DE102009054630A1

DE102009054630A1 - Photovoltaisches Bauelement

Info

Publication number: DE102009054630A1
Application number: DE102009054630A
Authority: DE
Inventors: Martin Detje; Iris Maege; Lars Voelkel
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2029-12-15
Also published as: DE102009054630B4; US20100263720A1; US8633053B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Bauelement (110, 140, 141). Das photovoltaische Bauelement (110, 140, 141) weist eine organisch basierte Antireflexionsschicht (130) auf. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Bauelements (110, 140, 141).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein photovoltaisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Bauelements.
Solarzellen werden dazu eingesetzt, um elektromagnetische Strahlung (in der Regel Sonnenlicht) in elektrische Energie umzuwandeln. Die Energieumwandlung basiert darauf, dass Strahlung in einer Solarzelle absorbiert wird, wodurch positive und negative Ladungsträger (Elektron-Loch Paare) erzeugt werden. Die erzeugten Ladungsträger werden ferner voneinander getrennt, um zu getrennten Kontakten abgeleitet zu werden.
Gängige Solarzellen werden aus dem Halbleitermaterial Silizium gefertigt, und weisen einen sogenannten „Emitter” und eine sogenannte „Basis” auf, zwischen denen ein p-n-Übergang vorliegt. Durch den p-n-Übergang wird ein inneres elektrisches Feld erzeugt, welches die oben beschriebene Ladungsträgertrennung bewirkt. Eine solche photovoltaische Struktur kann beispielsweise eine dünne n-leitende Schicht (n-Typ Emitter) und ein angrenzendes p-leitendes Gebiet (p-Typ Basis) umfassen. Hierbei werden die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften von Emitter und Basis durch eine entsprechende Dotierung festgelegt.
Eine Hauptanforderung an Solarzellen besteht darin, einen möglichst hohen Wirkungsgrad bzw. eine möglichst hohe Strahlungsausbeute zu erzielen. Die Entwicklung von Solarzellen zielt folglich darauf ab, mögliche Verluste wie beispielsweise optische Verluste (zum Beispiel aufgrund von Reflexion, Abschattung, usw.) und Rekombinationsverluste (Rekombination der erzeugten Ladungsträger) zu minimieren.
Im Hinblick auf Reflexionsverluste besteht eine übliche Maßnahme darin, die Solarzellen mit einer Antireflexionsschicht, auch als ARC-Schicht (antireflective coating) bezeichnet, auszustatten. Zu diesem Zweck wird auf Silizium-Solarzellen nach der Emitterherstellung typischerweise eine reflexionsvermindernde Siliziumnitridschicht (SiN) aufgebracht, was beispielsweise durch Abscheiden einer wasserstoffreichen Siliziumnitridschicht (SiNx:H) erfolgen kann. Durch Durchführen eines Temperaturschritts (welcher im Rahmen einer Kontaktherstellung erfolgt und auch als „Feuern” bezeichnet wird) kann ferner Wasserstoffaus dieser Siliziumnitridschicht in die Solarzellen eingebracht werden, wodurch eine Passivierung von Defekten und damit eine Verringerung von Rekombinationsverlusten erzielt werden kann. Von Nachteil ist jedoch, dass das Abscheiden von Siliziumnitrid, welches üblicherweise im Rahmen eines PECVD-Verfahrens (plasma enhanced chemical vapour deposition) erfolgt, mit einem hohen Aufwand und hohen Kosten verbunden ist.
In der US 4,592,925 ist eine Solarzelle mit einer Schutzschicht aus Polyimid beschrieben. Neben der Schutzschicht weist die Solarzelle eine anorganische Antireflexionsschicht auf, welche auf einem Substrat der Solarzelle angeordnet ist. Als Materialien für die Antireflexionsschicht sind Kombinationen aus Metalloxiden, sowie einem Metall- und einem Siliziumoxid offenbart.
Die US 4,361,598 beschreibt die Herstellung einer anorganischen Antireflexionsschicht für eine Solarzelle. Hierzu wird eine Lösung aus unterschiedlichen Komponenten auf die Solarzelle aufgebracht sowie ein Heizschritt durchgeführt, um Lösungsmittel und organische Bestandteile zu entfernen. Darüber hinaus ist beschrieben, gegebenenfalls einen Rest an organischen Bestandteilen in der anorganischen Antireflexionsschicht verbleiben zu lassen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein photovoltaisches Bauelement bereitzustellen, welches sich auf einfache und kostengünstige Weise herstellen lässt. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Bauelements anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein photovoltaisches Bauelement vorgeschlagen. Das photovoltaische Bauelement weist eine organisch basierte Antireflexionsschicht auf.
Bei dem photovoltaischen Bauelement kann es sich beispielsweise um eine Solarzelle oder auch um ein Solarmodul mit wenigstens einer Solarzelle handeln. Die organisch basierte Antireflexionsschicht, durch welche Reflexionen vermieden bzw. verringert werden, kann auf relativ einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden. Dies gilt insbesondere im Vergleich zur oben beschriebenen Ausbildung einer anorganischen Antireflexionsschicht aus Siliziumnitrid mithilfe eines CVD-Verfahrens.
Im Hinblick auf die organisch basierte Antireflexionsschicht können eine Reihe unterschiedlicher organisch basierter Materialien bzw. Materialien auf Polymerbasis verwendet werden. Mögliche in Betracht kommende Materialien sind vorzugsweise ein Photolackmaterial, ein Nanolackmaterial, ein Spin-on-Glas, und ein Sol-Gel-Material. Darüber hinaus können auch aus der Halbleitertechnik bekannte Antireflexionsbeschichtungsmaterialien verwendet werden. Des Weiteren ist der Einsatz eines Grundmaterials mit darin enthaltenen Pigmenten möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das photovoltaische Bauelement des Weiteren ein Substrat mit einer photovoltaischen Struktur auf. Auch im Hinblick auf das Substrat sind unterschiedliche Materialien vorstellbar. Je nach Ausgestaltung des photovoltaischen Bauelements kommen vorzugsweise ein kristallines Halbleitermaterial, ein amorphes Halbleitermaterial, sowie ein Polymermaterial in Betracht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das photovoltaische Bauelement des Weiteren eine Glasscheibe mit einer texturierten Oberfläche aufweist. Eine solche Oberflächentexturierung kann eine weitere Reduktion von Reflexionsverlusten bewirken.
Erfindungsgemäß wird des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Bauelements vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Substrats mit einer photovoltaischen Struktur, und ein Ausbilden einer organisch basierten Antireflexionsschicht auf dem Substrat. Durch die Verwendung einer organisch basierten Antireflexionsschicht ist die Möglichkeit einer einfachen und kostengünstigen Herstellung gegeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Bereitstellen des Substrats ein Durchführen einer Wasserstoff-Passivierung. Durch diese Maßnahme kann der Einfluss von Defekten des Substrats (Rekombinationsverluste) verringert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Bereitstellen des Substrats ein Durchführen eines Diffusionsprozesses zum Ausbilden eines Emitters. Hierbei wird die vorstehend beschriebene Wasserstoff-Passivierung im Rahmen des Durchführens des Diffusionsprozesses durchgeführt. Auf diese Weise kann die Wasserstoff-Passivierung auf einfache Weise erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Ausbilden der organisch basierten Antireflexionsschicht das Aufbringen eines organisch basierten Antireflexionsmaterials auf das Substrat. Einfach durchzuführende Prozesse, welche hierfür in Betracht kommen, umfassen einen Aufschleuderprozess, ein Aufsprühen des Antireflexionsmaterials auf das Substrat, ein Eintauchen des Substrats in das Antireflexionsmaterial, ein Dispergieren des Antireflexionsmaterials auf das Substrat, und ein Aufdrucken des Antireflexionsmaterials auf das Substrat.
Im Anschluss an das Aufbringen des organisch basierten Antireflexionsmaterials auf das Substrat können weitere Prozesse wie zum Beispiel ein Trocknen des Substrats, ein Durchführen eines Temperaturschritts, ein Durchführen eines Reinigungsschritts, sowie ein Abkühlen des Substrats durchgeführt werden.
Um ein detailliertes Verständnis der oben beschriebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, wird im folgenden eine genauere Beschreibung der oben kurz zusammengefassten Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsformen, von denen manche in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, angegeben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die beigefügten Zeichnungen lediglich typische Ausführungsformen der Erfindung zeigen und daher ihren Umfang nicht einschränken, da die Erfindung andere, ebenso wirksame Ausführungsformen zulassen kann.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Solarmoduls.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Solarzelle.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Solarzelle mit einer Antireflexionsschicht.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Solarmoduls.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Solarmoduls.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Solarmoduls, welches wenigstens eine Solarzelle umfasst. Bei dem Verfahren wird in einem Schritt 101 (wenigstens) ein Substrat mit einer photovoltaischen Struktur bereitgestellt. Die photovoltaische Struktur, welche insbesondere einen p-n-Übergang umfassen kann, ist dazu ausgebildet, in dem Substrat durch Strahlung bzw. Lichtstrahlung erzeugte Ladungsträger zu trennen.
Neben der photovoltaischen Struktur kann das bereitgestellte Substrat weitere Strukturen, wie zum Beispiel eine Kontaktstruktur zum Kontaktieren des Substrats, aufweisen. In dieser Hinsicht kann es sich bei dem Substrat um eine bereits fertig gestellte Solarzelle ohne eine Antireflexionsbeschichtung handeln.
In einem weiteren Schritt 102 wird eine organisch basierte und (hoch-)transparente Antireflexionsschicht auf dem bereitgestellten Substrat ausgebildet. Die Antireflexionsschicht dient dazu, Reflexionen einer auf das Substrat auftreffenden Strahlung zu vermeiden bzw. zu verringern, so dass ein möglichst hoher Anteil der Strahlung in das Substrat zur Erzeugung von freien Ladungsträgern eingekoppelt werden kann. Hierbei ist vorgesehen, dass die Antireflexionsschicht einen relativ hohen Brechungsindex aufweist, wodurch die antireflektive Wirkung begünstigt werden kann.
Die transparente Antireflexionsschicht weist ein organisch basiertes Material bzw. ein Material auf Polymerbasis auf. Hierbei kann die gesamte Antireflexionsschicht aus einem organischen Material gebildet sein. In Betracht kommen auch Mischungen von unterschiedlichen organischen Materialkomponenten, sowie Mischungen von organischen und anorganischen Materialien, wobei eine organische Komponente (bzw. organische Komponenten) hierbei einen wesentlichen Bestandteil der Antireflexionsschicht bilden kann. Mögliche Beispiele sind ein Resist- oder Lackmaterial, ein Spin-on-Glas, ein Sol-Gel-Material, sowie aus der Halbleitertechnik bekannte Antireflexionsbeschichtungsmaterialien. Im Hinblick auf Materialmischungen kommt ferner ein Grundmaterial mit darin enthaltenen Pigmenten bzw. Partikeln in Betracht. Hierbei kann das Grundmaterial als Matrix (Polymermatrix) bzw. (organisches) Bindemittel fungieren. Konkrete Beispiele zu Materialien bzw. Materialmischungen sind weiter unten angegeben.
Das Ausbilden einer organisch basierten Antireflexionsschicht, was beispielsweise mithilfe eines Aufschleuderprozesses, eines Sprühprozesses oder eines Tauchprozesses durchführbar ist, kann auf relativ einfache und kostengünstige Weise erfolgen. Dies gilt insbesondere im Vergleich zur oben beschriebenen Ausbildung einer anorganischen Antireflexionsschicht (aus Siliziumnitrid) mithilfe eines CVD-Verfahrens. Details zu möglichen Prozessen zum Ausbilden der organischen bzw. organisch basierten Antireflexionsschicht werden weiter unten näher beschrieben.
In einem weiteren als „Modul Integration” bezeichneten Schritt 103 wird das mit der Antireflexionsschicht versehene Substrat bzw. die Solarzelle weiter zu einem Solarmodul verarbeitet. Hierbei kann das Substrat beispielsweise mit einer Abdeckung versehen werden bzw. mit einer oder mehreren Glasscheiben umgeben werden, wodurch ein Schutz des Substrats vor zum Beispiel äußeren mechanischen Einflüssen und Witterungseinflüssen erzielt werden kann. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Laminierungsverfahren durchgeführt werden. Im Rahmen des Schritts 103 ist es auch möglich, mehrere Substrate bzw. Solarzellen zu einem Solarmodul zusammenzusetzen, wobei die einzelnen Substrate hierbei elektrisch miteinander verschaltet werden.
Bei der Herstellung eines Solarmoduls besteht ferner die Möglichkeit, die Schritte 102 und 103 des Verfahrens von 1 zusammenzufassen. Eine solche Vorgehensweise kann sich insbesondere bei mehreren Substraten als günstig erweisen, da das Ausbilden einer Antireflexionsschicht (Schritt 102) im Rahmen der „Modul Integration” bzw. des Laminierungsprozesses (Schritt 103) und damit auf mehreren Solarsubstraten gemeinsam durchgeführt werden kann. Hierbei können die mehreren Substrate beispielsweise bereits auf einer im Rahmen der Modulherstellung eingesetzten rückseitigen Abdeckung bzw. Glasscheibe angeordnet oder befestigt sein.
Das anhand von 1 beschriebene Verfahren kann zum Beispiel bei der Herstellung von Solarmodulen aus mono- oder polykristallinen Silizium-Solarzellen in Betracht kommen. Dies wird im Folgenden anhand der 2 bis 5 näher erläutert.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Solarzelle 110 (ohne eine Antireflexionsschicht), bei der es sich um eine solche kristalline Silizium-Solarzelle 110 handeln kann. Die Solarzelle 110 weist ein Substrat 120 aus Silizium mit einer (nicht dargestellten) photovoltaischen Struktur auf. Das Substrat 120 ist des Weiteren mit Kontaktelementen 125, 126 und Isolationsgräben 128 versehen. Ein mögliches Verfahren zum Herstellen der Solarzelle 110 wird im Folgenden beschrieben.
Bei dem Verfahren wird ein auch als Wafer bezeichnetes Ausgangssubstrat 120 aus Silizium hergestellt, welches bereits mit einer Grunddotierung versehen sein kann. In Betracht kommt beispielsweise ein Substrat 120 vom p-Typ mit einer Grunddotierung aus zum Beispiel Bor. Darüber hinaus wird ein Diffusion- bzw. Dotierverfahren unter Temperatureinwirkung (in einem Ofen) durchgeführt, um insbesondere im Bereich einer Vorderseite 121 des Substrats 120, welche im Betrieb der Solarzelle 110 dem Licht zugewandt ist, eine Schicht mit einem gegenüber dem restlichen Substrat entgegen gesetz ten Leitfähigkeitstyp zu erzeugen (nicht dargestellt). Diese Schicht wird als Emitter, und das restliche Substrat als Basis bezeichnet.
Im Hinblick auf ein p-leitendes Substrat 120 kann das (beheizte) Substrat 120 beispielsweise einer phosphorhaltigen Atmosphäre ausgesetzt werden. Hierdurch kann eine Diffusion von Phosphor in das Substrat 120 bewirkt werden, wodurch ein Emitter vom n-Typ erzeugt wird. Auf diese Weise liegt zwischen Emitter und Basis ein p-n-Übergang vor, welcher im Betrieb der Solarzelle 110 für die Trennung der durch Lichtstrahlung erzeugten Ladungsträger sorgt.
Neben dem vorstehend beschriebenen Verfahren ist es möglich, andere Prozesse bzw. Dotierverfahren durchzuführen, um das Ausgangssubstrat 120 mit einer photovoltaischen Struktur zu versehen. Darüber hinaus ist es möglich, eine solche photovoltaische Struktur auszubilden, bei welcher Emitter und Basis entgegen gesetzte Leitfähigkeiten aufweisen (d. h. p-Typ Emitter und n-Typ Basis).
Im Rahmen der Herstellung der Solarzelle 110 von 2 können weitere Prozesse durchgeführt werden, Weiche nachfolgend beschrieben werden. In Betracht kommt insbesondere eine Passivierung des Substrats 120 durch Einbringen von Wasserstoff, um Defekte zu passivieren und infolgedessen Rekombinationsverluste von Ladungsträgerpaaren im Betrieb der Solarzelle 110 zu verringern. Für eine solche Wasserstoff-Passivierung, welche im Rahmen eines zusatzlichen Ofenprozesses erfolgen kann, können unterschiedliche Verfahren durchgeführt werden. Möglich ist beispielsweise ein Wasserstoff-Ionenbeschuß aus einer Innenquelle oder die Verwendung eines Wasserstoff-Gasentladungsplasmas. Alternativ ist die Behandlung des (beheizten) Substrats 120 in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre möglich.
Eine Wasserstoff-Passivierung mit einem der genannten Prozesse oder auch einem anderen Prozess kann insbesondere im Rahmen des oben beschriebenen Diffusionsprozesses zum Herstellen des Emitters durchgeführt werden. Beispielsweise ist es möglich, beide Prozesse nacheinander in der gleichen Ofenkammer bzw. in der gleichen Ofenanlage zu verwirklichen.
Das Substrat 120 kann des Weiteren in einem optionalen Verfahrensschritt strukturiert bzw. aufgeraut werden, um eine Oberflächentextur insbesondere im Bereich der Vorderseite 121 des Substrats 120 auszubilden (nicht dargestellt). Eine solche Textur bietet neben bzw. zusätzlich zu einer Antireflexionsschicht ebenfalls die Möglichkeit, Refle xionen im Betrieb der Solarzelle 110 zu verringern. Zum Ausbilden einer Textur kann das Substrat 120 beispielsweise einem Ätzprozess (Texturätzung) unterzogen werden, was zum Beispiel vor dem Ausbilden der photovoltaischen Struktur bzw. des Emitters durchgeführt werden kann.
Darüber hinaus können weitere Prozesse durchgeführt werden, um die Solarzelle 110 zu vervollständigen. Insbesondere kann vorgesehen sein, nach dem Ausbilden des Emitters wie in 2 dargestellt Isolationsgräben 128 in dem Substrat 120 zu erzeugen, um einen möglichen Kurzschluss in dem Substrat 120 von der Vorderseite 121 zu einer der Vorderseite entgegen gesetzten Rückseite 122 zu vermeiden. Im Hinblick auf den oben beschriebenen Diffusionsprozess besteht die Möglichkeit, dass die Diffusion an allen dem betreffenden Dotierstoff (zum Beispiel Phosphor) exponierten Stellen des Substrats 120 stattfindet, so dass der Emitter sich auch über die Seitenkanten des Substrats 120 bis zur Rückseite 122 hinaus erstrecken kann. Über die Isolationsgräben 128, welche wie in 2 dargestellt beispielsweise im Bereich des Randes der Vorderseite 121 ausgebildet werden, können derartige Emitterbereiche von dem Emitter an der Vorderseite 121 getrennt werden. Die dargestellten Isolationsgräben 128 können beispielsweise mithilfe eines Lasers erzeugt werden.
Anstelle Isolationsgräben 128 im Bereich der Vorderseite 121 des Substrats 120 auszubilden, können derartige Gräben auch an einer anderen Stelle, beispielsweise im Bereich der Rückseite 122 des Substrats 120 vorgesehen werden (nicht dargestellt). Des Weiteren besteht die Möglichkeit, eine elektrische Trennung von Vorder- und Rückseite 121, 122 auf eine andere Weise als durch Ausbilden von Gräben 128 zu verwirklichen. Ein Beispiel ist ein Ätzen der Seitenkanten des Substrats 120.
Ein weiterer Verfahrensschritt ist das Ausbilden einer elektrisch leitfähigen bzw. metallischen Kontaktstruktur auf dem Substrat 120, um die Pole des p-n-Übergangs (d. h. Emitter und Basis) zu kontaktieren. Zu diesem Zweck können wie in 1 dargestellt auf der Vorderseite 121 des Substrats 120 relativ kleine Kontakte 125 ausgebildet werden. Die vorderseitigen Kontakte 125 können in der Aufsicht die Form von dünnen Fingern aufweisen, um eine möglichst geringe Abschattung zu ermöglichen. Im Gegensatz hierzu ist an der Rückseite 122 ein großflächiger Kontakt 126 (Rückseitenkontakt bzw. Rückseitenmetallisierung) vorgesehen.
Das Ausbilden der Kontakte 125, 126 kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden. Beispielsweise ist es möglich, entsprechende Metallkontakte 125, 126 auf Vor der- und Rückseite 121, 122 des Substrats 120 aufzubringen, zum Beispiel durch Aufdrucken. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein Temperatur- bzw. Sinterschritt („Feuern”) durchgeführt werden, um eine bessere Anbindung der Kontakte 125, 126 an das Substrat 120 zu erzielen.
Nach dem Durchführen der vorstehenden Prozesse ist die in 2 dargestellte Solarzelle 110 im Wesentlichen fertig gestellt. Um Strahlungsverluste aufgrund von Reflexionen im Bereich der Vorderseite 121 des Substrats 120 zu verringern, ist (zusätzlich zu einer optionalen Textur) vorgesehen, die Solarzelle 110 wie in 3 dargestellt mit einer transparenten und organisch basierten Antireflexionsschicht 130 zu beschichten. Für die Antireflexionsschicht 130, welche unmittelbar auf dem Substrat 120 bzw. dessen Vorderseite 121 angeordnet wird, und welche ein organisch basiertes oder aus Polymeren aufgebautes Material aufweist, kommen unterschiedliche Materialien bzw. Materialmischungen in Betracht.
Ein mögliches Material für die Antireflexionsschicht 130 ist ein Photolackmaterial, welches vorzugsweise einen hohen Brechungsindex aufweist. Hierunter fallen aromatische Verbindungen wie zum Beispiel Polyhydroxystrol, Polyhydroxystyren (PHS), Polystyrol, Polynaphthlene, oder auch andere Photolackverbindungen und -polymere. Zu weiteren möglichen Photolackmaterialien zählen Alicyclen bzw. alicyclische Verbindungen wie zum Beispiel (Meth)acrylate (beispielsweise Polymethylmethacrylat, PMMA, und Polymethylacrylat, PMA) und Polyester. In Betracht kommen des Weiteren Heterocyclen bzw. heterocyclische Verbindungen.
Für die Antireflexionsschicht 130 kann ferner ein organisch basiertes Spin-On Glas oder eine organisch basierte Sol-Gel Schicht in Betracht kommen. Mögliche Beispiele hierfür sind Organosiloxane, Metall-Acrylate, und Acryl-Metalle.
Des Weiteren kann für die Antireflexionsschicht 130 auch ein Nanolack bzw. Nanolackmaterial (Nano-Resist) verwendet werden. Beispiele hierfür sind Pigment-Dispersionen oder Pasten. Diese können Mischungen aus einem (organischen bzw. organisch basierten) Bindematerial (zum Beispiel eine Methacrylat Polymer Dispersion) und Nanopartikeln (zum Beispiel ZnO/SiO₂, TiO₂/SiO₂, TiO₂ oder andere Metall-/Siliziumoxide) umfassen.
Darüber hinaus können auch (weitere) aus der Halbleitertechnik bekannte und organisch basierte Antireflexionsbeschichtungsmaterialien wie zum Beispiel leitfähige BARC- Materialien (bottom antireflective coating) verwendet werden. Diese können Heterocyclen bzw. heterocyclische Verbindungen umfassen.
In Betracht können ferner weitere organisch basierte Materialien mit Pigmenten und/oder Pigmentmischungen kommen. Hierbei können die Pigmente oder Partikel (zum Beispiel ZnO, TiO₂, TiO₂/SiO₂-Mischung) zum Erzeugen eines hohen Brechungsindex vorgesehen sein. Zu derartigen Materialien zählen zum Beispiel auch metallorganische Materialien wie zum Beispiel Acetat-Verbindungen, Ester-Verbindungen, usw.
Zum Ausbilden der Antireflexionsschicht 130 wird das entsprechende Antireflexionsmaterial (welches gegebenenfalls mehrere Materialien bzw. Materialmischungen umfasst) mit einem geeigneten Verfahren auf das Substrat 120 der Solarzelle 110 aufgebracht. Hierbei kann die Antireflexionsschicht 130 mit einer vorgegebenen Dicke erzeugt werden, um eine hohe antireflektive Wirkung zu ermöglichen. Zum Ausbilden der Antireflexionsschicht 130 kommen (abhängig von dem jeweils eingesetzten Antireflexionsmaterial) unterschiedliche Verfahren und Prozesse in Betracht, von denen einige Ausführungsbeispiele nachfolgend beschrieben werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, das Antireflexionsmaterial in flüssiger Form oder eine das Antireflexionsmaterial enthaltende Lösung auf die Solarzelle 110 bzw. das Substrat 120 aufzubringen.
Das Aufbringen kann zum Beispiel im Rahmen eines Aufschleuderprozesses erfolgen. Hierbei wird das Antireflexionsmaterial (oder eine zugehörige Lösung) auf die Solarzelle 110 bzw. das Substrat 120 aufgebracht (zum Beispiel aufgetropft), und die Solarzelle 110 wird in Rotation versetzt (beispielsweise mithelfe eines Drehtellers). Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, die Antireflexionsschicht 130 relativ homogen und mit einer vorgegebenen Schichtdicke auszubilden.
Darüber hinaus kann die Antireflexionsschicht 130 auch durch Aufsprühen des Antireflexionsmaterials (oder einer das Antireflexionsmaterial enthaltenden Lösung) auf das Substrat 120 oder durch Dispergieren des Antireflexionsmaterials (oder einer Lösung) auf das Substrat 120 erzeugt werden. Möglich ist auch ein Eintauchen der Solarzelle 110 (bzw. eines vorderseitigen Teils der Solarzelle 110) in das Antireflexionsmaterial bzw. eine das Antireflexionsmaterial enthaltende Lösung. Auch bei derartigen Prozessen kann gegebenenfalls (nach dem Aufbringen des Antireflexionsmaterials) ein zusätzliches Rotieren der Solarzelle 110 durchgeführt werden. Ein weiteres mögliches Verfahren ist ein Aufdrucken des Antireflexionsmaterials auf das Substrat 120.
Zusätzlich zu diesen Aufbringprozessen können weitere Prozesse durchgeführt werden. In Betracht kommt zum Beispiel ein Trocknungsprozess. Ein Trocknen des Antireflexionsmaterials kann beispielsweise durch Drehen der Solarzelle 110 oder durch Erzeugen einer Luftströmung bewirkt werden. Zusätzlich oder alternativ kann zum Trocknen auch ein Temperaturschritt bzw. ein Backen der Solarzelle 110 durchgeführt werden, bei dem die Solarzelle 110 zum Beispiel ausgehend von Raumtemperatur auf eine Temperatur zwischen 50°C und 150°C aufgewärmt wird.
Ein weiterer möglicher Prozess ist ein Reinigungsschritt, um das Antireflexionsmaterial von nicht gewünschten Stellen auf der Solarzelle 110 zu entfernen. Beispielsweise kann das Antireflexionsmaterial von der Rückseite der Solarzelle 110 (sofern hier vorhanden) entfernt werden, um den rückseitigen Kontakt 126 freizulegen. Gegebenenfalls können auch die vorderseitigen Kontakte 125 bzw. eine Oberseite der Kontakte 125 freigelegt werden.
Neben dem oben beschriebenen Trocknen kann ein Temperaturschritt auch zu anderen Zwecken eingesetzt werden. Ein Backen kann beispielsweise eine Vernetzung bzw. eine Polymerisation (X-linking) des organisch basierten Antireflexionsmaterials (oder eines zugehörigen Grundmaterials) bewirken. Auch kann ein Temperaturschritt zum Austreiben von Lösungsmitteln, sowie zur Filmstabilisierung durchgeführt werden. Für derartige Zwecke kann eine Erwärmung auf eine Temperatur in einem Bereich von zum Beispiel zwischen 70°C und 250°C durchgeführt werden.
Für den Fall des Durchführens eines Temperaturschritts kann ferner ein nachfolgendes Abkühlen (auf Raumtemperatur) in Betracht kommen. Hierdurch steht die Solarzelle 110 mit der auf dem Substrat 120 angeordneten organischen bzw. organisch basierten Antireflexionsschicht 130 möglichst schnell für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung. Eine solche Weiterverarbeitung ist insbesondere die Fertigung eines Solarmoduls aus einer oder mehreren Solarzellen 110.
4 zeigt ein solches Solarmodul 140 mit der Solarzelle 110 von 3 in einer schematischen Darstellung. Das Solarmodul 140 weist zwei Glasscheiben 147, 148 auf, zwischen denen die Solarzelle 110 angeordnet ist. Die Solarzelle 110 ist dabei in einer transparenten Schicht 146 eingebettet, welche zum Beispiel durch Schmelzen einer Schmelzklebe- bzw. Lammierungsfolie erzeugt werden kann. Darüber hinaus sind auf den Kontakten 125, 126 der Solarzelle 110 weitere elektrische Verbindungselemente 145 in Form von zum Beispiel Verbindungsdrähten vorgesehen. Diese dienen dazu, mehrere Solarzellen 110 (von denen in 4 lediglich eine Solarzelle 110 dargestellt ist) miteinander elektrisch zu verbinden.
Zum Herstellen des Solarmoduls 140 kann ein Laminierungsverfahren durchgeführt werden. Dieses kann darin bestehen, eine erste Folie eines aufschmelzbaren Kunststoffmaterials (zum Beispiel Ethylenvinylacetat, EVA, oder Silikongummi) auf eine der beiden Glasscheiben 147, 148 aufzubringen, hierauf mehrere Solarzellen 110 nebeneinander zu positionieren und elektrisch (über die Verbindungselemente 145) zu kontaktieren (die elektrische Kontaktierung kann auch früher erfolgen), und hierauf eine weitere Folie des aufschmelzbaren Kunststoffmaterials sowie die andere der beiden Glasscheiben 147, 148 zu positionieren. Für die eigentliche Laminierung kann diese Anordnung auf eine Temperatur von zum Beispiel 150°C erwärmt werden. Dies hat zur Folge, dass die beiden Folien eine transparente, vernetzte und nicht mehr aufschmelzbare Kunststoffschicht 146 bilden, in welcher die Solarzellen 110 eingebettet sind, und über welche die Solarzellen 110 mit den beiden Glasscheiben 147, 148 verbunden sind. Nach dem Laminieren können weitere Schritte wie zum Beispiel ein Rahmen des Solarmoduls 140 durchgeführt werden.
5 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung eines Solarmoduls 141. Das Solarmodul 141 weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau auf wie das Solarmodul 140 von 4, und kann daher auch auf die gleiche Weise hergestellt werden. Im Unterschied zu dem Solarmodul 140 ist jedoch eine vorderseitige Glasscheibe 149 vorgesehen, deren vordere Oberfläche mit einer Texturierung versehen ist.
Die Texturierung der Glasscheibe 149 ist dazu geeignet, eine Reflexion von Strahlung an der Vorderseite der Glasscheibe 149 und hiermit verbundene Reflexionsverluste zu verringern. Insbesondere in dieser Ausgestaltung ist daher die Möglichkeit gegeben, auf die oben beschriebene (optionale) Texturierung der Vorderseite 121 eines Solarsubstrats 120 zu verzichten.
Die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen stellen bevorzugte bzw. beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen bzw. Kombinationen von Merkmalen umfassen können. Im Hinblick auf die Solarmodule 140, 141 der 4 und 5 ist es beispielsweise möglich, anstelle der rückseitigen Glasscheibe 148 ein anderes Abdeckelement, zum Beispiel eine Kunststoffverbundfolie vorzusehen.
Auch ist es beispielsweise vorstellbar, bei der Herstellung eines Solarmoduls 140, 141 Solarzellen 110 zunächst ohne eine organisch basierte Antireflexionsschicht 130 bereitzustellen (beispielsweise mit einem Aufbau entsprechend 2), und das Aufbringen einer Antireflexionsschicht 130 (mit einem der oben genannten Verfahren) erst im Rahmen eines Laminierungsverfahrens durchzuführen. Im Hinblick auf das Solarmodul 140 von 4 ist es beispielsweise möglich, mehrere Solarzellen 110 (ohne Antireflexionsschicht 130) einschließlich einer Laminierungsfolie auf einer Glasscheibe anzuordnen, anschließend das Aufbringen der Antireflexionsschicht 130 auf sämtlichen Solarzellen 110 im Wesentlichen gemeinsam durchzuführen, nachfolgend hierauf eine weitere Laminierungsfolie und eine weitere Glasscheibe aufzubringen, sowie durch Temperatureinwirkung die Laminierung des Moduls 140 abzuschließen. Hierdurch kann die Herstellung des Solarmoduls 140 gegebenenfalls beschleunigt werden. Bei kleineren Solarmodulen kann beispielsweise das Aufdrucken einer Antireflexionsschicht 130 auf den Solarzellen 110 in Betracht kommen.
Bei der Herstellung einer Solarzelle 110 mit einer organisch basierten Antireflexionsschicht 130 ist es vorstellbar, die Antireflexionsschicht 130 vor dem Herstellen von Kontaktstrukturen auf einem Solarsubstrat 120 auszubilden. In einem solchen Fall kann die Antireflexionsschicht 130 strukturiert ausgebildet werden bzw. nach dem Aufbringen eines entsprechenden Antireflexionsmaterials ein Teil des Materials im Bereich der (späteren) vorderseitigen Kontaktstrukturen 125 entfernt werden, so dass die Kontakte 125 die Vorderseite 121 des betreffenden Substrats 120 kontaktieren können.
Des Weiteren kann das Konzept, eine organische bzw. organisch basierte Antireflexionsschicht auf einem Substrat mit einer photovoltaischen Struktur auszubilden, auch auf andere als die beschriebenen Solarzellen 110 angewendet werden. Dies betrifft beispielsweise kristalline Solarzellen mit einem anderen Aufbau als demjenigen der 2 und 3, sowie Solarzellen, bei denen die betreffenden Substrate ein anderes kristallines Halbleitermaterial als Silizium aufweisen, oder welche zum Beispiel ein amorphes Halbleitermaterial oder ein organisches Polymermaterial aufweisen. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass der Ausdruck „Substrat” in Bezug auf eine Solarzelle sich auf sämtliche Einrichtungen, Träger, Trägerelemente, Schichtanordnungen usw. beziehen kann, welche eine photovoltaische Struktur bereitstellen, und welche dazu geeignet sind, bei Einwirkung einer Strahlung Ladungsträger zu erzeugen und eine Trennung von in dem betreffenden „Substrat” erzeugten Ladungsträgern zu bewirken.
Beispiele weiterer Solarzellen, für welche die vorstehenden Ansätze und Konzepte angewendet werden können, sind Dünnschicht-Solarzellen wie zum Beispiel Solarzellen aus amorphem Silizium oder aus mikrokristallinem Silizium. Ein weiteres Beispiel sind Solarzellen mit Substraten aus beispielsweise Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Selenid, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid und Kupfer-Indium-Gallium-Sulfit, usw.
Möglich sind auch organische Solarzellen bzw. organische Polymerzellen (auch als Plastiksolarzellen bezeichnet), welche ein Substrat bzw. eine Schichtenanordnung aus einem (oder mehreren) Polymermaterialien aufweisen. Bei solchen organischen Solarzellen kann eine photovoltaische Struktur in Form eines sogenannten Donator-Akzeptor-System vorgesehen sein, bei dem die Ladungstrennung auf dem Gradient eines elektrochemischen Potentials basiert.
Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass Details zu den beschriebenen Prozessen wie insbesondere Zahlenangaben zu Temperaturen lediglich als Beispiele anzusehen sind, welche gegebenenfalls durch andere Angaben ersetzt werden können.
Auch können anstelle der angegebenen Materialien andere Materialien zum Ausbilden einer transparenten Antireflexionsschicht auf eine Solarzelle bzw. auf ein Substrat aufgebracht werden, wobei ebenfalls die oben beschriebenen Verfahren und Prozesse zum Einsatz kommen können.

101, 102, 103: Verfahrensschritt
110: Solarzelle
120: Substrat
121: Vorderseite
122: Rückseite
125, 126: Kontakt
128: Isolationsgraben
130: Antireflexionsschicht
140, 141: Solarmodul
145: Verbindungselement
146: Schicht
147, 148, 149: Glasscheibe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4592925 [0006]
- US 4361598 [0007]

Claims

Photovoltaisches Bauelement (110, 140, 141), aufweisend eine organisch basierte Antireflexionsschicht (130).
Photovoltaisches Bauelement (110, 140, 141) nach Anspruch 1, wobei die organisch basierte Antireflexionsschicht (130) eines der folgenden Materialien aufweist: ein Photolackmaterial, ein Nanolackmaterial, ein Spin-on-Glas, ein Sol-Gel-Material, ein Antireflexionsbeschichtungsmaterial, ein Grundmaterial mit darin enthaltenen Pigmenten.
Photovoltaisches Bauelement (110, 140, 141) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend ein Substrat (120) mit einer photovoltaischen Struktur, wobei das Substrat (120) eines der folgenden Materialien aufweist: ein kristallines Halbleitermaterial, ein amorphes Halbleitermaterial, ein Polymermaterial.
Photovoltaisches Bauelement (141) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das photovoltaische Bauelement (141) weiter eine Glasscheibe (149) mit einer texturierten Oberfläche aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Bauelements (110, 140, 141), umfassend die Verfahrensschritte: Bereitstellen eines Substrats (120) mit einer photovoltaischen Struktur, und Ausbilden einer organisch basierten Antireflexionsschicht (130) auf dem Substrat (120).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Bereitstellen des Substrats (120) ein Durchführen einer Wasserstoff-Passivierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bereitstellen des Substrats (120) ein Durchführen eines Diffusionsprozesses zum Ausbilden eines Emitters umfasst, und wobei die Wasserstoff-Passivierung im Rahmen des Durchführens des Diffusionsprozes ses durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, weiter umfassend Durchführen eines Laminierungsverfahrens, wobei das Ausbilden der organisch basierten Antireflexionsschicht (130) im Rahmen des Laminierungsverfahrens durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Ausbilden der organisch basierten Antireflexionsschicht (130) das Aufbringen eines organisch basierten Antireflexionsmaterials auf das Substrat (120) mit einem der folgenden Prozesse umfasst: Aufschleuderprozess, Aufsprühen des Antireflexionsmaterials auf das Substrat (120), Eintauchen des Substrats (120) in das Antireflexionsmaterial, Dispergieren des Antireflexionsmaterials auf das Substrat (120), Aufdrucken des Antireflexionsmaterials auf das Substrat (120).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei nach dem Aufbringen des organisch basierten Antireflexionsmaterials auf das Substrat (120) einer der folgenden Prozesse durchgeführt wird: Trocknen des Substrats (120), Durchführen eines Temperaturschritts, Durchführen eines Reinigungsschritts, Abkühlen des Substrats (120).