DE102011104020A1 - Process for producing a contact layer of a solar module and solar module produced in this way - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktschicht eines Solarmoduls, wobei auf einem Trägersubstrat das Material der Kontaktschicht zur Ausbildung einer Fläche angeordnet wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Gradient in der Kontaktschicht ausgebildet wird und entlang des Gradienten der elektrische Widerstand und die Transmission in derselben Richtung der Fläche zunehmen. Ein auf diese Weise hergestelltes Solarmodul ist offenbart.The invention relates to a method for producing a contact layer of a solar module, wherein the material of the contact layer for forming a surface is arranged on a carrier substrate. The method is characterized in that a gradient is formed in the contact layer and increase along the gradient of the electrical resistance and the transmission in the same direction of the surface. A solar module manufactured in this way is disclosed.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktschicht eines Solarmoduls und ein auf diese Weise hergestelltes Solarmodul.The invention relates to a method for producing a contact layer of a solar module and a solar module produced in this way.
Stand der TechnikState of the art
Ein bekanntes Verfahren um eine integrierte Serienverschaltung eines großflächigen Dünnschicht-Solarmoduls zu realisieren, ist in
Zunächst wird eine Kontaktschicht, z. B. eine transparente leitfähige Schicht
Anschließend werden die P1-Linien bei Raumtemperatur mittels Laser durch Ablation gebildet. Dabei werden parallel zueinander angeordnete erste Gräben
Im Weiteren wird die Bezeichnung „über die Länge des Moduls” in der Weise verwendet, das damit eine Strukturierung gemeint ist, die in der Tiefe der Blattebene der Figuren verläuft. Dabei werden die für Solarmodule charakteristischen Linien gebildet. In Aufsicht auf das fertige Solarmodul sind die Linien erkennbar, siehe
Danach wird ein Absorberschichtsystem aus Halbleiter-Schichten aufgebracht, z. B. eine a-Si/μc-Tandemsolarzelle (siehe
Dann werden die P2-Linien wiederum durch Ablation gebildet. Parallel zu den ersten Gräben werden die zweiten Gräben
Im Anschluss daran wird eine zweite Kontaktschicht
Anschließend werden wiederum mit einem Laser die P3 Linien hergestellt, siehe
Bei der anhand der
Für eine Laserablation des TCO als erster elektrischer Kontaktschicht (Frontkontakt) wird in der Regel ein anderer Laser als für die Halbleiter-Schichten bzw. für die zweite elektrische Kontaktschicht, den Rückkontakt, verwendet. Hierfür muss ein Laser mit einer Wellenlänge gewählt werden, bei welcher das TCO Material absorbierend ist.For laser ablation of the TCO as the first electrical contact layer (front contact), a different laser is generally used than for the semiconductor layers or for the second electrical contact layer, the back contact. This requires a laser with a wavelength at which the TCO material is absorbent.
Es ist im Übrigen bekannt, dass das Material ZnO als Material der ersten Kontaktschicht in Säure oder in Lauge ätzbar ist. Eine Ätzung erfolgt regelmäßig vor der Anordnung der Halbleiter-Schichten
Die Aufrauung der ZnO-Schicht ist wichtig, um eine bessere Lichteinkopplung und Lichtstreuung des eingefangenen Lichts in die Halbleiter-Schichten zurück zu gewährleisten. The roughening of the ZnO layer is important to ensure better light coupling and light scattering of the trapped light back into the semiconductor layers.
Aus der Druckschrift Lu et al. (
Es sind Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung von Dünnschichtsolarmodulen bekannt, bei denen abweichend von
Solarmodule werden allgemein mit dem Ziel hergestellt, möglichst homogene Schichteigenschaften in Bezug auf Schichtdicke und Schichteigenschaft bzw. Schichtqualität über der gesamten beschichteten Fläche bereit zu stellen. Dies gilt unabhängig für die Kontaktschichten als Front- und Rückkontakt sowie für die Absorberschichten (Halbleiter-Schichten). Unerwünschte Inhomogenitäten und Abweichungen von Normparametern wie der Dicke der Schichten in sich, führen zu erhöhten elektrischen und/oder optischen Verlusten des Solarmoduls.Solar modules are generally produced with the aim of providing the most homogeneous layer properties in terms of layer thickness and layer properties or layer quality over the entire coated surface. This applies independently for the contact layers as front and back contact as well as for the absorber layers (semiconductor layers). Unwanted inhomogeneities and deviations from standard parameters such as the thickness of the layers in themselves lead to increased electrical and / or optical losses of the solar module.
Die P1–P3-Strukturen werden geschrieben, um die Stromdichte in einem großflächigen Solarmodul zu reduzieren. Das Solarmodul wird deshalb in kleinere Teilzellen, die Streifen A, B, C, D und so weiter, unterteilt. Die Zellstreifen haben alle die gleiche Größe und sind in Serie miteinander verschaltet.
Der Wirkungsgrad eines Einfachsolarmoduls mit einer p-i-n-Struktur oder mit einer n-i-p-Struktur der Halbleiter-Schichten, das heißt ohne eine Tandemanordnung ist, trotz großer Anstrengungen bisher immer noch vergleichsweise niedrig.The efficiency of a single solar module with a p-i-n structure or with an n-i-p structure of the semiconductor layers, that is without a tandem arrangement, is still comparatively low despite great efforts.
Nachteilig ist es bisher mit keinem der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gelungen, ein Solarmodul mit verbessertem Wirkungsgrad bereit zu stellen.Disadvantageously, none of the methods known from the prior art have been able to provide a solar module with improved efficiency.
Aufgabe und Lösung der ErfindungTask and solution of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls mit hohem Wirkungsgrad anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es das Solarmodul als solches bereit zu stellen.The object of the invention is to provide a method for producing a solar module with high efficiency. Another object of the invention is to provide the solar module as such.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch das Modul gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.The object is achieved by a method according to
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Auf einem Trägersubstrat wird ganzflächig gleichmäßig eine erste Kontaktschicht angeordnet. Der Kontakt dient im fertigen Solarmodul als Frontkontakt oder als Rückkontakt. Beides ist möglich.On a carrier substrate, a first contact layer is uniformly arranged over the entire surface. The contact is used in the finished solar module as a front contact or as a back contact. Both are possible.
Als Substrat kommt insbesondere ein Glas, eine Kunststofffolie, oder ein Metall mit einer isolierenden Schicht in Betracht. Das Material der ersten elektrischen Kontaktschicht weist eine gute Leitfähigkeit auf. Hierfür kommen insbesondere aber nicht ausschließlich ZnO:Al, ZnO:Ag, ZnO:B, ZnO:Ga, SnO2:F, ITO, oder TiO2 sowie Legierungen wie z. B. ZnMgO in Frage. Ferner können Metalle eingesetzt werden.As a substrate is in particular a glass, a plastic film, or a metal with an insulating layer into consideration. The material of the first electrical contact layer has a good conductivity. ZnO: Al, ZnO: Ag, ZnO: B, ZnO: Ga, SnO 2 : F, ITO, or TiO 2 and alloys such as. B. ZnMgO in question. Furthermore, metals can be used.
Besonders vorteilhaft wird das aluminiumdotierte Zinkoxid (ZnO:Al) verwendet, da dies besonders gut zu behandeln ist.The aluminum-doped zinc oxide (ZnO: Al) is particularly advantageously used, since this is particularly easy to treat.
Als Substrat wird auch eine Struktur aus einem Trägersubstrat mit einer hierauf aufgebrachten Kontaktschicht sowie hierauf angeordneten Halbleiterschichten angesehen, auf die sodann eine erfindungsgemäße Kontaktschicht angeordnet wird. The substrate is also considered to be a structure comprising a carrier substrate with a contact layer applied thereon and semiconductor layers arranged thereon, onto which a contact layer according to the invention is then arranged.
Die Fläche des Trägersubstrats beträgt z. B. bis 10 × 10 cm2. Die abgeschiedene Kontaktschicht ist etwas kleiner, da der Rand des Substrats frei gelassen werden sollte.The surface of the carrier substrate is z. B. to 10 × 10 cm 2 . The deposited contact layer is slightly smaller because the edge of the substrate should be left free.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das Verfahren zur Herstellung der Kontaktschicht des Solarmoduls auf dem Trägersubstrat und zwar insbesondere der Abscheidung einer Frontkontaktschicht gelöst.The object of the invention is achieved by the method for producing the contact layer of the solar module on the carrier substrate and in particular the deposition of a front contact layer.
Die Kontaktschicht weist per se einen Bereich erster Ordnung auf. Ein Bereich erster Ordnung ist definiert als eine flächige Anordnung in sich homogenen, gleichmäßig abgeschiedenen Materials der Kontaktschicht auf dem Trägersubstrat, wie z. B. einer gleichmäßig abgeschiedenen Aluminiumdotierten Zinkoxidschicht (ZnO:Al).The contact layer has a first order region per se. A first-order region is defined as a planar arrangement in a homogeneous, uniformly deposited material of the contact layer on the carrier substrate, such. B. a uniformly deposited aluminum-doped zinc oxide layer (ZnO: Al).
Die Kontaktschicht auf dem Trägersubstrat weist abweichend vorn Stand der Technik ortsabhängig angepasste Schichteigenschaften in Bezug auf den elektrischen Widerstand und die Transmission in der Fläche auf. Das Material der Kontaktschicht wird zur Ausbildung einer Fläche auf dem Trägersubstrat angeordnet. Mögliche Beschichtungsmethoden für die Kontaktschicht sind Sputtern, Aufdampfen und PECVD-Verfahren und weitere Abscheidungsverfahren.Deviating from the prior art, the contact layer on the carrier substrate has location-dependent layer properties with respect to the electrical resistance and the transmission in the area. The material of the contact layer is arranged to form a surface on the carrier substrate. Possible coating methods for the contact layer are sputtering, vapor deposition and PECVD methods and other deposition methods.
Die Dicke der Kontaktschicht beträgt vorzugsweise zwischen 100 bis 1000 nm. Die Anordnung der Kontaktschicht erfolgt erfindungsgemäß in der Weise, dass in der Kontaktschicht in dem Bereich erster Ordnung ein Gradient ausgebildet wird. Entlang des Gradienten nehmen der elektrische Widerstand und die Transmission in derselben Richtung der Fläche der Kontaktschicht zu. Der Gradient verläuft somit vorzugsweise in der Fläche. Es ist denkbar, diesen auch in der Tiefe der erfindungsgemäßen Kontaktschicht auszubilden.The thickness of the contact layer is preferably between 100 and 1000 nm. According to the invention, the contact layer is arranged in such a way that a gradient is formed in the contact layer in the first-order region. Along the gradient, the electrical resistance and the transmission increase in the same direction of the surface of the contact layer. The gradient thus preferably runs in the area. It is conceivable to form this also in the depth of the contact layer according to the invention.
Der Gradient wird in der Kontaktschicht vorzugsweise streifenförmig, das heißt über mehrere Streifen hinweg gebildet. Der Gradient wird in Richtung einer erwarteten abnehmenden Stromdichte auf der Kontaktschicht so hergestellt, dass der elektrische Widerstand und die Transmission der Kontaktschicht im fertigen Solarmodul mit abnehmender Stromdichte zunehmen.The gradient is preferably stripe-shaped in the contact layer, that is to say over a plurality of strips. The gradient is produced in the direction of an expected decreasing current density on the contact layer so that the electrical resistance and the transmission of the contact layer in the finished solar module increase with decreasing current density.
Mit dem Begriff „Streifen” ist vorzugsweise eine Form umfasst, die in der XY-Ebene (kartesisch) der Schicht eine größere Ausdehnung in der Länge als in der Breite aufweist, siehe die Ausführungen zur
Die Bereiche zweiter Ordnung können auch schon bei der Abscheidung hergestellt werden, indem unmittelbar nebeneinander das Material der Kontaktschicht unterschiedliche Leitfähigkeiten aufweist. Dies wird erreicht, indem Targets mit unterschiedlicher Konzentration leitfähiger Dotieratome verwendet werden.The regions of second order can also be produced during the deposition, in which the material of the contact layer has different conductivities directly next to one another. This is achieved by using targets with different concentrations of conductive dopant atoms.
Diese Bereiche bzw. Streifen zweiter Ordnung werden in der übergeordneten Struktur, das heißt in den Bereichen oder Streifen erster Ordnung, wie sie für den Stand der Technik angegeben sind (siehe
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass in Siliziumdünnschichtsolarmodulen mit einem hochleitfähigen Rückkontakt, z. B. mit ZnO:Al und Silber als Rückkontakt der Widerstand der Kontaktschichten insgesamt weitgehend durch den Widerstand des transparenten leitfähigen Frontkontakts z. B. mit ZnO:Al als Frontkontakt gebildet wird. Der transparente leitfähige Frontkontakt wird also vorzugsweise aus einem sogenannten TCO (transparent conductive oxide) Material wie z. B. ZnO:Al ausgeführt. Bei diesen Materialkombinationen konkurrieren die Eigenschaften Transmission und Leitfähigkeit. Wenn eine TCO Schicht mit geringerem elektrischem Widerstand (höhere Leitfähigkeit) hergestellt werden soll, z. B. durch Erhöhung der Schichtdicke oder durch Erhöhung der Konzentration der freien Ladungsträger im Material, so reduziert sich die Transmission. Umgekehrt lässt sich eine höhere Transmission der TCO Schicht als Frontkontakt dadurch erzielen, dass der elektrische Widerstand erhöhtwird, z. B. durch eine geringere Schichtdicke oder durch eine Reduzierung der Konzentration der freien Ladungsträger. Es wurde in diesem Zusammenhang erkannt, dass ZnO:Al Schichten mit höherer Ladungsträgerkonzentration niedrigere Transmission zeigen. Dieser Effekt zeigt sich insbesondere im nahen infraroten (NIR) Spektralbereich > 800 nm Wellenlänge.In the context of the invention it was recognized that in silicon thin film solar modules with a highly conductive back contact, z. B. with ZnO: Al and silver as the back contact, the resistance of the contact layers as a whole largely by the resistance of the transparent conductive front contact z. B. with ZnO: Al is formed as a front contact. The transparent conductive front contact is thus preferably made of a so-called TCO (transparent conductive oxide) material such. B. ZnO: Al executed. In these material combinations, the properties of transmission and conductivity compete. If a TCO layer with less electrical resistance (higher conductivity) to be produced, for. B. by increasing the layer thickness or by increasing the concentration of the free charge carriers in the material, so reduces the transmission. Conversely, higher transmission of the TCO layer as a front contact can be achieved by increasing the electrical resistance, e.g. B. by a smaller layer thickness or by reducing the concentration of the free charge carriers. It was recognized in this connection that ZnO: Al layers with higher charge carrier concentration show lower transmission. This effect is particularly evident in the near infrared (NIR) spectral range> 800 nm wavelength.
Es ist auch möglich beide Kontaktschichten, also den Front- und den Rückkontakt mit dem erfindungsgemäßen Gradienten auf dem Substrat anzuordnen, insbesondere wenn es sich um zwei TCO-Kontaktschichten als Front- und Rückkontaktschicht handelt.It is also possible to arrange both contact layers, that is to say the front contact and the back contact with the gradient according to the invention, on the substrate, in particular if there are two TCO contact layers as the front and rear contact layers.
Die TCO Schicht als Kontaktschicht auf dem Trägersubstrat muss im fertigen Solarmodul also bezüglich ihrer Fähigkeit, den elektrischen Strom zu leiten, und in Bezug auf ihre Transmission optimiert werden, da eine Erhöhung der Transmission eine Erhöhung des Photostroms zur Folge hat.The TCO layer as a contact layer on the carrier substrate must therefore be optimized in terms of its ability to conduct the electric current and in terms of its transmission in the finished solar module, since an increase in the transmission results in an increase in the photocurrent.
Es wurde erkannt, dass in den Modulen nach dem Stand der Technik regelmäßig eine nicht homogene Stromdichteverteilung von einer in sich homogenen TCO Schicht als Frontkontaktschicht abgeführt wird.It has been recognized that in the prior art modules, a non-homogeneous current density distribution is regularly dissipated from a self-homogeneous TCO layer as the front contact layer.
Daher wird durch die Ausbildung des erfindungsgemäßen Gra dienten erfindungsgemäß eine lokale Anpassung der Kontaktschicht an die Stromdichteverteilung über eine lokale Variation des Schichtwiderstands und damit über die Stromdichteverteilung vorgenommen, um auf diese Weise zu einer Verringerung der optischen und/oder elektrischen Verluste zu gelangen.Therefore, by the formation of the Gra invention according to the invention, a local adaptation of the contact layer to the current density distribution via a local variation of the sheet resistance and thus made on the current density distribution in order to achieve in this way to a reduction of optical and / or electrical losses.
Der erfindungsgemäße Gradient der Parameter wird in einer ersten Alternative durch eine Laserbehandlung ausgebildet.The gradient of the parameters according to the invention is formed in a first alternative by laser treatment.
Vorzugsweise wird der Gradient durch Zunahme des Energieeintrags während der Laserbehandlung in der Fläche der Kontaktschicht gebildet. Ein hoher Energieeintrag kann beispielweise durch lange Behandlungszeit während einer langsamen Führung des Lasers und/oder durch höhere Leistung eingestellt werden. Dabei wird vorteilhaft bewirkt, dass der Widerstand und die Transmission mit steigendem Energieeintrag erhöht werden. Die elektrische Leitfähigkeit hingegen sinkt.Preferably, the gradient is formed by increasing the energy input during the laser treatment in the surface of the contact layer. A high energy input can be set, for example, by a long treatment time during a slow guidance of the laser and / or by a higher power. It is advantageously effected that the resistance and the transmission are increased with increasing energy input. The electrical conductivity, however, decreases.
Mit variierenden Parametern während der Laserbehandlung wird vorteilhaft der Gradient in den Bereichen erster Ordnung in Bezug auf den elektrischen Widerstand und die Transmission der Kontaktschicht hergestellt. So kann die Laserleistung zwischen 0 und 5 Watt betragen um berührende Bereiche zweiter Ordnung in einem Bereich erster Ordnung zu bilden. Alternativ kann zur Erzeugung des Gradienten die Geschwindigkeit, mit der der Laser lateral über die Oberfläche der Kontaktschicht geführt wird, variiert werden. So kann die Lasergeschwindigkeit zwischen 0,1 bis 15 mm·s–1 innerhalb eines Bereichs erster Ordnung eingestellt werden um den Gradienten zu erzeugen. Dies hängt maßgeblich von der Wahl des Lasers ab. Ein Fachmann wird hierzu nach Verfügbarkeit den Laser auswählen und die Parameter anpassen.With varying parameters during the laser treatment, the gradient in the first-order regions with respect to the electrical resistance and the transmission of the contact layer is advantageously produced. Thus, the laser power may be between 0 and 5 watts to form second order contacting regions in a first order region. Alternatively, to generate the gradient, the speed at which the laser is guided laterally over the surface of the contact layer can be varied. Thus, the laser speed can be adjusted between 0.1 to 15 mm · s -1 within a first order range to produce the gradient. This depends largely on the choice of the laser. A person skilled in the art will select the laser according to availability and adjust the parameters.
In einer weiteren Alternative wird der Gradient in der Kontaktschicht durch zeitlich aufeinanderfolgendes Sputtern von Targets mit unterschiedlich leitfähigem Material hergestellt. Hierzu wird eine Relativbewegung zwischen Trägersubstrat mit einer hierauf angeordneten Maske und dem Target ausgeführt. Besonders vorteilhaft werden die Targets während der Relativbewegung gewechselt. Dies erhöht die Geschwindigkeit des Verfahrens. Es sollten vorteilhaft Targets mit einer Targetdotiermenge zwischen 0,2 und 1% in der Relativbewegung gesputtert werden. Dann ergibt sich vorteilhaft die gewünschte Leitfähigkeit, bzw. der gewünschte elektrische Widerstand und damit Transmission.In a further alternative, the gradient in the contact layer is produced by temporally successive sputtering of targets with differently conductive material. For this purpose, a relative movement between the carrier substrate is carried out with a mask arranged thereon and the target. Particularly advantageously, the targets are changed during the relative movement. This increases the speed of the process. Advantageously, targets should be sputtered with a target doping amount between 0.2 and 1% in the relative movement. Then advantageously results in the desired conductivity, or the desired electrical resistance and thus transmission.
Es ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung denkbar, dass der Gradient durch unterschiedliche Schichtdicke in den aneinander grenzenden Bereichen zweiter Ordnung gebildet wird. Dann ist die Kontaktschicht keilförmig über die Fläche auf dem Trägersubstrat angeordnet.It is conceivable in a further embodiment of the invention that the gradient is formed by different layer thickness in the adjoining second-order regions. Then, the contact layer is arranged in a wedge shape over the surface on the carrier substrate.
Mit den genannten Alternativen werden einander berührende Bereiche zweiter Ordnung in einem Bereich erster Ordnung der Kontaktschicht ausgebildet. Der Widerstand in den Bereichen zweiter Ordnung beträgt vorzugsweise von 5 Ohm bis 30 Ohm. Abweichungen sind selbstverständlich möglich, solange im Rahmen der Erfindung die Transmission und der elektrische Widerstand verändert werden. Damit ergibt sich im Bereich erster Ordnung, der die Bereiche zweiter Ordnung umfasst, ebenfalls ein Gradient von etwa 7 Ohm bis etwa 25 Ohm von einem Ende zum gegenüberliegenden Ende des Bereichs.With said alternatives, second order contacting regions are formed in a first order region of the contact layer. The second order resistance is preferably from 5 ohms to 30 ohms. Deviations are of course possible, as long as the transmission and the electrical resistance are changed within the scope of the invention. Thus, in the first order region comprising the second order regions, there also results a gradient from about 7 ohms to about 25 ohms from one end to the opposite end of the region.
Im Falle einer Laserbehandlung wird der Bereich zweiter Ordnung mit einem Widerstand von etwa 5 Ohm ohne Behandlung der Schicht mit dem Laser bewirkt. Der Bereich mit beispielweise 25–30 Ohm wird durch Laserbehandlung mit geringer Geschwindigkeit bzw. hoher Leistung erzielt. Die dazwischen angeordneten Bereiche werden durch hieran angepasste Bedingungen für die Laserbehandlung bereit gestellt. In the case of a laser treatment, the second order region is effected with a resistance of about 5 ohms without treatment of the layer with the laser. The range of, for example, 25-30 ohms is achieved by laser treatment at low speed or high power. The interposed regions are provided by conditions adapted thereto for the laser treatment.
Im Falle von Sputtern von Targets mit unterschiedlichen Aluminiumkonzentrationen im Zinkoxid werden z. B. über eine Breite B des Bereichs erster Ordnung Targets mit einer Konzentration an Aluminium von 0,1–2% Targetdotiermenge verwendet.In the case of sputtering of targets with different aluminum concentrations in the zinc oxide z. For example, over a width B of the first-order region, targets having a concentration of aluminum of 0.1-2% target doping amount are used.
Das auf diese Weise hergestellte Solarmodul zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Kontaktschicht des Moduls in Richtung abnehmender Stromdichte den Gradienten mit zunehmenden elektrischen Widerstand und Transmission aufweist. Entsprechend nimmt die Leitfähigkeit ab.The solar module produced in this way is characterized in that at least one contact layer of the module in the direction of decreasing current density has the gradient with increasing electrical resistance and transmission. Accordingly, the conductivity decreases.
In der abgeschiedenen (Front-)Kontaktschicht sind nach der ganzflächigen Anordnung zunächst keine Strukturen enthalten (Bereich erster Ordnung). Die Kontaktschicht kann mehrfach, z. B. linienförmig, abladiert werden, sodass mehrere parallel angeordnete Bereiche erster Ordnung, insbesondere streifenförmige Bereiche, in der Kontaktschicht gebildet werden, wie sie exemplarisch in der
Auf der erfindungsgemäßen Kontaktschicht sind ganzflächig die aktiven Halbleiterschichten angeordnet. Als Halbleiter-Schichten können die Schichten für eine a-Si:H-μc-Si:H-Tandemsolarzelle oder jedwede andere Schichtenfolge wie sie üblicherweise in der Solarzellenindustrie genutzt werden. Insbesondere werden p-i-n- oder p-i-n-p-i-n–Schichten oder n-i-p- oder n-i-p-n-i-p-Schichten abgeschieden. Die Erfindung ist in diesem Sinne nicht eingeschränkt.On the contact layer according to the invention, the active semiconductor layers are arranged over the whole area. As semiconductor layers, the layers for an a-Si: H-μc-Si: H tandem solar cell or any other layer sequence as they are commonly used in the solar cell industry. In particular, p-i-n or p-i-n-p-i-n layers or n-i-p or n-i-p-n-i-p layers are deposited. The invention is not limited in this sense.
Mögliche Halbleiterschichtsysteme sind amorphes, mikrokristallines, polykristallines Silizium, Siliziumgermanium, Siliziumkohlenstoff, SiO2, Si3N4, SiOx, SiON, CdTe und CIGS. Es können auch einfache p-i-n-Dioden aus a-Si oder μc-Si oder auch p-i-n-p-i-n-Tandemstrukturen aus a-Si/a-Si oder auch a-Si/μc-Si und den jeweiligen Legierungen des Siliziums mit Germanium oder Kohlenstoff angeordnet werden.Possible semiconductor layer systems are amorphous, microcrystalline, polycrystalline silicon, silicon germanium, silicon carbon, SiO 2 , Si 3 N 4 , SiO x, SiON, CdTe and CIGS. It is also possible to arrange simple pin diodes made of a-Si or μc-Si or else pin-pin tandem structures of a-Si / a-Si or also a-Si / μc-Si and the respective alloys of silicon with germanium or carbon.
Die P1-Strukturen können vor oder nach der Bildung der erfindungsgemäßen Gradienten gebildet werden. Die P1-Strukturen können auch nach der Anordnung der Halbleiter-Schichten und sogar nach der Anordnung einer weiteren Kontaktschicht auf den Halbleiter-Schichten gebildet werden. P2- und P3-Strukturen und Gräben werden dann parallel zu den ersten Gräben gebildet. Damit erfolgt die Serienverschaltung der streifenförmigen photovoltaischen Elemente.The P1 structures can be formed before or after the formation of the gradients according to the invention. The P1 structures can also be formed after the arrangement of the semiconductor layers and even after the arrangement of a further contact layer on the semiconductor layers. P2 and P3 structures and trenches are then formed parallel to the first trenches. This is the series connection of the strip-shaped photovoltaic elements.
Es werden dann benachbart und seitlich versetzt zu den ersten Gräben der ersten P1-Strukturierung durch eine zweite P2-Strukturierung zweite Gräben gebildet. Alle zweiten Gräben werden parallel in derselben Ausrichtung zu den ersten Gräben gebildet. In den zweiten Gräben muss die Oberfläche der erfindungsgemäßen Kontaktschicht freigelegt sein, da hier die Serienverschaltung benachbarter Elemente erfolgt. Die zweiten Gräben werden vorzugsweise eng benachbart und parallel zu den ersten Gräben gebildet. Mit eng benachbart sind wenige um Abstände der parallelen Gräben zueinander umfasst.Then, adjacent to and laterally offset from the first trenches of the first P1 structuring, second trenches are formed by a second P2 structuring. All second trenches are formed in parallel in the same orientation to the first trenches. In the second trenches, the surface of the contact layer according to the invention must be exposed, since the series connection of adjacent elements takes place here. The second trenches are preferably formed closely adjacent and parallel to the first trenches. With closely adjacent few are covered by distances of the parallel trenches to each other.
Die zweite Kontaktschicht, z. B. Silber, Aluminium oder eine Kombination aus ZnO:Al und Silber, wird auf die Halbleiter-Schichten und in die zweiten Gräben abgeschieden. In den zweiten Graben erfolgt vorteilhaft der elektrische Kontakt zur Serienverschaltung benachbarter streifenförmiger Elemente. Mögliche Beschichtungsmethoden für die zweite elektrische Kontaktschicht sind Sputtern Aufdampfen und PECVD-Verfahren. Die zweite elektrische Kontaktschicht wird durch die ersten Gräben nicht eingerissen. Auf Grund der zweiten Gräben werden die gewünschten Kontakte zur Serienverschaltung der zweiten elektrischen Kontaktschicht eines ersten streifenförmigen Elements, z. B. eines Elements A, zu einer ersten elektrischen Kontaktschicht eines hierzu benachbarten zweiten streifenförmigen Elements, z. B. eines Elements B, und so fort gebildet.The second contact layer, z. As silver, aluminum or a combination of ZnO: Al and silver, is deposited on the semiconductor layers and in the second trenches. In the second trench, the electrical contact is advantageously used for series connection of adjacent strip-shaped elements. Possible coating methods for the second electrical contact layer are sputtering vapor deposition and PECVD method. The second electrical contact layer is not torn by the first trenches. Due to the second trenches, the desired contacts for series connection of the second electrical contact layer a first strip-shaped element, for. B. an element A, to a first electrical contact layer of a thereto adjacent second strip-shaped element, for. B. an element B, and so forth formed.
Es werden parallel und eng benachbart sowie seitlich versetzt zu den ersten und zu den zweiten Gräben jeweils dritte Gräben durch eine dritte Strukturierung P3 entsprechend der Anzahl der ersten und zweiten Gräben gebildet. Die dritten Gräben trennen die benachbarten streifenförmigen Elemente A, B, C und 50 weiter elektrisch voneinander.In parallel and closely adjacent and laterally offset from the first and the second trenches, respectively, third trenches are formed by a third structuring P3 corresponding to the number of first and second trenches. The third trenches further electrically separate the adjacent strip-shaped elements A, B, C and 50 from each other.
Die ersten, zweiten und/oder dritten Gräben zur Trennung der streifenförmigen Elemente werden insbesondere durch Laserablation hergestellt.The first, second and / or third trenches for separating the strip-shaped elements are produced in particular by laser ablation.
Die ersten Gräben werden durch Ablation der ersten Kontaktschicht und anschließendes nasschemisches Ätzen erzeugt. Für den Laserprozess kommt z. B. ein Laser der Wellenlänge 1064 nm zum Einsatz. Dieser Laser abladiert nur die Halbleiter-Schichten.The first trenches are produced by ablation of the first contact layer and subsequent wet chemical etching. For the laser process z. As a laser of wavelength 1064 nm used. This laser ablates only the semiconductor layers.
Die zweiten Gräben werden durch Ablation der Halbleiter-Schichten erzeugt. Hierzu kommt in der Regel ein Laser der Wellenlänge 532 zum Einsatz.The second trenches are created by ablation of the semiconductor layers. For this purpose, a laser of wavelength 532 is usually used.
Die dritten Gräben werden typischerweise durch gleichzeitige Ablation der Halbleiter-Schichten und der zweiten elektrischen Kontaktschicht erzeugt. Hierzu kommt ebenfalls ein Laser der Wellenlänge 532 nm zum Einsatz.The third trenches are typically generated by simultaneous ablation of the semiconductor layers and the second electrical contact layer. For this purpose, a laser of wavelength 532 nm is also used.
Alle Ablationsschritte können durch das Substrat erfolgen.All ablation steps can be through the substrate.
Das erfindungsgemäße Modul weist entsprechend eine Vielzahl an benachbarten streifenförmigen Elementen auf. Jedes streifenförmige Element weist eine Schichtenfolge aus Trägersubstrat, einer ersten erfindungsgemäßen Kontaktschicht auf dem Substrat, den aktiven Halbleiter-Schichten auf der ersten elektrischen Kontaktschicht und hierauf angeordneter zweiter Kontaktschicht auf. Für die Serienverschaltung ist die zweite elektrische Kontaktschicht eines streifenförmigen Elements, z. B. Element A, bis auf die erste elektrische Kontaktschicht eines hierzu benachbarten streifenförmigen photovoltaischen Elements, z. B. Element B angeordnet. Das Modul ist dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten elektrischen Kontaktschicht jeweils Gradienten vorhanden sind, in denen der elektrische Widerstand und die Transmission der Kontaktschicht zunehmen.The module according to the invention accordingly has a plurality of adjacent strip-shaped elements. Each strip-shaped element has a layer sequence of carrier substrate, a first contact layer according to the invention on the substrate, the active semiconductor layers on the first electrical contact layer and second contact layer arranged thereon. For series connection, the second electrical contact layer of a strip-shaped element, for. B. element A, except for the first electrical contact layer of a thereto adjacent strip-shaped photovoltaic element, for. B. element B arranged. The module is characterized in that in each case gradients are present in the first electrical contact layer, in which the electrical resistance and the transmission of the contact layer increase.
In Richtung abnehmender Stromdichte der erfindungsgemäßen Kontaktschicht werden die Transmission und damit der elektrische Widerstand im Bereich erster Ordnung immer erhöht. Diese Maßnahme allein bewirkt, dass die elektrischen und optischen Verluste geringer ausfallen als im Stand der Technik und damit der Wirkungsgrad des Solarmoduls erhöht wird, und zwar um etwa 0,5% relativ.In the direction of decreasing current density of the contact layer according to the invention, the transmission and thus the electrical resistance in the first order range are always increased. This measure alone causes the electrical and optical losses to be lower than in the prior art and thus the efficiency of the solar module is increased, by about 0.5% relative.
Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und den beigefügten Figuren näher beschrieben, ohne dass es hierdurch zur Einschränkung der Erfindung kommen soll.Furthermore, the invention will be described in more detail with reference to exemplary embodiments and the attached figures, without this being intended to limit the invention.
Es zeigen:Show it:
In
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Stromdichteverteilung in den Kontaktschichten eines Dünnschichtsolarmodul bzw. eines Zellstreifens gerade im Fall einer perfekt homogenen Schichtabscheidung tatsächlich nicht homogen ist, siehe
Folgende Eigenschaften treten je Zellstreifen A–D tatsächlich auf. In
Es wurde daher ein erfindungsgemäß modifiziertes Herstellungsverfahren zur Herstellung der Kontaktschicht auf dem Trägersubstrat wie folgt angewendet.Therefore, a production method modified according to the invention for producing the contact layer on the carrier substrate was used as follows.
Erstes AusführungsbeispielFirst embodiment
Ein 10 × 10 cm2 großes Glassubstrat
Das Ergebnis ist in der
1. Erfindungsgemäße Anpassung einer Frontkontaktschicht (Fig. 4)1. Inventive adaptation of a front contact layer (FIG. 4)
Am Beispiel eines transparenten leitfähigen Frontkontakts
Für ein Modul nach dem Stand der Technik mit homogenem Widerstand der TCO-Schicht
Gezeigt ist die ZnO:Al-Oberfläche noch vor der Aufbringung der Silizium-Halbleiterschichten und des Rückkontakts. Es werden n streifenförmige Bereiche unterschieden, welche eine unterschiedliche Behandlungsintensität erfahren haben. In Pfeilrichtung nimmt die Behandlungsintensität so zu, dass eine Abnahme der Leitfähigkeit bei Zunahme der Transmission in den streifenförmigen Bereichen erreicht wird. Die Richtung des Stromflusses erfolgt entgegen der Pfeilrichtung. Die n Bereiche weisen einen Gradienten auf, welcher derart gestaltet ist, dass die elektrischen und optischen Verluste im Zellstreifen erster Ordnung minimal ausfallen.Shown is the ZnO: Al surface before the deposition of the silicon semiconductor layers and the back contact. There are distinguished n strip-shaped areas, which have experienced a different treatment intensity. In the direction of the arrow, the treatment intensity increases so that a decrease in the conductivity is achieved with an increase in the transmission in the strip-shaped regions. The direction of the current flow is opposite to the direction of the arrow. The n regions have a gradient which is designed in such a way that the electrical and optical losses in the first-order cell stripe are minimal.
Praktisch realisiert wurde ein Modul auf einem 10 × 10 cm2 Glassubstrat, bei dem jeder zweite von insgesamt 16 Zellstreifen erster Ordnung in n = 5 streifenförmige Bereiche zweiter Ordnung unterteilt wurden.
Das Front-ZnO
Danach folgte das erfindungsgemäße Laser-Annealing jedes zweiten aufeinanderfolgenden Zellstreifens. Dabei wurde jeder behandelte Zellstreifen in fünf streifenförmige Bereiche zweiter Ordnung unterteilt um den erfindungsgemäßen Gradienten zu erzeugen. Eine schematische Darstellung eines gradierten Zellstreifens in Aufsicht vor der Siliziumdeposition zeigt
Die fünf Bereiche, bezeichnet mit 1–5 unterscheiden sich in der Intensität ihrer jeweiligen Laser-Behandlung und somit in ihrem elektrischen Widerstand und der Transmission. Von Bereich 1 ausgehend nimmt die Intensität der Laserbehandlung zu. Bereich 2 wird entsprechend sehr stark und Bereich 5 am meisten mit Laserstrahlung behandelt. Als Maß dient auch hier der absolute Energieeintrag in J je Fläche.The five areas, labeled 1-5, differ in the intensity of their respective laser treatment and thus in their electrical resistance and transmission. Starting from
Ziel ist die Ausbildung eines Gradienten der Eigenschaften Transmission und Widerstand des ZnO:Al. Tabelle 1 zeigt exemplarisch die verwendeten Laserparameter und deren Auswirkungen auf die gesputterten, geätzten ZnO:Al-Schichten.
Auf dem so gestalteten transparenten Frontkontakt
Zweites Ausführungsbeispiel (Fig. 8):Second embodiment (FIG. 8):
Ein 10 × 10 cm2 großes Glassubstrat (Corning, Eagle XG) wurde mittels Kathodenzerstäubung („Sputtern”) mit aluminiumdotiertem Zinkoxid (ZnO:Al) beschichtet, welches der Solarzelle als erfindungsgemäße Frontelektrode dient. Hierbei wird zunächst eine Maske mit 16 streifenförmigen Aussparungen
Sodann wird eine erste Schicht gesputtert. Es bildet sich je Aussparung ein streifenförmiger Bereich zweiter Ordnung aus ZnO:Al auf dem Substrat. Anschließend wird die Maske
Dimensionen: Die Streifen erster Ordnung haben z. B. eine Gesamtbreite von 5 mm. Dann haben die Bereiche zweiter Ordnung jeweils eine Breite von 1,66 mm. Die Länge der streifenförmigen Elemente betrage z. B. 8 cm.Dimensions: The first-order stripes have z. B. a total width of 5 mm. Then the second order areas each have a width of 1.66 mm. The length of the strip-shaped elements amount to z. B. 8 cm.
Mögliche Abscheidungsbedingungen für die Schichten 1–3 sind der Tabelle 2 entnehmen. Tabelle 2: Bereiche 1 bis 3 und die Auswirkungen auf den Schichtwiderstand und die Transmission bei 1000 nm Wellenlänge einer 800 nm dicken rf-gesputterten ZnO:Al-Schicht.
Grundsätzlich ist es für beide Ausführungsbeispiele denkbar, jede der beteiligten Schichten und auch mehrere gleichzeitig, z. B. auch den Rückkontakt, einen Zwischenreflektor, die dotierten Schichten (p bzw. n), Antireflexschichten etc. mit einem erfindungsgemäßen Gradienten zu versehen, welcher zu einer Verringerung der Verluste oder aber zur Materialeinsparung der gradierten Schicht oder auch einer anderen Schicht führt. Basically, it is conceivable for both embodiments, each of the layers involved and also several simultaneously, z. B. also the back contact, an intermediate reflector, the doped layers (p or n), antireflection layers, etc. to provide with a gradient according to the invention, which leads to a reduction in losses or to save material graded layer or other layer.
Dabei können für die Anordnung der verschiedenen Schichten selbstverständlich auch die Verfahren nach den Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden.Of course, the method according to the embodiments can be combined with each other for the arrangement of the different layers.
Die Abscheidung der Halbleiter-Schichten und/oder des zweiten Kontakts kann aber auch geschehen wie für
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |
Effective date: 20130606 |