DE102011081863A1 - Solarzelle und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle vom kristallinen Siliziumtyp mit einer vorderseitigen Antireflexschicht (5; 4) auf Siliziumnitrid-Basis, wobei die Antireflexschicht in einer oberflächlichen Teilschicht (4) einen gegenüber dem stöchiometrischen Si-Gehalt in Si3N4 derart erhöhten Si-Anteil aufweist, dass der Brechungsindex einen Wert im Bereich zwischen 2,1 und 2,5 hat.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Solarzelle vom kristallinen Siliziumtyp und ein Verfahren zu deren Herstellung.
- Stand der Technik
- Solarzellen zum Aufbau von Photovoltaikanlagen, speziell auch solche vom kristallinen Siliziumtyp, werden üblicherweise zu Modulen von 40–100 Solarzellen verschaltet, welche wiederum zu Strings von einigen Modulen verschaltet werden. Diese Strings werden häufig auf eine Weise mit einem Wechselrichter verbunden, dass die Solarzellen einiger Module im Vergleich zum geerdeten Modulgehäuse einen sehr hohen elektrischen Potentialunterschied aufweisen. Kommt zu diesen Bedingungen eine erhöhte Temperatur und/oder Luftfeuchtigkeit hinzu, tritt ein Effekt auf, der allgemein als „potential induced degradation“ (PID) bekannt ist; vgl. Swanson et al., 15th PVSEC, Shanghai, 2005 und Berghold et al., 25th EU-PVSEC, Valencia, 2010.
- In
US 7,554,031 B2 werden verschiedene Wege aufgezeigt, diesen nachteiligen Effekt zu beseitigen. - Auf der Ebene des gesamten Photovoltaiksystems, also der verschalteten Module und des Wechselrichters, kann verhindert werden, dass die Zellen eines Moduls zu starke Potentialdifferenzen zum geerdeten Modulgehäuse aufweisen, indem entweder die Wechselrichter der Module geerdet werden (was nur möglich ist im Fall eines Trafo-Wechselrichters), kleinere Stringspannungen verwendet werden oder die Systemspannung durch Zusatzgeräte nachts umgepolt wird.
- Auf Modulebene kann das Problem gelöst werden, indem zum Beispiel zwischen dem Glas und dem Einkapselungsmaterial eine leitfähige Schicht eingebracht wird.
- Auf der Ebene der Solarzelle kann das Problem gelöst werden, indem auf der Zellvorderseite eine leitfähige Schicht aufgebracht wird. Diese kann gemäß
US 7,554,031 B2 undUS 7,786,375 B2 z.B. ein leitendes Oxid sein. Das am häufigsten als Antireflexschicht auf Solarzellen verwendete Material ist jedoch Siliziumnitrid mit einem Brechungsindex zwischen 1,9 und 2,1. Dieses ist nicht elektrisch leitfähig genug, um den PID-Effekt wirkungsvoll zu verhindern. Zwar lassen sich auch Siliziumnitride mit höherer Leitfähigkeit erzeugen, diese absorbieren jedoch deutlich mehr Licht und führen so zu Leistungsverlusten der Solarzelle. - Bestehende Lösungen auf Systemebene haben die Nachteile, dass im Fall der Erdung des Wechselrichters die im Wirkungsgrad schlechteren und schwereren Trafo-Wechselrichter anstelle von Trafo-losen Wechselrichtern verwendet werden müssen, sowie dass kleinere Stringspannungen mit mehr Verlusten einhergehen oder den Nachteil, dass Zusatzgeräte und damit zusätzliche Investitionen notwendig sind.
- Das Einfügen einer zusätzlichen Schicht auf Modulebene bedeutet einen weiteren Prozessschritt und ist damit sehr teuer.
- Offenbarung der Erfindung
- Mit der Erfindung wird eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle vorgeschlagen.
- Die Erfindung schließt den Gedanken ein, ungeachtet der beim bekannten Solarzellenaufbau deutlich werdenden Zielkonflikte die Lösung des Problems auf Zellenebene zu suchen. Sie schließt weiter den Gedanken ein, hierzu die bekannte Antireflexschicht auf Silizium-Nitrid-Basis derart zu verändern, dass sie hinreichend wirksam zur Unterbindung des PID-Effekts wird, ohne dass eine wesentliche Verschlechterung der optischen Eigenschaften auftritt.
- Vorgeschlagen wird insbesondere ein auf der Vorderseite der Solarzelle aufgebrachtes Schichtsystem, welches aus Siliziumnitriden unterschiedlicher Dicke und Zusammensetzung besteht. Hierbei ist die oberste Schicht eine Siliziumnitridschicht mit einem sehr hohen Siliziumanteil. Diese Zusammensetzung macht die Schicht sehr leitfähig, weshalb auch sehr dünne Schichten den PID-Effekt effektiv verhindern. Der verbleibende Teil des Schichtstapels ist nun in Brechungsindex und Dicke so zu wählen, dass die optischen Eigenschaften der Solarzelle allenfalls minimal negativ beeinflusst werden.
- Mit der Erfindung wird eine sehr kostengünstige Lösung bereitgestellt, um den PID-Effekt schon bei der Fertigung der Solarzelle auszuschließen. Somit können bei der Auslegung des Moduls und des PV-Systems alle Freiheiten zum Bau eines optimalen Systems ausgenutzt werden. Des Weiteren können die erfindungsgemäßen Solarzellen mit Siliziumnitriden auf üblichen Standardanlagen der PV-Produktionstechnik hergestellt werden.
- Erfindungsgemäß ist die Antireflexschicht auf Siliziumnitrid-Basis realisiert, wobei die oberflächliche Teilschicht einen gegenüber dem stöchiometrischen Si-Gehalt in Si3N4 derart erhöhten Si-Anteil aufweist, dass der Brechungsindex einen Wert im Bereich zwischen 2,1 und 2,5 hat. Der stöchiometrische Si-Gehalt in Si3N4 beträgt 42,9 %, woraus ein Brechungsindex-Wert von 1,9 resultiert. Der Wert 2,1 als Brechungsindex entspricht einem Si-Anteil von etwa 50 %, wobei eine weitere Steigerung des Brechungsindex-Wertes durch einen noch größeren Si-Anteil ermöglicht wird. So wird ein Brechungsindex-Wert von 2,5 bei einem Si-Anteil von etwa 65 % erreicht, so dass ein Si-Anteil von etwa 50 %–65 % einer Siliziumnitrid-Verbindung einem Brechungsindex-Wert von 2,1 bis 2,5 entspricht. Bei reinem Silizium würde ein Brechungsindex-Wert von etwa 3,3 realisiert.
- In einer bevorzugten Ausführung ist hierbei der Siliziumgehalt in der oberflächlichen Teilschicht der Antireflexschicht derart eingestellt, dass der Brechungsindex im Bereich zwischen 2,2 und 2,4 liegt. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung hat der verbleibende Bereich der Antireflexschicht unterhalb der oberflächlichen Teilschicht einen Brechungsindex im Bereich zwischen 1,9 und 2,1.
- In einer weiteren Ausführung ist das Reflex-Schichtsystem so konfiguriert, dass die Dicke der oberflächlichen Teilschicht mit erhöhtem Siliziumgehalt geringer als die Hälfte der Dicke der Antireflexschicht ist. Noch spezieller ist die Dicke der oberflächlichen Teilschicht kleiner als ¼ der Dicke der Antireflexschicht. In konkreten Ausgestaltungen liegt die Dicke der oberflächlichen Teilschicht im Bereich zwischen 5 und 20nm bei einer Gesamtdicke der Antireflexschicht im Bereich zwischen 60 und 80nm. In technologisch bevorzugter Weise ist die Antireflexschicht prozess-einheitlich, unter Einschluss der oberflächlichen Teilschicht, gebildet. Dementsprechend sieht die vorgeschlagene Verfahrensführung vor, dass die oberflächliche Teilschicht mit erhöhtem Siliziumgehalt in einem zusammenhängenden Abscheidungsprozess der Antireflexschicht durch Veränderung der Zusammensetzung der Prozessatmosphäre hergestellt wird.
- Eine auf Siliziumnitrid-Basis gebildete Antireflexschicht wird mittels geeigneter Abscheideverfahren hergestellt (z. B. PVD, CVD, PECVD). Speziell wird bei PECVD der erhöhte Siliziumgehalt in der obersten Schicht durch Erhöhung des Silananteils im Mischungsverhältnis Silan zu Ammoniak während der Abscheidung eingestellt. Je nach Prozessparameter während der Abscheidung kann die so gebildete Siliziumnitrid-Schicht auch Wasserstoff enthalten. Die Menge an Wasserstoff in der Siliziumnitrid-Schicht ist jedoch so gering, dass ihr Einfluss auf die erfindungsgemäße Funktion der Siliziumnitrid-Schicht vernachlässigt werden kann.
- Zeichnungen
- Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird in der Zeichnung veranschaulicht und hier erläutert.
- Die Figur zeigt als Ausschnittdarstellung (unter Fortlassung von für die Erläuterung der Erfindung nicht wesentlichen Bestandteilen/Schichten einer Silizium-Solarzelle) eine Si-Absorberschicht
1 , deren eine Oberfläche – die in Gebrauchslage der einfallenden Strahlung zugewandt sein wird – mit einer Zwischenschicht2 zur Optimierung der Oberflächenpassivierung versehen ist. Hierauf folgt eine erste Teilschicht3 einer Siliziumnitrid-Antireflexschicht mit einer Dicke von 70nm und einem Brechungsindex n = 2,0, deren Si-Anteil im Wesentlichen dem Anteil bei herkömmlichen Antireflexschichten auf Siliziumnitrid-Basis entspricht. Hierauf folgt als weitere (oberflächliche) Teilschicht4 eine Schicht mit einer Dicke von 10nm und einem Brechungsindex n = 2,35, die einen wesentlich erhöhten Si-Gehalt aufweist und hierdurch hinreichend elektrisch leitfähig zur Unterbindung des PID-Effekts ist. - Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Produkt- und Verfahrenskonzepts.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- US 7554031 B2 [0003, 0006]
- US 7786375 B2 [0006]
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Swanson et al., 15th PVSEC, Shanghai, 2005 und Berghold et al., 25th EU-PVSEC, Valencia, 2010 [0002]
Claims (8)
- Solarzelle vom kristallinen Siliziumtyp mit einer vorderseitigen Antireflexschicht (
5 ;4 ) auf Siliziumnitrid-Basis, wobei die Antireflexschicht in einer oberflächlichen Teilschicht (4 ) einen gegenüber dem stöchiometrischen Si-Gehalt in Si3N4 derart erhöhten Si-Anteil aufweist, dass der Brechungsindex einen Wert im Bereich zwischen 2,1 und 2,5 hat. - Solarzelle nach Anspruch 1, wobei der Siliziumgehalt in der oberflächlichen Teilschicht (
4 ) der Antireflexschicht (3 ;4 ) derart eingestellt ist, dass der Brechungsindex im Bereich zwischen 2,2 und 2,4 liegt. - Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei der verbleibende Bereich (
3 ) der Antireflexschicht (3 ;4 ) unterhalb der oberflächlichen Teilschicht (4 ) einen Brechungsindex im Bereich zwischen 1,9 und 2,1 hat. - Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dicke der oberflächlichen Teilschicht (
4 ) mit erhöhtem Siliziumgehalt geringer als die Hälfte der Dicke der Antireflexschicht ist. - Solarzelle nach Anspruch 4, wobei die Dicke der oberflächlichen Teilschicht (
4 ) kleiner als ¼ der Dicke der Antireflexschicht (3 ,4 ) ist. - Solarzelle nach Anspruch 5, wobei die Dicke der oberflächlichen Teilschicht (
4 ) im Bereich zwischen 5 und 20nm bei einer Gesamtdicke der Antireflexschicht (3 ;4 ) im Bereich zwischen 60 und 80nm liegt. - Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antireflexschicht (
3 ;4 ) prozess-einheitlich, unter Einschluss der oberflächlichen Teilschicht (4 ), gebildet ist. - Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die oberflächliche Teilschicht (
4 ) mit erhöhtem Siliziumgehalt in einem zusammenhängenden Abscheidungsprozess der Antireflexschicht (3 ;4 ) durch Veränderung der Zusammensetzung der Prozessatmosphäre oder anderer Prozessparameter hergestellt wird.
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