DE102009056128A1

DE102009056128A1 - Rückseitenschichtsystem für Dünnschichtsolarmodule, Dünnschichtsolarmodul und Verfahren zur Herstellung eines Rückseitenschichtsystems

Info

Publication number: DE102009056128A1
Application number: DE102009056128A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Koitzsch; André Dr. Hedler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Solarworld Industries Thueringen De GmbH
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-04-28
Also published as: WO2011051256A2; WO2011051256A3; EP2494609A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rückseitenschichtsystem für Dünnschichtsolarmodule mit einem Rückkontakt. Der Rückkontakt weist eine leitfähige, lichtreflektierende, strukturierte Rückschicht für den Transport elektrischen Stroms auf. Erfindungsgemäß ist auf die metallische Rückschicht eine rückreflektierende, dielektrische Schicht aufgebracht. Weiterhin gibt die Erfindung ein Dünnschichtsolarmodul mit einem erfindungsgemäßen Rückseitenschichtsystem sowie ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rückseitenschichtsystems an.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rückseitenschichtsystem für Dünnschichtsolarmodule, ein Dünnschichtsolarmodul und ein Verfahren zur Herstellung eines Rückseitenschichtsystems für Dünnschichtsolarmodule.
Dünnschichtsolarmodule sind aus dem Stand der Technik bekannt. In der Regel bestehen sie aus monolithisch verschalteten Solarzellen.
1 zeigt schematisch eine Querschnittdarstellung einer Ausführungsform eines Dünnschichtsolarmoduls. Das Dünnschichtsolarmodul umfasst einen Frontkontakt 102, einen Rückkontakt 104 und einen Absorber 103. Diese Schichten wurden mittels großflächiger Beschichtungsverfahren auf ein Glassubstrat 101 aufgebracht und per Laserprozess strukturiert. Die Bezugszeichen 111, 112 und 113 verdeutlichen die durch Laserstrukturierung gebildeten Bahnen (Pattern). Der Rückkontakt 104 muss gewissen Anforderungen genügen. Einerseits soll der generierte Photostrom über eine möglichst hohe elektrische Querleitfähigkeit möglichst verlustarm abgeführt und dem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden. Andererseits ist zu gewährleisten, dass nicht absorbierte Photonen über eine möglichst hohe optische Rückreflexion erneut in den Absorber 103 eingekoppelt werden und zur Stromgeneration beitragen.
Im Bereich der silizium-basierten Dünnschichtphotovoltaik existieren zur Zeit vor allem zwei Varianten von Dünnschichtsolarmodulen, die die besagte Rückreflexion verwirklichen. Variante A ist in 2 illustriert. Das Licht trifft auf die Solarzelle durch ein Frontglas 201. Auf das Frontglas folgt eine transparente, elektrisch leitfähige (TCO) Frontkontaktschicht 202, die meist aus SnO₂ oder ZnO besteht. Es folgen eine Schicht aus amorphen Silizium 203 (aSi) und eine Schicht aus mikrokristallinen Silizium 204 (μc-Si). Daran schließt sich eine optisch transparente, elektrisch leitfähige (TCO) Rückkontaktschicht 205 an. Es folgt eine dielektrische Rückreflektorschicht 206, die beispielsweise aus weißer Farbe besteht. Am Übergang von der TCO-Rückkontaktschicht 205 aus Zinkoxid (ZnO) zur Rückreflektorschicht 206 sowie infolge Rückstreuung in der Rückreflektorschicht 206 wird das nicht absorbierte Licht reflektiert, um so noch einmal den Absorber zu durchlaufen und zu einem Teil in elektrische Energie umgewandelt zu werden.
In Variante A wird standardmäßig Zinkoxid (ZnO) als Rückkontaktschicht 205 eingesetzt. Favorisiert wird beispielsweise Bor-dotiertes ZnO mit einer Schichtdicke von etwa 1,5 μm, das durch eine chemische Gasphasenabscheidung bei niedrigem Drücken (LPCVD) auf dem Absorber abgeschieden wird. Genauso denkbar ist eine Abscheidung von Aluminium-dotiertem Zinkoxid (ZnO) mit einer Schichtdicke von ungefähr 1,0 μm, das über ein Sputterverfahren (PVD) auf dem Absorber abgeschieden wird. Nach der anschließenden Segmentierung der Rückkontakte mittels Laserstrukturierung (Pattern 113 in 1) wird jeweils eine weiße Rückreflektorfarbe mit einer Schichtdicke von >20 μm aufgedruckt, die eine effiziente Rückstreuung durch eine geeignete Pigmentwahl ermöglicht.
Variante B ist in 3 illustriert. Das Licht trifft durch das Frontglas 301 auf eine TCO-Frontkontaktschicht 302, die meist aus SnO₂ oder ZnO besteht. Es folgen eine Schicht aus amorphem Silizium (a-Si, 303) und mikrokristallinen Silizium (μc-Si, 304). Daran schließt sich eine dünne Zinkoxid-Schicht 305 von etwa 100 nm Dicke an, die aufgesputtert wurde. Diese ZnO-Schicht wirkt als Diffusionsbarriere und bei geeigneter Wahl der Brechzahl und Schichtdicke als optisches Element (Interferenzschicht, reduzierte Plasmonenabsorption des Rückkontakts). Der Rückkontakt 306 besteht aus hoch-reflektierenden Metallen und zusätzlichen Haft- und Schutzschichten. Das reflektierende Metall ist für eine Absorberschicht aus amorphem Silizium meist Aluminium, während Tandemzellen mit Absorberschichten aus amorphem Silizium und mikrokristallinen Silizium meist mit einem Silberrückkontakt versehen werden. Die Segmentierung der Rückkontakte erfolgt anschließend per Laserstrukturierung. Bei Variante B befindet sich also ein elektrisch leitfähiges, hochreflektierendes metallisches Rückkontaktschichtsystem 306 hinter einer dünnen reflexionsverstärkenden TCO-Schicht 305 (TCO = transparent conductive oxide).
Beide Varianten haben Nachteile. Der Hauptnachteil bei Variante A ist die Separation von elektrischen und optischen Anforderungen in zwei Schichten, wobei sich die reflektierende Schicht 206 hinter der stromleitenden TCO-Schicht 205 befindet. Für die geforderte hohe elektrische Querleitfähigkeit sind eine hohe Dotierung sowie eine hohe Schichtdicke der TCO-Schicht 205 anzustreben. Dies führt jedoch zu einer starken Absorption in der TCO-Schicht 205 und somit zu einer geringeren Rückreflexion durch die dahinter befindliche weiße Farbe 206.
Dadurch kann das Potential der Weitwinkel-Rückstreuung im dielektrischen Rückreflektor nur unzureichend genutzt werden. Darüber hinaus wird vor allem das schräg-rückreflektierte Licht in der TCO-Schicht 205 vor Wiedereintritt in den Absorber partiell absorbiert. Selbst eine Optimierung der TCO-Elektrooptik ist daher inhärent mit erheblichen elektrischen bzw. optischen Verlusten verbunden.
Der Hauptnachteil eines Dünnschichtsolarmoduls gemäß Variante B ist die hohe Anfälligkeit des Rückkontakts für Kurzschlüsse zwischen den Zellen, die aufgrund der hohen metallischen Leitfähigkeit zu Parallelverlustströmen zwischen den Zellen führen und schließlich den Modulwirkungsgrad bzw. die am Verbraucher umsetzbare elektrische Leistung nachteilig beeinflussen.
Zusätzlich führen die offenen Gräben der Laserstrukturierung des metallischen Schichtsystems zu optischen Verlusten, da schräges Licht, welches im Bereich des Grabens transmittiert wird, außer im Falle einer Totalreflexion nicht seitlich wieder in den Absorber zurückreflektiert werden kann, sondern das Dünnschichtsolarmodul verlässt. Diese offenen Gräben können weiterhin durch nachfolgende Prozessschritte, wie z. B. Sandstrahlrandentschichtung kontaminiert werden. Insbesondere metallische Flitter, die durch die Laserstrukturierung entstehen, können in weiteren Prozessschritten, wie z. B. Vakuumlaminierung, oder im Feldeinsatz zu Kurzschlüssen und damit zu Leistungseinbrüchen führen.
Aufbauend auf diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein weiterentwickeltes Rückseitenschichtsystem für Dünnschichtsolarmodule bereitzustellen, das eine verbesserte Unempfindlichkeit gegen Kurzschlüsse aufweist und das den Wirkungsgrad der Dünnschichtsolarmodule erhöht. Weitere Aufgaben sind die Bereitstellung eines Dünnschichtsolarmoduls, das ein erfindungsgemäßes Rückseitenschichtsystem umfasst, sowie die Angabe eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rückseitenschichtsystems.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch ein Rückseitenschichtsystem gemäß Anspruch 1. Die weiteren Aufgaben werden durch die Gegenstände der Ansprüche 4 und 5 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen an.
Die Erfindung stellt ein Rückseitenschichtsystem für Dünnschichtsolarmodule mit einem Rückkontakt bereit, wobei der Rückkontakt eine leitfähige, lichtreflektierende, metallische Rückschicht für den Transport elektrischen Stroms aufweist. Erfindungsgemäß ist auf die metallische Rückschicht eine rückreflektierende, dielektrische Schicht zur Verbesserung des Zellenwirkungsgrades und zum mechanischen Schutz der metallischen Rückschicht aufgebracht, die nicht notwendigerweise geschlossen sein muss, aber mindestens alle Laserstrukturgräben abdeckt.
Vorzugsweise besteht die rückreflektierende, dielektrische Schicht aus einem Material mit lichtreflektierenden Eigenschaften oder Partikeln, z. B. einer weißen Farbe.
Dieses erfindungsgemäße Rückseitenschichtsystem besitzt den Vorteil, dass die Handhabung während nachfolgender Prozessschritte, wie z. B. der Randentschichtung, dem Transport und der Laminierung, verbessert ist. Ethylenvinyl-acetat-Kapselungsfolien können risikoärmer angewendet werden, da sensible Absorberschichten nicht mehr den bei der Vakuumlaminierung entstehenden Säuren ausgesetzt sind.
Vorzugsweise werden vorhandene Lasergräben in der metallischen Rückschicht durch die rückreflektierende, dielektrische Schicht ausgefüllt.
Dies führt zu einer höheren Stabilität des elektrischen Feldes, da etwaige Kurzschlüsse, die beispielsweise durch mechanische Verwindungen entstehen können, über die offenen Gräben unwahrscheinlicher werden. Zusätzlich wird der Wirkungsgrad des Dünnschichtsolarmoduls durch die zusätzliche Rückreflexion im Bereich der Gräben erhöht.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Dünnschichtsolarmodul, das ein erfindungsgemäßes Rückseitenschichtsystem umfasst.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Rückseitenschichtsystems für Dünnschichtsolarmodule mit einem Rückkontakt, wobei der Rückkontakt eine leitfähige, lichtreflektierende, metallische Rückschicht für den Transport elektrischen Stroms aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Schritt Aufbringen einer rückreflektierenden, dielektrischen Schicht auf die metallische Rückschicht zur optischen und mechanischen Verstärkung der metallischen Rückschicht gekennzeichnet.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Aufbringens einer rückreflektierenden, dielektrischen Schicht ein Aufbringen einer weißen Farbe auf die metallische Rückschicht.
Der Schritt des Aufbringens einer rückreflektierenden, dielektrischen Schicht bzw. der Schritt des Aufbringens einer weißen Farbe kann mittels eines Siebdruckverfahrens erfolgen.
Vorzugsweise werden durch den Schritt des Aufbringens Gräben in der metallischen Rückschicht ausgefüllt. Dadurch können Rückkontaktkurzschlüsse (Shunts) nachvorzugsweise vorangehendem Shuntbusting deutlich reduziert bis vermieden werden, so dass eine höhere elektrische Modulleistung erzielt werden kann.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
4 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarmoduls. Die Schichten entsprechen weitgehend dem Dünnschichtsolarmodul gemäß 1 und wurden bei Übereinstimmung mit identischen Bezugszeichen versehen. Zusätzlich wurde eine flächige, nicht notwendigerweise geschlossene Abdeck- und Füllschicht 401 auf die metallische Rückschicht 104 aufgebracht, die zumindest die Lasergräben 113 verschließt. Die Abdeck- und Füllschicht besitzt bezüglich optischer Strahlung reflektierende Eigenschaften und ist elektrisch isolierend.
5 illustriert eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarmoduls aus einer anderen Perspektive. 5 umfasst die Schichten eines Dünnschichtsolarmoduls gemäß 3. Sofern eine Schicht in 5 dasselbe Bezugszeichen wie in 3 trägt, handelt es sich um dieselbe oder gleichwirkende Schicht.
Zusätzlich wurde auf die metallische Rückschicht 306 eine rückreflektierende, dielektrische Schicht 501 aufgebracht, um so die metallische Rückschicht 306 optisch zu optimieren und mechanisch zu schützen.
Obwohl beim Ausführungsbeispiel davon ausgegangen wurde, dass die Abdeck- und Füllschicht ein Material ist, das einer weißen oder hellen Farbe entspricht, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass diese isolierende Eigenschaften aufweisende rückreflektierende Deckschicht Materialien oder Partikel enthält, die auch Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektrums reflektieren, um insgesamt den Wirkungsgrad der jeweiligen Solarzelle zu erhöhen.
Ein weiterer Gedanke der Erfindung besteht darin, dass die aufgebrachte ergänzende Schicht, welche vorhandene Strukturgräben, insbesondere Lasergräben verfüllt, auch nach dem ebenfalls notwendig werdenden Trocknungsprozess restelastische Eigenschaften behält, was zu einer weiteren Verbesserung hinsichtlich des Vermeiden ansonsten auftretender Kurzschlüsse beiträgt. Es übernimmt in diesem Fall die rückreflektierende Schicht auch die Funktion einer Schutzabdeckung bezüglich der darunter befindlichen leitfähigen Rückschicht.

Claims

Rückseitenschichtsystem für Dünnschichtsolarmodule mit einem Rückkontakt, wobei der Rückkontakt eine leitfähige, lichtreflektierende, strukturierte Rückschicht (104; 306) für den Transport elektrischen Stroms aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Rückschicht (104; 306) von einer rückreflektierenden, dielektrische Schicht (401; 501) abgedeckt ist, welche gleichzeitig vorhandene Strukturgräben der Rückschicht ausfüllt.
Rückseitenschichtsystem nach Anspruch 1, wobei die rückreflektierende, dielektrische Schicht (401; 501) aus einer weißen Farbe besteht oder hochreflektierende Pigmente enthält.
Rückseitenschichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei Strukturgräben (113) in der metallischen Rückschicht durch die rückreflektierende Schicht (401; 501) ausgefüllt sind und diese aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.
Dünnschichtsolarmodul, das ein Rückseitenschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Rückseitenschichtsystems für Dünnschichtsolarmodule mit einem Rückkontakt, wobei der Rückkontakt eine leitfähige, lichtreflektierende, strukturierte Rückschicht (104; 306) für den Transport elektrischen Stroms aufweist, gekennzeichnet durch den Schritt des Aufbringens einer zusätzlichen rückreflektierenden, dielektrischen Schicht (401; 501) auf die metallische Rückschicht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zusätzliche Schicht aus einem Material mit lichtreflektierenden Eigenschaften oder Partikeln besteht.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Schritt des Aufbringens mittels eines Siebdruckverfahrens erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei durch den Schritt des Aufbringens Gräben (113) in der leitfähigen Rückschicht ausgefüllt werden.