DE102009055675B4 - Photovoltaik-Modulstruktur für die Dünnschichtphotovoltaik mit einer elektrischen Leitungsverbindung und Verfahren zur Herstellung der elektrischen Leitungsverbindung - Google Patents

Photovoltaik-Modulstruktur für die Dünnschichtphotovoltaik mit einer elektrischen Leitungsverbindung und Verfahren zur Herstellung der elektrischen Leitungsverbindung Download PDF

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Abstract

Photovoltaik-Modulstruktur (1) für die Dünnschichtphotovoltaik, wobei die Modulstruktur (1) zumindest zwei photovoltaisch wirksame Bereiche (2', 2'') aufweist, wobei jeder Bereich (2', 2'') in vertikaler Richtung zumindest eine optisch aktive Schicht (5', 5'') aufweist, die zwischen zwei elektrischen ersten und zweiten Kontakten (4', 4'', 6', 6'') angeordnet ist, wobei die Kontakte (4', 4'', 6', 6'') jeweils zumindest eine elektrisch leitende Schicht umfassen, wobei die zwei Bereiche (2', 2'') horizontal so aneinander mit einem Übergang (7) angrenzen, dass der Übergang (7) zwischen den zwei Bereichen (2', 2'') eine horizontale Abfolge einer ersten elektrischen Leitungsunterbrechung (8) zwischen den ersten Kontakten (4', 4'') des ersten (2') und zweiten Bereichs (2''), einer elektrischen Leitungsverbindung (9) zwischen dem zweiten Kontakt (6') des ersten Bereichs (2') und dem ersten Kontakt (4'') des zweiten Bereichs (2'') und eine zweite elektrische Leitungsunterbrechung (10) zwischen den zweiten Kontakten (6', 6'') des ersten (2') und zweiten Bereichs (2'') umfasst, so dass die beiden Bereiche (2', 2'') in Reihe verschaltet sind, wobei die Photovoltaik-Modulstruktur (1) auf einem transparenten Substrat angeordnet ist, wobei zumindest die elektrische Leitungsverbindung (9) und die zweite elektrische Leitungsunterbrechung (10) direkt aneinander angrenzen, wobei die elektrische Leitungsverbindung (9) in vertikaler Richtung zwischen dem zweiten Kontakt (6') des ersten Bereichs (2') und dem ersten Kontakt (4'') des zweiten Bereichs (2'') angeordnet ist, wobei die optisch aktiven Schichten (5', 5'') und die elektrischen ersten (4', 4'') und zweiten Kontakte (6', 6'') als horizontal einheitlich abgeschiedene Photoschicht (5) und erste (4) und zweite Kontaktschichten (6) ausgebildet sind, die Photoschicht (5) die Materialien CdTe und CdS, die erste Kontaktschicht (4) ein transparentes leitendes Oxid und die zweite Kontaktschicht (6) Mo aufweisen, die erste elektrische Leitungsunterbrechung (8) als elektrisch isolierendes Füllmaterial Lacke oder Photoresist umfasst und die zweite elektrische Leitungsunterbrechung (10) als elektrisch isolierendes Füllmaterial Luft umfasst, wobei die erste Kontaktschicht (4) eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 1 μm aufweist, die zweite Kontaktschicht (6) eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 1 μm aufweist, die Photoschicht (5) eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 μm aufweist, die erste elektrische Leitungsunterbrechung (8) eine Breite im Bereich von 5 bis 100 μm aufweist und die zweite elektrische Leitungsunterbrechung (10) eine Breite im Bereich von 5 bis 100 μm aufweist und die elektrische Leitungsverbindung (9) eine Breite im Bereich von 0,01 μm bis 40 μm aufweist und Material der ersten (4) und/oder zweiten Kontaktschicht (6) umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Modulstruktur für die Dünnschichtphotovoltaik mit einer elektrischen Leitungsverbindung sowie ein Verfahren zum Herstellen der elektrischen Leitungsverbindung.
  • Photovoltaik-Module kommen heute in großem Umfang zum Einsatz, wobei trotz eines etwas geringeren Wirkungsgrades Dünnschichtphotovoltaik-Modulstrukturen wegen Ihres deutlich geringeren Materialbedarfs starke Bedeutung erlangt haben.
  • Solche Dünnschichtphotovoltaik-Modulstrukturen weisen photoaktive Schichten mit Schichtdicken in der Größenordnung von μm auf und als Halbleitermaterialien kommen neben den reinen Halbleitern Silizium und Germanium auch Verbindungshalbleiter wie CdTe oder Cu(In,Ga)(S,Se)2 (kurz CIS oder CIGS genannt) zum Einsatz.
  • Üblicherweise weist eine solche Photovoltaik-Modulstruktur mehrere photovoltaik-wirksame Bereiche auf, die miteinander in Reihe verschaltet sind, um eine genügend große Spannung zu erzeugen. Die in-Reihe-Verschaltung wird dabei üblicherweise dadurch erzeugt, dass zwischen zwei photovoltaisch wirksamen Bereichen, die in einer Ebene verlaufende Kontaktschichten aufweisen, ein Übergang vorgesehen wird, bei dem die untere Kontaktschicht des einen Bereichs mit der oberen Kontaktschicht des anderen Bereichs elektrisch leitend verbunden wird, so wie es beispielsweise in der EP 0 749 161 B1 gezeigt ist.
  • Üblicherweise werden zur Erzeugung eines solchen Übergangs drei Strukturierungsschritte vorgenommen, die gewöhnlich durch Laserstrukturierung erfolgen, wie im Folgenden anhand 1 beispielhaft beschrieben wird. Dazu wird auf einem Substrat 20 eine erste elektrisch leitende Kontaktschicht 21 aufgebracht, die mittels Laserstrukturierung, beispielsweise entlang einer Linie, unterbrochen wird. Vorzugsweise wird auch gleich die optisch aktive Schicht 22 auf der ersten elektrisch leitenden Kontaktschicht 21 aufgebracht und ebenfalls durch diesen ersten Strukturierungsschritt unterbrochen. Danach wird der so gebildete Graben 23 mit einer elektrisch isolierenden Schicht 24 verfüllt und anschließend in einem zweiten Laserstrukturierungsschritt nur die optisch aktive Schicht 22 unterbrochen. Dann wird über der gesamten Modulstruktur eine zweite elektrisch leitende Kontaktschicht 25 aufgebracht, die den bei dem zweiten Laserstrukturierungsschritt hergestellten Graben 26 verfüllt und dadurch einen elektrisch leitenden Kontakt 27 zwischen erster 21 und zweiter elektrisch leitender Kontaktschicht 25 herstellt. In einem dritten Schritt werden schließlich die zweite elektrisch leitende Kontaktschicht 25 und die darunter liegende optisch aktive Schicht 22 durch einen dritten Laserstrukturierungsschritt unterbrochen 28, wodurch sich ein Übergang 29 zwischen den zwei photovoltaisch wirksamen Bereichen 30, 31 ergibt, der eine horizontale Abfolge aufweist mit einer Unterbrechung 24 in der ersten elektrisch leitenden Kontaktschicht 21, einer elektrisch leitenden Verbindung 27 zwischen erster 21 und zweiter elektrisch leitender Kontaktschicht 25 und einer Unterbrechung 28 in der zweiten elektrisch leitenden Kontaktschicht 25. Hierdurch wird der Stromfluss S durch die Photovoltaik-Modulstruktur 32 so gesteuert, dass sich eine Reihenverschaltung benachbarter photovoltaisch wirksamer Bereiche 30, 31 ergibt, wie dies in 1 reinschematisch dargestellt ist.
  • Nachteilig an dieser bekannten Struktur 32 und dem dafür verwendeten Herstellungsverfahren ist es, dass hierbei zum einen drei Strukturierungsschritte erforderlich sind, die in unterschiedlichen Anlagen durchgeführt werden. Außerdem erfolgen die drei Strukturierungsschritte voneinander örtlich getrennt, so dass innerhalb der Photovoltaik-Modulstruktur 32 optisch inaktive Bereiche A, B erzeugt werden, die üblicherweise etwa 200 μm breit sind, um eine Positionierungstoleranz für die Strukturierung zu bilden, und einen Wirkungsgradverlust bedingen.
  • Weitere Photovoltaikstrukturen sind bekannt aus DE 43 24 318 C1 , DE 199 34 560 A1 , US 4 954 181 A , US 4 968 354 A , US 4 517 403 A , WO 2009/082 141 A2 , US 2009/0 260 671 A1 und KR 10 2009 0 067 351 A .
  • Die DE 43 24 318 C1 zeigt ein Verfahren zur Serienverschaltung einer integrierten Dünnfilmsolarzellenanordnung, wobei ein erster Strukturierungsprozess für die Frontelektrodenschicht erfolgt, anschließend erfolgt eine erste Laserbestrahlung zur Erzeugung eines Strukturgrabens und daran anschließend eine zweite Laserbestrahlung, wodurch über eine Phasenumwandlung des Halbleitermaterials im bestrahlten Bereich ein niederohmiger Bereich entsteht.
  • Die DE 199 34 560 A1 offenbart ebenfalls drei Strukturierungsprozesse, wobei zuerst Kontakte strukturiert werden, danach erfolgt ein zweiter Strukturierungsschritt für die photovoltaisch aktive Schicht und zum Schluss wird das ganze hierauf aufgebrachte Frontkontaktmaterial mittels eines dritten Strukturierungsprozesses unterteilt.
  • Die US 4 954 181 A offenbart eine Laserstrukturierung hinsichtlich der transparenten Elektroden, wobei anschließend gleichzeitig mittels Laserstrukturierungen Durchbrechungen in der gegenüberliegenden Elektrode und dem photovoltaisch aktiven Material erzeugt werden und in einem dritten Strukturierungsschritt ein partielles Aufschmelzen in einzelnen Bereichen erfolgt, um die Reihenschaltung zu komplettieren. Auch die US 4 968 354 A offenbart im Wesentlichen ein solches Vorgehen.
  • Die US 4 517 403 A verwendet ebenfalls drei Strukturierungsschritte, wobei zum einen die transparente leitfähige Schicht mittels Laserstrukturierung unterteilt wird, danach eine schon strukturierte Rückseitenelektrode aufgedruckt wird und schließlich sowohl die Rückelektrode, als auch die photovoltaisch aktive Schicht mittels eines Laserstrahls erhitzt werden, wodurch Elektrodenmaterial in die aktive Schicht eindiffundiert und eine leitende Schicht ausgebildet wird.
  • Die WO 2009/082 141 A2 offenbart ein Verfahren, bei dem die Frontelektrode strukturiert aufgedruckt wird, dann die aktive Schicht und eine transparente leitfähige Schicht gleichzeitig mittels Laser strukturiert werden und anschließend der Rückseitenkontakt strukturiert aufgedruckt wird.
  • Die US 2009/0 260 671 A1 offenbart eine Parallelverschaltung photovoltaischer Module, wobei ein isolierender Füllstoff in der optisch aktiven Schicht vorgesehen ist, der eine erste elektrische Leitungsunterbrechung bildet.
  • Die KR 10 2009 0 067 351 A offenbart ebenfalls das übliche Strukturierungsverfahren, das aber deshalb problematisch sei, weil dabei drei Strukturierungsprozesse vorgenommen werden müssen und mit der Laserstrukturierung im Zusammenhang stehende Verunreinigungen zu befürchten sind. Zur Lösung schlägt die KR 10 2009 0 067 351 A zwei Strukturierungsverfahren vor, wobei bei der Strukturierung der Frontelektrode und der Erzeugung von Ausnehmungen Laserstrukturierungsverfahren verwendet werden, zur Erzeugung der Rückseitenelektrode jedoch ein Druckverfahren zum Einsatz kommt, so dass hier ein Laserstrukturierungsschritt eingespart wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Photovoltaik-Modulstruktur und ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen zwei voneinander beabstandeten Kontaktschichten bereitzustellen, mit denen diese Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll die Photovoltaik-Modulstruktur einen höheren Wirkungsgrad ermöglichen und das Herstellungsverfahren soll die Herstellung kostengünstigerer Photovoltaik-Modulstrukturen gestatten.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Photovoltaik-Modulstruktur gemäß Anspruch 1 und einem Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Modulstruktur für die Dünnschichtphotovoltaik, weist zumindest zwei photovoltaisch wirksame Bereiche auf, wobei jeder Bereich in vertikaler Richtung zumindest eine optisch aktive Schicht aufweist, die zwischen zwei elektrischen ersten und zweiten Kontakten angeordnet ist, wobei die Kontakte jeweils zumindest eine elektrisch leitende Schicht umfassen, wobei die zwei Bereiche horizontal so aneinander mit einem Übergang angrenzen, dass der Übergang zwischen den zwei Bereichen eine horizontale Abfolge einer ersten elektrischen Leitungsunterbrechung zwischen den ersten Kontakten des ersten und zweiten Bereichs, einer elektrischen Leitungsverbindung zwischen dem zweiten Kontakt des ersten Bereichs und dem ersten Kontakt des zweiten Bereichs und eine zweite elektrische Leitungsunterbrechung zwischen den zweiten Kontakten des ersten und zweiten Bereichs umfasst, so dass die beiden Bereiche in Reihe verschaltet sind, wobei zumindest die elektrische Leitungsverbindung und die zweite elektrische Leitungsunterbrechung direkt aneinander angrenzen. Dadurch wird der Wirkungsgrad erhöht, weil keine inaktiven Bereiche mehr zwischen der elektrischen Leitungsverbindung und der zweiten elektrischen Leitungsunterbrechung mehr vorliegen. Die Photovoltaik-Modulstruktur ist auf einem transparenten Substrat, insbesondere Glas angeordnet, weil dann sowohl eine Laserstrukturierung durch das Substrat erfolgen kann als auch die Photovoltaik-Modulstruktur von der Substratseite her aktiv ist.
  • Zweckmäßig ist der Übergang als im Wesentlichen vertikale Strukturierung ausgebildet. Dann lässt er sich besonders einfach erzeugen.
  • Bevorzugt ist die erste elektrische Leitungsunterbrechung ebenfalls in der optisch aktiven Schicht des ersten Bereichs vorgesehen und bevorzugt als in eine Strukturierung eingebrachter isolierender Füllstoff ausgebildet, da dadurch der Wirkungsgrad verbessert werden kann.
  • Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn die zweite elektrische Leitungsunterbrechung durch eine strukturierte Unterbrechung in der zweiten Kontaktschicht des zweiten Bereichs gebildet ist, wobei die Unterbrechung sich bevorzugt zumindest auch über die optisch aktive Schicht des zweiten Bereichs erstreckt. Dann kein der Wirkungsgrad ebenfalls verbessert werden.
  • Die elektrische Leitungsverbindung weist eine Breite im Bereich von 0,01 bis 40 μm auf und beträgt insbesondere 30 μm. Dadurch lässt sich eine besonders kostengünstige Herstellung ermöglichen unter gleichzeitiger Sicherstellung eines ausreichend hohen Stromflusses in der Reihenschaltung.
  • Die optisch aktiven Schichten und die elektrischen ersten und zweiten Kontakte sind als horizontal einheitlich abgeschiedene Photoschicht bzw. erste und zweite Kontaktschichten ausgebildet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Photoschicht die Materialien CdTe und CdS, die erste Kontaktschicht ein transparentes leitendes Oxid, bevorzugt ITO, und die zweite Kontaktschicht Mo aufweisen, die erste elektrische Leitungsunterbrechung als elektrisch isolierendes Füllmaterial Lacke, Photorestist und dgl. umfasst und die zweite elektrische Leitungsunterbrechung als elektrisch isolierendes Füllmaterial Luft umfasst, wobei die erste Kontaktschicht eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 1 μm, bevorzugt 0,05 bis 0,5 μm aufweist und insbesondere 0,25 μm beträgt, die zweite Kontaktschicht eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 1 μm, bevorzugt 0,1 bis 0,8 μm aufweist und insbesondere 0,5 μm beträgt, die Photoschicht eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 μm, bevorzugt 1 bis 5 μm aufweist und insbesondere 3 μm beträgt, die erste elektrische Leitungsunterbrechung eine Breite im Bereich von 5 bis 100 μm, bevorzugt 20 bis 80 μm aufweist und insbesondere 50 μm beträgt und die zweite elektrische Leitungsunterbrechung eine Breite im Bereich von 5 bis 100 μm, bevorzugt 20 bis 80 μm aufweist und insbesondere 30 μm beträgt. Selbstverständlich können die Bereiche auch in Form von horizontal nicht einheitlich ausgebildeten Schichten hergestellt sein, wobei dennoch die eben genannten Materialien bevorzugt sind.
  • Selbständiger Schutz wird beansprucht für ein Verfahren zum Herstellen der elektrischen Leitungsverbindung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Modulstruktur, wobei ein asymmetrischer Strukturierungsschritt vorgenommen wird zur gleichzeitigen Erzeugung der elektrischen Leitungsverbindung und einer direkt angrenzenden elektrischen Leitungsunterbrechung in einer der beiden Kontaktschichten. Durch den asymmetrischen Strukturierungsimpuls können in einem einzigen Strukturierungsschritt sowohl die elektrischen Leitungsverbindung als auch eine direkt angrenzende elektrische Leitungsunterbrechung erzeugt werden, wodurch das Herstellungsverfahren einfacher und kostengünstiger wird gegenüber bisherigen Herstellungsverfahren. Vor allem wird ein Positionierungsschritt zwischen dem zweiten und dritten Laserstrukturierungsschritt eingespart, da beide Strukturierungsschritte nun gleichzeitig erfolgen. Dadurch werden Positionierungsprobleme umgangen, die im industriellen Maßstab große Bedeutung haben, denn dabei wird üblicherweise zur Erzielung hohen Durchsatzes ein einzelner Laserstrahl mit Hilfe eines Spiegels auf das zu strukturierende Schichtpaket gelenkt, um seriell viele, beispielsweise linienförmige Gräben zu erzeugen und dadurch viele photovoltaisch wirksame Bereiche festzulegen. Zur Anpassung an Positionierungsfehler werden Toleranzen benötigt, die über die inaktiven Bereiche A, B mit ca. 200 μm Breite bereitgestellt werden. Zumindest eine solche Positionierungstoleranz ist nun entbehrlich, was den Durchsatz deutlich erhöht.
  • Dabei soll die Strukturierungsintensität des Strukturierungspulses in einem äußeren Bereich des Strukturierungspulses soviel geringer sein, als in den übrigen Bereichen, dass sich in den mit geringerer Strukturierungsintensität erzeugten Strukturbereichen die elektrisch leitende Verbindung zwischen der ersten und zweiten Kontaktschicht ausbildet, wobei die elektrisch leitende Verbindung Material der ersten und/oder zweiten Kontaktschicht umfasst.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die elektrische Leitungsverbindung zwischen dem zweiten Kontakt des ersten Bereichs und dem ersten Kontakt des zweiten Bereichs der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Modulstruktur erzeugt.
  • Besonders zweckmäßig wird der Strukturierungsschritt mittels Laserstrukturierung durchgeführt und die Bereiche unterschiedlicher Strukturierungsintensität werden dadurch erzeugt, dass ein asymmetrisches optisches Element verwendet wird und/oder dass zumindest zwei Laser verwendet werden, die eine unterschiedliche Intensität aufweisen und/oder das ein asymmetrisches Filterelement eingesetzt wird. „Optisches Element” heißt in diesem Zusammenhang, dass Brechung, Beugung, Streuung und/oder Reflektion erfolgen sollen. Ein solches optisches Element könnte beispielsweise für eine linienförmige Strukturierung ein über einen gewissen Teilbereich planparalleles Glas sein, dessen Dicke sich in dem anderen Bereich beispielsweise bogenförmig verjüngt. Als weitere optische Elemente können auch Spiegel oder andere Reflektoren eingesetzt werden oder Fesnel-Linsen, durch die eine asymmetrische Intensitätsverteilung eingestellt wird. Das asymmetrische optische Element soll also in einem Bereich durch Brechung, Beugung, Reflektion und/oder Streuung eine Intensitätsreduzierung bewirken.
  • „Filterelement” heißt in diesem Zusammenhang, dass durch Absorption die Intensität verringert wird, was beispielsweise durch einen Graustufenfilter erfolgen kann. Andererseits kann auch alternativ oder zusätzlich eine vollständige bzw. teilweise Filterung von einzelnen Frequenzen erfolgen, wodurch die Intensität ebenfalls herabgesetzt werden kann. Eine solche Frequenzfilterung ist beispielsweise mit einem Bragg-Filter möglich.
  • Die Merkmale sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Weiteren anhand der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß 2 deutlich werden, wobei darin eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Modulstruktur rein schematisch im Schnitt dargestellt ist. Außerdem wird in 3 ein bevorzugtes optisches Filterelement rein schematisch dargestellt.
  • Die Photovoltaik-Modulstruktur 1 weist zwei photovoltaisch wirksame Bereiche 2', 2'' auf, die horizontal gesehen nebeneinander auf einem Glassubstrat 3 aufgebracht sind. Jeder der beiden Bereiche 2', 2'' weist ausgehend vom Glassubstrat 3 einen ersten elektrisch leitfähigen Kontakt 4', 4'', eine optisch aktive Schicht 5', 5'' und einen zweiten elektrisch leitfähigen Kontakt 6', 6'' auf. Zwischen den beiden Bereichen 2', 2'' ist in horizontaler Richtung ein Übergang 7 vorgesehen. Der Übergang 7 weist dabei eine erste elektrische Leitungsunterbrechung 8 auf, die zwischen den beiden ersten elektrisch leitenden Kontakten 4', 4'' der beiden Bereiche 2', 2'' vorgesehen ist und sich im Wesentlichen vollständig entlang der Dicke der optisch aktiven Schicht 5' des ersten Bereichs 2' erstreckt. Getrennt durch einen Teil 11 der optische aktiven Schicht 5' des Bereichs 2' ist eine elektrische Leitungsverbindung 9 zwischen dem zweiten Kontakt 6' des ersten Bereichs 2' und dem ersten Kontakt 4'' des zweiten Bereichs 2'' angeordnet, an den sich unmittelbar angrenzend eine zweite elektrisch Leitungsunterbrechung 10 anschließt, die die beiden zweiten Kontakte 6', 6'' der beiden Bereiche 2', 2'' elektrisch unterbricht und sich im Wesentlichen über die gesamte Tiefe der optisch aktiven Schicht 5'' des zweiten Bereichs 2'' bis zum ersten Kontakt 4'' des zweiten Bereichs 2'' erstreckt.
  • Auf Grund des unmittelbaren aneinander Angrenzens der elektrischen Leitungsverbindung 9 und der zweiten elektrischen Leitungsunterbrechung 10 wird in der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Modulstruktur der Wirkungsgrad gegenüber der in 1 gezeigten herkömmlichen Photovoltaik-Modulstruktur 32 dadurch erhöht, dass der unwirksame Bereich B entfällt.
  • Bevorzugt handelt es sich bei dem Substrat 3 um ein Glassubstrat 3, die ersten Kontakte 4', 4'' bestehen aus einem transparent leitfähigen Oxid, beispielsweise ITO, die zweiten Kontakte 6', 6'' bestehen aus Mo und die optisch aktiven Schichten 5', 5'' weisen vom Substrat 3 aus betrachtet eine Schichtung zwischn CdS und CdTe auf, die durch Temperierung aktiviert wurde. Als Material für die erste elektrische Leitungsunterbrechung 8 wird bevorzugt ein organisches, isolierendes Material gewählt, beispielsweise ein Photoresist.
  • Gemäß einer verbesserten Ausgestaltung (nicht gezeigt) werden auch die erste Leitungsunterbrechung 8 und die elektrische Leitungsverbindung 9 unmittelbar aneinander angrenzend ausgebildet unter Beseitigung des Teils 11 der optisch aktiven Schicht 5', so dass der Wirkungsgrad dahingehend weiter verbessert ist, dass auch der unwirksame Bereich A in 1 beseitigt ist. Dies könnte zum Beispiel dadurch erfolgen, dass der asymmetrische Strukturierungsschritt mit einer solchen Beabstandung und Breite ausgeführt wird, so dass sich die elektrische Leitungsverbindung 9 direkt angrenzend an die erste elektrische Leitungsunterbrechung 8 ausbildet, wobei dann die Breite der elektrischen Leitungsunterbrechung 8 so zu wählen ist, dass Positionierungstoleranzen bei der Laserstrukturierung gewährleistet werden.
  • Obwohl die in 2 gezeigte Photovoltaik-Modulstruktur 1 auf den ersten Blick nahe liegend erscheint, ist sie für den Fachmann dennoch überraschend, da sie mit dem bisher verwendeten Dreischritt-Strukturierungsverfahren im industriellen Maßstab auf Grund von Positionierungsungenauigkeiten und deshalb notwendigen Positionierungstoleranzen nicht herstellbar ist. Erst die Erfinder stellen ein überraschend einfaches Verfahren zur Herstellung einer solchen Struktur zur Verfügung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb für den Fachmann überraschend, da es auf einem erst durch die Erfinder analysierten Fehler innerhalb der herkömmlichen Photovoltaik-Modulstruktur 32 gemäß 1 beruht, der nun vorteilhaft zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Modulstruktur 1 eingesetzt wird. Im Detail haben die Erfinder festgestellt, dass sich bei dem bekannten Dreischritt-Laserstrukturierungsverfahren Wirkungsgradverluste ergeben, die nicht ohne Weiteres mit den ungenutzten Bereichen A, B zu erklären sind. Im Rahmen von REM-Analysen in Verbindung mit EDX-Mapping wurde festgestellt, dass sich im Lasergraben der im dritten Strukturierungsschritt erzeugten zweiten elektrischen Leitungsunterbrechung 28 Nebenanschlüsse („shunts”) dadurch ausgebildet haben, dass an der Laserkante zum ersten Bereich 30 Abschnitte bestehen, in denen Material des zweiten Kontakts 26 sich bis zum ersten Kontakt 21 erstreckt und dadurch einen lokalen Kurzschluss herstellt.
  • Dieser Effekt wird dadurch erklärt, dass in diesem Bereich an der Laserkante der zur Strukturierung verwendete Laserimpuls eine geringere Intensität aufgewiesen hat als in den anderen Bereichen, so dass an dieser Stelle Material des ersten Kontakts 21 umgelagert wird. Man kann sich den Effekt wohl so veranschaulichen, dass beim Schneiden durch einen Kuchen mit aufgebrachter Glasur die Glasur an dem Schnitt herunter läuft bzw. herunter gezogen wird. Dies wird dadurch erklärt, dass in diesem Bereich der Strukturierungsimpuls zu schwach ist.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun also durch einen asymmetrisch ausgebildeten Strukturierungsschritt Material des zweiten Kontakts 6' des ersten Bereichs 2' entlang der Schnittkante zum ersten Kontakt 4'' des zweiten Bereichs 2'' hin verlagert, um die elektrische Leitungsverbindung 9 zu erzeugen. Bei geeigneter Strukturierung wird es allerdings auch möglich sein, das Material des ersten Kontakts 6'' des zweiten Bereichs 2'' entlang der Schnittkante zu verteilen, um so eine Kontaktierung des ersten Kontakts 6' des ersten Bereichs 2' zu erreichen.
  • Durch Untersuchungen des Übergangs 7 wurde festgestellt, dass sich einerseits eine durchgehende elektrische Leitungsverbindung 9 ausbildet und andererseits die zweite elektrische Leitungsunterbrechung 10 an der abgewandten Seite bezüglich der elektrischen Leitungsverbindung 9 ein scharfes, isolierendes Profil aufweist.
  • Auch wenn hier davon ausgegangen wird, dass der Strukturierungsimpuls im Bereich der Kontaktierung durch die elektrische Leitungsverbindung 9 schwächer ist als im Bereich der zweiten elektrischen Leitungsunterbrechung 10, ist es prinzipiell auch denkbar, dass der Strukturierungsimpuls im Bereich der elektrischen Leitungsverbindung 9 stärker ist als im Bereich der elektrischen Leitungsunterbrechung 10. Prinzipiell liegt also das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren darin begründet, dass eine einheitlicher, aber asymmetrischer Strukturierungsimpuls hinsichtlich der zu strukturierenden Bereiche der elektrischen Leitungsverbindung 9 und elektrischen Leitungsunterbrechung 10 vorgenommen wird. Die Strukturierungsintensität soll also unterschiedlich hoch sein.
  • Das Verfahren kann beispielsweise mit einem optischen Element 40 gemäß 3 ausgeführt werden, wobei das optische Element 40 einen ersten Bereich 41 aufweist, in dem planparallele Grenzflächen und somit eine konstante Dicke D vorliegen, und einen zweiten Bereich 42, in dem sich die Dicke ausgehend von der Dicke D des ersten Bereichs 41 sukzessive bogenförmig verjüngt. In Bezug auf die Normale des ersten Bereichs 41 parallel durchtretende Laserstrahlen verändern ihre Richtung hinter dem optischen Element 40 nach Durchtritt durch den ersten Bereich 41 nicht, während durch den zweiten Bereich 42 durchtretende Laserstrahlen hinter einem Fokuspunkt divergieren. Dadurch wird ein erster Bereich 41 mit gleicher Intensität bereitgestellt und ein zweiter Bereich 42, in dem die Intensität durch Strahlaufweitung verringert ist.
  • Auch wenn vorstehend stets von einer Laserstrukturierung ausgegangen wurde, können natürlich auch andere bekannte Strukturierungsmethoden Verwendung finden, wie beispielsweise eine Elektronenstrahlstrukturierung oder eine Ionenstrahlstrukturierung.
  • Dadurch, dass die Photovoltaik-Modulstruktur 1 von 2 durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht den ungenutzten Bereich B der Photovoltaik-Modulstruktur aus 1 aufweist, wurde ein absoluter Wirkungsgradgewinn von etwa 0,2% erreicht. Dies bedeutet, dass der Wirkungsgradzugewinn relativ um etwa 2% erhöht werden konnte, was einen bedeutenden Fortschritt in der Herstellung von Photovoltaik-Modulstrukturen darstellt. Außerdem lassen sich durch die erfindungsgemäße Photovoltaik-Modulstruktur 1, insbesondere unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zwei Prozessschritte einsparen. Zum einen ist nämlich nur ein einziger Strukturierungsschritt, bevorzugt durch Laserstrahlstrukturierung, für die Erzeugung der Strukturen für die elektrische Leitungsverbindung 9 und die zweite elektrische Leitungsunterbrechung 10 erforderlich und zum anderen kann auf das Einbringen von leitfähigen Material in die Struktur der elektrischen Leitungsverbindung 9 verzichtet werden, da sich diese elektrische Leitungsverbindung 9 während des asymmetrischen Strukturierungsschrittes von selbst ausbildet. Hier wird also auch Material und Zeit eingespart.
  • Aus dem Vorstehenden ist klar geworden, dass sich mit der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Modulstruktur 1 und durch Bereitstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen voneinander beabstandeten Kontaktschichten besonders einfach und kostengünstig wirkungsgradoptimierte Photovoltaik-Modulstrukturen 1 ergeben, wobei der Wirkungsgradzugewinn bedeutend ist.

Claims (6)

  1. Photovoltaik-Modulstruktur (1) für die Dünnschichtphotovoltaik, wobei die Modulstruktur (1) zumindest zwei photovoltaisch wirksame Bereiche (2', 2'') aufweist, wobei jeder Bereich (2', 2'') in vertikaler Richtung zumindest eine optisch aktive Schicht (5', 5'') aufweist, die zwischen zwei elektrischen ersten und zweiten Kontakten (4', 4'', 6', 6'') angeordnet ist, wobei die Kontakte (4', 4'', 6', 6'') jeweils zumindest eine elektrisch leitende Schicht umfassen, wobei die zwei Bereiche (2', 2'') horizontal so aneinander mit einem Übergang (7) angrenzen, dass der Übergang (7) zwischen den zwei Bereichen (2', 2'') eine horizontale Abfolge einer ersten elektrischen Leitungsunterbrechung (8) zwischen den ersten Kontakten (4', 4'') des ersten (2') und zweiten Bereichs (2''), einer elektrischen Leitungsverbindung (9) zwischen dem zweiten Kontakt (6') des ersten Bereichs (2') und dem ersten Kontakt (4'') des zweiten Bereichs (2'') und eine zweite elektrische Leitungsunterbrechung (10) zwischen den zweiten Kontakten (6', 6'') des ersten (2') und zweiten Bereichs (2'') umfasst, so dass die beiden Bereiche (2', 2'') in Reihe verschaltet sind, wobei die Photovoltaik-Modulstruktur (1) auf einem transparenten Substrat angeordnet ist, wobei zumindest die elektrische Leitungsverbindung (9) und die zweite elektrische Leitungsunterbrechung (10) direkt aneinander angrenzen, wobei die elektrische Leitungsverbindung (9) in vertikaler Richtung zwischen dem zweiten Kontakt (6') des ersten Bereichs (2') und dem ersten Kontakt (4'') des zweiten Bereichs (2'') angeordnet ist, wobei die optisch aktiven Schichten (5', 5'') und die elektrischen ersten (4', 4'') und zweiten Kontakte (6', 6'') als horizontal einheitlich abgeschiedene Photoschicht (5) und erste (4) und zweite Kontaktschichten (6) ausgebildet sind, die Photoschicht (5) die Materialien CdTe und CdS, die erste Kontaktschicht (4) ein transparentes leitendes Oxid und die zweite Kontaktschicht (6) Mo aufweisen, die erste elektrische Leitungsunterbrechung (8) als elektrisch isolierendes Füllmaterial Lacke oder Photoresist umfasst und die zweite elektrische Leitungsunterbrechung (10) als elektrisch isolierendes Füllmaterial Luft umfasst, wobei die erste Kontaktschicht (4) eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 1 μm aufweist, die zweite Kontaktschicht (6) eine Dicke im Bereich von 0,01 bis 1 μm aufweist, die Photoschicht (5) eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 10 μm aufweist, die erste elektrische Leitungsunterbrechung (8) eine Breite im Bereich von 5 bis 100 μm aufweist und die zweite elektrische Leitungsunterbrechung (10) eine Breite im Bereich von 5 bis 100 μm aufweist und die elektrische Leitungsverbindung (9) eine Breite im Bereich von 0,01 μm bis 40 μm aufweist und Material der ersten (4) und/oder zweiten Kontaktschicht (6) umfasst.
  2. Photovoltaik-Modulstruktur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassdie Breite der elektrischen Leitungsverbindung (9) 30 μm beträgt und/oder der Übergang (7) als im Wesentlichen vertikale Strukturierung ausgebildet ist.
  3. Photovoltaik-Modulstruktur (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Leitungsunterbrechung (8) ebenfalls in der optisch aktiven Schicht (5') des ersten Bereichs (2') vorgesehen ist und bevorzugt als in eine Strukturierung eingebrachter isolierender Füllstoff ausgebildet ist.
  4. Photovoltaik-Modulstruktur (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Leitungsunterbrechung (10) durch eine strukturierte Unterbrechung in der zweiten Kontaktschicht (6'') des zweiten Bereichs (2'') gebildet ist, wobei die Unterbrechung sich bevorzugt zumindest auch über die optisch aktive Schicht (5'') des zweiten Bereichs (2'') erstreckt.
  5. Verfahren zur Herstellung der elektrischen Leitungsverbindung (9) zwischen dem zweiten Kontakt (6') des ersten Bereichs (2') und dem ersten Kontakt (4'') des zweiten Bereichs (2'') einer Photovoltaik-Modulstruktur (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein asymmetrischer Strukturierungsschritt vorgenommen wird zur gleichzeitigen Erzeugung der elektrischen Leitungsverbindung (9) und einer direkt angrenzenden elektrischen Leitungsunterbrechung in einer der beiden Kontaktschichten (4, 6), bei dem die Strukturierungsintensität des Strukturierungspulses in einem äußeren Bereich des Strukturierungspulses soviel geringer ist, als in den übrigen Bereichen, dass sich in den mit geringerer Strukturierungsintensität erzeugten Strukturbereichen die elektrisch leitende Verbindung (9) zwischen der ersten (4) und zweiten Kontaktschicht (6) ausbildet, wobei durch den asymmetrischen Strukturierungsschritt Material der ersten Kontaktschicht (4) zur zweiten Kontaktschicht (6) hin oder von der zweiten Kontaktschicht (6) zur ersten Kontaktschicht (4) hin so umgelagert wird, dass die elektrisch leitende Verbindung (9) Material der ersten (4) und/oder zweiten Kontaktschicht (6) umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturierungsschritt mittels Laserstrukturierung durchgeführt wird und die Bereiche unterschiedlicher Strukturierungsintensität dadurch erzeugt werden, dass ein asymmetrisches optisches Element verwendet wird, um durch Brechung, Beugung, Reflektion und/oder Streuung eine Intensitätsreduzierung zu erreichen, insbesondere ein Glas, das in einem ersten Bereich planparallel ist und dessen Dicke sich in einem zweiten Bereich bogenförmig verjüngt, und/oder dass zumindest zwei Laser verwendet werden, die eine unterschiedliche Intensität aufweisen, und/oder dass ein asymmetrisches Filterelement eingesetzt wird.
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