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Die Erfindung betrifft ein Konzentratorsystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur Umwandlung einfallender elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Sonnenlicht, sind Konzentratorsysteme bekannt, welche eine optische Konzentratoreinheit und einen Receiver aufweisen. Der Receiver weist wiederum ein Trägersubstrat und mindestens eine photovoltaische Solarzelle auf.
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Die einfallende elektromagnetische Strahlung wird mittels der Konzentratoreinheit auf die mindestens eine photovoltaische Solarzelle konzentriert, so dass auf einer für den Lichteinfall ausgebildeten Vorderseite der photovoltaischen Solarzelle eine höhere Lichtintensität verglichen mit der einfallenden Strahlung vorliegt.
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Solche Konzentratorsysteme weisen unter anderem den Vorteil auf, dass auf eine Einfallsfläche der Konzentratoreinheit fallende Strahlung auf eine Solarzelle mit einer gegenüber der Einfallsfläche erheblich kleineren Fläche konzentriert wird, so dass gegenüber nichtkonzentrierenden Systemen insbesondere weniger Material zur Herstellung der Solarzelle notwendig ist.
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Hochkonzentrierende Konzentratorsysteme, bei welchen ein Konzentrationsfaktor von 100 und mehr typisch ist, werden üblicherweise in Verbindung mit photovoltaischen III–V Solarzellen, insbesondere unter Verwendung von Solarzellenstrukturen mit mehreren pn-Übergängen angewandt.
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Typischerweise weist hierbei der Receiver mehrere, in einem Modul verschaltete photovoltaische Solarzellen auf. Ein solches Konzentratorsystem ist in
WO 2008/107205 A2 beschrieben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kostengünstige Alternativen zu vorbekannten Konzentratorsystemen zu schaffen und insbesondere das Anwendungsgebiet vorbekannter Konzentratorsysteme zu erweitern.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Konzentratorsystem gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Konzentratorsystem finden sich in den Ansprüchen 2 bis 13. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung eingezogen.
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Das erfindungsgemäße Konzentratorsystem umfasst eine optische Konzentratoreinheit und einen Receiver, welcher Receiver ein Trägersubstrat und mindestens eine Solarzelle aufweist. Die optische Konzentratoreinheit und der Receiver sind derart zusammenwirkend angeordnet, dass bei Benutzung des Konzentratorsystems einfallende elektromagnetische Strahlung mittels der Konzentratoreinheit auf zumindest einen Teilbereich einer Vorderseite der Solarzelle konzentrierbar ist.
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Die Solarzelle ist als photovoltaische Halbleitersolarzelle ausgebildet, mit zumindest einem Basisbereich und zumindest einem Emitterbereich sowie zumindest einer metallischen Basiskontaktstruktur, welche elektrisch leitend mit dem Basisbereich verbunden ist und zumindest einer metallischen Emitterkontaktstruktur, welche elektrisch leitend mit dem Emitterbereich verbunden ist. Die Basis- und Emitterkontaktstruktur sind jeweils zur externen elektrischen Kontaktierung, beispielsweise mittels eines Zellverbinders ausgebildet.
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Wesentlich ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Konzentratorsystem Basis- und Emitterkontaktstruktur mittelbar oder unmittelbar auf der Vorderseite der Solarzelle angeordnet sind, dass an der Rückseite der Solarzelle mittelbar oder unmittelbar zumindest eine Basis-Rückseitenmetallisierung angeordnet ist, welche mit der Basis elektrisch leitend verbunden ist und dass die Solarzelle mindestens eine Basis-Viastruktur aufweist, welche Basis-Viastruktur sich von der Basiskontaktstruktur erstreckt, so dass Basis-Rückseitenmetallisierung und Basiskontaktstruktur durch die Basis-Viastruktur elektrisch leitend verbunden sind. Die Basis-Viastruktur ist ebenfalls metallisch ausgebildet, so dass ausgehend von der Rückseitenmetallisierung eine metallische elektrisch leitende Verbindung zu der Basis-Kontaktstruktur besteht.
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Die Erfindung ist in der Erkenntnis des Anmelders begründet, dass die bei Konzentratorsystemen typischerweise an den Solarzellen anfallenden Ströme, welche höher sind als bei nichtkonzentrierenden Solarzellenanwendungen, im besonderen Maße zu Wirkungsgradverringerungen aufgrund von Serienwiderstandsverlusten führen können. Gleichzeitig beträgt das thermische Budget auf Solarzellen in Konzentratoranwendungen typischerweise erheblich mehr als bei nicht konzentrierenden Anwendungen, so dass ein großflächiger thermischer Kontakt zu wärmeabführenden Elementen erforderlich ist.
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Im Gegenzug zu typischen nichtkonzentrierenden Anwendungen ist es bei Konzentratorsystemen jedoch nicht notwendig, möglichst wenig Fläche der Vorderseite der Solarzelle durch metallische Kontaktstrukturen abzuschatten. Denn an den Rändern der Vorderseite der Solarzelle können Bereiche der Solarzellenoberfläche von der Beaufschlagung mit Licht ausgespart werden, welche somit durch ausreichend dimensionierte metallische Kontaktstrukturen belegt werden können, ohne dass hierdurch eine erhebliche Kostensteigerung und eine Reduktion des Wirkungsgrades des Gesamtsystems bedingt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Konzentratorsystem wird somit erstmals der Strom der Rückseitenmetallisierung mittels einer metallischen Basis-Viastruktur zu einer an der Vorderseite der Solarzelle angeordneten Basiskontaktstruktur geleitet. Hierdurch ergibt sich eine Reihe von Vorteilen:
Zum einen ist die Verschaltung mehrerer Solarzellen innerhalb des Konzentratorsystems erheblich einfacher, da die metallischen Kontaktstrukturen beider Polaritäten, das heißt Basis- und Emitterkontaktstruktur an der Vorderseite der photovoltaischen Solarzelle angeordnet sind und somit in einfacher Weise eine Kontaktstruktur mit einer gleichen oder – bei der typischen Reihenschaltung – einer Kontaktstruktur der entgegengesetzten Polarisierung einer benachbarten Solarzelle verbunden werden kann.
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Darüber hinaus müssen keine Zellverbinder zur Basis-Rückseitenmetallisierung geführt werden, so dass die Basis-Rückseitenmetallisierung ganzflächig an einem wärmeabführenden Element, vorzugsweise ein thermisch leitendes und gleichzeitig elektrisch isolierendes Element, wie beispielsweise eloxiertes Aluminium oder beschichtete Keramiken angeordnet sein kann. Hierdurch ist eine maximale Wärmeableitung über die vorzugsweise ganzflächig an der Rückseite der Solarzelle ausgebildete Basis-Rückseitenmetallisierung möglich.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Basis-Viastruktur seitlich neben dem Basisbereich angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sich die Basis-Viastruktur in einfacher Weise über die gesamte Breite des Basisbereiches erstrecken kann und somit ein geringer Leitungswiderstand in einfacher Weise erzielt wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass die Basis-Viastruktur die Basis durchdringend ausgebildet ist. Hierzu umfasst die Solarzelle bevorzugt eine Mehrzahl von Basis-Viastrukturen, welche jeweils die Basis durchdringen. Vorzugsweise durchdringen die Basis-Viastrukturen die Basis in etwa senkrecht zu der Rückseite.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei der Prozessierung der Solarzelle auf vorbekannte Prozessschritte zurückgegriffen werden kann, bei welchen Ausnehmungen in der Basis gebildet werden, beispielsweise mittels eines Lasers, und dieser anschließend mit Metall gefüllt werden, beispielsweise durch Einbringen einer Metallpartikel enthaltenden Paste, beispielsweise mit einem Druckverfahren, beispielsweise mit dem Siebdruck- oder Schablonendruckverfahren. Des Weiteren ist eine galvanische Abscheidung der Metallpartikel möglich. Die Viastrukturen haben typischerweise einen Durchmesser im Bereich 30–100 μm. insbesondere kann auf eine Vielzahl von optimierten Prozessierungsschritten von MWT-Solarzellen (Metal Wrap Through) zurückgegriffen werden. Ein Herstellungsprozess einer MWT-Solarzelle ist beispielsweise in Florian Clement (DOI: 10.1016/j.solmat.2009.06.020) oder Benjamin Thaidigsmann (DOI: 10.1002/pssr.201105311) beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Konzentratorsystem ist insbesondere für Solarzellen geeignet, welche ein Siliziumsubstrat umfassen. Typische vorbekannte Konzentratorsysteme basieren auf III–V-Halbleitersolarzellen, welche jedoch aufwendig und dadurch teuer in der Herstellung sind.
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Mit dem erfindungsgemäßen Konzentratorsystem können nun erstmals in einfacher Weise auch auf einem Siliziumsubstrat basierende Solarzellen kostengünstig in einem Konzentratorsystem angewendet werden, insbesondere aufgrund der einfacheren Verschaltung und verbesserten Wärmeableitung sowie den möglichen Rückgriff auf vorbekannte, bereits vielfach optimierte Prozessierungsschritte zur Herstellung einer solchen Siliziumsolarzelle, insbesondere bei Ausgestaltung der die Basis durchdringenden Basis-Viastruktur.
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Vorzugsweise umfasst die Solarzelle des erfindungsgemäßen Konzentratorsystems daher ein Siliziumsubstrat, in welchem Siliziumsubstrat die Basis ausgebildet ist, insbesondere bevorzugt ist in dem Siliziumsubstrat sowohl die Basis, als auch der Emitter ausgebildet.
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In dieser vorteilhaften Ausgestaltung als typische Siliziumsolarzelle ist die Solarzelle somit derart ausgebildet, dass bei der Nutzung eine Generation von Ladungsträgerpaaren aufgrund der Absorption der einfallenden Strahlung im Wesentlichen in dem Siliziumsubstrat erfolgt.
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Wie bereits erwähnt, ist zur optimalen Wärmeabführung die Basis-Rückseitenmetallisierung vorzugsweise mit einem wärmeableitenden Substrat, insbesondere bevorzugt ganzflächig mit dem wärmeableitenden Substrat verbunden.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzentratorsystems umfasst die Solarzelle eine Halbleiterschicht, an deren Rückseite zumindest ein Basis- und zumindest ein Emitterbereich ausgebildet sind. Weiterhin umfasst die Solarzelle eine Emitter-Rückseitenmetallisierung sowie zumindest eine metallische Emitter-Viastruktur. Die Emitter-Rückseitenmetallisierung ist mittelbar oder unmittelbar an der Rückseite der Halbleiterschicht angeordnet und mit dem Emitterbereich elektrisch leitend verbunden, Die Emitter-Viastruktur erstreckt sich von der Emitter-Rückseitenmetallisierung zu der Emitterkontaktstruktur, so dass Emitter-Rückseitenmetallisierung und Emitterkontaktstruktur durch die metallische Emitter-Viastruktur elektrisch leitend verbunden sind.
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Bei dieser vorzugsweisen Ausführungsform werden somit Ladungsträger beider Polaritäten über eine metallische Viastruktur von der Rückseite zu den an der Vorderseite angeordneten metallischen Kontaktstrukturen geführt.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch solche vorbekannten Solarzellenstrukturen bei dem erfindungsgemäßen Konzentratorsystem eingesetzt werden können, welche rückseitig auch zumindest einen Emitterbereich aufweisen. Grundsätzlich ist solch eine Solarzellenstruktur (abgesehen von den metallischen Basis- und Emitter-Viastrukturen) als „Back-Contact-Back-Junction-Solarzelle” (BCBJ) oder als „Interdigitated-Back-Contact” (IBC) bekannt und beispielsweise in M. Lammert and R. Schwartz, „The Interdigitated Back Contact Solar Cell: Silicon Solar Cell for Use in Concentrated Sunlight", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. ED-24, NO. 4, APRIL 1977 beschrieben.
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Eine solche Solarzellenstruktur weist den Vorteil auf, dass sich die metallischen Strukturen, die für die flächige Stromabführung benötigt wird auf der Rückseite der Solarzellenstruktur angeordnet ist und dadurch keinerlei Abschattungsverluste hat. Diese können dadurch größer ausfallen, was insbesondere unter konzentrierter Einstrahlung zu geringeren ohmschen Verlusten führt. Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass schwach dotiertes und damit ein Halbleitersubstrat verwendet werden kann, welches sehr hohe Lebensdauern für erzeugte Ladungsträger bereitstellt.
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Ein Nachteil in der bisherigen Ausführung sind die externen Kontaktelemente die zu lateralem Stromfluss im Halbleitersubstrat und damit zu höheren Serienwiderständen führt. Des Weiteren erschwert die rückseitig angeordnete elektrische Kontaktierung eine effiziente thermische Anbindung, die insbesondere unter konzentrierter Einstrahlung immanent wichtig ist.
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Bei dieser vorzugsweisen Ausführungsform ist es insbesondere vorteilhaft, dass an der Rückseite der Solarzelle eine Mehrzahl von alternierend angeordneten Emitter- und Basis-Rückseitenmetallisierungen angeordnet sind. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass Emitter- und Basisrückseitenmetallisierungen sich parallel zueinander erstrecken. Hierdurch wird eine effiziente Abführung von Ladungsträgern ermöglicht, da insbesondere Wirkungsgradverluste aufgrund lateraler Ströme in der Halbleiterschicht verringert oder vermieden werden.
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Weiterhin ist es bei dieser vorzugsweisen Ausführungsform vorteilhaft, dass jede Emitter-Rückseitenmetallisierung mit jeweils mindestens einer Emitter-Viastruktur und jede Basis-Rückseitenmetallisierung mit jeweils mindestens einer Basis-Viastruktur verbunden ist. Hierdurch wird ein geringer Leitungswiderstand aufgrund der Parallelschaltung der jeweiligen Viastrukturen erzielt und somit ein Wirkungsgradverlust aufgrund elektrischer Serienwiderstände weiter gesenkt.
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Vorzugsweise umfasst der Receiver des erfindungsgemäßen Konzentratorsystems eine Mehrzahl von Solarzellen, d. h. eine Mehrzahl der vorbeschriebenen Solarzelle bzw. einer vorzugsweisen Ausführungsform hiervon. Die Mehrzahl von Solarzellen ist elektrisch zu einem Solarzellenmodul verschaltet, vorzugsweise in Reihenschaltung.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Mehrzahl von Solarzellen als Solarzellenreihe reihenartig angeordnet ist.
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Hierdurch ergibt sich einerseits der Vorteil, dass eine einfache elektrische Reihenschaltung der örtlich reihenartig nebeneinander angeordneten Solarzellen möglich ist und darüber hinaus können kosteneffektive optische Konzentratoreinheiten zum Einsatz finden, welche einfallendes Licht auf einen langgestreckten Bereich der reihenartig angeordneten Solarzellenreihe konzentrieren.
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Vorzugsweise weisen hierbei die reihenartig angeordneten Solarzellen an der Vorderseite mindestens einen außenliegenden Bereich, d. h. einen Bereich, der am Rand der Solarzellenreihe liegt und somit keine weitere Solarzelle unmittelbar angrenzt, jeweils die Emitter- und Basiskontaktstruktur aufweisen. Im Sinne einer elektrischen Reihenschaltung ist jeweils eine Emitterkontaktstruktur einer Solarzelle mit der Basiskontaktstruktur der folgenden Solarzelle mittels eines Zellverbinders elektrisch leitend verbunden und umgekehrt.
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Hierdurch wird somit in einfacher Weise eine elektrische Reihenschaltung der Solarzellen erzielt, ohne dass im mittigen, mittels der optischen Konzentratoreinheit mit Strahlung beaufschlagten Bereich eine Abschattung durch einen zellverbinder erfolgt. Denn die vorgenannten außenliegenden Bereiche, in welchen Emitter- oder Basiskontaktstruktur angeordnet sind und welche mittels eines Zellverbinders die elektrische Verbindung zur benachbarten Solarzelle ermöglichen, sind vorzugsweise derart mit der optischen Konzentratoreinheit zusammenwirkend angeordnet, dass die Lichtkonzentration innerhalb dieser außenliegenden Bereiche erfolgt und somit keine Abschattung durch Emitter- und Basiskontaktstruktur sowie durch die Zellverbinder vorliegt. Ein Zellverbinder stellt ein elektrisch leitendes Element dar, welches eine Solarzelle mit einer benachbarten Solarzelle elektrische leitend verbindet. Typischerweise sind Zellverbinder metallisch ausgebildet, insbesondere in etwa streifenförmig.
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Der Zellverbinder kann hierbei auf der jeweiligen Emitter- bzw. Basiskontaktstruktur aufgebracht sein. Hierdurch ergibt sich ein großflächiger Kontakt, so dass etwaige Serienwiderstandsverluste vermieden werden.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Zellverbinder neben der Solarzellenreihe angeordnet und erstreckt sich jeweils über zwei Solarzellen. Die Emitter- bzw. Basiskontaktstruktur der Solarzellen sind zum beispiel mittels Bonding elektrisch leitend mit dem Zellverbinder verbunden.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der stromführende „Zellverbinder” neben dem photovoltaisch aktiven Bereich angeordnet ist und dadurch größer dimensioniert sein kann. Hieraus ergibt sich, dass die metallischen Strukturen auf der Vorderseite verkleinert werden können und eine größere photovoltaisch aktive Fläche resultiert.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform weisen die Solarzellen der Solarzellenreihe jeweils an einem Randbereich die Emitterkontaktstruktur und an einem gegenüberliegenden Randbereich die Basiskontaktstruktur auf und die Solarzellen sind hinsichtlich der Kontaktstruktur alternierend angeordnet, derart, dass sich ein in etwa geradlinig über einen Randbereich der Solarzellenreihe erstreckender Zellverbinder jeweils eine Emitterkontaktstruktur mit einer Basiskontaktstruktur der benachbarten Solarzelle elektrisch leitend verbindet. Hierdurch ist in technisch unauffälliger Weise eine Reihenschaltung der Solarzellen des Konzentratorsystems möglich.
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Die Basis-Viastruktur, vorzugsweise alle Basis-Viastrukturen sind bevorzugt umfassend Silber mit ausgebildet. In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist die Basis-Viastruktur, vorzugsweise alle Basis-Viastrukturen, aus dem gleichen Material wie die Basis-Rückseitenmetallisierung ausgebildet, insbesondere bevorzugt umfassend Alumiunium.
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Weitere vorzugsweise Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konzentratorsystems;
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2 ein Schnittbild einer Solarzelle des Konzentratorsystems aus 1;
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Solarzelle für ein erfindungsgemäßes Konzentratorsystem gemäß 1;
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4 eine Draufsicht von oben auf die Solarzellen gemäß 2 und 3;
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5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Reihenschaltung von Solarzellen für ein erfindungsgemäßes Konzentratorsystem;
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Solarzelle für ein erfindungsgemäßes Konzentratorsystem;
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7 eine Draufsicht von oben auf die Solarzelle gemäß 6;
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8 ein Ausführungsbeispiel einer Reihenschaltung für die Solarzelle gemäß 6 und 7;
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9 ein Ausführungsbeispiel eines Zellverbinders zur Serienverschaltung gemäß 8;
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10 eine Detailansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 1;
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11 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Serienverschaltung von Solarzellen für ein erfindungsgemäßes Konzentratorsystem für Solarzellen gemäß 2 und 3;
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12 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Solarzelle für ein erfindungsgemäßes Konzentratorsystem (Teilbild b) sowie in Teilbild a ein Ausführungsbeispiel einer Serienverschaltung der Solarzellen aus Teilbild A für eine erfindungsgemäßes Konzentratorsystem;
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13 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Serienverschaltung der Solarzellen aus 12, Teilbild b, für ein erfindungsgemäßes Konzentratorsystem und
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14 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Serienverschaltung einer Abwandlung der Solarzellen aus 12, Teilbild b, für ein erfindungsgemäßes Konzentratorsystem.
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Sämtliche Figuren zeigen schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Konzentratorsystems. Das Konzentratorsystem umfasst eine optische Konzentratoreinheit, welche mehrere optische Spiegel 1 umfasst. Die Spiegel können beispielsweise aus einem Trägermaterial bestehen, welches mit einer Spiegelfolie beklebt ist oder mit einem Metall beschichtet ist, beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern.
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Das Konzentratorsystem umfasst eine Mehrzahl von Solarzellen 2, von denen in 1 drei dargestellt sind.
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Die Solarzellen 2 weisen an der Vorderseite jeweils eine metallische Emitterkontaktstruktur 4 und jeweils eine metallische Basiskontaktstruktur 5 auf Die Solarzellen sind in alternierender Reihenfolge jeweils um 180° um eine senkrecht stehende Achse angeordnet, so dass in der Abfolge der Solarzelle die Basiskontaktstruktur 5 alternierend rechts und links am Rand der Solarzellenreihe angeordnet ist und in entgegengesetzter alternierender Abfolge die Emitterkontaktstruktur 4 entsprechend alternierend links und rechts angeordnet ist.
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Hierdurch kann in einfacher Weise mittels eines Zellverbinders 3 jeweils eine Emitterkontaktstruktur 4 mit der Basiskontaktstruktur 5 der benachbarten Solarzelle verbunden werden, wobei der Zellverbinder 3 einen einfachen quaderförmigen Aufbau aufweist.
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Zur besseren Übersichtlichkeit sind die Zellverbinder 3 in 1 nach Art einer Explosionszeichnung zur Seite und nach oben abgerückt dargestellt. Bei dem oberen linken Zellverbinder 3 ist durch Pfeile die tatsächliche Position des Zellverbinders angedeutet.
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Die spiegelnde Struktur 1 kann zum einen selbst als Zellverbinder dienen oder nachträglich darüber angebracht werden. Die spiegelnde Struktur kann zum einen als primäre reflektierende Struktur betrachtet werden oder aber unterstützend als sekundärer Reflektor als ein sogenannter „Secondary”, so dass in einfacher Weise eine Konzentration der einfallenden Strahlen mittels der Spiegel 1 auf die nicht durch die Zellverbinder 3 bedeckte Vorderseite der Solarzellen erfolgt.
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Hierdurch ist in einfacher und kostengünstiger Weise ein Konzentratorsystem mit reihenartig angeordneten Solarzellen, die elektrisch in Reihe verschaltet sind, ausgebildet.
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Dieser einfache Aufbau wird insbesondere durch den Aufbau der Solarzellenstruktur des erfindungsgemäßen Konzentratorsystems ermöglicht, wie nachfolgend an Ausführungsbeispielen von Solarzellen für ein erfindungsgemäßes Konzentratorsystem gemäß der 2, 3, 4, 6, 7 und 12 erläutert:
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Solarzelle für ein erfindungsgemäßes Konzentratorsystem.
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Die Solarzelle 2 ist auf einem p-dotierten Siliziumwafer 6 ausgebildet, in welchem mittels Diffusion und Überkompensation ein Emitter 7 eingebracht wurde. Der verbleibende Bereich 8 des Siliziumwafers 6 stellt somit die Basis dar, welche an den Emitter 7 angrenzt, so dass sich hier ein p-n-Übergang ausbildet.
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An der Vorderseite der Solarzelle ist eine metallische Emitterkontaktstruktur 4 angeordnet, welche elektrisch leitend mit dem Emitter 7 verbunden ist.
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An der Rückseite der Solarzelle ist eine metallische Basis-Rückseitenmetallisierung 5a angeordnet, welche mit der Basis 8 elektrisch leitend verbunden ist.
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Die Solarzelle 2 kann grundsätzlich gemäß vorbekannter Solarzellen ausgebildet sein und weitere vorbekannte – nicht dargestellte – Elemente umfassen, wie beispielsweise passivierende Schichten zur Verringerung der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und/oder optische Schichten und/oder Texturierungen zur Erhöhung der Strahlungseinkopplung an der Vorderseite der Solarzelle 2 und/oder der optischen Reflexion innerhalbe der Solarzelle.
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Wesentlich ist, dass die metallische Basiskontaktstruktur 5 und die metallische Emitterkontaktstruktur 4 beide auf der Vorderseite der Solarzelle angeordnet sind und dass die Solarzelle mindestens eine metallische Basis-Viastruktur 5b aufweist. Die Basis-Viastruktur 5b erstreckt sich von der Basis-Rückseitenmetallisierung 5a zu der Basiskontaktstruktur 5.
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Über die Basis-Viastruktur 5b sind somit Basiskontaktstruktur 5 und Basis-Rückseitenmetallisierung 5a elektrisch leitend verbunden, so dass in einfacher Weise von der Vorderseite sowohl ein elektrischer Kontakt zur Basis 8, als auch zu dem Emitter herstellbar ist und insbesondere ein technisch unaufwändiger und damit kostengünstiger Aufbau des Konzentratorsystems gemäß 1 realisiert werden kann.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind Basis-Rückseitenmetallisierung 5a und Basis-Viastruktur 5b einstückig, insbesondere aus dem gleichen Material, zusammen mit einem ersten Basiskontaktstrukturbereich 5 ausgebildet. Der erste externe Basiskontaktstrukturbereich 5 besteht aus einem anderen Metall, um die elektrische Verbindung mit dem Zellverbinder 3 zu erleichtern.
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Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, die Solarzelle mit umgekehrten Dotierungstypen auszubilden, d. h. mit einer n-dotierten Basis und einem p-dotierten Emitter.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Solarzelle 2 für das Konzentratorsystem gemäß 1 dargestellt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird hier nur auf die Unterschiede gegenüber 2 eingegangen:
Bei der Solarzelle gemäß 3 sind Basiskontaktstruktur 5, Basis-Rückseitenmetallisierung 5a und Basis-Viastruktur 5b jeweils als eigene Elemente aus unterschiedlichen elektrisch leitfähigen Materialen, die an einander angrenzen und somit elektrisch leitend verbunden sind, ausgebildet.
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Der Emitter 7 bedeckt die gesamte Vorderseite der Solarzelle und untergreift die Basiskontaktstruktur 5. Eine elektrische Isolierung zwischen Basiskontaktstruktur 5 und Emitter 7 erfolgt, durch eine dielektrische Schicht bzw. einen dielektrischen Schichtstapel. Diese Schicht oder dieser Schichtstapel fungiert als Passivierung des darunter liegenden Halbleiters, der Reduzierung der Reflexion durch Licht und gleichzeitig als elektrische Isolierung bzw. räumliche Trennung der Polaritäten.
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In 4 ist eine Draufsicht von oben auf eine Solarzelle gemäß 2 oder gemäß 3 dargestellt.
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5 zeigt eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 1, bei welchem zusätzlich zwischen zwei Zellverbindern 3 eine Bypassdiode 9 elektrisch zwischengeschaltet ist.
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Die Bypassdiode verhindert ein übermäßiges Erhitzen einzelner Solarzellen oder einzelner Bereiche einer Solarzelle insbesondere bei einer Teilabschattung. Mittels der Bypassdiode werden somit so genannte „Hot Spots” vermieden.
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Abgesehen von der zusätzlich angeordneten Bypassdiode 9 zeigt die 5 eine Draufsicht von oben auf die Serienverschaltung der reihenartigen Solarzellen in einem Konzentratorsystem gemäß 1.
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Die reihenartig angeordneten Solarzellen weisen somit an der Vorderseite an einem außenliegenden Bereich der Solarzellenreihe jeweils die Emitterkontaktstruktur 4 und gegenüberliegend die Basiskontaktstruktur 5 auf. Die Emitterkontaktstruktur einer Solarzelle ist jeweils mit der Basiskontaktstruktur der folgenden Solarzelle mittels eines Zellverbinders 3 elektrisch leitend verbunden.
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Hierbei erstreckt sich jeweils ein Zellverbinder 3 über zwei Solarzellen.
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Die Solarzellen 2 sind hinsichtlich der Kontaktstrukturen 4 und 5 alternierend angeordnet, derart, dass sich die in etwa geradlinig über jeweils einen Randbereich der Solarzellenreihe erstreckenden Zellverbinder 3 jeweils eine Emitterkontaktstruktur 4 mit einer Basiskontaktstruktur 5 der benachbarten Solarzelle elektrisch leitend verbinden.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Solarzelle für ein erfindungsgemäßes Konzentratorsystem. Die Solarzelle ist grundsätzlich ähnlich zu den Solarzellen gemäß 1 und 2 aufgebaut und kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch anlehnend an 3 ausgeführt werden.
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Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass an zwei gegenüberliegenden Randbereichen jeweils metallische Basis-Viastrukturen 5b angeordnet sind und entsprechend an der Vorderseite der Solarzelle 2 an den beiden gegenüberliegenden Randbereichen jeweils eine Basiskontaktstruktur 5 angeordnet ist, welche mit der jeweils darunterliegenden Basis-Viastruktur 5b elektrisch leitend verbunden ist.
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Die rückseitige Basis-Rückseitenmetallisierung 5a ist somit an zwei gegenüberliegenden Seiten über Basis-Viastrukturen 5b mit jeweils einer Basiskontaktstruktur 5 verbunden. Hierdurch wird nochmals die Leitfähigkeit erhöht, d. h. Verluste aufgrund von Serienwiderständen werden verringert. Darüber hinaus ist eine Reihenschaltung 2 benachbart angeordneter Solarzellen 2 über an beiden Randbereichen verlaufende Zellverbinder in einfacher Weise möglich, so dass auch hinsichtlich der Reihenschaltung der Solarzellen mittels Zellverbinder Serienwiderstandsverluste verringert werden, wie nachfolgend anhand der 7 bis 9 erläutert wird:
7 zeigt eine Draufsicht von oben auf die Solarzelle gemäß 6. In 8 ist die Solarzelle aus 6 mehrfach in einer Reihe nebeneinander angeordnet und schematisch ist eine elektrisch leitende Verbindung der Solarzellen 2 untereinander durch Zellverbinder 3 dargestellt, wobei sowohl an einem in 8 oben dargestellten Randbereich, als auch an einem unten dargestellten Randbereich durchgängig quaderförmige Zellverbinder 3 angeordnet sind.
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An der den Solarzellen 2 zugewandten Seite weisen die Zellverbinder 3 die in 9 dargestellte Struktur auf. Die Zellverbinder 3 bestehen aus einem elektrisch isolierenden Material 3a in welches metallische Leiterbahnen 3b eingebettet sind. Jede Leiterbahn 3b überspannt einen Bereich A, der in etwa der Breite zweier nebeneinander angeordneter Solarzellen 2 entspricht. Etwa mittig hinsichtlich der Längserstreckung einer Leiterbahn 3b befindet sich ein Übergangsbereich, in welchem die Leiterbahn 3b von einem in 9 oberen Bereich des Zellverbinders 3 zu einem unteren Bereich wechselt.
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Wird nun der Zellverbinder gemäß 9 auf die reihenartig angeordneten Solarzellen gemäß 8 aufgebracht, so verbindet jede Leiterbahn 3b des Zellverbinders jeweils eine Basiskontaktstruktur 5 einer Solarzelle mit der Emitterkontaktstruktur 4 der benachbarten Solarzelle. Eine solche Verbindung erfolgt an beiden Randbereichen, so dass durch die Doppelung der Reihenschaltung der Solarzellen mittels der Zellverbinder 3 eine Verringerung der Serienwiderstandsverluste erzielt wird.
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10 zeigt ein weiteres Detail dieses Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Konzentratorsystems gemäß 1. Dargestellt sind mit Zollverbindern 3 verbundene Solarzellen 2, welche mittels wärmeleitenden Haftvermittlers 10 auf einem Trägersubstrat 11 angeordnet sind. Der wärmeleitende Haftvermittler 10 kann zum Beispiel ein Klebstoff, eine Folie oder ein Lot sein oder eine Kombination daraus sein. Das Trägersubstrat 11 besteht aus einem wärmeleitenden Material und ermöglich gleichzeitig eine elektrische Trennung zwischen den einzelnen Solarzellen 2. So ein Material kann zum Beispiel eloxiertes Aluminium oder beschichtete Keramiken sein. Durch die ganzflächige Verbindung jeder Solarzelle 2 mittels wärmeleitende Haftvermittler 10 mit dem Trägersubstrat 11 ist ein thermischer Kontakt zwischen jeder Solarzelle 2 und dem Trägersubstrat 11 mit einem geringen Wärmeleitungswiderstand gegeben, so dass eine sehr gute Wärmeübertragung von der Solarzelle 2 auf das Trägersubstrat 11 erfolgt und somit die Wärme sehr effizient abgeführt werden kann. Die Solarzellen 2 können gemäß 2 oder gemäß 3 ausgebildet sein.
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11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur elektrischen Reihenschaltung von in Reihe angeordneter Solarzellen 2 für ein erfindungsgemäßes Konzentratorsystem. Die Solarzellen 2 können hierbei beispielsweise gemäß 2 ausgebildet sein und sind wie in 5 dargestellt, alternierend jeweils um 180° gedreht angeordnet, so dass alternierend an einem Randbereich eine Emitterkontaktstruktur 4 auf eine Basiskontaktstruktur 5 folgt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel überspannen die Zellverbinder 3 ebenfalls in etwa zwei nebeneinander angeordnete Solarzellen 2.
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Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Zellverbinder 3 jedoch nicht auf Emitter- und Basiskontaktstruktur angeordnet, sondern seitliche neben diesen. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen Zellverbinder 3 und der jeweiligen Emitterkontaktstruktur 4 und Basiskontaktstruktur 5 erfolgt mittels Drähten 3'', welche z. B. mittels Bonding aufgebracht werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der stromführende „Zellverbinder” neben dem photovoltaisch aktiven Bereich angeordnet ist und dadurch größer dimensioniert sein kann. Hieraus ergibt sich, dass die teueren metallischen Strukturen auf der Vorderseite verkleinert werden können und eine größere photovoltaisch aktive Fläche resultiert.
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In 12b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Solarzelle für ein erfindungsgemäßes Konzentratorsystem dargestellt. Gezeigt sind zwei Solarzellen 2 in Rückansicht. Jede der Solarzellen 2 weist eine Mehrzahl von Basis-Rückseitenmetallisierungen 5a und Emitter-Rückseitenmetallisierungen 4a auf.
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Die Solarzelle ist entsprechend derart ausgebildet, dass in dem Halbleitermaterial der Solarzelle rückseitig ebenfalls alternierend Basis- und Emitterbereiche angeordnet sind, die mit den jeweils darunterliegenden Rückseitenmetallisierungen elektrisch leitend verbunden sind.
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An der mit A gekennzeichneten Randseite weisen die Solarzellen jeweils (nicht dargestellte) metallische Basis-Viastrukturen auf, welche sich in etwa senkrecht ausgehend von jeder der Basis-Rückseitenmetallisierungen 5a zur Vorderseite der Solarzelle erstrecken. Entsprechend weisen an der gegenüberliegenden Randseite B die Solarzellen eine Mehrzahl von metallischen Emitter-Viastrukturen 4b auf, welche sich jeweils in etwa senkrecht von jeder der Emitter-Rückseitenmetallisierung 4a durch die Solarzelle hindurch erstrecken.
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An der Vorderseite der Solarzelle sind zu jeder Viastruktur jeweils punktförmig metallische Kontaktstrukturen ausgebildet, d. h. punktförmige Basiskontaktstrukturen 5, welche elektrisch leitend mit den jeweiligen Basis-Viastrukturen 5b und punktförmige Emitterkontaktstrukturen 4, welche elektrisch leitend mit jeweiligen Emitter-Viastrukturen 4b verbunden sind. Dabei können auch die punktförmigen metallischen Kontaktstrukturen 4 bzw. 5 aus dem gleichen Material wie der via-Durchkontakt 4b bzw. 5b ausgebildet sein.
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Hinsichtlich der elektrischen Reihenschaltung der Solarzellen in der Ausführung gemäß 12b in dem Konzentratorsystem erfolgt analog zu der Darstellung gemäß 5 eine reihenartige Anordnung der Solarzellen 2 alternierend jeweils um 180° gedreht, so dass an einem Randbereich die punktförmigen Basiskontaktstrukturen 5 auf Emitterkontaktstrukturen 4 folgen und am gegenüberliegenden Randbereich ebenfalls alternierend in umgekehrter Reihenfolge, wie in 12a dargestellt.
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In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine abgeänderte Solarzellenstruktur, verglichen mit der zuvor beschriebenen BCBJ-Struktur. Bei der hier vorliegenden Solarzellenstruktur werden nun beide Polaritäten mittels Via-Strukturen auf die Vorderseite geführt. Damit ändert sich auch die Bezeichnung gemäß ihrer erweiterten Funktionalität zu „Front-Contact-Back-Junction-Metal-Wrap-Through” (FCBJ-MWT).
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Vorzugsweise ist die Konzentratoreinheit zur Konzentration einfallender elektromagnetischer Strahlung um einen Konzentrationsfaktor im Bereich 10 bis 100, bevorzugt im Bereich 5 bis 50 ausgebildet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auf Silizium basierende Solarzellen verwendbar sind, welche einen Kostenvorteil gegenüber aus dem Stand der Technik bekannter Konzentratoreinheiten unter Verwendung von auf III–V-Materialien basierenden Solarzellen bieten, insbesondere da solche Solarzellen für eine kosteneffiziente Nutzung eine höhere Konzentration benötigen, typischerweise mit einer Einstrahlungsleistung deutlich größer als 10 W/cm2.
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Vorzugsweise ist das Konzentratorsystem, insbesondere die Solarzelle zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich 300–1200 nm ausgebildet.
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Die Reihenschaltung der Solarzellen erfolgt nun analog zu 11:
In 12a sind die Solarzellen aus 12b in Vorderansicht dargestellt, mit Zellverbindern 3.
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Wie in 12a ersichtlich, sind die Zellverbinder 3 neben den Solarzellen 2 angeordnet und jede punktförmige Basis- und Emitterkontaktstruktur ist mit jeweils einem Bonddraht mit dem zugehörigen Zellverbinder 3 elektrisch leitend verbunden.
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In 13 ist eine Teilansicht eines weiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Konzentratorsystems dargestellt.
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Da bei dem erfindungsgemäßen Konzentratorsystem Basis- und Emitter-Kontaktstruktur auf der Vorderseite der Solarzelle angeordnet sind ist es in einfacher Weise möglich, auf einem Halbleitersubstrat mehrere Solarzellen zu prozessieren, die erst nach Aufbringen des Halbleitersubstrates oder zumindest eines Teil des Halbleitersubstrates auf ein Trägersubstrat 11, welches mehrere Solarzellen enthält, elektrisch voneinander getrennt werden.
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Es kann somit zunächst die Prozessierung mehrerer Solarzelleneinheiten auf einem Halbleitersubstrat, wie beispielsweise einem Siliziumwafer erfolgen. An schließend kann der Siliziumwafer auf das Trägersubstrat 11 aufgebracht werden, beispielsweise mittels eines wärmeleitenden aber elektrisch isolierenden Haftvermittlers 10 und nach dem Aufbringungsprozess erfolgt dann die elektrische Isolierung der einzelnen Solarzellen beispielsweise durch Sägen oder durch einen Laserprozess.
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Dieser Herstellungsprozess ist grundsätzlich bekannt und beispielsweise in
WO 2008/107205 A2 , insbesondere auf den Seiten
23 und
24 beschrieben.
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Bei dem in 13 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf einem Trägersubstrat 11 zwei Siliziumwafer 12a und 12b mittels wärmeleitenden Haftvermittlers 10 aufgebracht.
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Vor Aufbringen der Siliziumwafer wird in jedem der Siliziumwafer eine Mehrzahl von Solarzellen gemäß 12a prozessiert.
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Anschließend wird der Siliziumwafer auf das Trägersubstrat 11 aufgebracht.
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Nach dem Aufbringen wird mittels eines Vereinzelungsprozesses zum Beispiel eines Sägeprozesses gemäß der Darstellung in 13 durch waagerechte Schnitte eine elektrische Trennung der einzelnen Solarzellen 2 erzielt.
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Die einzelnen Solarzellen 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel analog zu 12b ausgebildet, so dass mittels Borddrähten in einfacher Weise die punktförmig ausgebildeten Emitterkontaktstrukturen 4 einer Solarzelle 2 mit den punktförmig ausgebildeten Basiskontaktstrukturen 5 der benachbarten Solarzelle elektrisch leitend verbunden werden können.
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Durch die Vielzahl von Bonddrähten, mittels derer jeweils zwei benachbarte Solarzellen elektrisch leitend verbunden werden, ist kein zusätzlicher Zellverbinder notwendig.
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Der übrige Aufbau der Konzentratoreinheit gemäß 13 kann analog zu 1 erfolgen, d. h. insbesondere mit seitlich angeordneten Spiegeln.
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Das in 14a und 14b dargestellte Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen analog zu dem in 12a und 12b dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Zur Vermeidung von Wiederholungen soll nachfolgend lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden. Im Unterschied zu der Solarzellenstruktur gemäß 12b, welche lediglich an einem Endbereich der Emitter- und Basismetallisierungen eine Via-Struktur aufweisen, weisen die Solarzellen gemäß 14b an beiden Endbereichen jeweils eine Via-Struktur auf:
Die Solarzellen 2 diese Ausführungsbeispiels weisen an zwei gegenüberliegenden Endbereichen der Emitter-Rückseitenmetallisierungen 4a jeweils eine Emitter-Viastruktur 4b und ebenso an zwei gegenüberliegenden Endbereichen der Basis-Rückseitenmetallisierungen 5a jeweils eine Basis-Viastruktur 5b auf. Entsprechen sind zu jeder Emitter-Viastruktur 4b an der Vorderseite punktförmige Emitterkontaktstrukturen 4 und zu jeder Basis-Viastruktur 5b an der Vorderseite punktförmige Basiskontaktstrukturen 5 angeordnet.
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Die Serienverschaltung im Modul kann gemäß 14a durch auf jeder Seite jeweils zwei parallel, sich teilweise überlappender Zellverbinder 3 erfolgen. Hierbei ist jeweils ein innenliegender Zellverbinder mit den Emitterkontaktstrukturen 4 einer ersten Solarzelle und den Basiskontaktstrukturen 5 einer benachbarten zweiten Solarzelle elektrisch leitend verbunden. In umgekehrter Polarität verbindet der jeweils außenliegende Zellverbinder die Basiskontaktstrukturen 5 mit den Emitterkontaktstrukturen 4 einer weiteren benachbarten dritten Solarzelle. Hierdurch ergibt sich der Vorteil der effektiven Verkürzung der Strompfade und damit zu einer Reduzierung des elektrischen Widerstands.
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In den 2, 3 und 6 ist die Basis-Viastruktur 5b die Vorderseite der Solarzelle geringfügig bedeckend ausgebildet (Bezugszeichen 5' in den 2 und 6), so dass sich eine gute Kontaktierbarkeit für die Basiskontaktstruktur 5 ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/107205 A2 [0006, 0104]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- M. Lammert and R. Schwartz, „The Interdigitated Back Contact Solar Cell: Silicon Solar Cell for Use in Concentrated Sunlight”, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. ED-24, NO. 4, APRIL 1977 [0026]
