DE102009024050A1

DE102009024050A1 - Dünnschichtsolarzelle

Info

Publication number: DE102009024050A1
Application number: DE102009024050A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr. Knoll; Peter Lechner; Michael Dr. Berginski
Original assignee: Schott Solar AG
Current assignee: Ecoran GmbH
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2010-12-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Dünnschichtsolarzellen mit einem transparenten Substrat auf dessen der Lichteinfallsrichtung gegenüberliegenden Seite ein Schichtsystem angeordnet ist umfassend eine transparente Frontelektrode, ein photovoltaisch aktives Schichtsystem, eine transparente Rückelektrode, sowie eine diffus reflektierende Reflektorschicht aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, wobei die transparente Rückelektrode einen mehrschichtigen Aufbau mit zumindest einer TCO-Schicht und einer metallhaltigen Schicht aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dünnschichtsolarzelle mit einer aus der Lichteinfallsrichtung betrachtet hinter den Halbleiterschichten angeordneten transparenten Rückelektrodenschicht, sowie einer dahinter angeordneten Reflektorschicht aus einem diffus reflektierenden, elektrisch nicht leitfähigen Material.
Dünnschicht-Solarzelllen weisen im allgemeinen einen mehrschichtigen Aufbau auf umfassend ein transparentes elektrisch nicht leitfähiges Substrat, beispielsweise Glas, auf welchem auf der dem Lichteinfall gegenüberliegenden Seite eine transparente Frontelektrodenschicht, ein photovaltisch aktives Schichtsystem, eine Rückelektrodenschicht, sowie in der Regel eine Reflektorschicht angeordnet sind, um noch nicht absorbierte Strahlung in den Halbleiter zurück zu reflektieren.
Für den rückseitigen Aufbau der Solarzelle mit den beiden Hauptfunktionen der elektrischen Rückelektrode sowie der optischen Reflektion gibt es zwei grundlegend unterschiedliche Konzepte. Das erste Konzept verwendet eine Metallschicht oder ein metallisches Schichtsystem als Reflektor, was den Vorteil hat, dass der Reflektor gleichzeitig als Rückseitenkontakt genutzt werden kann, bzw. mit diesem identisch ist. Zwischen dem metallischen Reflektor und den photovoltaisch aktiven Schichten ist in der Regel eine Schicht aus einem transparenten, leitfähigen Metalloxid, im folgenden als TCO (transparent conductive oxide) bezeichnet, vorhanden, welche eine Diffusion von Bestandteilen der metallischen Elektrode in die photovoltaisch aktiven Schichten verhindert. Derartige metallische Reflektoren reflektieren die Strahlung im allgemeinen gerichtet, was dazu führt, dass die reflektierte Strahlung bei Ausrichtung der Solarzelle in die Hauptlichteinfallsrichtung die photovolatische Schicht mit minimaler optischer Weglänge durchläuft und daher nicht effizient absorbiert werden kann.
Das zweite Konzept verwendet eine Reflektorschicht aus einem diffus reflektierenden Material mit hohem Reflektionsgrad im sichtbaren Spektralbereich (VIS) sowie auch im nahen Infrarot (NIR), beispielsweise eine weiße Farbe oder eine weiße Folie. Derartige Reflektoren werden daher auch als weiße Reflektoren bezeichnet. Die diffus reflektierte Strahlung wird in der photovoltaisch aktiven Schicht stärker absorbiert als gerichtet reflektiertes Licht, da es im Allgemeinen einen größeren Weg in der photovoltaisch aktiven Schicht zurücklegt, wodurch eine vorteilhafte Steigerung des Wirkungsgrades der Dünnschichtzelle erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil eines weißen Reflektors ist eine bessere Beständigkeit derartiger Solarzellen gegenüber Feuchtigkeit. Bei metallischen Reflektoren kann Feuchtigkeit eine Oxidation des Reflektors bewirken und damit zu einer Veränderung der Reflektion führen, während weiße Reflektoren in der Regel bereits oxidisch vorliegen und deswegen unempfindlicher sind.
Weiße Reflektoren sind jedoch in der Regel nicht elektrisch leitend, so dass bei diesem Konzept zwischen photovoltaisch aktiver Schicht und weißem Reflektor eine transparente Rückelektrode angeordnet werden muss, welche einen hohen Transmissionsgrad sowie eine ausreichend hohe elektrische Querleitfähigkeit, also eine hohe elektrische Leitfähigkeit in der Schichtebene, aufweisen muss. Der elektrische Flächenwiderstand der Rückelektrode sollte maximal etwa 10 Ohm/square betragen, um eine Abführung der elektrischen Ströme ohne zu große Verluste zu gewährleisten. Im Falle von mikrokristallinen Si-basierten Solarzellen mit einer typischen Absorberstärke von typischerweise 1,4 μm–2 μm wird ein Großteil der einfallenden Strahlung im VIS beim ersten Durchlauf durch den Absorber bereits absorbiert. Im langwelligen sichtbaren Spektralbereich und NIR (Wellenlängen größer ca. 700 nm) ist hingegen die Absorption des Silizium-Schichtpaketes niedrig, so dass vornehmlich langwelliges Licht auf den Reflektor trifft. Der Reflektor sowie die davor angeordnete Rückelektrodenschicht muss daher insbesondere in diesem Spektralbereich (Wellenlängen größer ca. 700 nm) einen hohen Reflektionsgrad aufweisen.
In der DE 4337694 wird zum Beispiel in Verbindung mit einem weißen Reflektor eine Rückelektrode aus einer ZnO-Schicht mit einer Schichtdicke von 2 μm vorgeschlagen. Auch die US2005/0172997A1 schlägt die Verwendung einer TCO-Schicht mit einer Schichtdicke von 0,5 μm bis 5 μm vor. Metalloxide wie ZnO weisen jedoch in dem relevanten langwelligen Spektralbereich eine ausgeprägte Absorption aufgrund von freien Ladungsträgern auf. Dies führt zu einem Verlust in der Quantenausbeute der Solarzelle.
Ein alternative Möglichkeit für den Aufbau einer transparenten Elektrode ist zum Beispiel in der DE 10 2005 027 961 A1 beschrieben, welche zumindest drei auf einem Substrat angeordnete Schichten umfasst: eine TCO-Schicht, eine semitransparente metallische Schicht, sowie eine weitere TCO-Schicht. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass metallische Schichten auch bei den geringen angegebenen Schichtdicken von 5 bis 50 nm nicht optimal transparent sind, sondern eine Eigenabsorption aufweisen. Ebenso ist als oxidische Schicht vorzugsweise eine aluminiumdotiertes Zinkoxid vorgesehen, welches in dem von der Anmeldung adressierten sichtbaren Spektralbereich eine hohe Transmission aufweist, jedoch mit zunehmender Wellenlänge, also im nahen Inafrarot, ein spektral zunehmende und sogar dominierend werdende Absorption aufweist. Der Transmissionsgrad des Elektrodenaufbaus ist daher im VIS und besonders im NIR nicht optimal. Nachteilig ist ferner, dass der beschriebene Aufbau zumindest drei Schichten umfasst.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die beschriebenen Nachteile im Stand der Technik von Solarzellen mit weißem Reflektor zu umgehen, und einen rückseitigen Aufbau einer Solarzelle mit weißem Reflektor zur Verfügung zu stellen, welcher eine rückseitige elektrische Kontaktierung an der Rückseite der Zelle umfasst, wobei der Flächenwiderstand der Rückelektrodenschicht maximal etwa 10 Ohm/square betragen sollte, und welcher einen hohen Reflektionsgrad insbesondere im langwelligen Spektralbereich von 700 nm–1100 nm aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Hauptanspruch. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen angegeben.
Der Hauptanspruch bezieht sich auf eine Dünnschichtsolarzelle mit einem transparenten Substrat, auf dem eine transparente Frontelektrode, ein photovoltaisch aktives Schichtsystem, eine transparente Rückelektrode, sowie ein diffus reflektierender, elektrisch nicht leitfähiger Reflektor übereinander angeordnet sind.
Unter Dünnschichtsolarzelle im Sinne der Erfindung sind verschiedene Formen von Solarzellen zu verstehen, die sich im allgemeinen durch eine Schichtdicke des photovoltaisch aktiven Schichtsystems von maximal ca. 10 μm auszeichnen, wobei die Herstellung das photovoltaisch aktiven Schichtsystems im allgemeinen direkt auf einem günstig verfügbaren Substrat erfolgt und damit kein Wafer erforderlich ist. Es kann sich zum Beispiel um Einzel- oder Mehrfachstapelzellen (insb. Tandem- oder Triple-Junction-Stapelzellen) aus amorphem und/oder mikrokristallinem Halbleitermaterial handeln. Das photovoltaisch aktive Schichtsystem, in welchem die Umwandlung der optischen Energie in elektrische Energie erfolgt, kann auf dem Halbleitermaterial Si basieren, es kann sich jedoch auch um andere Materialsysteme wie CdTe oder CIGS handeln. Die Dünnschichtsolarzelle kann ferner weitere Elemente z. B. zur Kontaktierung, sowie zur Rückseitenverkapselung, etc. umfassen.
Bei dem transparenten Substrat kann es sich um ein Kunststoffsubstrat z. B. aus Polycarbonat handeln, vorzugsweise handelt es sich aufgrund der höheren thermischen und chemischen Beständigkeit um ein Glassubstrat. Das transparente Substrat kann unterschiedliche Materialstärken aufweisen und in Form einer Folie oder Platte vorliegen. Das transparente Substrat kann ferner eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweisen oder es kann eine mikrostrukturierte transparente Schicht aufweisen, wobei durch die Mikrostrukturierung eine Richtungsablenkung der einfallenden Strahlung bewirkt wird. Bei dieser Schicht kann es sich zum Beispiel um eine Siliziumoxinitrid, SnO₂ oder ZnO Schicht handeln, wobei Siliziumoxinitrid durch die Formel x SiO₂:(1 – x)SiO₃N₄, mit x = 0...1 beschrieben werden kann. Die mikrostrukturierte Seite befindet sich vorzugsweise auf der dem Lichteinfall gegenüberliegenden Seite des transparenten Substrates und ist z. B. zwischen Substrat und transparenter Frontelektrode angeordnet. Das transparente Substrat kann ferner auf der Seite des Lichteinfalls eine Antireflektionsbeschichtung aus einer oder mehreren Schichten aufweisen, welche die Reflektion der einfallenden Strahlung reduziert. Des weiteren können weitere Schichten zur Erhöhung der Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen vorhanden sein.
Die sich anschließende transparente Frontelektrode kann z. B. eine TCO-Schicht aus SnO₂, ITO oder ZnO umfassen wobei ZnO vorzugsweise mit Al, Ga oder B dotiert ist und SnO₂ und/oder ITO vorzugsweise mit F dotiert sind. Die transparente Frontelektrode kann aber auch den erfindungsgemäßen Aufbau der transparenten Rückelektrode aufweisen.
Auch innerhalb des Schichtsystems können Antireflektionsschichten vorhanden sein, um die Reflektionsverluste an den Grenzflächen zu verringeren, z. B. zwischen dem transparenten Substrat und der transparenten Frontelektrode oder auch zwischen der transparenten Frontelektrode und dem halbleitenden Schichtsystem.
Die diffus reflektierende, elektrisch nicht leitfähige Reflektorschicht ist ein hochreflektierendes, meist weißes, dielektrisches Medium. Es kann z. B. bestehen aus in einer Matrix eingebetteten Pigmenten aus TiO₂, BaSO₄, Nitriden oder Karbiden.
Die erfindungsgemäße Dünnschichtsolarzelle zeichnet sich dadurch aus, dass die transparente Rückelektrode zumindest eine erste TCO-Schicht sowie eine erste metallhaltige Schicht umfasst, wobei das Metall in dieser ersten metallhaltigen Schicht zumindest teilweise in metallischer, nicht oxidierter Form vorliegt.
Die erste TCO-Schicht wirkt primär als Barriereschicht zwischen photovoltaisch aktivem Schichtsystem und erster metallhaltiger Schicht. Die Barrierewirkung ist von großer Bedeutung da z. B. eine Si-Halbleiter schon durch kleinste Mengen an eingebrachten Fremdatomen stark geschädigt werden kann. Desweiteren verbessert die TCO-Schicht die Haftung des Reflektoraufbaus, da die metallhaltigen Schichten im allgemeinen besser auf einer TCO-Schicht als direkt auf den halbleitenden Schichten haften. Die erste TCO-Schicht trägt aber auch zur Querleitfähigkeit der Rückelektrode bei.
Die sich anschließende erste metallhaltige Schicht bewirkt eine starke Erhöhung der Querleitfähigkeit der Rückelektrode. Sie weist im allgemeinen eine sehr geringe Schichtdicke auf. Metallische Schichten sehr geringer Schichtdicke absorbieren im Vergleich zu einer TCO-Schicht mit entsprechender elektrischer Querleitfähigkeit nur sehr wenig Strahlung. Durch die metallische Schicht kann die Gesamtschichtdicke der Rückelektrode daher gegenüber einer Rückelektrode, die nur aus einer TCO-Schicht besteht, stark reduziert werden. Des Weiteren wirkt die metallhaltige Schicht als Zwischenreflektor und reflektiert bereits einen Teil der einfallenden Strahlung zurück in das photovoltaisch aktives Schichtsystem. Die Verluste durch die parasitäre Absorption des TCO-Materials, welche lediglich zu einer Erwärmung der Dünnschichtsolarzelle führen, aber nicht in elektrische Energie umgesetzt werden, können so reduziert werden. An die erste metallhaltige Schicht kann sich direkt der weiße Rückreflektor anschließen, so dass sich ein sehr einfaches vorteilhaftes Schichtsystem ergibt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die transparente Rückelektrode alternierend je eine TCO-Schichten und eine metallhaltige Schichten, und zumindest eine weitere zweite TCO-Schicht, wobei die abschließende Schicht der transparenten Rückelektrode auf der Seite des Reflektors entweder eine TCO-Schicht oder eine metallhaltige Schicht sein kann. In der Ausführungsform mit nur einer weiteren, zweiten TCO-Schicht weist die transparente Rückelektrode einen dreischichtigen Aufbau auf, wobei die weitere, zweite TCO-Schicht die transparente Elektrode abschließt. Die zusätzliche TCO- Schicht wirkt unter anderem als Schutzschicht der metallhaltigen Schicht, z. B. gegen Oxidation der metallhaltigen Schicht, was je nach Material des weißen Reflektors notwendig sein kann. Ferner liefert diese TCO-Schicht einen Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit der Rückelektrode.
Bei Vorhandensein mehrerer TCO-Schichten können diese sowohl unterschiedliche Materialien und Dotierungen umfassen als auch unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.
Erfindungsgemäß kann die transparente Rückelektrode auch eine zweite sowie weitere metallhaltige Schichten umfassen. Durch die Einbringung weiterer metallhaltiger Schichten in die transparente Rückelektrode kann die Schichtdicke der einzelnen metallhaltigen Schichten unter Beibehaltung der elektrischen Querleitfähigkeit vorteilhaft abgesenkt werden, wodurch die Transmission der transparenten Rückelektrode im relevanten langwelligen Spektralbereich angehoben wird.
Entsprechend kann der Schichtaufbau der transparenten Rückelektrode im Wechsel weitere TCO-Schichten und metallhaltige Schichten umfassen. Die Optimierung des durch Schichtanzahl und Schichtdicken definierten Schichtaufbaus der transparenten Rückelektrode ergibt sich bei gegebener erforderlicher elektrischer Querleitfähigkeit aus einer Optimierung der Gesamttransmission der transparenten Rückelektrode sowie einer Reduzierung des Herstellungsaufwandes.
Bei Vorhandensein mehrerer metallhaltiger Schichten können diese auch unterschiedliche Metalle umfassen, sowie unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Ebenso können bei Vorhandensein mehrerer metallhaltiger Schichten, die metallhaltigen Schichten eine unterschiedliche Struktur gemäß den folgenden Erläuterungen aufweisen.
Die metallhaltigen Schichten können erfindungsgemäß unterschiedliche Strukturen aufweisen:
In einer Ausführungsform der Erfindung werden eine oder mehrere der metallhaltigen Schichten durch eine im wesentlichen geschlossene Metallschicht mit einer Schichtdicke von 1 nm bis 50 nm, bevorzugt 2 nm bis 20 nm, besonders bevorzugt 3 nm bis 12 nm gebildet. Unter einer im wesentlichen geschlossenen Metallschicht ist hierbei eine Metallschicht zu verstehen, welche vorzugsweise geschlossen ist, jedoch z. B. fertigungsbedingte Löcher oder Risse aufweisen kann. Die im wesentlichen geschlossene Metallschicht weist im allgemeinen eine relative Flächenabdeckung von mindestens 90% auf. Die Schichtdicke einer geschlossene Metallschicht liegt dabei im Bereich von 1 nm bis 50 nm, bevorzugt 2 nm bis 20 nm, besonders bevorzugt 3 nm bis 12 nm. Bei diesen bevorzugten Schichtdicken wird eine hoher spektraler Transmissionsgrad und eine starke Erhöhung der Querleitfähigkeit erreicht. Noch dünnere geschlossene metallische Zwischenschichten machen den Herstellungsprozess unwirtschaftlicher, da entsprechend mehr metallhaltige Zwischenschichten benötigt werden. Bei Schichtdicken über 50 nm nimmt hingegen der spektrale Transmissionsgrad der transparenten Rückelektrode deutlich ab.
Erfindungsgemäß umfassen eine oder mehrere der geschlossenen Metallschichten eines oder mehrere der Metalle Ag, Al, Au, Cu, Ni, Pt, Sn, Ti, Zn oder aus diese Metalle enthaltende Legierungen bestehen. Diese Metalle und Legierungen zeichnen sich insbesondere durch eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aus.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden eine oder mehrere der metallhaltigen Schichten durch eine nicht geschlossene, metallische Schicht mit einer relativen Flächenabdeckung von kleiner 90%, bevorzugt kleiner 75% ausgebildet. Unter der relativen Flächenabdeckung ist der Flächenanteil der metallischen Bereiche im Verhältnis zu der gesamten Schichtfläche zu verstehen. Die nicht geschlossene, metallische Schicht bewirkt in Verbindung mit der ersten TCO-Schicht besonders vorteilhaft eine hohe elektrische Querleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Transmission. An den metalli schen Bereichen wird zudem nur ein Teil des auftreffenden Lichtes absorbiert, da diese Bereiche zumindest zu einem Teil das auftreffende Licht direkt in die photovoltaische aktive Schicht zurück reflektieren.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die nicht geschlossene, metallische Schicht in Form eines ungeordnetes Netzwerkes aus metallischen Nanodrähten ausgebildet, wobei die metallischen Nanodrähte eines oder mehrere der Metalle Ag, Al, Au, Cu, Ni, Pt, Sn, Ti, Zn umfassen oder aus diese Metalle enthaltende Legierungen bestehen. Die metallischen Nanodrähte ermöglichen in Verbindung mit der ersten TCO-Schicht eine homogene, ausreichend engmaschige Struktur der transparenten Rückelektrode. Des Weiteren können mit derartigen Nanodrähten bei besonders geringer relativer Flächenabdeckung ein ausreichend dichtes Netzwerk erreicht werden. Ferner zeichnet sich ein netzartiger Metallfilm gegenüber dem Einsatz einer reinen TCO-Rückelektrode z. B. aus ZnO dadurch aus, dass die parasitäre Absorption beim netzartigen Metallfilm im langwelligen Spektralbereich von etwa 700 nm bis 1100 nm spektral auf niedrigem Niveau stabil ist. Dahingegen weisen TCO-Schichten wegen der Absorption durch freie Ladungsträger eine mit zunehmender Wellenlänge stärkere Absorption auf. Das an den Nanodrähten reflektierte Licht wird nicht gerichtet reflektiert, sondern in einen großen Winkelbereich zurückgestreut, so dass auch dieses aufgrund einer großen Weglänge durch das photovoltaisch aktive Schichtsystem effizienter absorbiert werden kann, als es bei einer geschlossenen metallischen Reflektorschicht der Fall ist.
Die metallischen Nanodrähte haben vorzugsweise einen Durchmesser von 1 nm bis 100 nm, bevorzugt 10 nm bis 75 nm, und ein mittleres Aspektverhältnis von mindestens 50, bevorzugt mehr als 500. Einzelne Nanodrähte können dabei auch einen Durchmesser außerhalb des angegebenen Durchmesserbereich aufweisen. Unter dem Aspektverhältnis ist das Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser der Nanodrähte zu verstehen, welche vorzugsweise in Form von länglichen Abschnitten vorliegen. Die Länge der Nanodrahtabschnitte weist im Allgemeinen eine statistische Verteilung auf, unter dem mittleren Aspektverhältnis ist der statistische Mittelwert der Aspektverhältnisse der einzelnen Nanodrahtabschnitte zu verstehen. Einzelne Nanodrahtabschnitte können dabei geringere Aspektverhältnisse aufweisen. Das mittlere Aspektverhältnis stellt eine wichtige Kenngröße dar, da mit zunehmendem Aspektverhältnis schon mit geringerer relativer Flächenabdeckung ein Netzwerk realisiert werden kann, welches ein geschlossenes Struktur aufweist. Bei Verwendung dieser Nanodrähte kann damit eine Elektrode mit besonders geringer relativer Flächenabdeckung erreicht werden. Die Verwendung von Nanopartikeln mit geringem Aspektverhältnis von z. B. kleiner als 5 stellt aus diesem Grund keine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die metallischen Nanodrähte in ein anorganisches Trägermaterial wie z. B. Siliziumoxinitrid oder ein organisches Trägermaterial umfassend z. B. Polymere wie Polyacrylate, PET, Polysilane, PVC, PMMA, PGME oder bevorzugt leitfähige organische Polymere wie z. B. PEDOT eingebettet. Siliziumoxinitrid kann durch die Formel x SiO₂:(1 – x)SiO₃N₄, mit x = 0...1 beschrieben werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung enthält eine oder mehrere der nicht geschlossenen metallischen Schichten Carbon Nano Tubes (CNT). Diese Kohlenstoff-basierten Röhrchen weisen ähnlich metallischen Drähten eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit auf und können ebenso zur Ausbildung eines leitfähigen Netzwerkes verwendet werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarzelle, wobei die Schicht mit dem Netzwerk aus metallischen Nanodrähten mit Hilfe eines flüssigen Trägermediums aufgebracht wird, welches die metallischen Nanodrähte enthält. In bevorzugten Ausführungsformen dieses Verfahrens wird dieses flüssige Trägermedium mit einem Rotationsbeschichtungsverfahren, einem Tauchbeschichtungsverfahren, einem Bedru ckungsverfahren oder mit Hilfe eines Breitschlitzverteilerwerkzeugs aufgetragen. Diese gängigen Beschichtungsverfahren erfordern kein Vakuum und ermöglichen einen homogenen, reproduzierbaren Schichtauftrag.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen eine oder mehrere TCO-Schichten SnO₂, ITO (Indiumzinnoxid) oder ZnO. Diese leitfähigen oxidischen Materialien weisen auch eine gute Barrierewirkung auf, d. h. sie verhindern insbesondere eine Diffusion von metallischen Ionen in das photovoltaisch aktive Schichtsystem. Eine oder mehrere der TCO-Schichten können dabei eine Dotierung aufweisen, wobei ZnO vorzugsweise mit Al, Ga oder B dotiert ist und SnO₂ und/oder ITO vorzugsweise mit F dotiert sind. Vorzugsweise weisen eine oder mehrere TCO-Schichten eine Schichtdicke von jeweils 5 nm bis 500 nm, bevorzugt 10 nm bis 250 nm und besonders bevorzugt 10 nm bis 120 nm auf. Damit liegt die Schichtdicke deutlich unter den aus dem Stand der Technik bekannten TCO-Schichten. Dies ist unter Erreichung der notwendigen elektrischen Querleitfähigkeit nur durch die metallhaltigen Schichten möglich.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen eine oder mehrere TCO-Schichten eine geringe Ladungsträgerdichte von höchstens 5,0·10²⁰ cm^–3 und bevorzugt weniger als 1,0·10²⁰ cm^–3 auf. Die Ladungsträgerdichte in den TCO-Schichten wird vorzugsweise besonders niedrig gewählt, da sich im Allgemeinen mit abnehmender Ladungsträgerdichte die Absorption insbesondere im NIR verringert. In dem erfindungsgemäßen Elektrodenaufbau wird ein Großteil der elektrischen Leitfähigkeit durch die metallhaltigen Schichten bewirkt. Die Gesamttransmission der transparenten Elektrode im NIR kann damit vorteilhaft angehoben werden. Die Ladungsträgerdichte lässt sich zum Beispiel über die Dotierung der TCO-Schichten beeinflussen oder insbesondere im Falle von gesputtertem ZnO durch Variation des Sauerstoff-Flusses im Sputtergasgemisch.
Die erfindungsgemäße transparente Rückelektrode der Dünnschichtsolarzelle weist einen Flächenwiderstand im Bereich von 1 bis 100 Ohm/square, vorzugsweise 3 bis 50 Ohm/square und besonders bevorzugt 6 bis 20 Ohm/square auf. Ferner weist die erfindungsgemäße transparente Rückelektrode der Dünnschichtsolarzelle für senkrecht einfallende Strahlung im Spektralbereich 700 nm bis 1100 nm eine mittlere Absorption kleiner als 15%, vorzugsweise kleiner als 10% und besonders bevorzugt kleiner als 7% auf bezogen auf die doppelte Schichtdicke der transparenten Rückelektrode, da die Strahlung diese zwei mal durchläuft.
Der diffus reflektierende, elektrisch nicht leitfähige Reflektor weist im Spektralbereich 700 bis 1100 nm einen Reflektionsgrad von mindestens 0,5 und bevorzugt mindestens 0,65 auf. Bevorzugt umfasst der diffus reflektierende, elektrisch nicht leitfähige Reflektor eine Dispersionsfarbe oder eine Folie. In diesen Formen kann die Reflektorschicht besonders effizient aufgebracht werden. Des Weiteren kann eine zusätzliche Schutzwirkung des darunter liegenden Schichtsystems z. B. gegen Feuchtigkeit oder andere Umwelteinflüsse erreicht werden. Die Farbe bzw. die Folie weisen aufgrund ihres guten Reflektionsverhaltens in der Regel eine weiße Farbe auf. Eine optimale Reflektion wird je nach verwendetem Reflektormaterial teilweise erst bei einer hinreichenden Schichtdicke des Reflektors erreicht, die typischerweise im Bereich von 35 μm liegt. Derartige Reflektoren können z. B. realisiert werden durch Verwendung kommerziell verfügbarer Folien oder weißer Farben (z. B. Noritemp GN945, ZK Farbe 944, ZK Farbe 945).
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden mit Hilfe der 1 bis 3 dargestellt. Dabei zeigen
1: Schematische Darstellung einer Dünnschichtsolarzelle mit weißem Reflektor
2: Schematische Darstellung des Schichtaufbaus einer erfindungsgemäßen Rückelektrode, Beispiel 1
3: Schematische Darstellung des Schichtaufbaus einer erfindungsgemäßen Rückelektrode, Beispiel 2
Es können jeweils noch weitere Schichten in dem Aufbau vorhanden sind, die für die Darstellung der Erfindung nicht von unmittelbarer Bedeutung sind und daher nicht dargestellt sind.
1 aus dem Stand der Technik zeigt den schematischen Aufbau einer Dünnschichtsolarzelle mit weißem Reflektor (10), wobei auf dem transparenten Substrat (1) auf der der Lichteinfallsseite gegenüberliegenden Seite die transparente Frontelektrode (2), das photovoltaisch aktive Schichtsystem (3), die transparente Rückelektrode (4) sowie der weiße Reflektor (10) in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Dabei ist aus dem Stand der Technik eine transparente Rückelektrode (4) einer Dünnschichtsolarzelle mit weißem Reflektor bestehend aus einer einzigen leitfähigen transparenten Oxid-Schicht bekannt.
In 2 ist ein erfindungsgemäßer Aufbau der Rückelektrode (4) der Dünnschichtsolarzelle mit weißem Reflektor (10) mit geschlossenen metallischen Schichten dargestellt. Die transparente Rückelektrode (4) umfasst dabei in dieser Reihenfolge eine erste TCO-Schicht (5), eine erste geschlossene metallische Schicht (6), eine zweite TCO-Schicht (7), eine zweite geschlossene metallische Schicht (6) sowie eine dritte die Rückelektrode abschließende TCO-Schicht (8).
In 3 ist der besonders bevorzugte einfachste erfindungsgemäße Aufbau der Rückelektrode (4) dargestellt, der eine erste TCO-Schicht (5) und eine nicht geschlossene metallische Schicht mit einem Netzwerk aus metallischen Nanodrähten umfasst.
Die erfindungsgemäße Dünnschichtsolarzelle mit weißem Reflektor weist zahlreiche Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Dünnschichtsolarzellen mit weißem Reflektor auf und zeichnet sich durch einen höheren Wirkungssgrad bei der Umwandlung der Strahlungsenergie in elektrische Energie sowie einen geringeren Herstellaufwand aus.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der transparenten Rückelektrode kann die vorhandene Absorption durch die im Stand der Technik vorhandene dicke TCO-Schicht insbesondere im NIR deutlich reduziert werden, was zu einer Steigerung des Wirkungsgrades führt. Dazu trägt insbesondere bei, dass die erfindungsgemäße TCO-Schicht bzw. die erfindungsgemäßen TCO-Schichten vorzugsweise eine deutlich geringere Schichtdicke als jene TCO-Schichten im Stand der Technik aufweisen und vorzugsweise auch eine geringere Ladungsträgerdichte aufweisen.
Auch der an einer metallischen Zwischenschicht bzw. dem Netwerk aus metallischen Nanodrähten reflektierte Anteil der Strahlung ist nicht verloren, sondern kann in dem photovoltaisch aktiven Schichtsystem absorbiert werden und zur Stromerzeugung beitragen. Besonders vorteilhaft ist die Ausführung einer metallhaltigen Schicht mit einem Netzwerk aus metallischen Nanodrähten, wodurch bei hoher Transmission eine transparente Rückelektrode mit hoher Querleitfähigkeit erreicht werden kann.
Die erfindungsgemäße Dünnschichtsolarzelle zeichnet sich ferner durch einen geringeren Herstellaufwand aus. Die aus dem Stand der Technik bekannte TCO-Schicht von bis zu 5 μm Schichtdicke erfordert eine sehr lange Depositionszeit und ist insbesondere im Falle von ITO auch mit deutlich höheren Materialkosten verbunden, der erfindungsgemäße mehrschichtige Aufbau kann hingegen in kürzeren Depositionszeiten mit geringeren Materialkosten erzeugt werden. Im Falle des metallischen Netzwerkes aus Nanodrähten ist keine aufwendige Vakuumtechnik notwendig.

1: transparentes Substrat
2: transparente Frontelektrode
3: photovoltaisch aktives Schichtsystem
4: transparente Rückelektrode
5: erste TCO-Schicht
6: geschlossene metallische Schicht
7: zweite TCO-Schicht
8: abschließende TCO-Schicht
9: nicht geschlossene metallische Schicht mit Netzwerk aus Nanodrähten
10: weißer Reflektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4337694 [0006]
- US 2005/0172997 A1 [0006]
- DE 102005027961 A1 [0007]

Claims

Dünnschichtsolarzelle mit einem transparenten Substrat (1), auf dem in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet sind – eine transparente Frontelektrode (2), – ein photovoltaisch aktives Schichtsystem (3), – eine transparente Rückelektrode (4) sowie – ein diffus reflektierender, elektrisch nicht leitfähiger Reflektor (10), dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Rückelektrode (4) einen mehrschichtigen Aufbau aufweist, welcher in dieser Reihenfolge zumindest – eine erste TCO-Schicht (5) sowie – eine erste metallhaltige Schicht (6) umfasst, wobei das Metall in dieser Schicht zumindest teilweise in metallischer, nicht oxidierter Form vorliegt.
Dünnschichtsolarzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die transparente Rückelektrode alternierend je eine TCO-Schicht sowie eine metallhaltige Schicht umfasst, und zumindest eine weitere, zweite TCO-Schicht (7) umfasst, wobei die abschließende Schicht der transparenten Rückelektrode auf der Seite des Reflektors entweder eine TCO-Schicht oder eine metallhaltige Schicht sein kann.
Dünnschichtsolarzelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere metallhaltige Schichten in Form einer im wesentlichen geschlossenen Metallschicht mit einer Schichtdicke von 1 nm bis 50 nm, bevorzugt 2 nm bis 20 nm, besonders bevorzugt 3 nm bis 12 nm ausgebildet sind.
Dünnschichtsolarzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine oder mehrere der geschlossenen Metallschichten eines oder mehrere der Metalle Ag, Al, Au, Cu, Ni, Pt, Sn, Ti und Zn umfassen oder aus diese Metalle enthaltende Legierungen bestehen.
Dünnschichtsolarzelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere metallhaltige Schichten eine nicht geschlossene metallische Schicht mit einer relativen Flächenabdeckung von kleiner 90%, bevorzugt kleiner 75% umfassen.
Dünnschichtsolarzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine oder mehrere der nicht geschlossenen metallischen Schichten in Form eines ungeordneten Netzwerkes aus metallischen Nanodrähten ausgebildet sind.
Dünnschichtsolarzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die metallischen Nanodrähte eines oder mehrere der Metalle Ag, Al, Au, Cu, Ni, Pt, Sn, Ti und Zn umfassen oder aus diese Metalle enthaltende Legierungen bestehen.
Dünnschichtsolarzelle nach mindestens einem der Ansprüche 6 und 7, wobei die metallischen Nanodrähte vorzugsweise einen Durchmesser von 1 nm bis 100 nm, bevorzugt 10 nm bis 75 nm, und ein mittleres Aspektverhältnis von mindestens 50, bevorzugt mehr als 500, haben.
Dünnschichtsolarzelle nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das ungeordnete Netzwerk aus metallischen Nanodrähten in ein anorganisches Trägermaterial wie z. B. Siliziumoxinitrid oder ein organisches Trägermaterial wie z. B. PET, PVC, PMMA, PGME oder PEDOT eingebettet ist.
Dünnschichtsolarzelle nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei eine oder mehrere der nicht geschlossenen metallischen Schichten Carbon Nano Tubes (CNT) enthält.
Dünnschichtsolarzelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere TCO-Schichten SnO₂, ITO (Indiumzinnoxid) oder ZnO umfassen.
Dünnschichtsolarzelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere TCO-Schichten eine Dotierung aufweisen, wobei ZnO vorzugsweise mit Al, Ga oder B dotiert ist und SnO₂ und/oder ITO vorzugsweise mit F dotiert sind.
Dünnschichtsolarzelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere TCO-Schichten eine Schichtdicke von jeweils 5 nm bis 500 nm, bevorzugt 10 nm bis 250 nm und besonders bevorzugt 10 nm bis 120 nm aufweisen.
Dünnschichtsolarzelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere TCO-Schichten eine geringe Ladungsträgerdichte von weniger als 5,0·10²⁰ cm^–3 und bevorzugt weniger als 1,0·10²⁰ cm^–3 aufweisen.
Dünnschichtsolarzelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die transparente Rückelektrode einen Flächenwiderstand im Bereich von 1 bis 100 Ohm/square, vorzugsweise 3 bis 50 Ohm/square und besonders bevorzugt 6 bis 20 Ohm/square aufweist.
Dünnschichtsolarzelle nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die transparente Rückelektrode für senkrecht einfallende Strahlung im Spektralbereich 700 nm bis 1100 nm eine mittlere Absorption kleiner als 15%, vorzugsweise kleiner als 10% und besonders bevorzugt kleiner als 7% aufweist.
Dünnschichtsolarzelle nach den vorhergehenden Ansprüchen, wobei der diffus reflektierende, elektrisch nicht leitfähige Reflektor im Spektralbereich 700 bis 1100 nm einen Reflektionsgrad von mindestens 0,50 und bevorzugt mindestens 0,65 aufweist.
Dünnschichtsolarzelle nach den vorhergehenden Ansprüchen, wobei der diffus reflektierende, elektrisch nicht leitfähige Reflektor eine Dispersionsfarbe oder eine Folie umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Netzwerk aus metallischen Nanodrähten mit Hilfe eines flüssigen Trägermediums aufgebracht wird, welches die metallischen Nanodrähte enthält.
Verfahren zur Herstellung einer Dünnschichtsolarzelle nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das flüssige Trägermedium mit einem Rotationsverfahren, einem Tauchbeschichtungsverfahren, einem Bedruckungsverfahren oder mit Hilfe eines Breitschlitzverteilerwerkzeugs aufgetragen wird.