern) möglich.
  • Die Erfindung ist ein Interfaceschichtsystem für Silizium-Solarzellen auf Basis von Wafern (monokristallin oder multikristallin).
  • Werden diese Zellen in Module hinter eine Glasscheibe eingebaut, muss eine Anpassung des Brechungsindexes von n2 = 1,5 (entspricht etwa dem von Glas bzw. dem in der Regel zur Laminierung verwendeten EVA) auf n4 = 3,42 (entspricht dem von Silizium) erfolgen. 5 zeigt das Simulationsergebnis für ein Interfaceschichtsystem aus 8 jeweils 32 nm dicken Schichten die entsprechend einer geometrischen Reihe abgestuft sind mit folgenden Werten:
    nss1 = 1,64; nss2 = 1,80; nss3 = 1,97; nss4 = 2,16; nss5 = 2,37; nss6 = 2,60; nss7 = 2,85; nss8 = 3,12
  • 5 zeigt das Simulationsergebnis der Reflexion für dieses Schichtsystem, woraus zu erkennen ist, dass im gesamten interessierenden Wellenlängenbereich (< 1200 nm), die Reflexion unter 1% liegt.
  • Das gesamte System hat eine Schichtdicke von 256 nm, und kann unter anderem mit Hilfe von CVD (insbesondere PECVD) oder PVD (z. B. Sputtern) hergestellt werden. Die Schichten können beispielsweise aus Verbindungen von Silizium, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff hergestellt werden (Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumoxinitrid, siliziumreiches Nitrid, siliziumreiches Oxid; die Schichten enthalten zusätzlich in der Regel noch Wasserstoff).
  • Ein nicht erfindungsgemäßes Interfaceschichtsystem für Gläser wird in PV Solarmodulen verwendet, insbesondere für Gläser, die bei Dünnschichtsolarmodulen als Frontgläser der Strahlungsquelle zugewandt sind. Hierbei ist ein möglichst reflektionsfreies Schichtsystem zur Anpassung zwischen dem Brechungsindex von Luft n2 ≈ 1 und dem Brechungsindex von Glas n4 ≈ 1,5 (Glas) erforderlich.
  • Hierfür eignet sich ein Schichtsystem aus nur 3 jeweils 80 nm dicken Schichten mit Brechungsindizes von:
    nss1 = 1,125; nss2 = 1,25; nss3 = 1,375;
  • 6 zeigt das Simulationsergebnis für dieses Schichtsystem, woraus wiederum zu erkennen ist, dass im gesamten interessierenden Wellenlängenbereich (insbesondere unter 1200 nm) die Reflexion unter 1% liegt.
  • Im Rahmen der Erfindung werden als Materialien für die Schichten verwendet:
    • – Verbindungen von Silizium, Kohlenstoff und Sauerstoff und Wasserstoff (z. B. SiCOH); viele dieser Verbindungen haben sich auch als low-k Materialien in der Mikroelektronik schon bewährt, weshalb auch schon geeignete Aufbringungsverfahren (z. B. CVD) und Precursor-Materialien zur Verfügung stehen.
    • – Parylene, Polynafthalene, Polyimide, Polyphenylene, HSQ, MSQ, Xerogel und Aerogel (diese Materialien werden als low-k Materialien in der Mikroelektronik diskutiert und haben sich teilweise dabei auch schon bewährt).
  • Bei vielen dieser Materialien handelt es sich um poröse Materialien, die aufgrund ihrer Porosität einen sehr geringen Brechungsindex aufweisen.
  • Als Beschichtungstechniken zur Herstellung erfindungsgemäßer Schichtsysteme kommen unter anderem in Frage: CVD, Sol-Gel-Beschichtung, sowie konventionelle Lack Aufbringungsverfahren. (wie z. B. Aufsprühen, Beschichtung über Lackrolle oder Spin on).

Claims (8)

  1. Photovoltaikmodul mit Solarzellen auf Basis von monokristallinen oder multikristallinen Halbleiter-Wafern, bei dem die Lichtstrahlen, die auf dem Weg von der Umgebung zu den lichtempfindlichen Stellen des die Strahlungsenergie in elektrischen Strom umwandelnden Halbleitermaterials ein Zell-Schichtsystem durchlaufen, das Reflexionsverluste reduziert durch Verminderung der an den Grenzflächen auftretenden optischen Reflexionen, wobei das Zell-Schichtsystem zwischen dem Laminierungsmaterial und der Licht aufnehmenden Oberfläche der Strom erzeugenden Solarzelle angeordnet ist, und einen mit einer Tiefe x variierenden Brechungsindex nss(x) aufweist, der zwischen n2, dem Brechungsindex des Laminierungsmaterials, das bei x = 0 an der dem Frontglas zugewandten Seite des Schichtsystems angrenzt und n4, dem Brechungsindex des in der Zelle für die Absorption der Strahlung verantwortlichen Silizium Halbleiters, liegt, so dass gilt: n2 ≤ nss(x) ≤ n4 und wobei ferner der Brechungsindex des Schichtsystems ausgehend von dem Einbettungsmaterial in Richtung zum Halbleiter monoton ansteigt, und das Zell-Schichtsystem aus mindestens drei Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex besteht und die Schichten aus den Elementen Si, N, O und H bestehen.
  2. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Zell-Schichtsystem aus s Schichten aneinander angrenzenden Schichten besteht, deren Brechungsindizes stufenweise ansteigen.
  3. Photovoltaikmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zell-Schichtsystem aus s Schichten mit gleicher Dicke aufgebaut ist und die Brechungsindizes der einzelnen Schichten des Schichtsystems in gleich weiten Schritten von Schicht zu Schicht zunehmen, wobei hierbei auch die Schritte zu den begrenzenden Schichten mit einzubeziehen sind.
  4. Photovoltaikmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Brechungsindex der i-ten Schicht des Zell-Schichtsystems gilt:
    Figure DE102006062092B4_0002
    wobei die angrenzende Schicht mit n2 den Zählindex i = 0 besitzt und die angrenzende Schicht mit n4 den Zählindex i = s + 1 besitzt.
  5. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Brechungsindex des Zell-Schichtsystems in Abhängigkeit von x monoton und stetig verändert, und zwischen n2 und n4 linear mit x ansteigt so dass an den Grenzen zu n2 und zu n4 ein stetiger Übergang entsteht.
  6. Photovoltaikmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zell-Schichtsystem aus s Schichten mit etwa gleicher Dicke aufgebaut ist und die Brechungsindizes der einzelnen Schichten des Zell-Schichtsystems entsprechend einer geometrischen Reihe ansteigen, wobei hierbei auch die Schritte zu den begrenzenden Schichten mit einzubeziehen sind und gleich große Schritte hier bedeutet, dass die Abweichung der Faktoren der Schritte maximal 15% bezogen auf den mittleren Faktor beträgt.
  7. Photovoltaikmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Brechungsindex der i-ten Schicht des Zell-Schichtsystem:
    Figure DE102006062092B4_0003
    wobei die angrenzende Schicht mit n2 den Zählindex i=0 besitzt und die angrenzende Schicht mit n4 den Zählindex i = s + 1 besitzt.
  8. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Brechungsindex des Schichtsystems in Abhängigkeit von x monoton und stetig verändert, und zwischen n2 und n4 exponentiell mit x ansteigt, so dass an den Grenzen zu n2 und zu n4 ein stetiger Übergang entsteht.
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