DE102012024255A1 - Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung von photovoltaischen Elementen zu einem Solarmodul sowie Solarmodul - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung von photovoltaischen Elementen zu einem Solarmodul sowie ein Solarmodul, bei dem die Ströme im Arbeitspunkt der maximalen Leistungsabgabe (= Maximum-Power-Point = MPP-Punkt: Punkt des Strom-Spannungs-Diagramms einer Solarzelle, an dem die größte Leistung entnommen werden kann, d. h. der Punkt, an welchem das Produkt von Strom und Spannung sein Maximum hat) der jeweiligen Teilzellen/Zellstreifen/Segmente des Solarmoduls so eingestellt werden, dass alle Teilzellen/Zellstreifen bzw. Segmente den gleichen Strom generieren, der dem möglichen Gesamtstrom des Solarmoduls entsprechen soll. Das Solarmodul wird in aktive Segmente der Fläche Aa, in denen elektrische Energie erzeugt wird, und Segmente/Gräben der Fläche Ad, welche für die Energieproduktion verloren sind und die ausschließlich der Verschaltung dienen, strukturiert. Die Größe der Fläche Aa der jeweiligen Segmente wird während des ersten Strukturierungsschritts (P1) nicht äquidistant, d. h. mit gleicher konstanter Größe eingestellt, sondern so angepaßt, dass die Ströme aller strukturierten Segmente nahezu, mit einer Abweichung von ≤ 2%, gleich sind und der Strom eines jeweiligen Segments einen Strom generiert, der dem möglichen Gesamtstrom des Solarmoduls entspricht.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung von photovoltaischen Elementen zu einem Solarmodul sowie ein Solarmodul.
• Stand der Technik
• Dünnschichtsolarmodule werden auf Flächen von beispielweise ≥ 0,5 m², wie beispielsweise 6 m², hergestellt. Der auf solch einer Fläche in Summe erzeugte Strom würde beim Abführen durch die Kontaktschichten zu hohen Ohm'schen Verlusten führen. Zur Reduzierung dieser Ohm'schen Serienwiderstandsverluste sowie der Erhöhung der Ausgangsspannung der Solarmodule wird in der Dünnschichttechnologie eine Strukturierung der gesamten Modulfläche in einzelne photovoltaische Segmente, insbesondere Zellstreifen, sowie deren Verschaltung miteinander in Serie (Serienverschaltung), durchgeführt.
• Zur Erzeugung der Serienverschaltung wird ein erster elektrischer Kontakt eines photovoltaischen Segments mit einem zweiten elektrischen Kontakt des benachbarten photovoltaischen Segments leitfähig miteinander verbunden, wobei die Kontaktflächen, auch Elektroden genannt, auf den gegenüberliegenden Seiten der aktiven Halbleiterschichten angeordnet sind. Durch die Reihenschaltung wird erreicht, dass der Strom eines Solarmoduls gleich dem Strom eines einzelnen photovoltaischen Segments, insbesondere Zellstreifens ist, wohingegen die Spannung eines Moduls der Summe der Spannungen der Segmente, bzw. der Zellstreifen entspricht. Durch den kleineren Strom des in den Segmenten aufgeteilten Moduls verringern sich die Ohm'schen Verluste in den Kontaktschichten. Die Strukturierung in Segmente und deren Serienverschaltung miteinander ist in den Produktionsprozeß der Solarmodule integriert.
• Die Produktion eines Dünnschicht-Solarmoduls gliedert sich allgemein wie folgt:
• 1. Herstellung der ersten elektrischen Kontaktschicht auf dem Substrat
• 2. Auftrennung der ersten elektrischen Kontaktschicht in voneinander isolierte Segmente (Strukturierungsschritt P1)
• 3. Deposition des Strom generierenden Halbleiterschichtstapels
• 4. Auftrennung des Halbleiterschichtstapels zur Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht (Strukturierungsschritt P2)
• 5. Aufbringen der zweiten elektrischen Kontaktschicht
• 6. Auftrennen der zweiten elektrischen Kontaktschicht (Strukturierungsschritt P3)
• Nach dem bisher bekannten Stand der Technik wird die Fläche der Solarmodule bei den zuvor erläuterten Strukturierungsschritten in jeweils gleich große Segmente, vorzugsweise in sogenannte Teilzellen oder Zellstreifen strukturiert. Die Zellstreifen weisen beispielsweise eine Breite von 0,5 bis 1,0 cm auf. Unter der Voraussetzung, dass die Schichten eines Solarmoduls vollständig homogene Materialeigenschaften aufweisen, würde dies bedeuten, dass auch alle Teilzellen/Zellstreifen unter homogener Beleuchtung denselben Strom liefern.
• In der Praxis ist es jedoch so, dass die Schichten eines Solarmoduls nicht vollständig homogen hergestellt werden können. Dadurch bedingt ist der Strom in den einzelnen Segmenten/Teilzellen nicht gleich. Hierdurch entstehen Stromverluste im Modul, da aufgrund der Serienverschaltung der Segmente, das Segment/die Teilzelle mit dem geringsten Strom den Gesamtstrom des Solarmoduls bestimmt.
• Dies führt dazu, dass das Wirkungsgradpotential des Solarmoduls nicht optimal ausgenützt wird und man von teuren Anpassungen in komplexen Depositionssystemen abhängig ist, um ein möglichst homogenes Schichtwachstum zu erzielen. Da die Bauelemente aus sehr vielen Einzelschichten bestehen, ist eine homogene Herstellung aller Schichten in der Regel nicht möglich.
• Aufgabe und Lösung
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bildung und Serienverschaltung photovoltaischer Elemente zu Solarmodulen sowie ein Solarmodul anzugeben, bei dem die Ströme im Arbeitspunkt der maximalen Leistungsabgabe (= Maximum-Power-Point = MPP-Punkt: Punkt des Strom-Spannungs-Diagramms einer Solarzelle, an dem die größte Leistung entnommen werden kann, d. h. der Punkt, an welchem das Produkt von Strom und Spannung sein Maximum hat) der jeweiligen Teilzellen/Zellstreifen/Segmente des Solarmoduls so eingestellt werden, dass alle Teilzellen/Zellstreifen bzw. Segmente den gleichen Strom generieren, der dem möglichen Gesamtstrom des Solarmoduls entsprechen soll.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie durch ein alternatives Verfahren gemäß nebengeordnetem Anspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Solarmodul gemäß nebengeordnetem Anspruch.
• Die Herstellung eines Dünnschicht-Solarmoduls kann nach den aus dem Stand der Technik bekannten üblichen Verfahren erfolgen, deren wesentliche Verfahrensschritte hier noch einmal kurz dargestellt werden:
  Auf einem Substrat wird eine erste elektrische Kontaktschicht ganzflächig angeordnet. Als Substrat können z. B. die in der (Dünnschicht-)Solarzellentechnologie gebräuchlichen Substrate oder Superstrate eingesetzt werden. Hierzu zählen Metallfolien aus Stahl oder Aluminium (Substrat), Plastikfolien aus PEN, oder die in der Superstrattechnologie vorgesehenen Glassubstrate mit oder ohne nicht-leitfähige Zwischenschichten auf der Oberfläche.
• Als erste elektrische Kontaktschicht können insbesondere Materialien wie z. B. die in der Substrattechnologie verwendeten Silber/ZnO-Schichten und die in der Superstrattechnologie verwendeten ZnO-, SnO₂- oder ITO-Schichten eingesetzt werden.
• In einem zweiten Verfahrensschritt wird diese erste elektrische Kontaktschicht, ausgehend von der Oberfläche bis hinunter in das Substrat, durch einen ersten Strukturierungsschritt (P1) in eine Mehrzahl voneinander isolierte Elemente, im folgenden auch als Segmente bezeichnet, aufgetrennt bzw. strukturiert. Nach dem ersten Strukturierungsschritt (P1) werden ganzflächig aktive Halbleiterschichten auf der Oberfläche des strukturierten ersten Kontakts aufgebracht und so die darin befindlichen Gräben aufgefüllt. Die Halbleiterschichten werden durch einen zweiten Strukturierungsschritt (P2), ausgehend von deren Oberfläche bis zur Oberfläche des ersten elektrischen Kontakts, in eine Mehrzahl von Segmenten aufgetrennt bzw. strukturiert.
• Hiernach wird auf dem derart strukturierten ersten elektrischen Kontakt und den parallel hierzu verlaufenden Halbleiter-Streifen ein zweiter elektrischer Kontakt auf der Oberfläche der segmentförmig strukturierten photovoltaischen Elemente angeordnet und wiederum in Segmente strukturiert. Durch diesen dritten Strukturierungsschritt (P3) wird der zweite elektrische Kontakt, ausgehend von dessen Oberfläche bis zur Oberfläche der Halbleiterschichten, in eine Mehrzahl von Segmenten aufgetrennt bzw. strukturiert. Als Resultat ist, ausgehend von der Oberfläche des zweiten elektrischen Kontakts eines photovoltaischen Elementes, eine (elektrische) Verbindung durch das Auffüllen der Gräben in den darunter angeordneten Halbleiterschichten und ein Kontakt zum ersten elektrischen Kontakt des benachbarten photovoltaischen Elementes und die Serienverschaltung hergestellt.
• Zur Abscheidung der Schichten können beispielsweise PECVD-Verfahren, Sputterverfahren oder Photo-CVD- oder HWCVD- oder vergleichbare andere nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren genutzt werden.
• Zur Unterteilung bzw. Strukturierung der einzelnen funktionalen Schichten können unterschiedliche Techniken angewandt werden. So können unter anderem Lift-off-Verfahren, mechanisches Kratzen und Laserablation eingesetzt werden.
• Das fertige Modul ist nun strukturiert in aktive Segmente der Fläche A_a, in denen elektrische Energie erzeugt wird, und Segmente/Gräben der Fläche A_d, welche für die Energieproduktion verloren sind und die ausschließlich der Verschaltung dienen. Nach dem bisher bekannten Stand der Technik erfolgte die Strukturierung der Fläche A_a des Solarmoduls in jeweils gleich große (= äquidistante) streifenförmige Segmente, die sogenannten Zellstreifen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Begriffe Segmente, Zellstreifen oder Teilzellen jeweils als synonyme Bezeichnungen verwendet.
• In überraschender Weise hat sich nun herausgestellt, dass durch eine jeweilige Anpassung der Größe der Fläche der einzelnen Segmente an die dort jeweils lokal vorherrschende Stromdichte eine Erhöhung des Gesamtstroms des Solarmoduls erreicht werden kann.
• Erfindungsgemäß wird nun die Größe der Fläche A_a der jeweiligen Segmente während des ersten Strukturierungsschritts (P1) nicht mehr äquidistant, mit gleicher konstanter Größe eingestellt, sondern so angepaßt, dass die Ströme aller strukturierten Segmente nahezu, mit einer Abweichung von ≤ 2%, gleich sind und der Strom eines jeweiligen Segments einen Strom generiert, der dem möglichen Gesamtstrom des Solarmoduls entspricht.
• Zur Lösung dieser Aufgabe können zwei alternative, erfindungsgemäße Verfahren angegeben werden, die jedoch beide die Wirkung haben bzw. die Aufgabe lösen, dass die Ströme aller strukturierten Segmente durch Variation der Fläche A_a der jeweiligen einzelnen Segmente so eingestellt wird, dass der Strom eines jeweiligen Segments einen Strom generiert, der dem möglichen Gesamtstrom des Solarmoduls entspricht.
• Zur Anpassung der Größe der Fläche A_a der Segmente, mit dem Ziel die Ausgangsleistung des hergestellten Solarmoduls zu erhöhen, ist es notwendig, zunächst die lokalen Eigenschaften der Halbleiterschichten des jeweils herzustellenden Moduls hinsichtlich seiner Stromdichte/Spannungs-Verteilung unter energieliefernden Bedingungen zu ermitteln.
• Zur Ermittlung dieser lokalen Eigenschaften der Halbleiterschichten des Solarmoduls hinsichtlich seiner MPP-Stromdichtverteilung (J_MPP,lokal) kann beispielhaft das folgende Verfahren eingesetzt werden:
• Einzelzellverfahren:
• Herstellung von Einzelzellen und äquidistante Verteilung dieser Einzelzellen auf der Modulfläche zur Ermittlung der lokalen MPP-Stromdichteverteilung (J_MPP,lokal). Diese Einzelzellen werden dabei unter den Herstellungsbedingungen hergestellt, unter denen auch das spätere Modul hergestellt wird. Die Einzelzellen haben hierbei beispielsweise eine Größe ≤ 1 cm × 1 cm, vorzugsweise ≤ 0,5 cm × 0,5 cm. Die Flächenfüllrate, d. h. die Anzahl der Einzelzellen pro Modulfläche sollte ca. ≥ 10% betragen. Mit Hilfe der äquidistant, d. h. gleichmäßig über die Modulfläche verteilten Einzelzellen kann die lokale MPP-Stromdichte (MPP = Maximum Power Point ist der Punkt des Strom-Spannungs-Diagramms einer Solarzelle, an dem die größte Leistung entnommen werden kann, d. h. der Punkt, an welchem das Produkt von Strom und Spannung sein Maximum hat) im Schichtstapel mit nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Meßgeräten gemessen bzw. ermittelt werden. Das hier eingesetzte Verfahren der Einzelzellmessung ist ein nach dem Stand der Technik bekanntes Verfahren (Hüpkes [2]).
• Die Kenntnis der lokalen MPP-Stromdichte (J_MPP,lokal) des jeweiligen Moduls ist die Basis für die Bestimmung der Größe der Fläche A_a der voneinander isolierten Segmente, die erfindungsgemäß im ersten Strukturierungsschritt (P1) festgelegt wird.
• Aus der Summe der ermittelten lokal vorherrschenden MPP-Stromdichten (J_MPP,lokal) kann der MPP-Gesamtstrom (I_MPP) der gesamten Solarmodulfläche durch Intergration errechnet werden.
• Für den Fall, dass eine Strukturierung gemäß Strukturierungsschritt P1 in streifenförmige Segmente durchgeführt wird, wird dieser MPP-Gesamtstrom (I_MPP) der Solarmodulfläche geteilt durch die optimale Anzahl der Segmente n_opt, so dass I_MPP/n_opt für jede hergestellte Schichtstruktur charakteristisch ist und als Zielwert für die MPP-Stromdichte (J_MPP,Ziel) dient, die jedes einzelne Segment, dessen Fläche im ersten Strukturierungsschritt (P1) jeweils bestimmt wird, generieren soll.
• Da die lokale MPP-Stromdichteverteilung zuvor ermittelt wurde, kann die Gesamtfläche des Moduls so strukturiert werden, dass lokal die Größe der Fläche A_a jedes einzelnen Segments so eingestellt wird, dass jedes Segment einen Strom generiert, der dem Zielwert I_MPP/n_opt entspricht.
• Die Segmente können dabei jegliche geometrische Flächenformen annehmen. Beispielhaft aber nicht beschränkend können kreisförmige, ellipsoide oder andere polygonale Formen, wie beispielsweise Dreiecke, Vierecke oder Sechs-/Achtecke genannt werden.
• Variante A: Unterteilung in streifenförmige Segmente
• In einer für die praktische und technische Umsetzung vorteilhaften Ausführung kann das Solarmodul in streifenförmige, rechteckige Segmente, die sogenannten Zellstreifen, strukturiert werden. Bei dieser streifenförmigen Strukturierung haben die Segmente dann jeweils eine rechteckige Flächenform, wobei die Länge L der Längsseite jedes Segments eines Moduls gleich lang ist und konstant bleibt und nur die Länge der Querseite B, auch als Breite w_{a , opt,lokal} des Segments bezeichnet, variiert wird, um die gewünschte Fläche A_a des streifenförmigen Segments zu erreichen.
• Mit Hilfe der zuvor, beispielsweise über Einzelzellverfahren, ermittelten Stromdichte-/Spannungs-Verteilung kann eine über die Modulfläche gemittelte Maximum-Power-Point-Stromdichte J_MPP,mittel sowie eine gemittelte Maximum-Power-Point-Spannung U_MPP,mittel berechnet werden. Anschließend kann mit Hilfe dieser gemittelten J_MPP,mittel – sowie U_MPP,mittel-Werte im Fall einer streifenförmigen Segmentierung der Solarzelle eine (gemittelte) optimale Zellstreifenbreite w_a,opt,mittel und daraus eine optimale Anzahl von Zellstreifen n_opt mit Hilfe folgender Formel (I), welche die Verluste in einem Zellstreifen darstellen, berechnet werden.
• 
• Formel (I) wurde von Gupta et al [1] entwickelt. Hierbei stellt f_gesamt einen dimensionslosen Verlustfaktor dar. Der erste Summand beschreibt die durch die Verschaltungsgräben entstehenden Flächenverluste. Die Gesamtbreite der Verschaltungsgräben, die s. g. Totzone, wird mit w_d bezeichnet, die Breite des aktiven Segments eines Zellstreifens mit w_a. Der Parameter w_d wird durch die genutzten Strukturierungsverfahren festgelegt und liegt beispielsweise im Segment zwischen 150 bis 800 μm.
• Der zweite Summand, der aufgrund der in der Regel negativ gezählten Maximum-Power-Point-Stromdichte J_MPP,mittel abgezogen wird, beschreibt die Ohm'schen Verluste in den Kontaktschichten. Die Summe der mittleren Schichtwiderstände der verwendeten Kontaktschichten wird mit R_sq,TCO bezeichnet. R_sq,TCO kann mit nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren gemessen werden (Hüpkes [3]). Aus Gleichung (I) lässt sich ein w_a,opt,mittel bestimmen, bei dem die Gesamtverluste f_gesamt minimal sind. Dazu werden für w_a Werte im Segment > 0 bis < 20 cm eingesetzt und der minimalste Wert für f_gesamt ermittelt. Dieser Wert ist für jede Schichtstruktur charakteristisch. Der w_a Wert, bei dem f_gesamt minimal ist, wird als der optimale w_aopt,mittel bezeichnet.
• Aus der optimalen Zellstreifenbreite w_aopt,mittel läßt sich gemäß Gleichung (II) die optimale Anzahl n_opt der Zellstreifen ermitteln:

  

  mit

n_opt:

optimale Anzahl der Zellstreifen

w_a,opt,mittel

= optimale Zellstreifenbreite ermittelt gemäß Formel (I)

w_gesamt

= gesamte Breite des Solarmoduls

• Die Berechnungen gemäß Gupta et al [1] gehen von einer idealen Homogenität der Schichten aus. Dies ist in der Praxis der Herstellung von Solarmodulen jedoch technisch nur schwer zu erreichen, so dass in der Praxis bei einer äquidistanten Strukturierung die Teilzelle/der Zellstreifen mit dem geringsten Strom den Gesamtstrom des Solarmoduls bestimmt.
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher bei einer Strukturierung in streifenförmige Segmente die Zellstreifenbreite w_a so verändert, dass jeder Zellstreifen nahezu, mit einer Abweichung von ungefähr ≤ 2%, gleichviel Strom generiert und damit die Gesamtmenge des Stroms des Solarmoduls erhöht werden kann.
• Ausgehend von der nach der Methode von Gupta et al [1] bestimmten optimalen Anzahl an Zellstreifen n_opt lässt sich berechnen, wie viel Strom jeder Zellstreifen im Mittel generieren muss. Dazu wird der MPP-Gesamtstrom (I_MPP), den das gesamte Solarmodul liefern kann, ermittelt, indem die zuvor ermittelten lokalen MPP-Stromdichten (J_MPP,lokal) über die gesamte Solarmodulfläche intergriert werden. Die erfindungsgemäß optimierte Zellstreifenbreite w_a,opt,lokal lokal wird nun so gewählt und eingestellt, dass jeder Zellstreifen, bzw. jedes Segment jeweils einen Strom generiert, der dem Zielwert I_MPP/n_opt des gesamten Solarmoduls entspricht, bzw. ihm gleich ist. Dadurch werden auch die jeweils innerhalb der Zellstreifen lokal unterschiedlich vorherrschenden Strommengen berücksichtigt. Sobald der Zellstreifen eine Breite aufweist, mit dem dieser Zellstreifen den zuvor bestimmten Zielwert I_MPP/n_opt erreicht, ist die erfindungsgemäß optimale Zellstreifenbreite w_a,opt,lokal für den jeweiligen Zellstreifen erreicht.
• Zur erfindungsgemäßen Bestimmung der lokal optimalen Zellstreifenbreite w_{a , opt ,lokal} nach diesem Verfahrensmodell für streifenförmige Segmente kann folgende Gleichung (III) angewandt werden:

  

  wobei gilt:

w_a,opt,lokal

= gesuchte lokal optimale Breite des jeweiligen streifenförmigen Segments

L

= Länge des Solarmoduls

J_MPP,lokal

= jeweils lokal vorherrschende MPP-Stromdichte ermittelt durch Einzelzellverfahren

I_MPP/nopt

= MPP-Gesamtstrom (I_MPP) der gesamten Solarmodulfläche, geteilt durch die Anzahl der Segmente n_opt, wobei n_opt ermittelt wird gemäß Gleichung (I) und (II)

• Im Unterschied zum Stand der Technik werden nun nicht mehr Zellstreifen mit gleicher Zellstreifenbreite und jeweils unterschiedlich generiertem Strom erzeugt, sondern Zellstreifen mit jeweils unterschiedlichen Zellstreifenbreiten, die den gleichen Strom generieren.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls ein Solarmodul mit photovoltaischen Segmenten, umfassend eine Schichtenfolge aus Substrat, erster elektrischer Kontaktschicht, aktiven Halbleiterschichten und hierauf angeordneter zweiter elektrischen Kontaktschicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gesamtfläche des Solarmoduls in voneinander isolierte streifenförmige Segmente strukturiert ist, wobei die Fläche/Breite der jeweiligen streifenförmigen Segmente bestimmt ist durch das zuvor beschriebene Verfahren gemäß Variante A, wobei die einzelnen Segmente jeweils einen Strom generieren, der dem Zielwert I_MPP/nopt des gesamten Solarmoduls entspricht.
• Variante B: Unterteilung in Segmente mit unterschiedlicher, beliebiger Geometrie
• In einer alternativen vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird gemäß Strukturierungsschritt P1 keine streifenförmige Segmentierung der Solarzelle durchgeführt, sondern die Geometrie der einzelnen Segmente, bzw. die Fläche A_a wird durch folgendes gekoppeltes Differentialgleichungssystem (IV) so angepaßt, dass die maximale Leistung des Solarmoduls erreicht wird. Hier wird die Fläche A_a der Segmente nicht über die Variation der Zellstreifenbreite w_{a , opt,lokal} eingestellt, sondern die Fläche insgesamt in ihrer Größe variiert, so dass Segmente unterschiedlicher Geometrie entstehen können.
• Neben der lokalen Stromdichte-/Spannungs-Verteilung und Bestimmung der Strom-/Spannungsabhängigkeit J_Si der Halbleiterschicht, welche beispielsweise durch die zuvor beschriebene Methode der äquidistant verteilten Einzelzellen ermittelt werden können (Hüpkes [2]), wird hier zusätzlich die lokale Verteilung der Schichtwiderstände (R₁, R₂) der Kontaktschichten bestimmt, beispielsweise durch nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren (Hüpkes [3]). Dies kann beispielsweise an Referenzschichten erfolgen. Gekoppeltes Differentialgleichungssystem (IV):

  
• Kein Netto-Stromfluss aus den Rändern des betrachteten Gebietes, außer am Modulanfang auf Kontakt 1 und am Modulende auf Kontakt 2
• Hierbei beschreiben φ_1.Kontakt und φ_2.Kontakt die Potentialverteilungen auf den jeweiligen Kontaktschichten und R_1.Kontakt und R_2.Kontakt die Schichtwiderstände der jeweiligen Kontaktschichten. Die Strom-/Spannungsabhängigkeit der Halbleiterschicht wird mit J_Si bezeichnet, J_1.Kontakt und J_2.Kontakt bezeichnen die Stromdichten auf den jeweiligen Kontaktschichten. J_Si kann mit Hilfe des bereits beschriebenen Einzelzellverfahrens bestimmt werden.
• Gleichungssystem (IV) kann mit Hilfe geeigneter nach dem Stand der Technik bekannter Verfahren zur Lösung von Differentialgleichungssystemen sowie genetischer Optimierungs-Algorithmen genutzt werden, um die Geometrie/Fläche A_a der zu strukturierenden Segmente eines Solarmoduls so zu bestimmen, daß jedes Segment jeweils einen Strom generiert, der dem möglichen Gesamtstrom des Solarmoduls entspricht.
• U_Modul bezeichnet die Spannung des Solarmoduls. Hierbei werden sowohl die inhomogene Strom-/Spannungsabhängigkeit der Halbleiterschicht als auch die inhomogene Verteilung der Schichtwiderstände der Kontaktschichten berücksichtigt. Der Verschaltungsbereich zwischen zwei Zellstreifen wird in der Differentialgleichung berücksichtigt, indem im Bereich der Auftrennung der Kontaktschichten deren Widerstand lokal auf Werte größer 1 MegaOhm·cm gesetzt wird und im Bereich der Kontaktierung der Kontaktschichten benachbarter Zellstreifen die Stromspannungsabhängigkeit des Silizium durch einen Widerstand mit einem Widerstandswert kleiner 1 Mikro-Ohm·cm gesetzt wird.
• Die Erfindung betrifft weiterhin ein Solarmodul mit photovoltaischen Segmenten, umfassend eine Schichtenfolge aus Substrat, erster elektrischer Kontaktschicht, aktiven Halbleiterschichten und hierauf angeordneter zweiter elektrischen Kontaktschicht, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gesamtfläche des Solarmoduls in voneinander isolierte Segmente strukturiert ist, wobei die Fläche A_a der einzelnen Segmente bestimmt ist durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Variation B. Das Solarmodul kann hierbei in Segmente mit kreisförmiger, ellipsoider oder beliebiger anderer polygonaler Geometrie (beispielsweise 3-eckig, 4-eckig, 5-ckig, 6-eckig, 7-eckig, 8-eckig, 12-eckig) strukturiert sein.
• Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und den beigefügten Figuren näher erläutert, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der Erfindung vorgesehen ist.
• Es zeigen:
• 1: MPP-Stromdichteverteilung als Höhenliniengraphik einer 100 × 100 mm² großen Solarzelle
• 2: Solarmodul beispielhaft strukturiert in Segmente in Form von Zellstreifen
• 1 zeigt eine MPP-Stromdichteverteilung in Form einer Höhenliniendarstellung einer 100 × 100 mm² großen Solarzelle. Die X- und die Y-Achse geben die jeweilige Position in mm auf der Fläche der Solarzelle an. Die senkrechten Linien markieren eine Strukturierung der Fläche in Zellstreifen, wenn eine äquidistante Strukturierung gewählt würde. Die gewellten Linien und kreisförmigen Anordnungen geben die an der jeweiligen Position der Solarzelle lokal vorherrschende MPP-Stromdichte J_mpp,lokal in mA/cm² an. Die Ermittlung der lokalen Stromdichteverteilung erfolgte mit Hilfe von Einzelzellen und beispielsweise Einsatz eines Sonnensimulators. Aus 1 wird beispielhaft die inhomogen Stromdichteverteilung eines Solarmoduls deutlich. Bei einer äquidistanten Strukturierung des Moduls wäre der MPP-Strom auf 212 mA limitiert. Durch eine optimierte Strukturierung kann der MPP-Strom auf 222,7 mA erhöht werden. Das im folgenden näher beschriebene Ausführungsbeispiel 3 und Tabelle 2 geben die Ergebnisse im Einzelnen wieder.
• 2 zeigt schematisch ein Solarmodul 1 in Aufsicht, welches durch die Strukturierung in einzelne Segmente in Form von Zellstreifen 2 strukturiert ist. Die Länge L der Zellstreifen 2 ist jeweils identisch und beleibt konstant. Nur die Breite B der jeweiligen Zellstreifen 2 ist variabel und wird erfindungsgemäß angepasst. W_gesamt gibt die gesamte Breite des Solarmoduls an.
• 1. Ausführungsbeispiel:
• Eine Dünnschichtsolarzelle inklusive Kontaktschichten besitzt aufgrund von Inhomogenitäten eine solche MPP-Stromdichteverteilung, so dass die linke Hälfte (5 cm Breite) der Modulfläche (Gesamtfläche 10 cm × 1 cm) jeweils 8 mA/cm² liefert und die rechte Hälfte (5 cm Breite) jeweils 12 mA/cm² liefert. Hier wurde die MPP-Stromdichteverteilung mit Hilfe des Einzelzellverfahrens ermittelt. Es wird eine Modulverschaltung von 10 Zellstreifen (n_opt = 10) bei einer Zellstreifenhöhe von 1 cm implementiert. Eine äquidistante Verteilung mit konstanter Zellstreifenbreite von 10 mm würde aufgrund der Stromlimitierung in der Serienverschaltung zu einem Gesamtmodulstrom von 8 mA führen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die 10 Zellstreifen vorteilhafter aufgrund der zuvor ermittelten lokalen Stromdichteverteilungsinformationen so über die Gesamtbreite des Solarmoduls verteilt, dass die generierten Ströme der jeweiligen Zellstreifen gleich sind. Dazu wird zunächst der I_MPP-Gesamtstrom der Modulfläche aus den ermittelten lokalen MPP-Stromdichten J_MPP,lokal der Zellstreifen der linken Hälfte und der rechten Hälfte ermittelt. Der I_MPP-Gesamtstrom liegt bei 100 mA. Im vorliegenden Beispiel ergibt sich daher bei einer optimalen Zellstreifenanzahl n_opt von 10 für die Zellstreifen 1 bis 5 eine Breite von 12,5 mm, um einen Strom von 10 mA zu generieren und für die Zellstreifen 6 bis 10 ergibt sich eine Breite von 8,3 mm Breite, um einen Strom von 10 mA zu generieren. Hierdurch liefern sowohl alle Zellstreifen als auch das Gesamtmodul Strom von 10 mA.
• Beispielrechnung:
• Gesamtfläche des Moduls: 10 cm × 1 cm
• Zellstreifenbreite 1 bis 10 bei äquidistanter Strukturierung: 10 mm
• MPP-Stromdichte Zellstreifen 1–5 (J_MPP(1–5)): 8 mA/cm²
• MPP-Stromdichte Zellstreifen 6–10 (J_MPP(6-10)): 12 mA/cm²
• I_MPP-Gesamtstrom: 100 mA
• n_opt = 10
• Zielwert I_MPP/n_opt für die Segmente = 100 mA/10 = 10 mA
Optimierte Zellstreifenbreite w_a,opt der Zellstreifen 1 bis 5:

mit x = Zellhöhe/Schichtdicke des Solarmoduls

= 12,5 mm Optimierte Zellstreifenbreite w_a,opt der Zellstreifen 6 bis 10:

= 8,33 mm
• 2. Ausführungsbeispiel:
• Eine Dünnschichtsolarzelle mit einer Gesamtbreite von 11,32 cm (Gesamtlänge 1 cm) und einer Höhe von 1 cm besitzt eine Verteilung des Stroms/der Stromdichte derart, dass sich eine Gaußsche Verteilung ergibt. Die Gaußsche Verteilung ist beispielhaft durch J(x) = 10 mA/cm²·exp(–(x/5 cm)²) charakterisiert, wobei sich das Maximum in der Mitte der Solarzellen einstellt. Hierbei ist x die Koordinate in Richtung der Zellbreite. J(x) gibt die MPP-Stromdichte an. Die Stromdichteverteilung wurde hier experimentell über das zuvor schon beschriebene Einzelzellverfahren bestimmt.
• Bei einer Implementierung von beispielsweise 8 gleich großen Zellstreifen (n_opt = 8); bestimmt nach der Methode von Gupta et al [1]) mit einer Breite von je 1,415 cm, würde sich eine Stromlimitierung durch die äußeren Zellstreifen ergeben. Der Modulstrom wäre in diesem Fall auf 5,3 mA limitiert. Bei einer erfindungsgemäßen Anpassung der Zellstreifenbreiten auf 8 Zellstreifen (2,23 cm; 1,34 cm; 1,09 cm; 1 cm; 1 cm; 1,09 cm; 1,34 cm; 2,23 cm) ergibt sich hingegen ein Modulstrom von 9,9 mA. Tabelle 1: MPP-Ströme einzelner Zellstreifen bei äquidistanter Strukturierung in Zellstreifen gleicher Breite und nach erfindungsgemäßer Strukturierung in Zellstreifen unterschiedlicher Breite

  Zellstreifen	Strom (mA) bei äquidistanter Strukturierung in Zellstreifen mit Breite von je 14,15 mm	Erfindungsgemäß angepasste Zellstreifenbreite (mm)	Strom (mA) nach erfindungsgemäß angepasster Zellstreifenbreite
  1	5,3	22,3	9,9
  2	8,6	13,4	9,9
  3	11,8	10,9	9,9
  4	13,8	10	9,9
  5	13,8	10	9,9
  6	11,8	10,9	9,9
  7	8,6	13,4	9,9
  8	5,3	22,3	9,9

• 3. Ausführungsbeispiel:
• Für ein 100 × 100 mm² großes Solarmodul wurde die lokale Stromdichteverteilung (siehe auch 1) mit Hilfe des schon zuvor beschriebenen Einzelzellverfahrens ermittelt und gemäß erfindungsgemäßem Verfahren die Zellstreifenbreite optimiert. Die folgende Tabelle 2 gibt für die jeweils 10 Zellstreifen (n_opt = 10, ermittelt nach der Methode von Gupta) des Solarmoduls den abgeschätzten Strom (mA) bei äquidistanter Strukturierung der Zellstreifen in Streifen mit einer Breite von 10 mm an, die erfindungsgemäß optimierte Zellstreifenbreite w_a,opt,lokal sowie den dadurch in den jeweiligen Zellstreifen abgeschätzten Strom nach angepaßter Zellstreifenbreite. Tabelle 2: MPP-Ströme einzelner Zellstreifen bei äquidistanter Strukturierung in Zellstreifen gleicher Breite und nach erfindungsgemäßer Strukturierung in Zellstreifen unterschiedlicher Breite

  Zellstreifen	Strom (mA) bei äquidistanter Strukturierung in Zellstreifen mit Breite von je 10 mm	Erfindungsgemäß angepasste Zellstreifenbreite (mm)	Strom (mA) nach erfindungsgemäß angepasster Zellstreifenbreite
  1	212,0	10,5	222,7
  2	216,3	10,3	222,7
  3	222,1	10,0	222,7
  4	224,9	9,9	222,7
  5	227,9	9,8	222,7
  6	228,0	9,7	222,7
  7	224,9	9,9	222,7
  8	226,4	9,9	222,7
  9	224,5	9,9	222,7
  10	220,0	10,1	222,7

• Bei äquidistanter Strukturierung in 10 Zellstreifen mit einer Breite von je 10 mm ergibt sich aus den jeweils einzeln bestimmten MPP-Strömen der jeweiligen Zellstreifen ein MPP-Strommittelwert von 222,7 mA. Um eine optimierte Zellbreite abzuschätzen, wird der für den jeweiligen Zellstreifen bei äquidistanter Strukturierung ermittelte Strom normiert auf diesen Strommittelwert und daraus die optimierte Zellbreite bestimmt.
• Während bei der äquidistanten Strukturierung der MPP-Strom des Solarmoduls auf 212 mA limitiert war (Zellstreifen 1), ist durch die optimierte Strukturierung der MPP-Strom nun um 5% auf 222,7 mA erhöht.
• Literatur:
• [1] Gupta, Y.; Liers, H.; Woods, S.; Young, S.; DeBlasio, R.; Mrig, L.: Optimization of a-Si Solar Cell Current Collection. In: Proceedings of the 16th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, 1982, S. 1092–1101
• [2] Hüpkes, J.: Untersuchung des reaktiven Sputterprozesses zur Herstellung von aluminium-dotierten Zinkoxid-Schichten für Silizium-Dünnschichtsolarzellen". Schriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe Energietechnik, Band/Volume 52, D82, Diss., RWTH Aachen, 2005, ISSN 1433-5522, ISBN 3-89336-435-8, Seite 61, Kapitel 3.2.7.1
• [3] Hüpkes, J.: Untersuchung des reaktiven Sputterprozesses zur Herstellung von aluminium-dotierten Zinkoxid-Schichten für Silizium-Dünnschichtsolarzellen". Schriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe Energietechnik, Band/Volume 52, D82, Diss., RWTH Aachen, 2005, ISSN 1433-5522, ISBN 3-89336-435-8, Seite 52, Kapitel 3.2.2.2

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung photovoltaischer Elemente zu einem Solarmodul mit den Schritten: – Herstellung einer ersten elektrischen Kontaktschicht auf einem Substrat – Auftrennung der ersten elektrischen Kontaktschicht in voneinander isolierte, Segmente (Strukturierungsschritt P1) – Deposition eines Strom generierenden Halbleiterschichtstapels – Auftrennung des Halbleiterschichtstapels zur Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht (Strukturierungsschritt P2) – Aufbringen einer zweiten elektrischen Kontaktschicht – Auftrennen der zweiten elektrischen Kontaktschicht (Strukturierungsschritt P3) dadurch gekennzeichnet, a) dass im Strukturierungsschritt P1 eine Strukturierung in streifenförmige Segmente durchgeführt wird b) dass die lokal vorherrschenden MPP-Stromdichten (J_MPP,lokal) des Solarmoduls bestimmt werden, c) aus der Summe dieser ermittelten lokal vorherrschenden MPP-Stromdichten (J_MPP,lokal) der MPP-Gesamtstrom (I_MPP) der gesamten Solarmodulfläche durch Intergration errechnet wird, d) dieser MPP-Gesamtstrom (I_MPP) der Solarmodulfläche, geteilt durch die Anzahl n_opt der streifenförmigen Segmente (I_MPP/n_opt) als Zielwert für die MPP-Stromdichte (J_MPP,Ziel) bestimmt wird, die jedes einzelne Segment, dessen Fläche durch den ersten Strukturierungsschritt (P1) jeweils bestimmt wird, generieren soll e) und damit die Gesamtfläche des Solarmoduls durch den ersten Strukturierungsschritt (P1) so strukturiert wird, dass lokal die Breite jedes einzelnen streifenförmigen Segments w_a,opt,lokal so eingestellt wird, dass jedes Segment jeweils einen Strom generiert, der dem Zielwert I_MPP/n_opt des gesamten Solarmoduls entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der streifenförmigen Strukturierung des Solarmoduls für die Bestimmung der Anzahl der Zellstreifen n_opt zunächst w_a,opt,mittel durch folgende Gleichung (I) bestimmt wird

   

   mit f_gesamt = dimensionsloser Verlustfaktor w_a = Breite des aktiven Segments eines Zellstreifens w_d = Gesamtbreite der Verschaltungsgräben, festgelegt durch das jeweils verwendete Strukturierungsverfahren J_MPP,mittel = gemittelte Maximum-Power-Point-Stromdichte ^UMPP,mittel = gemittelte Maximum-Power-Point Spannung R_SQ,TCO = Summe der Schichtwiderstände des Frontkontaktes und des Rückkontaktes bei dem für w_a Werte von > 0 bis < 20 cm in Gleichung (I) eingesetzt werden und w_a,opt,mittel dann erreicht ist, wenn für f_gesamt der jeweils minimalste Wert erreicht ist, und dieses w_a,opt,mittel in folgende Gleichung (II) eingesetzt wird

   

   mit n_opt = optimale Anzahl der Zellstreifen w_gesamt = gesamte Breite des jeweiligen Solarmoduls w_a,opt,mittel = mittlere optimale Zellstreifenbreite ermittelt gemäß Gleichung (I) und n_opt aus Gleichung (II) bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lokal optimale Breite w_a,opt,lokal eines jeweiligen streifenförmigen Segments durch folgende Gleichung (III) bestimmt wird:

   

   wobei gilt: w_a,opt,lokal = gesuchte lokal optimale Breite des jeweiligen streifenförmigen Segments L = Länge des Solarmoduls J_MPP,lokal = jeweils lokal vorherrschende MPP-Stromdichte ermittelt durch Einzelzellverfahren J_MPP/nopt = MPP-Gesamtstrom (I_MPP) der gesamten Solarmodulfläche, geteilt durch die Anzahl der Segmente n_opt, wobei n_opt ermittelt wird gemäß Anspruch 2.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Stromdichteverteilung (J_{MPP ,lokal}) durch Einzellzellen bestimmt wird, die unter den Herstellungsbedingungen hergestellt werden, unter denen auch das spätere Modul hergestellt wird und die auf der Modulfläche verteilt werden.
5. Solarmodul mit photovoltaischen Segmenten, umfassend eine Schichtenfolge aus Substrat, erster elektrischer Kontaktschicht, aktiven Halbleiterschichten und hierauf angeordneter zweiter elektrischer Kontaktschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche des Solarmoduls in voneinander isolierte streifenförmige Segmente strukturiert ist, wobei die Fläche/Breite der jeweiligen streifenförmigen Segmente bestimmt ist durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 und wobei die einzelnen Segmente jeweils einen Strom generieren, der dem Zielwert I_MPP/nopt des gesamten Solarmoduls entspricht.
6. Verfahren zur Herstellung und Serienverschalung photovoltaischer Elemente zu einem Solarmodul mit den Schritten: – Herstellung einer ersten elektrischen Kontaktschicht auf einem Substrat – Auftrennung der ersten elektrischen Kontaktschicht in voneinander isolierte, Segmente (Strukturierungsschritt P1) – Deposition eines Strom generierenden Halbleiterschichtstapels – Auftrennung des Halbleiterschichtstapels zur Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht (Strukturierungsschritt P2) – Aufbringen einer zweiten elektrischen Kontaktschicht – Auftrennen der zweiten elektrischen Kontaktschicht (Strukturierungsschritt P3) dadurch gekennzeichnet, a) dass die Strom/Spannungsabhängigkeit der Halbleiterschicht J_Si mit Hilfe von Einzellzellen bestimmt wird, die unter den Herstellungsbedingungen hergestellt werden, unter denen auch das spätere Modul hergestellt wird und die auf der Modulfläche verteilt werden, b) die lokale Verteilung der Schichtwiderstände R₁ und R₂ der Kontaktschichten bestimmt wird c) die Flächengröße A_a und die sich daraus ergebende Geometrie der einzelnen voneinander isolierten Segmente, die im Strukturierungsschritt P1 erzeugt wird, mit Hilfe des folgenden gekoppelten Differentialgleichungssystems (IV) ermittelt wird: (IV):

   

   

   mit φ_1.Kontakt und φ_2.Kontakt: Potentialverteilungen auf den jeweiligen Kontaktschichten R_1.Kontakt und R_2.Kontakt: Schichtwiderstände der jeweiligen Kontaktschichten J_Si: Strom-/Spannungsabhängigkeit der Halbleiterschicht, J_1.Kontakt und J_2.Kontakt: Stromdichten auf den jeweiligen Kontaktschichten U_Modul: Spannung des Solarmoduls
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul in Segmente mit einer kreisförmigen, ellipsoiden oder polygonalen Geometrie strukturiert wird.
8. Solarmodul mit photovoltaischen Segmenten, umfassend eine Schichtenfolge aus Substrat, erster elektrischer Kontaktschicht, aktiven Halbleiterschichten und hierauf angeordneter zweiter elektrischer Kontaktschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche des Solarmoduls in voneinander isolierte Segmente strukturiert ist, wobei die Fläche der einzelnen Segmente bestimmt ist durch ein Verfahren nach Anspruch 6 bis 7.
9. Solarmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul in Segmente mit kreisförmiger, ellipsoider oder anderer polygonaler Geometrie strukturiert ist.

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