DE102010004439A1

DE102010004439A1 - Solarzellenmodul

Info

Publication number: DE102010004439A1
Application number: DE102010004439A
Authority: DE
Inventors: Jürgen H. Prof. Dr. Dr. 70197 Werner; Liv 70191 Prönneke
Original assignee: STEINBEIS-TRANSFERZENTRUM ANGEWANDTE PHOTOVOLTAIKU DUENNSCHICHTTECHNIK; STEINBEIS TRANSFERZENTRUM ANGEWANDTE PHOTOVOLTAIK U DUENNSCHICHTTECHNIK; Steinbeis-Transferzentrum Angewandte Photovoltaik U Duennschichttechnik 70197
Current assignee: STEINBEIS-TRANSFERZENTRUM ANGEWANDTE PHOTOVOLTAIKU DUENNSCHICHTTECHNIK; STEINBEIS TRANSFERZENTRUM ANGEWANDTE PHOTOVOLTAIK U DUENNSCHICHTTECHNIK; Steinbeis-Transferzentrum Angewandte Photovoltaik U Duennschichttechnik 70197
Priority date: 2010-01-05
Filing date: 2010-01-05
Publication date: 2011-07-07
Also published as: CN102782861B; EP2522039A2; SG182311A1; WO2011082806A3; US20130037085A1; WO2011082806A2; JP2015079981A; CN102782861A; JP2013516748A; KR20120127588A; CA2785601A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul, das eine Grundfläche mit photovoltaisch aktiven Bereichen und photovoltaisch passiven Bereichen aufweist, bei dem über mindestens einem photovoltaisch passiven Bereich der Grundfläche mindestens ein Streuelement angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul und ein Verfahren zum Herstellen eines Solarzellenmoduls.
Hintergrund der Erfindung
Bei herkömmlichen Solarzellen bestehen vorgesehene Frontkontakte aus Metall. Sonnenstrahlen, die auf diese Frontkontakte fallen, werden reflektiert und verlassen das jeweilige System, ohne auf einzelne Solarzellen treffen zu können. Zur Erzeugung von photovoltaischem Strom sind diese entsprechenden Photonen also verloren. Ebenso gehen Photonen verloren, die auf sogenannte Kontaktfinger treffen. Des Weiteren sind Photonen verloren, die auf Flächen treffen, die weder optisch noch elektrisch aktiv sind, das sind Zwischenräume zwischen Solarzellen oder zum Modulrand hin. Bei sogenannten Dünnschichtmodulen sind zudem Verluste durch Abschattung gegeben. Bei Solarzellen entstehen durch die Serienverschaltung Flächenverluste von etwa 5–10% der Gesamtfläche. Theoretisch lassen sich diese Verluste auf 2% reduzieren. Zum anderen sind in Dünnschichtmodulen ein bis zwei der äußeren Solarzellen nicht verschaltet und damit elektrisch nicht aktiv.
An einer optischen Verbesserung von Kontaktbändern wird bereits geforscht. Hierzu wird auf die Druckschrift US 2007/0125415 A1 verwiesen, bei der eine keilförmige Strukturierung der Kontaktbänder vorgeschlagen wird. Diese Strukturierung wird bereits in der Industrie umgesetzt. Weiterhin setzt die Firma Sunage eine Beschichtung von sich zwischen den Solarzellen befindlichen Zwischenräumen mit einem Lambert'schen Strahler in einem Projekt um.
Üblicherweise reflektieren die Strukturierungen der Kontaktbänder einfallende Photonen stark winkelabhängig. In der Regel sind sie auf senkrechten Lichteinfall optimiert. Unter realen Bedingungen kommt der direkte senkrechte Lichteinfall bei Systemen, die der Lichtquelle nicht nachbewegt werden, allerdings nur sehr selten vor. Der von Sunage aufgebrachte Lambert'sche Streuer besitzt diesen Nachteil nicht, da die Streuung für jeden Lichteinfallswinkel gleich ist. Das Projekt beschränkt sich jedoch auf die Zwischenräume zwischen den Solarzellen und behandelt nicht entsprechende Zellverbinder und Kontaktfinger auf den jeweiligen Solarzellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul, das eine Grundfläche mit photovoltaisch aktiven Bereichen und photovoltaisch passiven Bereichen aufweist, bei dem über mindestens einem photovoltaisch passiven Bereich der Grundfläche bzw. einer Zellebene des Solarzellenmoduls mindestens ein Streuelement mit oder ohne elektromagnetische Verschiebung angeordnet ist.
Unter einem Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung ist dabei ein Streuelement zu verstehen, das neben seiner Eigenschaft einfallende Lichtstrahlen zu streuen auch in der Lage ist, einfallende Lichtstrahlen zu absorbieren und mit geänderter Wellenlänge wieder zu emittieren, d. h. eine elektromagnetische Verschiebung der einfallenden Lichtstrahlen zu bewirken. Die Begriffe Lichtstrahlen, Sonnenstrahlen, Photonen, elektromagnetische Wellen werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung synonym verwendet.
Es ist denkbar, dass über dem mindestens einen photovoltaisch passiven Bereich ergänzend zu dem mindestens einen Streuelement ein weiteres Streuelement angeordnet ist.
Hierbei kann bspw. über dem mindestens einen photovoltaisch passiven Bereich der Grundfläche ergänzend zu mindestens einem Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung ein Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung angeordnet sein, wobei das mindestens eine Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung in der Regel über dem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung angeordnet ist. Das mindestens eine Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung ist in der Regel als Fluoreszenzfarbstoff ausgebildet. Das mindestens eine Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung kann als Lambert'scher Streuer ausgebildet sein.
Demnach kann bei dem Solarzellenmodul über dem mindestens einem photovoltaisch passiven Bereich der Grundfläche mindestens ein Lambert'scher Streuer als Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung angeordnet sein, über dem wiederum ein Fluoreszenzfarbstoff als Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung angeordnet ist.
Üblicherweise ist die Grundfläche eines Solarzellenmoduls, die die photovoltaisch passiven und aktiven Bereiche zusammen mit jeweiligen Komponenten dieser genannten Bereiche umfasst, in einem transparenten Material eingebettet. Zwischen einer Oberfläche des transparenten Materials, mit der das Solarzellenmodul gegenüber der Umgebung begrenzt ist, und dem mindestens eine photovoltaisch passiven Bereich der Grundfläche sind das bzw. die genannten Streuelemente angeordnet. Im Falle, dass sowohl ein Streuelement mit wie auch ein Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung vorgesehen ist, befindet sich bspw. das Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung zwischen der Oberfläche des transparenten Materials und dem mindestens einen Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung. Das mindestens eine Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung befindet sich dabei dann entsprechend zwischen dem Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung und dem mindestens einen photovoltaisch passiven Bereich der Grundfläche.
In möglicher Ausgestaltung des Solarzellenmoduls ist auf mindestens einem photovoltaisch passiven Bereich der Grundfläche das mindestens eine Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung, bspw. ein Lambert'scher Streuer, mit einem darauf applizierten Fluoreszenzfarbstoff als dem mindestens einen Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung aufgebracht.
Bei dem Solarzellenmodul kann der mindestens eine photovoltaisch passive Bereich mindestens einen zumindest optisch und/oder elektrisch passiven Bereich umfassen. Somit sind im Rahmen der Erfindung photovoltaisch aktive Bereiche jene Bereiche, in denen eine direkte Umwandlung von Energie aus elektromagnetischer Strahlung im optischen Bereich und somit von Licht in elektrische Energie erfolgt. Die photovoltaisch passiven Bereiche umfassen üblicherweise Komponenten, die eine photovoltaische Umwandlung von Energie be- bzw. verhindern. Die photovoltaisch passiven Bereiche eines Solarzellenmoduls umfassen in der Regel alle Komponenten eines Solarzellenmoduls, u. a. auch elektronische Bauelemente, die nicht als Solarzellen oder photovoltaische Zellen ausgebildet sind. Weiterhin umfassen die photovoltaisch passiven Bereiche auch Komponenten, die optisch und/oder elektrisch passiv sind, was bspw. durch eine entsprechende konstruktive Gestaltung des Solarzellenmoduls bewirkt wird. Demnach können die photovoltaisch passiven Bereiche auch Solarzellen umfassen, die bspw. am Rande eines Solarzellenmoduls aufgrund einer Abschattung zumindest teilweise optisch passiv und somit photovoltaisch passiv sind. Jede dieser genannten Komponenten definiert somit jeweilig einen photovoltaisch passiven Bereich.
Eine Komponente eines photovoltaisch passiven Bereichs bzw. eine den photovoltaisch passiven Bereich definierende Komponente kann bspw. ein auf einer entsprechenden Solarzelle angeordnetes Kontaktfingerelement, ein Zellverbindungselement, ein sich zwischen jeweiligen Solarzellen befindender Zwischenraum, ein sich am Rand eines jeweiligen Solarzellenmoduls befindender Grenzbereich oder eine zumindest optisch passive und demnach photovoltaisch passive, lediglich Strom abführende Solarzelle sein. Eine photovoltaisch passive Solarzelle kann bspw. durch einen Rahmen des Solarzellenmoduls abgeschattet sein. Weiterhin können auch Solarzellen, die nicht verschaltet sind, als photovoltaisch passive Bereiche bezeichnet werden.
Erfindungsgemäß ist es nun bspw. denkbar, dass auf einzelnen oder allen der genannten photovoltaisch passiven Bereiche eines entsprechenden Solarzellenmoduls entweder lediglich ein Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung oder lediglich ein Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung oder sowohl mindestens ein Streuelement mit als auch mindestens ein Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung vorgesehen bzw. angeordnet ist.
Üblicherweise ist der als Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung wirkende Fluoreszenzfarbstoff dazu ausgebildet, ein Spektrum einfallender elektromagnetischer Strahlung zu verschieben. Dies kann bedeuten, dass der Fluoreszenzfarbstoff dazu ausgebildet ist, Photonen zu absorbieren und Photonen mit einer bspw. höheren Wellenlänge zu emittieren und somit eine spektrale Verschiebung der elektromagnetischen Strahlung hin zu Wellen höherer Wellenlänge herbeizuführen. Je nach Wellenlänge, bei der die Solarzellen die höchste Ausbeute an elektrischer Energie gewinnen können, kann die Wellenlänge der Strahlen durch das als Fluoreszenzfarbstoff ausgebildete Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung vergrößert oder verringert werden.
Weiterhin ist üblicherweise vorgesehen, dass mindestens eine einen photovoltaisch passiven Bereich definierende Komponente der Grundfläche des Solarzellenmoduls und das mindestens eine über der Komponente angeordnete Streuelement in geeigneter Weise in zumindest einem optisch transparenten Material eingebettet sind. Allerdings kann dabei bspw. das mindestens eine Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung alternativ oder ergänzend auch an einer Ober- oder Unterseite eines transparenten Materials angeordnet sein.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Solarzellenmodul ein aus Kunststoff bestehendes, erstes transparentes Material, in dem die mindestens eine Komponente der Grundfläche eingebettet ist und ein aus Glas bestehendes, zweites transparentes Material umfasst, das auf dem ersten transparenten Material angeordnet bzw. aufgebracht ist. Das mindestens eine Streuelement kann im Bereich mindestens eines der transparenten Materialien, bspw. oberhalb, innerhalb oder unterhalb des ersten und/oder zweiten transparenten Materials, bspw. an der Grenze zwischen den beiden transparenten Materialien angeordnet sein. Das erste transparente Material kann bspw. als EVA- bzw. Ethylenvinylacetat-Folie ausgebildet sein. Das zweite transparente Material kann auch als Modulglas bezeichnet werden. Somit kann die Erfindung auch für flexible Solarzellenmodule, die bspw. in Kunststoff eingeschweißt sind, verwendet werden.
Bei einer Umwandlung von Energie aus elektromagnetischen Wellen in elektrische Energie mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen beschriebenen Solarzellenmoduls können elektromagnetische Wellen, die auf mindestens einem photovoltaisch passiven Bereich des Solarmoduls auftreffen, von einem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung, bspw. einem Lambert'schen Streuer, reflektiert und durch das oberhalb dem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung angeordneten, typischerweise auf dem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung applizierten mindestens eine Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung, typischerweise dem Fluoreszenzfarbstoff, spektral verschoben werden. Dabei können die reflektierten und spektral verschobenen elektromagnetischen Wellen an einer Innenseite der Oberfläche des optisch transparenten Materials des Solarzellenmoduls hin zu Bereichen einer höheren Quantenausbeute reflektiert werden.
Ferner umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Solarzellenmoduls.
Bei dem Verfahren zum Herstellen eines Solarzellenmoduls wird für das Solarzellenmodul eine Grundfläche mit photovoltaisch aktiven Bereichen und photovoltaisch passiven Bereichen bereitgestellt. Dabei wird über dem mindestens einen photovoltaisch passiven Bereich der Grundfläche mindestens ein Streuelement mit oder ohne elektromagnetische Verschiebung angeordnet, wobei es sich bei dem Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung um einen Fluoreszenzfarbstoff handeln kann.
Ferner kann vorgesehen werden, dass über dem mindestens einen photovoltaisch passiven Bereich der Grundfläche mindestens ein weiteres Streuelement angeordnet wird. Dabei ist es denkbar, über einem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung ein Fluoreszenzfarbstoff als ein weiteres Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung anzuordnen.
Beispielsweise wird das mindestens eine Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung auf dem mindestens einen photovoltaisch passiven Bereich aufgebracht. Auf dem mindestens einen Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung wird dann beispielsweise das mindestens eine Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung appliziert.
Bei der Herstellung können Komponenten der Grundfläche innerhalb oder an einer Grenzfläche mindestens eines optisch transparenten Materials eingebettet werden.
Außer einer einfallswinkelunabhängigen Streuung eines Streuelements ohne elektromagnetische Verschiebung kann durch das Aufbringen von Fluoreszenzfarbstoffen als Streuelemente mit elektromagnetischer Verschiebung auf dem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung das Spektrum einfallender Strahlung zu einem für die Solarzelle günstigeren Spektrum verschoben werden. Bei der Verwendung eines infraroten oder blauen Fluoreszenzfarbstoffs ist es außerdem möglich, das Aussehen bzw. Design des Solarzellenmoduls so zu ändern, dass die Oberfläche des Solarzellenmoduls einheitlicher aussieht, als es bei den bisher verwendeten silberfarbenen Kontaktbändern bzw. Kontaktbandelementen und Kontaktfingern der Fall ist, die als photovoltaisch passive Komponenten neben, auf und/oder zwischen Solarzellen angeordnet sind.
Bei einer möglichen Umsetzung der Erfindung ist u. a. vorgesehen, auf allen zumindest optisch inaktiven Modulbereichen bzw. Bereichen der Grundfläche des Solarzellenmoduls als das mindestens eine Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung mindestens einen Fluoreszenzfarbstoff aufzubringen. Ferner ist es denkbar, ein Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung zwischen der Grundfläche und dem mindestens einen Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung anzuordnen bzw. aufzubringen.
Es ist auch denkbar, nur ein Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung auf den jeweiligen photovoltaisch passiven Komponenten der Grundfläche des Solarzellenmoduls vorzusehen.
Zu den photovoltaisch passiven Komponenten der Grundfläche des Solarzellenmoduls zählen dabei auf jeweiligen Solarzellen angeordnete Kontaktfingerelemente und Kontaktbänder sowie Solarzellenzwischenräume. Vorteilhaft kann es sein, auf allen photovoltaisch passiven Komponenten jeweils mindestens ein Streuelement mit oder ohne elektromagnetische Verschiebung oder eine Kombination aus einem Streuelement mit und einem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung vorzusehen.
Das mindestens eine Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung, bspw. der Fluoreszenzfarbstoff, schiebt das einfallende Licht in ein für die Solarzellen des Solarzellenmoduls günstigeres Spektrum. Außerdem wird das Licht, ähnlich wie an dem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung, in alle Richtungen randomisiert abgestrahlt. Der Fluoreszenzfarbstoff ohne elektromagnetische Verschiebung kann auch zwischen den Solarzellen aufgebracht bzw. angeordnet werden, allerdings in einer möglichen Variante nicht in bzw. auf der Ebene der Solarzellen, sondern auf der Unterseite des Modulglases. So werden nicht nur die nach oben gestreuten Strahlen durch Totalreflexion auf die Solarzellen gelenkt, sondern auch nach unten gestrahlte Strahlen können von den Solarzellen genutzt werden.
Mit der Erfindung kann in einer möglichen Ausgestaltung eine Aktivierung der zumindest optisch inaktiven Bereiche, typischerweise für Dünnschichtmodule, nicht nur zwischen den Solarzellen in einem Solarzellenmodul, sondern auch auf den Solarzellen erfolgen. Außerdem kann eine zusätzlich zur Streuung vorhandene spektrale Verschiebung des einfallenden Lichts vorgesehen sein, die die Photonen dahin emittiert, wo die Solarzellen eine höhere Quantenausbeute besitzt.
Unter der Annahme, dass eine monokristalline Silizium-Solarzelle eine Gesamtfläche von 240,48 cm² aufweist und die darauf befindlichen Kontaktbänder 9,6 cm² einnehmen, führt der aus der Quantenausbeutemessung berechnete Kurzschlussstrom JSC = 1,7 mA/cm² für ein herkömmliches silberhaltiges Kontaktband zu einem Wirkungsgrad von 14,64%.
Mit der Erfindung kann eine Wirkungsgradsteigerung von Solarzellenmodulen mit kristallinen und amorphen Solarzellen durch streuende und spektrumsverschiebende Fluoreszenzfarbstoffe und somit durch Streuelemente mit elektromagnetischer Verschiebung auf photovolatisch passiven und somit zumindest optisch und/oder elektrisch inaktiven Bereichen der Grundfläche erreicht werden. Mit der Erfindung kann auch die photovoltaische Aktivierung von zumindest optisch und/oder elektrisch inaktiven Bereichen bzw. Flächen in Dünnschichtmodulen erreicht werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste aus dem Stand der Technik bekannte Ausführung einer Solarzelle im Verbund eines Solarzellenmoduls in Draufsicht.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführung eines aus dem Stand der Technik bekannten Solarzellenmoduls in Draufsicht.
3 zeigt in schematischer Darstellung Beispiele für Komponenten von Solarzellenmodulen in schematischer Seitenansicht.
4 zeigt in schematischer Darstellung weitere Beispiele für Komponenten von Solarzellenmodulen in schematischer Seitenansicht.
5 zeigt ein Diagramm zu einer Quantenausbeute verschiedener Solarzellenmodule.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
1 zeigt in schematischer Darstellung in Draufsicht einen Ausschnitt eines aus dem Stand der Technik bekannten kristallinen Silizium-Solarzellenmoduls 2 mit einer Grundfläche, auf der eine Anzahl Solarzellen 4 angeordnet ist, wobei hier eine Solarzelle 4 dargestellt ist. Außerdem umfasst die Grundfläche sogenannte Zellverbindungselemente 6, die hier gepunktet dargestellt sind, und Kontaktfingerelemente 8, die auf den jeweiligen Solarzellen 4 angeordnet sind. Die Grundfläche umfasst eine die Solarzellen 4 jeweils umgebende freibleibende Modulfläche 10, die u. a. als Begrenzung zu einer benachbarten Solarzelle oder zu einem Rahmen des Solarzellenmoduls 2 vorgesehen ist.
Die letztgenannten Komponenten, d. h. die Zellverbindungselemente 6, die Kontaktfingerelemente 8 und die freibleibende Modulfläche 10, die hier schraffiert dargestellt ist, sind im Unterschied zu der Solarzelle 4, die photovoltaisch aktiv sind, photovoltaisch passiv. Demnach sind die Zellverbindungselemente 6, die Kontaktfingerelemente 8 und die freibleibende Modulfläche 10 im Verbund des Solarzellenmoduls 2 u. a. auch zumindest optisch inaktiv. Die Zellverbindungselemente 6 der Solarzellen 4 in dem Solarzellenmodul 2 bestehen aus Metall. Sonnenstrahlen, die auf diese als Kontakte ausgebildete Zellverbindungselemente 6 fallen, werden reflektiert und verlassen das Solarzellenmodul 2, ohne die Solarzellen 4 treffen zu können. Zur Erzeugung von photovoltaischem Strom sind diese Photonen also verloren. Ebenso gehen Photonen verloren, die auf die Kontaktfingerelemente 8 treffen. Zwischen den Solarzellen 4 und im Bereich des Rahmens des Solarzellenmoduls 2 liegen ebenfalls photovoltaisch ungenutzte Bereiche, da auch hier einfallende Photonen zur Stromerzeugung verlorengehen, weil sie nicht auf Solarzellen 4 treffen können.
2 zeigt in schematischer Darstellung ein als Dünnschichtmodul ausgebildetes Solarzellenmodul 20 in schematischer Darstellung in Draufsicht mit photovoltaisch aktiven Bereichen, die verschaltete Solarzellen 22 umfassen. Zu den photovoltaisch passiven Bereichen dieses Solarzellenmoduls 20 gehören hier Zellverbindungselemente 24, über die eine Serienverschaltung der Solarzellen 22 bereitgestellt wird, sowie schraffiert dargestellte äußere Solarzellen 26, die hier lediglich dazu vorgesehen sind, Strom abzuführen, jedoch zumindest optisch und somit auch photovoltaiisch passiv sind. Bei Dünnschichtmodulen sind auch Verluste durch Abschattung gegeben, wobei durch die Serienverschaltung Flächenverluste von etwa 5–10% der Gesamtfläche entstehen. Theoretisch lassen sich diese Verluste auf 2% reduzieren. Zum anderen sind in Dünnschichtmodulen ein bis zwei der äußeren Solarzellen 26 nicht verschaltet und damit elektrisch bzw. photovoltaisch nicht aktiv, da mit den äußeren Solarzellen 26 der gesammelte Strom abgeführt wird.
3 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung mit mehreren Beispielen für die Ausbildung von Zellverbindungselementen 40, 42, 44, 300, die als Komponenten eines Solarzellenmoduls 46 ausgebildet und neben Solarzellen 48 Teil einer Grundfläche des Solarzellenmoduls 46 bilden. Es ist vorgesehen, dass die Zellverbindungselemente 40, 42, 44, 300 sowie die Solarzellen 48 in einer Ethylenvinylacetat-Folie als erstem transparenten Material 50 eingebettet sind. Auf dieser Folie ist ein Modulglas als zweites transparentes Material 52 aufgebracht. Dabei weist ein erstes aus dem Stand der Technik bekanntes Zellverbindungselement 40 (schwarz) eine herkömmliche reflektierende, bspw. metallische Oberfläche auf. Bei dem zweiten Zellverbindungselement 42 (weiß) ist auf der Oberfläche ein beispielsweise als Lambert'scher Streuer ausgebildetes Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung aufgebracht.
Bei einem weiteren Zellverbindungselement 44 (weiß) ist auf der Oberfläche ebenfalls ein bspw. als Lambert'scher Streuer ausgebildetes Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung aufgebracht. Zudem ist hierbei auf dem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung ein Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung, bspw. ein Fluoreszenzfarbstoff 54 aufgebracht. Auf einem weiteren vorgesehenen Zellverbindungselement 300 (schraffiert) ist nur ein Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung, bspw. ein Fluoreszenzfarbstoff 302 aufgebracht, d. h. neben dem Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung ist kein weiteres, zusätzliches Streuelement vorgesehen.
3 zeigt, dass ein auf ein herkömmliches als Frontkontakt ausgebildetes erstes Zellverbindungselement 40 senkrecht einfallender Strahl 56 als senkrecht reflektierter Strahl 58 aus dem entsprechenden Solarzellenmodul 46 austritt.
Ein auf ein mit einem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung versehenes zweites Zellverbindungselement 42 einfallender Strahl 60 wird in den sich oberhalb befindlichen Halbraum gestreut. Bei einem Lambert'schen Streuer geschieht das gleichverteilt in alle Richtungen. Strahlen 62, die mit einem Winkel größer oder gleich dem Winkel der Totalreflexion der Oberfläche 64 des Modulglases treffen, gelangen auf die Solarzelle 48. Strahlen 66 innerhalb eines Verlustkegels 68 der Totalreflexion werden transmittiert. Ein auf das Zellverbindungselement 300 auftreffender Strahl 304 wird als ein spektral veränderter bzw. verschobener Strahl 308 reflektiert.
Der Fluoreszenzfarbstoff 54, 302 als Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung emittiert absorbierte Photonen mit bspw. einer höheren Wellenlänge, die besser zum spektralen Verhalten des Solarzellenmoduls 46 passt. Dies kann bedeuten, dass die Wellenlänge in einen Bereich verschoben wird, bei dem das Solarzellenmodul 46 einen besseren Wirkungsgrad aufweist. Strahlen, die nicht vom Fluoreszenzfarbstoff als Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung absorbiert werden, werden entsprechend der Streucharakteristik des Fluoreszenzfarbstoffs selbst bzw. des sich darunter befindenden Streuelements gestreut (Strahlen 72, 306). Falls sich unter dem Fluoreszenzfarbstoff, wie bei dem Zellverbindungselement 300, kein eigens als Streuelement ausgewiesenes Material befindet, so werden nicht absorbierte Photonen durch dieses Material entsprechend dessen Reflexionsverhalten gestreut.
Der zusätzlich aufgebrachte Fluoreszenzfarbstoff 54, 302 schiebt demnach einfallendes Licht bzw. einfallende Strahlen 70, 304 als reflektierte Strahlen 74, 308 in einen Bereich des Spektrums, bei dem die Solarzellen 48 eine höhere Energieausbeute erzielen. Das auf dem dritten Zellverbindungselement 44 aufgebrachte Streuelement streut die nicht absorbierten Strahlen 72 in den sich oberhalb befindlichen Halbraum. Auf das Zellverbindungselement 300 senkrecht einfallende durch den Fluoreszenzfarbstoff 302 nicht absorbierte Strahlen 304 treten als senkrecht reflektierte Strahlen 306 aus dem Solarzellenmodul 46 aus.
Der Fluoreszenzfarbstoff 54, 302 als Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung emittiert absorbierte Photonen mit einer bspw. höheren Wellenlänge, bei der die Solarzellen 48 einen besseren Wirkungsgrad aufweisen. Strahlen, die nicht vom Fluoreszenzfarbstoff 54, 302 absorbiert werden, streut im Fall des Zellverbindungselements 44 das darunter aufgebrachte Streuelement oder im Fall des Zellverbindungselements 300 das Material, aus dem das Zellverbindungselement 300 besteht, entsprechend seinem Reflexionsverhalten.
Ein weiteres Beispiel für ein Solarzellenmodul 80 ist in 4 in schematischer Seitenansicht dargestellt. Dieses umfasst in einer Grundfläche Solarzellen 82, die durch Zwischenräume 84 als photovolatisch passive Bereiche voneinander beabstandet sind. Auf den Zwischenräumen 84 sind Streuelemente 86 ohne elektromagnetische Verschiebung aufgebracht und somit angeordnet. Das Solarzellenmodul 80 umfasst als erstes transparentes Material 88 eine Folie aus Ethylenvinylacetat, in der die Solarzellen 82 eingebettet sind. Auf der Folie befindet sich als weiteres transparentes Material 90 ein Modulglas. Oberhalb der beiden ersten Zwischenräume 84 und der Streuelemente 86 ohne elektromagnetische Verschiebung ist unter dem Modulglas an einem Übergang zu der Folie innerhalb der Folie ein Fluoreszenzfarbstoff 92 eingebettet. Oberhalb dem dritten Zwischenraum 84 sowie dem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung ist der Fluoreszenzfarbstoff 92 auf einer Oberfläche 106 des als Modulglas ausgebildeten zweiten transparenten Materials 90 aufgebracht.
Das im Rahmen der Erfindung vorgesehene Prinzip der Streuung kann nicht nur auf Zellverbindungselemente angewandt werden, sondern auch auf jeweilige Kontaktfingerelemente und Bereiche zwischen den Solarzellen 82 in dem Solarzellenmodul 80. Dort erfolgt eine spektrale Verschiebung der Wellenlänge nicht auf der Ebene der Solarzellen 82, sondern durch auf der Unterseite bzw. der Oberseite des Modulglases angeordnete Streuelemente mit elektromagnetischer Verschiebung 92. Von einem in das Solarzellenmodul 80 einfallenden Strahl 94 werden nicht nur die nach oben gestreuten Strahlen 96 durch Totalreflexion auf die Solarzellen 82 gelenkt, sondern auch Strahlen 98 bzw. Photonen, die den Fluoreszenzfarbstoff 92 und somit das Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung durchqueren, werden von den Solarzellen 82 genutzt. Ungenutzt bleiben weiterhin Strahlen 100, die in den Verlustkegel 102 fallen. An der Oberfläche 106 total reflektierte Strahlen 104, die das Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung, d. h. der Fluoreszenzfarbstoff 92 nicht absorbiert, können von dem auf der Zellebene aufgebrachten Streuelement 86 so gestreut werden, dass sie auf eine Solarzelle 82 treffen.
Durch zusätzliches Aufbringen des Fluoreszenzfarbstoffs 92 ist die Quantenausbeute wegen der spektralen Verschiebung höher als es lediglich durch Vorsehen der jeweiligen Streuelemente 86 möglich ist.
Auf die Fluoreszenzfarbstoffe 92 als Streuelemente mit elektromagnetischer Verschiebung unter dem Modulglas einfallende Strahlen 94 werden gleichverteilt in den oberen Halbraum gestreut, Strahlen 96, die mit einem Winkel größer oder gleich dem der Totalreflexion die Oberfläche 106 des Modulglases treffen, gelangen auf Solarzellen 82. Strahlen 100 innerhalb des Verlustkegels 102 der Totalreflexion werden transmittiert. Nach unten gestreute Strahlen 98 treffen ebenfalls auf eine Solarzelle 82, wenn sie mit einem geeigneten Winkel gestreut werden. Strahlen 94, die nicht von Fluoreszenzfarbstoffen 92 absorbiert werden, werden von auf der Zellebene bzw. Grundfläche aufgebrachten Materialien, hier den Lambert'schen Streuern 86 als Streuelemente ohne elektromagnetische Verschiebung, entsprechend ihrem Reflexionsverhalten gestreut.
Oberhalb des dritten Zwischenraums 84 ist als Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung der Fluoreszenzfarbstoff 92 auf dem oder in dem Modulglas und der Lambert'sche Streuer 86 als Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung auf der Zellebene angeordnet. In das Solarzellenmodul 80 eintretende Strahlen 400, landen als gestreute Strahlen 402 auf einer Solarzelle 82, wenn sie von dem Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung bzw. dem Fluoreszenzfarbstoff 92 mit dem richtigen Winkel gestreut werden. Strahlen 404, die nicht vom Fluoreszenzfarbstoff 92 absorbiert werden, streut das auf der Zellebene aufgebrachte Streuelement 86 entsprechend seinem Reflexionsverhalten.
In dem in 5 dargestellten Diagramm ist eine Quantenausbeute QE in Prozent über der Wellenlänge λ elektromagnetischer Strahlung in nm aufgetragen. Eine erste Kurve 110 zeigt die Quantenausbeute für einen herkömmlichen Frontkontakt und somit einen photovoltaisch passiven Bereich auf einer Silizium-Solarzelle eines Solarzellenmoduls. Eine zweite Kurve 112 steht für die Quantenausbeute für den Fall, dass auf dem Frontkontakt ein Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung in weißer Farbe aufgebracht ist. Eine dritte Kurve 114, die gegenüber der zweiten Kurve 112 erhöhte Werte für die Quantenausbeute umfasst, ergibt sich für den Fall, das auf dem Frontkontakt auf dem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung aus weißer Farbe zusätzlich ein Fluoreszenzfarbstoff als Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung im ultravioletten Bereich aufgebracht ist. Die vierte Kurve 116 zeigt im Vergleich die Quantenausbeute für eine photovoltaisch aktive Fläche der Solarzelle. Alle Messungen sind so erfolgt, dass die bestrahlten Flächen in Glas eingebettet waren.
Unter der Annahme, dass eine monokristalline Silizium-Solarzelle eine Gesamtfläche von 240,48 cm² hat und die darauf befindlichen Kontaktbänder 9,6 cm² einnehmen, führt der aus der Quantenausbeutemessung berechnete Kurzschluss JSC = 1,7 mA/cm² für ein herkömmliches silberhaltiges Kontaktband zu einem Wirkungsgrad von 14,64%.
Das Diagramm aus 5 zeigt, dass sich der Kurzschlussstrom für das Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung auf eine Quantenausbeute JSC = 13,3 mA/cm² (zweite Kurve 112) erhöht und für einen zusätzlich aufgebrachten Fluoreszenzfarbstoff als Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung auf JSC = 14,3 mA/cm² (dritte Kurve 114). Das ergibt eine berechnete Wirkungsgraderhöhung auf 14,84% bzw. 14,86%. Je größer der Flächenanteil bzw. Bereich in einem Solarzellenmodul ist, der bisher photovoltaisch und demnach optisch ungenutzt ist, desto höher ist die Steigerung des Wirkungsgrads. Da die Verwendung eines Lumineszenzstoffs als Fluoreszenzfarbstoff und somit als Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung nur die zumindest optischen Eigenschaften eines Solarzellenmoduls verbessert, die elektrischen aber unbeeinflusst lässt, führt die erhöhte Photonenanzahl direkt zu einem höheren Wirkungsgrad. Dieser Effekt tritt auch bei Solarzellenmodulen, die als sog. Dünnschichtmodule ausgebildet sind, auf.
Das Diagramm aus 5 zeigt anhand einer Quantenausbeute-Messung auch, dass die Anzahl der Photonen, die einen Strom erzeugen, im blauen Wellenlängenbereich erhöht wird, wenn auf ein Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung auf Kontaktbändern einer monokristallinen Silizium-Solarzelle zusätzlich als Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung ein entsprechender Fluoreszenzfarbstoff aufgebracht wird. Auch das Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung mit weißer Farbe allein lenkt genügend Photonen auf die Solarzellenfläche, um einen signifikanten zusätzlichen Strom zu erzeugen. Für das Kontaktband einer monokristallinen Silizium-Solarzelle, das mit einem Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung und einem als Fluoreszenzlack ausgebildeten Fluoreszenzfarbstoff und somit einem Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung bedeckt ist, wird das einfallende Licht weiter in den Bereich von blauem Licht verschoben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0125415 A1 [0003]

Claims

Solarzellenmodul, das eine Grundfläche mit photovoltaisch aktiven Bereichen und photovoltaisch passiven Bereichen aufweist, bei dem über mindestens einem photovoltaisch passiven Bereich der Grundfläche mindestens ein Streuelement mit oder ohne elektromagnetische Verschiebung angeordnet ist.
Solarzellenmodul nach Anspruch 1, bei dem über dem mindestens einen photovoltaisch passiven Bereich ergänzend zu dem mindestens einen Streuelement ein weiteres Streuelement angeordnet ist.
Solarzellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das mindestens eine Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung als Fluoreszenzfarbstoff (54, 92, 304) ausgebildet ist und das mindestens eine Streuelement ohne elektromagnetische Verschiebung als Lambert'scher Streuer (86) ausgebildet ist.
Solarzellenmodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine photovoltaisch passive Bereich mindestens einen zumindest optisch und/oder elektrisch passiven Bereich umfassen kann.
Solarzellenmodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine photovoltaisch passive Bereich als Zellverbindungselement (44), Kontaktfingerelement, als Zwischenraum (84), der neben mindestens einer Solarzelle (48, 82) angeordnet ist, und/oder als abgeschattete Solarzelle (26), die lediglich Strom abführt, ausgebildet ist.
Solarzellenmodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das mindestens eine Streuelement mit elektromagnetischer Verschiebung dazu ausgebildet ist, ein Spektrum einfallender elektromagnetischer Strahlung (72, 94) zu verschieben, üblicherweise Photonen zu absorbieren und mit einer anderen Wellenlänge zu emittieren.
Solarzellenmodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der mindestens eine photovoltaisch passive Bereich der Grundfläche und das mindestens eine über dem photovoltaisch passiven Bereich angeordnete Streuelement jeweils in einem Bereich eines optisch transparenten Materials (50, 52, 88, 90) eingebettet sind.
Solarzellenmodul nach Anspruch 7, das ein aus Kunststoff bestehendes, erstes transparentes Material (50, 88) umfasst, in dem der mindestens eine photovoltaisch passive Bereich eingebettet ist, und das ein aus Glas bestehendes, zweites transparentes Material umfasst, das auf dem ersten transparenten Material angeordnet ist, wobei das mindestens eine Streuelement im Bereich mindestens eines der transparenten Materialien (52, 90) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Solarzellenmoduls (46, 80), bei dem für das Solarzellenmodul (46, 80) eine Grundfläche mit photovoltaisch aktiven Bereichen und photovoltaisch passiven Bereichen bereitgestellt wird, und bei dem über mindestens einem photovoltaisch passiven Bereich der Grundfläche mindestens ein Streuelement mit oder ohne elektromagnetische Verschiebung angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem auf dem mindestens einen photovoltaisch passiven Bereich ergänzend zu dem mindestens einen Streuelement ein weiteres Streuelement aufgebracht wird.