DE102014015911A1

DE102014015911A1 - Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung von photovoltaischen Elementen auf einem Substrat

Info

Publication number: DE102014015911A1
Application number: DE102014015911.6A
Authority: DE
Inventors: Bugra Turan
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2016-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul, auch als Solarzelle bezeichnet, mit einer Schichtanordnung, umfassend wenigstens ein Substrat, eine erste elektrische Kontaktschicht, eine aktive Halbleiterschicht, eine zweite elektrische Kontaktschicht, eine Isolatorschicht sowie eine weitere dritte Kontaktschicht, mit einer Vielzahl an parallel angeordneten photovoltaischen Elementen (A, B, C...) die untereinander serienverschaltet sind, bei dem innerhalb der Fläche eines jeweiligen photovoltaischen Elements (A, B, C...), dessen Fläche durch die Länge L und die jeweilige Breite B des photovoltaischen Elements bestimmt wird, in periodischer Anordnung Kanäle verteilt sind, welche die erste elektrische Kontaktschicht mit der weiteren dritten Kontaktschicht elektrisch leitend kontaktieren. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung photovoltaischer Elemente zu einem Solarmodul, bei dem auf ein Substrat wenigstens eine erste elektrische Kontaktschicht, eine Halbleiterschicht, eine zweite elektrische Kontaktschicht, eine Isolatorschicht sowie eine weitere elektrische Kontaktschicht aufgebracht wird, eine Strukturierung der Solarmodulfläche in einzelne photovoltaische Elemente (A, B, C, ...) und eine anschließende Serienverschaltung dieser Elemente durchgeführt wird, wobei erfindungsgemäß innerhalb der Fläche eines jeweiligen photovoltaischen Elements (A, B, C...), dessen Fläche durch die Länge L und die jeweilige Breite B des photovoltaischen Elements bestimmt wird, in periodischer Anordnung Kanäle verteilt werden, welche die erste elektrische Kontaktschicht mit der weiteren dritten Kontaktschicht elektrisch leitend kontaktieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung von photovoltaischen Elementen auf einem Substrat insbesondere zu einem Solarmodul und auf ein Solarmodul.
Stand der Technik
Die Serienverschaltung von photovoltaischen Elementen zu einem Solarmodul dient der Addierung der in den Elementen erzeugten lichtinduzierten Energie, ohne dass ein Kurzschluss erzeugt wird. Hierzu wird regelmäßig ein erster elektrischer Kontakt mit einem zweiten elektrischen Kontakt zweier photovoltaischer Elemente leitfähig miteinander verbunden, wobei die Kontakte, auch Elektroden genannt, auf den gegenüberliegenden Seiten des photovoltaischen Elements angeordnet sind.
Dünnschichtsolarmodule werden auf Flächen von beispielweise ≥ 0,5 m² bis 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/Elemente, insbesondere Zellstreifen, sowie deren Verschaltung miteinander in Serie (Serienverschaltung), durchgeführt. Durch die Serienverschaltung 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.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, auf einem Substrat einen ersten elektrischen Kontakt ganzflächig als Schicht aufzubringen. Die erste Kontaktschicht wird von der Oberfläche bis hinunter zum Substrat durch einen ersten Strukturierungsschritt P1 in eine Mehrzahl parallel angeordneter Streifen unterteilt. Nach dem ersten Strukturierungsschritt P1 werden ganzflächig die aktiven Halbleiterschichten auf der Oberfläche des strukturierten ersten Kontakts aufgebracht, und die darin befindlichen Gräben aufgefüllt. Die Halbleiterschichten werden danach durch einen zweiten Strukturierungsprozess P2, ausgehend von der Oberfläche der Halbleiterschichten bis zur Oberfläche des ersten elektrischen Kontakts in eine Mehrzahl von Streifen unterteilt. Der zweite Strukturierungsprozess P2 findet nahe neben und parallel zum ersten Strukturierungsprozess P1 und den streifenförmigen Unterteilungen des ersten elektrischen Kontakts statt. Dann wird auf dem strukturierten ersten elektrischen Kontakt und den strukturierten Halbleiterschichten eine zweite elektrische Kontaktschicht auf der Oberfläche des streifenförmig unterteilten photovoltaischen Elements angeordnet und wiederum in Streifen unterteilt. Durch den dritten Strukturierungsprozess P3 wird der zweite elektrische Kontakt, ausgehend von dessen Oberfläche bis zur Oberfläche der Halbleiterschichten in eine Mehrzahl parallel angeordneter Streifen unterteilt. P3 findet möglichst nahe neben und parallel zum zweiten Strukturierungsprozess P2 und parallel, aber weiter entfernt vom ersten Strukturierungsprozess P1 statt.
Als Resultat ist, ausgehend von der Oberfläche des zweiten elektrischen Kontakts, eine Verbindung zum ersten elektrischen Kontakt hergestellt und durch das Auffüllen der Gräben in den darunter angeordneten photovoltaischen Elementen die Serienverschaltung hergestellt.
Ein Nachteil an diesem Standardverfahren ist die Ablation der funktionalen Schichten jeweils direkt nach ihrer Deposition. Hierdurch muss die Depositionskette zwangsläufig unterbrochen werden. Die Serienverschaltung führt zwar zu einer Reduzierung der Ohm'schen Verluste innerhalb eines Solarmoduls, allerdings wird durch die Strukturierung ebenfalls Sonnenenergie umwandelnde Fläche entfernt.
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 der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung streifenförmiger Elemente, insbesondere zu einem Solarmodul sowie ein Solarmodul anzugeben, mit dem die elektrisch-leitenden Eigenschaften gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Eigenschaften verbessert, insbesondere die Ohm'schen Serienwiderstandsverluste gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Verlusten verringert bzw. die Ausgangsspannung erhöht werden können.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Bildung und Serienverschaltung photovoltaischer Elemente zu Solarmodulen sowie ein Solarmodul anzugeben, bei dem die Geometrie der einzelnen photovoltaischen Elemente so eingestellt wird, dass die Gesamtleistung des Solarmoduls maximiert werden kann.
Darüber hinaus soll die Erfindung die Aufgabe erfüllen, eine Strukturierung eines Solarmoduls nach Deposition von wenigstens zwei funktionalen Schichten oder je nach Konfiguration der Schichtanordnung auch nach Deposition aller Schichten zu ermöglichen (auch als nachträgliche Serienverschaltung bezeichnet).
Desweiteren soll mit der vorliegenden Erfindung eine Rückseitenverschaltung ermöglicht und bereitgestellt werden, die zu einer gegenüber dem Stand der Technik effizienteren Ausnutzung der photovoltaisch aktiven Fläche (Frontseite) führt.
Die Aufgabe wird durch ein Solarmodul nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach dem Nebenanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.
Die Erfindung betrifft ein Solarmodul mit einer Schichtanordnung, umfassend wenigstens ein Substrat, eine erste elektrische Kontaktschicht, eine aktive Halbleiterschicht, eine zweite elektrische Kontaktschicht, eine Isolatorschicht sowie eine weitere dritte Kontaktschicht, mit einer Vielzahl an parallel angeordneten photovoltaischen Elementen (A, B, C...) die untereinander serienverschaltet sind, bei dem innerhalb der Fläche eines jeweiligen photovoltaischen Elements (A, B, C...), dessen Fläche durch die Länge L und die jeweilige Breite B des photovoltaischen Elements bestimmt wird, in periodischer Anordnung Kanäle verteilt sind, welche die erste elektrische Kontaktschicht mit der weiteren dritten Kontaktschicht elektrisch leitend kontaktieren.
Durch die erfindungsgemäße, elektrisch leitende Kontaktierung passieren die Ladungsträger zunächst die nicht ideal leitende erste elektrische Kontaktschicht (transparenter Frontkontakt) bis sie mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kanäle auf die sehr gut leitende dritte (Metall) Kontaktschicht gelangen. Durch die erfindungsgemäßen Kanäle wird der Weg, den die Ladungsträger durch die erste elektrische Kontaktschicht bis zum Erreichen der weiteren dritten Kontaktschicht zurücklegen müssen, gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Verschaltungswegen, reduziert.
Die gesamte Breite der photovoltaischen Elemente, auch als Zellstreifenbreite bezeichnet, wird begrenzt durch den Gesamtstrom der weiteren dritten Kontaktschicht, welche metallisch ist. Der gesamte Strom der durch die erste Kontaktschicht fließt ist konstant und steigt nicht an bei steigender Zellstreifenbreite, da der Abstand der erfindungsgemäßen Kanäle untereinander konstant bleibt und nur die Anzahl der Kanäle pro Zellstreifenbreite angepasst wird. Die Zellstreifenbreite kann dadurch weitaus breiter ausgelegt werden, als bisher nach dem Stand der Technik üblich, da an Stelle der bisher bekannten Kontaktierung zweier unterschiedlich leitender Schichten, d. h. einer gut leitenden metallischen Schicht mit einer weniger gut leitenden TCO Schicht, nun zwei gut leitende metallische Schichten (dritte Kontaktschicht und Rückkontaktschicht) kontaktiert sind und dadurch weitaus höhere Ströme tolerierbar sind.
Der optimale Abstand zwischen den Kanälen, d. h. die optimale periodische Anordnung und der Radius der Kanäle, mit denen die Gesamtleistung des Solarmoduls gegenüber dem Stand der Technik verbessert bzw. ein Leistungsmaximum des Solarmoduls erreicht werden kann, können mittels bekannter numerischer Berechnungsverfahren [2] der entstehenden Spannungsabfälle in den Kontaktschichten bestimmt werden. Dazu werden Strom-Spannungs-Kennlinien z. B. mit Hilfe von einer einzelnen Solarzelle aufgenommen, die mit einer möglichst kleinen Fläche (wodurch der Spannungsabfall in den Kontaktschichten vernachlässigbar wird) auf eine Referenzsolarzelle, die unter gleichen Herstellungsbedingungen wie die interessierende Solarzelle hergestellt wurde, aufgebracht wurde. Aus der gemessenen Strom-Spannungskennlinie zusammen mit den Materialeigenschaften der Kontaktschichten kann die numerische Berechnung der entstehenden Spannungsabfälle bestimmt werden. Aus den zuvor optimierten Abständen der Kanäle und den Radien der Kanäle kann zusammen mit der Kenntnis der elektrischen Eigenschaften der dritten Kontaktschicht die optimale Zellstreifenbreite durch bekannte numerische Berechnungen [2] bestimmt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung photovoltaischer Elemente zu einem Solarmodul, bei dem auf ein Substrat wenigstens eine erste elektrische Kontaktschicht, eine Halbleiterschicht, eine zweite elektrische Kontaktschicht, eine Isolatorschicht sowie eine weitere dritte Kontaktschicht aufgebracht wird, eine Strukturierung der Solarmodulfläche in einzelne photovoltaische Elemente (A, B, C, ...) und eine anschließende Serienverschaltung dieser Elemente durchgeführt wird, wobei erfindungsgemäß innerhalb der Fläche eines jeweiligen photovoltaischen Elements (A, B, C...), dessen Fläche durch die Länge L und die jeweilige Breite B des photovoltaischen Elements bestimmt wird, in periodischer Anordnung Kanäle verteilt werden, welche die erste elektrische Kontaktschicht mit der weiteren dritten Kontaktschicht elektrisch leitend kontaktieren.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten 1 bis 5 näher erläutert, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der Erfindung vorgesehen ist.
Es zeigen:
1: Verfahren zur Schichtanordnung in Superstratkonfiguration.
2: Varianten der Laserablation zur Bildung von Strukturierungsgräben.
3: Varianten der Laserablation zur Bildung von Kanälen.
4: Verfahren zur Schichtanordnung in Substratkonfiguration.
5: Varianten der Laserablation zur Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht/des Frontkontakts.
6: Solarmodul schematisch strukturiert in einzelne photovoltaische Elemente/Zellstreifen.
7: Aufsicht auf Solarmodul mit erfindungsgemäßen Kanälen sowie Seitenansicht der Schnittebene durch die Schichtanordnung im Bereich der Kanäle in Superstratkonfiguration.
8: Seitenansicht einer Schnittebene durch den Bereich der Kanäle wie in 7; hier in Substratkonfiguration.
1 zeigt ein mögliches Verfahrensablaufschema zur Herstellung einer Schichtanordnung, umfassend Schichten aus Substrat 1, erster elektrischer Kontaktschicht 2 (auch als Frontkontakt 1 bezeichnet), aktiver Halbleiterschicht 3, zweiter elektrischer Kontaktschicht 4 (auch als Rückkontakt bezeichnet), Isolatorschicht 5, und dritter elektrischer Kontaktschicht 6 (auch als Frontkontakt 2 bezeichnet) gemäß Superstratkonfiguration. In 1 sind die einzeln aufgebrachten und aufzubringenden Schichten als Seitenansicht eines Querschnitts durch eine Schichtanordnung dargestellt.
2 zeigt, ebenfalls als Seitenansicht eines Querschnitts durch eine Schichtanordnung dargestellt, mögliche Varianten der Laserablation zur Entfernung von Material der beispielsweise elektrischen Kontaktschichten 2/4 und Halbleiterschichten 3 aus einer Schichtanordnung, umfassend Schichten aus Substrat 1, erster elektrischer Kontaktschicht 2 (Frontkontakt 1), aktiver Halbleiterschicht 3 sowie zweiter elektrischer Kontaktschicht 4 (Rückkontakt). Gemäß Variante 1 in 2a) erfolgt die Entfernung des gewünschten Materials mittels Laser durch die Seite des transparenten Substrats 1. Gemäß Variante 2 in 2b) erfolgt die Entfernung des gewünschten Materials in zwei Schritten. Dabei wird in einem ersten Schritt die aktive Halbleiterschicht 3 und zweite elektrische Kontaktschicht 4 entfernt. In einem zweiten Schritt wird die erste elektrische Kontaktschicht 2 entfernt. Gemäß Variante 3 in 2c) erfolgt die Entfernung des gewünschten Materials durch Bestrahlung von der Schichtseite aus.
3 zeigt als Aufsicht auf die Schichtanordnung, wobei die zweite elektrische Kontaktschicht 4 die oberste sichtbare Ebene der Ansicht darstellt und die erste elektrische Kontaktschicht 2 die unterste sichtbare Ebene bildet, mögliche Varianten der Ausbildung der erfindungsgemäßen Kanäle 7 zur Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 (des Frontkontakts 1) durch Entfernen von Halbleitermaterial 3 und Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 (Rückkontakt) gemäß Verfahrensablauf 1c). In Variante 1 gemäß 3a) wird mittels üblicher Strahlgeometrie ein Ring aus mehreren Pulsen, hier beispielsweise 4 Pulsen, erzeugt, so dass im Zentrum ein Steg 8 aus Halbleitermaterial 3 und Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 stehen gelassen wird. In Variante 2 gemäß 3b) wird direkt eine Ablation in Form eines Rings durchgeführt, wobei hier eine Säule 8a aus Halbleitermaterial 3 und Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 im Zentrum des Rings stehen gelassen wird. Die Anzahl der Laserpulse und der Ringradius werden durch die benötigte Fläche der verbleibenden Säule 8a im Zentrum vorgegeben. In Variante 3 gemäß 3c) wird das Halbleitermaterial 3 und Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 beispielsweise kreisförmig komplett entfernt, ohne dass ein Steg oder eine Säule stehen gelassen wird. Die Entfernung des Materials kann grundsätzlich auch hier sowohl wieder von der Substratseite als auch von der Schichtseite aus durchgeführt werden.
4 zeigt ein mögliches Verfahrensablaufschema zur Herstellung einer Schichtanordnung, umfassend Schichten aus Substrat 1, erster elektrischer Kontaktschicht 2 (Frontkontakt), aktiver Halbleiterschicht 3, zweiter elektrischer Kontaktschicht 4 (Rückkontakt), Isolatorschicht 5, und dritter elektrischer Kontaktschicht 6 (Frontkontakt 2) gemäß Substratkonfiguration. In 4 sind die einzeln aufgebrachten und aufzubringenden Schichten als Seitenansicht eines Querschnitts durch eine Schichtanordnung dargestellt.
5 zeigt als Aufsicht auf die Schichtanordnung, wobei die Isolatorschicht 5 die oberste sichtbare Ebene der Aufsicht bildet und die erste elektrische Kontaktschicht 2 die unterste sichtbare Ebene der Darstellung bildet, mögliche Varianten der Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 (des Frontkontakts 1) nach Aufbringen des Isolatormaterials 5 gemäß Verfahrensablauf 1f).
Wurde bei der Ausbildung der erfindungsgemäßen Kanäle 7 ein Steg 8 aus Halbleitermaterial 3 und Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 im Zentrum der Kanäle 7 belassen, so wie in Variante 1 in 3a) dargestellt, so kann dieser Steg 8, auf dem nun zusätzlich auch Isolatormaterial 5 aufgebracht ist, zur Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 nach Aufbringen des Isolators 5 gemäß Variante 1 wie in 5a) dargestellt, gezielt entfernt werden und so die Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 (des Frontkontakts 1) erreicht werden.
Wurde bei der Ausbildung der erfindungsgemäßen Kanäle 7 das Material so entfernt, dass eine Säule 8a aus Halbleitermaterial 3 und Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 im Zentrum des Kanals 7 verblieben ist, wie in 3b) dargestellt, so kann diese Säule 8a, auf der nun zusätzlich auch Isolatormaterial 5 aufgebracht ist, zur Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 nach Aufbringen des Isolators 5 gemäß Variante 2 wie in 5b) dargestellt, gezielt entfernt werden und so die Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 (des Frontkontakts 1) erreicht werden.
Wurde bei der Ausbildung der erfindungsgemäßen Kanäle 7 kein Steg 8 oder keine Säule 8 aus Halbleitermaterial 3 und Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 im Zentrum der Kanäle 7 belassen, so wie in Variante 3 in 3c) dargestellt, so wird gemäß Variante 3 wie in 5c) dargestellt, im Zentrum der Kanäle (7) nur Isolatormaterial 5 selektiv, mit einem kleineren Radius als der Radius des zuvor erzeugten Kanals 7 entfernt, so dass im Umkreis der freigelegten Fläche, an den die Kanäle 7 flankierenden Seiten, Isolatormaterial 5 verbleibt und dadurch eine elektrische Isolation zur zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 (zum Rückkontakt) verbleibt.
6 zeigt schematisch ein Solarmodul 9 in Aufsicht, welches durch die Strukturierung in einzelne photovoltaische Elemente 10, synonym auch als Zellstreifen bezeichnet, strukturiert ist. Die Länge L der Zellstreifen 10 ist jeweils für alle Zellstreifen/photovoltaischen Elemente 10 eines Solarmoduls 9 identisch und bleibt konstant. Nur die Breite B der jeweiligen Zellstreifen 10 ist variabel und kann erfindungsgemäß angepasst werden. W_gesamt gibt die gesamte Breite des Solarmoduls 9 an.
7a) zeigt in Aufsicht einen Ausschnitt eines photovoltaischen Elements 10 A eines Solarmoduls 9, mit den benachbarten photovoltaischen Elementen 10 und B. Die Fläche des photovoltaischen Elements 10 A wird begrenzt und definiert durch die Strukturierungsgräben, die im ersten Strukturierungsschritt P1 gebildet wurden. Innerhalb der Fläche des photovoltaischen Elements 10 A sind die erfindungsgemäßen Kanäle 7 als kreisförmige Ausnehmungen dargestellt. Weiterhin in der Aufsicht dargestellt sind die Strukturierungsgräben, die durch die Strukturierungsschritt P1, P2 und P3 entstanden sind. Zur besseren graphischen Darstellung sind die Strukturierungsgräben P1 und P2 in der Aufsicht als Gräben eingezeichnet, obwohl in der Aufsicht nur die Strukturierungsgräben P3 erkennbar sein können, da die Gräben P1 und P2 im Verlauf des Verfahrens mit Material der Schichtanordnung gefüllt wurden. Der mit r gekennzeichnete Bereich der Kanäle 7 gibt den Radius der Kanäle 7 an. Der mit d gekennzeichnete Bereich der Kanäle 7 gibt den Abstand der Kanäle 7 untereinander an.
7b) zeigt eine Seitenansicht einer Schichtanordnung einer Schnittebene im Bereich der Kanäle 7 in Superstratkonfiguration. Neben den Schichten Substrat 1, erster elektrischer Kontaktschicht 2, aktiver Halbleiterschicht 3, zweiter elektrischer Kontaktschicht 4, Isolatorschicht 5 sowie weiterer dritter elektrischer Kontaktschicht 6 sind hier die durch die Strukturierungsschritte P1, P2 und P3 entstandenen Gräben zu erkennen. Weiterhin ist der Weg der Ladungsträger zu erkennen, dargestellt durch kleine Pfeile. Die durch die photovoltaische Reaktion erzeugten Ladungsträger wandern von der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 durch die Kanäle 7 in die weitere dritte elektrische Kontaktschicht 6 und über die durch die Strukturierungsgräben erzeugte Verschaltung zum benachbarten photovoltaischen Element 10.
In 8 ist ebenfalls eine Seitenansicht einer Schichtanordnung einer Schnittebene im Bereich der Kanäle 7, hier jedoch in Substratkonfiguration dargestellt. Neben den Schichten Substrat 1, erster elektrischer Kontaktschicht 2, aktiver Halbleiterschicht 3, zweiter elektrischer Kontaktschicht 4, Isolatorschicht 5 sowie weiterer dritter elektrischer Kontaktschicht 6 sind hier die durch die Strukturierungsschritte P1, P2 und P3 entstandenen Gräben zu erkennen. Weiterhin ist durch kleine Pfeile dargestellt, der Weg der Ladungsträger zu erkennen. Die durch die photovoltaische Reaktion erzeugten Ladungsträger wandern von der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 durch die Kanäle 7 in die weitere dritte elektrische Kontaktschicht 6 und über die durch die Strukturierungsgräben erzeugte Verschaltung zum benachbarten photovoltaischen Element 10.
Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren an Hand der Figuren bespielhaft zunächst für eine Superstratkonfiguration (1) beschrieben werden.
Bei der Superstratkonfiguration kann vorteilhaft zunächst eine Schichtanordnung, umfassend Substrat 1, erste elektrische Kontaktschicht 2, aktive Halbleiterschicht 3 sowie zweite elektrische Kontaktschicht 4 ohne Unterbrechung der Deposition aufgebracht werden. Dementsprechend ist in 1a) eine dementsprechende Schichtanordnung bereits komplett, ohne die einzelnen Zwischenschritte der Deposition aufzuführen, dargestellt.
Im Folgenden wird die Deposition dieser zuvor genannten Schichten, die nach den gemäß Stand der Technik üblichen Verfahren aufgebracht werden können, daher ohne Bezugnahme auf die 1 kurz zusammengefasst.
Auf einem Substrat 1 ist eine erste elektrische Kontaktschicht 2 (auch als Frontkontakt 1 bezeichnet) angeordnet. Dazu können z. B. die in der (Dünnschicht-)Solarzellentechnologie gebräuchlichen Superstrate eingesetzt werden. Hierzu zählen beispielsweise die in der Superstrattechnologie vorgesehenen Glassubstrate mit oder ohne nicht-leitfähige Zwischenschichten auf der Oberfläche.
Als erste elektrische Kontaktschicht 2 kommen insbesondere Materialien wie z. B. die in der Superstrattechnologie verwendeten ZnO-, SnO₂- oder ITO-Schichten in Betracht.
Auf der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 ist eine aktive Halbleiterschicht 3, insbesondere p-i-n- oder p-i-n-p-i-n- oder entsprechende n-i-p-Strukturen oder auch p-n-Strukturen, übereinander ganzflächig angeordnet.
Als p-i-n-Struktur wird beispielsweise eine Struktur aus amorphem Silizium verwendet. Als p-i-n-p-i-n-Struktur kommt beispielsweise eine Struktur aus amorphem Silizium und mikrokristallinem Silizium in Betracht.
Auf der aktiven Halbleiterschicht 3 ist eine zweite elektrische Kontaktschicht 4 auf der der ersten Kontaktschicht 2 gegenüberliegenden Seite der Halbleiterschichten 3 angeordnet. Dadurch wird eine Schichtstruktur, umfassend ein Superstrat 1, mit oder ohne einer nicht-leitfähige Zwischenschicht, eine hierauf angeordnete erste elektrische Kontaktschicht 2, eine hierauf angeordnete Halbleiterstruktur 3 sowie eine hierauf angeordnete zweite elektrische Kontaktschicht 4 bereitgestellt (1a)).
Zur Abscheidung können beispielsweise PECVD-Verfahren oder Sputterverfahren oder Photo-CVD- oder HWCVD- oder vergleichbare Verfahren genutzt werden.
Nachdem nun, wie schon zuvor erläutert, die Deposition der Schichten ohne Unterbrechung des Depositionsprozesses durchgeführt werden konnte, wird nachfolgend die anschließende Verschaltung des Solarmoduls 9, und zwar erfindungsgemäß auf der Rückseite (vom Licht abgewandte Seite) des Solarmoduls 9 beschrieben.
Dazu werden zunächst eine Mehrzahl parallel angeordneter Gräben zur Ausbildung und Trennung einer hierzu entsprechenden Mehrzahl streifenförmiger photovoltaischer Elemente 10 (A, B, C...) gebildet (1b)). Dieser Schritt wird als Strukturierungsschritt P1 bezeichnet. 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. Bei Einsatz der Laserablation kann die Ausbildung der Gräben mittels geeigneter Wahl an Lasern mit verschiedenen Wellenlängen und in Abhängigkeit der zu entfernenden Materialien selektiv in einem Schritt oder aber in zwei Schritten vollzogen werden (siehe 2). Dabei kann der Laser für der Fall einer Superstratkonfiguration sowohl durch die Seite des transparenten Substrates 1 durchgeführt werden (siehe 2a)) als auch durch die Schichtseite (siehe 2c)). Hierfür werden je nach Bearbeitungsseite üblicherweise Laserquellen mit Pulsdauern im Bereich von Nano-, Piko- und Femtosekunden verwendet. Als Wellenlänge sind je nach Aufbau der Laserquellen beispielsweise 1064 nm, 532 nm oder auch 355 nm bekannt. Weiterhin ist es möglich, die Ausbildung der Gräben in zwei Schritten durchzuführen, um den negativen Einfluss der Bearbeitung auf die aktive Solarzelle zu minimieren (siehe 2b)). Dazu wird in einem ersten Schritt die aktive Halbleiterschicht 3 und zweite elektrische Kontaktschicht 4 entfernt. Hier beispielsweise durch Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge von 532 nm. In einem zweiten Schritt wird dann die erste elektrische Kontaktschicht 2 entfernt. Hier beispielsweise mit einem Laser einer Wellenlänge von 355 nm.
In den Gräben wird das Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4, der Halbleiterschicht 3 sowie der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 entfernt und dadurch jeweils die Oberfläche des Superstrats 1 über die Länge der photovoltaischen Elemente 10 z. B. streifenförmig freigelegt.
Die parallel angeordneten Gräben unterteilen die Schichtstruktur in eine entsprechende Mehrzahl parallel angeordneter z. B. streifenförmiger photovoltaischer Elemente 10 (A, B, C, ...). Jedes photovoltaische Element 10 umfasst die Schichtenfolge aus Superstrat 1, gegebenenfalls Zwischenschicht, erster elektrischer Kontaktschicht 2, aktiver Halbleiterschichten 3 sowie zweiter elektrischer Kontaktschicht 4. Die photovoltaischen Elemente 10 liegen entsprechend der Strukturierungen parallel nebeneinander vor.
Im nächsten Schritt wird innerhalb der Fläche eines jeweiligen photovoltaischen Elements 10 (A, B, C, ...) in periodischer Anordnung, über die jeweilige Längen L/Breiten B-Raumebene des photovoltaischen Elements 10 verteilt, punktuell die zweite elektrische Kontaktschicht 4 und die aktive Halbleiterschicht 3 entfernt (siehe 1c)). Als Ergebnis ist punktuell die erste elektrische Kontaktschicht 2 innerhalb der Fläche eines jeden photovoltaischen Elements 10 periodisch über die Längen und Breiten-Raumebene verteilt, freigelegt. Diese Entfernung von Material kann beispielsweise über die Anwendung von Lasern erfolgen und im Falle der Superstratkonfiguration sowohl wieder von der Substratseite, als auch von der Schichtseite durchgeführt werden.
Durch die Erzeugung von punktuellen Kanälen 7 bzw. der punktuellen Freilegung der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 innerhalb der Fläche eines photovoltaischen Elements 10, bei denen die erste elektrische Kontaktschicht 2 und die dritte, noch nachfolgend aufzubringende elektrische Kontaktschicht 6 punktuell elektrisch leitend miteinander innerhalb eines photovoltaischen Elements 10 in Längen-Breiten Raumrichtung verbunden sind, wird zum einen die elektrische Verschaltung der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 auf die Rückseite des photovoltaischen Elements 10 geführt. Dies hat zur Folge, dass auf der Frontseite, d. h. die Seite, die dem Licht zugewandt ist, weniger Flächenverluste durch die Strukturierungsgräben, die allein der Verschaltung dienen und für die Energieproduktion verloren sind, entstehen. Die auf der Rückseite angeordneten Strukturierungsgräben können nun, da nicht mehr auf eine Vermeidung von Flächenverlusten Rücksicht genommen werden muss, breiter als die Strukturierungsgräben, die auf der Frontseite angeordnet werden, ausgestaltet werden, wodurch eine verbesserte elektrische Kontaktierung erreicht werden kann, da hierdurch bedingt der elektrische Widerstand reduziert werden kann.
Zum anderen wird durch die erfindungsgemäßen Kanäle 7 der Weg den die Ladungsträger durch die nicht ideal leitende erste elektrische Kontaktschicht 2 nehmen müssen bis zum Erreichen der noch aufzubringenden sehr gut leitenden, vorzugsweise metallischen, Kontaktschicht 6 gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Verschaltungen reduziert. Auf Grund der sehr unterschiedlichen Leitfähigkeit beider Schichten 2/6 kann dies insgesamt einen verringerten Spannungsabfall über den Kontaktschichten ergeben. Die gesamte Zellstreifenbreite wird nur begrenzt durch den Gesamtstrom in der Kontaktschicht 6, welche vorzugsweise metallisch ist. Der gesamte Strom, der durch die erste elektrische Kontaktschicht 2 fließt, ist konstant und steigt nicht an bei steigender Zellstreifenbreite, da der Abstand der Kanäle 7 untereinander konstant bleibt.
Die Kanäle 7 können mit Hilfe von Laserablation mit verschiedenartiger Geometrie erzeugt sein. So kann beispielsweise das gewünschte Material durch mehrere, in Form eines Quadrats angeordnete Pulse des Lasers entfernt werden, so dass ein Kanal 7 entsteht, bei dem im Zentrum ein Steg 8 des Materials verbleibt (siehe 3a)). In einer weiteren möglichen Ausführung wird direkt eine Ablation des Materials mittels Laser in Form eines Rings durchgeführt, so dass hier eine Säule (8a) im Zentrum des Kanals 7 verbleibt (siehe 3b)). In einer weiteren möglichen Ausführung wird die erste elektrische Kontaktschicht 2 kreisförmig ohne Verbleib von Material im Zentrum des Kanals 7, d. h. ohne Ausbildung eines Stegs 8 oder einer Säule 8a, freigelegt (siehe 3c)). Die Ausbildung der Stege 8 oder Säulen 8a kann auch durch die Intensitätsverteilung diffraktiv-optischer Elemente (DOEs) erfolgen.
Das Verfahren sieht vor, sodann Isolatormaterial 5 ganzflächig anzuordnen (siehe 1d)). Das Aufbringen des Isolators 5 kann z. B. durch Sprühen oder vorzugsweise durch einen Tintenstrahldrucker erfolgen. Der Drucker ist vorzugsweise computergesteuert. Es kann konventionelle Tintenstrahldruckertinte verwendet werden. Der Isolator 5 kann beispielsweise auch photolithographisch mittels Maskentechnologie angeordnet werden.
Vorteilhaft an dieser Strukturierung ist, dass die Anordnung des Isolators 5 in den Kanälen 7 nicht besonders exakt erfolgen muss.
Der Isolator 5 weist wenigstens die laterale Ausdehnung der P1-Gräben und Kanäle 7 auf. Er wird so in den P1-Gräben und Kanälen 7 angeordnet, dass die freigelegten Oberflächen des Substrats 1, der ersten elektrischen Kontaktschicht 2, der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 sowie die Flanken der „Stege”/”Säulen” 8/8a mit Isolator 5 bedeckt werden. Dadurch wird vorteilhaft für die Aufbringung des Isolatormaterials 5 eine erhebliche Zeitersparnis im Vergleich zum Stand der Technik bewirkt.
Im Strukturierungsschritt P2, der nahe neben und parallel zum ersten Strukturierungsprozess P1 und den streifenförmigen Unterteilungen des ersten elektrischen Kontakts 2 stattfindet, werden parallel angeordnete P2-Gräben gebildet, in dem Isolatormaterial 5 so weit entfernt wird, dass über die Länge der photovoltaischen Elemente 10 die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 z. B. streifenförmig freigelegt wird (siehe 1e)). Hier kann die Entfernung des Isolatormaterials 5 beispielsweise wieder über Laserablation erfolgen. Allerdings kann die Ablation nur von der Schichtseite und nicht von der Substratseite aus erfolgen, da es technisch nicht möglich ist, den Isolator von der Substratseite aus selektiv zu entfernen.
Neben der Entfernung des Isolatormaterials 5 gemäß des zuvor geschilderten Strukturierungsschritts P2 wird, für die anschließende elektrische (Rück-)Kontaktierung der ersten elektrischen Kontaktschichten 2 mit dem noch aufzubringenden weiteren Kontaktmaterial 6 innerhalb eines jeweiligen photoelektrischen Elements 10, der Isolator 5 in den Kanälen 7 lokal wieder entfernt, so dass in den entstehenden Ausnehmungen die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 freigelegt wird (siehe 1f)). Nicht freigelegt werden die Halbleiterschichten 3 sowie die zweite elektrische Kontaktschicht 4. Das Isolatormaterial 5 kann im Zentrum der Kanäle 7, beispielsweise durch Laserablation, entfernt werden. Dies kann sowohl von der Substratseite, als auch von der Schichtseite aus erfolgen. Voraussetzung dafür ist jedoch die Selektivität der Ablation zwischen Isolatormaterial 5 und dem Material der ersten elektrischen Kontaktschicht 2. Bei der zuvor beschriebenen Ausführung der Kanäle 7, die im Zentrum einen Steg 8 oder eine Säule 8a aufweisen, kann die Entfernung des Isolatormaterials 5 derart erfolgen, dass der Isolator 5 indirekt über die Ablation des in den Kanälen 7 verbliebenen Materials der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 und der Halbleiterschicht 3, die in Form von Stegen 8 oder Säulen 8a im Kanal 7 verblieben sind, von der Substratseite oder auch Schichtseite aus entfernt wird (siehe 5a)/5b)). Bei einer hohen optischen Transparenz des Isolatormaterials ergibt sich daraus eine vorteilhafte Prozessstabilität, da lediglich die zuvor definierten Stege 8 bzw. Säulen 8a entfernt werden. Das Isolatormaterial 5 in direkter Umgebung der Stege 8 bzw. Säulen 8a ist hierdurch nicht beeinflusst. Wurden die Kanäle 7, wie zuvor in einer Ausführungsform beschrieben, ohne den Verbleib von Stegen 8 oder Säulen 8a erzeugt, so sind die Kanäle 7 allein mit Isolatormaterial 5 gefüllt. In diesem Fall wird gemäß Variante 3 wie in 5c) dargestellt, im Zentrum der Kanäle 7 nur Isolatormaterial 5 selektiv, mit einem kleineren Radius als der Radius des zuvor erzeugten Kanals 7 entfernt, so dass im Umkreis der freigelegten Fläche, an den die Kanäle 7 flankierenden Seiten, Isolatormaterial 5 verbleibt und dadurch eine elektrische Isolation zur zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 zum Rückkontakt verbleibt.
Im weiteren Verfahrensschritt wird ganzflächig eine weitere elektrische Kontaktschicht 6 aufgebracht (siehe 1g)). Dadurch wird die in den Kanälen 7 freigelegte Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 eines photovoltaischen Elements (A) sodann mit der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 des benachbarten photovoltaischen Elements (B) elektrisch in Serie geschaltet, ohne dass Kurzschlüsse gebildet werden. Als Kontaktmaterial wird elektrisch leitfähiges Material, wie z. B. Silber, vorzugsweise mittels Tintenstrahldruck oder Siebdruck aufgetragen. Die weitere elektrische Kontaktschicht 6 sorgt weiterhin dafür, dass innerhalb eines jeweiligen photovoltaischen Elements 10 die erste elektrische Kontaktschicht 2 tunnelartig mit dem weiteren elektrischen Kontaktmaterial 6 elektrisch leitend kontaktiert ist.
Zur Auffüllung der Kanäle 7 mit Isolator- 5 und Kontaktmaterial 6 wird besonders bevorzugt ein Tintenstrahldruckverfahren verwendet. Ein Tintenstrahldrucker kann sowohl zum Druck von leitfähiger Silbertinte, als auch von isolierender Druckertinte, verwendet werden. Der Drucker kann computergesteuert das gesamte Verfahren weiter beschleunigen.
Alternativ kann auch mittels Masken und Sprüh- und/oder Photolithographietechnik oder geeigneter Siebdrucktechnik, oder Spincoating, das Isolatormaterial und/oder das Kontaktmaterial zur Serienverschaltung aufgebracht werden.
In Abhängigkeit vom verwendeten Laser und dessen Wellenlänge wird eine materialselektive Laserablation angewendet, bei der sowohl das Material der aktiven Halbleiterschichten 3, als auch die erste und/oder zweite elektrische Kontaktschicht 2/4 oder der Isolator 5 oder das Kontaktmaterial 6 entfernt werden kann. Es kann ein Laserkopf mit zwei oder mehr Lasern verwendet werden. Eine Laserablation im Sinne der Erfindung verläuft vorzugsweise computergesteuert.
Eine ganzflächige Anordnung des Isolators 5, auch auf der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4, verläuft besonders unpräzise und damit sehr schnell. Die Dicke des Isolators 5 kann wenige Nanometer bis einige Mikrometer betragen. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann auch ein transparenter Isolator 5 eingesetzt werden.
Das Kontaktmaterial 6 kann ebenfalls ganzflächig angeordnet werden und die Oberfläche der Schichtstruktur bedecken.
Als Kontaktmaterial können Chrom und vorzugsweise Silber und Aluminium verwendet werden.
Der Schritt, wonach der Isolator 5 ganzflächig angeordnet wird, sowie der Schritt, wonach das Kontaktmaterial 6 zur Serienverschaltung der benachbarten photovoltaischen Elemente 10 von der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 eines photovoltaischen Elements 10 bis zur Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 eines benachbarten photovoltaischen Elements 10 angeordnet wird, lassen das Verfahren besonders vorteilhaft deutlich schneller als gemäß des Standes der Technik erfolgen.
Besonders vorteilhaft lässt sich mit der Deposition aller Schichten nacheinander ohne Strukturierung derselben, also von Superstrat 1 und erster elektrischer Kontaktschicht 2 und aktiven Halbleiterschichten 3 und zweiter elektrischer Kontaktschicht 4, eine deutliche Beschleunigung des Verfahrens erzielen, da die Deposition nicht für die Strukturierungsschritte unterbrochen werden muss. Eine weitere Beschleunigung erfolgt nach den Strukturierungen durch das ganzflächige Aufbringen von Isolator- 5 und Kontaktmaterial 6 und der anschließenden lokalen Entfernung zur Freilegung der Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 2. Auf diese Weise lässt sich eine viel schnellere Serienverschaltung als nach dem Stand der Technik realisieren.
Das Verfahren hat nach der Aufbringung des Isolators, bzw. des Kontaktmaterials, in insbesondere punktförmigen Bereichen, das Potential, Solarzellen mit größeren Zellstreifenbreiten herzustellen. Dies hat den Vorteil der flexibleren Steuerung der Strom-Spannungs-Ausgangscharakteristik und prinzipiell höheren Strömen, was bei der Auslegung von Photovoltaikanlagen von Vorteil ist.
Sofern der Isolator 5 auf die Schichten in den Kanälen 7 und ganzflächig auch auf die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 angeordnet wird, werden die Oberfläche der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 in den Kanälen 7 sowie benachbart zu den Kanälen 7, die Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 gemäß Strukturierungsschritt P2, durch lokale Entfernung des Isolators 5 wieder freigelegt. Es entstehen im Isolator 5 im Bereich der Kanäle 7 und benachbart hierzu auf der Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 bereichsförmige Ausnehmungen. Diese Ausnehmungen im Bereich der Kanäle 7 werden derart gebildet, dass im weiteren Kurzschlüsse, durch stehen bleibendes Isolatormaterial 5, vermieden werden. Das heißt, dass in den Kanälen 7 Halbleitermaterial 3 und Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 nicht freigelegt werden. Sodann kann wiederum ganzflächig Kontaktmaterial 6 auf dieser Schichtstruktur abgeschieden und in die Kanäle 7 sowie als Deckschicht ein- bzw. aufgebracht werden. Da auch dieser Schritt unpräzise vorgenommen werden kann und auf der gesamten Oberfläche der Schichtstruktur Kontaktmaterial 6 angeordnet werden kann, verläuft dieser Schritt wiederum sehr schnell.
Abschließend wird sodann in einem Strukturierungsschritt P3 an geeigneten Stellen, vorzugsweise nahe neben und parallel zum zweiten Strukturierungsschritt P2, die Oberfläche des Isolators 5 streifenförmig über die Länge der photovoltaischen Elemente 10 freigelegt indem Material der dritten elektrischen Kontaktschicht 6 streifenförmig über die Länge der photovoltaischen Elemente 10 entfernt wird und die Serienverschaltung abgeschlossen, ohne dass Kurzschlüsse entstehen können (siehe 1h)).
Als Ergebnis ist die dritte elektrische Kontaktschicht 6 eines photovoltaischen Elements 10 mit der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 des benachbarten photovoltaischen Elements 10 auf der Rückseite des Solarmoduls 9 in Serie geschaltet.
Durch Wahl eines Materials für die zweite elektrische Kontaktschicht 4 mit einer geringeren Leitfähigkeit als das der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 wird vorteilhaft bewirkt, dass weniger Licht im Bereich der Kontaktschichten absorbiert wird.
Als Isolator kann ein so genannter „weißer Reflektor” gewählt werden, z. B. weiße Farbe 3070 der Fa. Marabu. Hierdurch wird besonders vorteilhaft bewirkt, dass die Reflektion und Streuung des Lichts zurück in die Solarzelle erhöht wird.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren bespielhaft für eine Substratkonfiguration beschrieben.
Substratkonfiguration:
Auf einem Substrat 1 wird eine elektrische Kontaktschicht 6 angeordnet (4a)). Dazu können z. B. die in der (Dünnschicht-)Solarzellentechnologie gebräuchlichen Substrate eingesetzt werden. Hierzu zählen beispielsweise die in der Substrattechnologie vorgesehenen Metallfolien aus Stahl oder Aluminium oder auch Plastikfolien aus PEN.
Als elektrische Kontaktschicht kommen insbesondere Materialien wie z. B. die in der Substratttechnologie verwendeten Silber/ZnO-Schichten in Betracht.
Anschließend wird gemäß Strukturierungsschritt P1 die Oberfläche des Substrats 1 streifenförmig freigelegt, indem Material der elektrischen Kontaktschicht 6 in Form von parallel angeordneten Gräben streifenförmig entfernt wird 4b)).
Im nächsten Schritt wird Isolatormaterial 5 ganzflächig aufgebracht (4c)).
In einem weiteren Verfahrensschritt wird gemäß Strukturierungsschritt P2, der nahe neben und parallel zum ersten Strukturierungsschritt P1 stattfindet, Material der Isolatorschicht 5 so weit entfernt, dass über die Länge der photovoltaischen Elemente 10 die Oberfläche der dritten elektrischen Kontaktschicht 6 (auch als Frontkontakt 2 bezeichnet) in parallel angeordneten Gräben freigelegt wird (4d)).
Danach wird Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 auch als Rückkontakt bezeichnet, ganzflächig aufgebracht (4e)).
Im nächsten Schritt wird Material der aktiven Halbleiterschicht 3 ganzflächig aufgebracht (4f)).
Anschließend wird, wie zuvor schon für die Superstratkonfiguration beschrieben, innerhalb der Fläche eines jeweiligen photovoltaischen Elements 10 in periodischer Anordnung, über die jeweilige Längen-Breiten-Raumebene des photovoltaischen Elements 10 verteilt, punktuell die Halbleiterschicht 3, die zweite elektrische Kontaktschicht 4 und in diesem Fall zusätzlich auch die Isolatorschicht 5 entfernt, so dass Kanäle 7 entstehen (4g)). Als Ergebnis ist, wie schon bei der Superstratanordnung beschrieben, eine elektrisch leitende, vorzugsweise metallische, Kontaktschicht 6 innerhalb der Fläche eines jeden photovoltaischen Elements periodisch über die Längen-Breiten-Raumebene verteilt, punktuell freigelegt.
Nachdem die erfindungsgemäßen Kanäle 7 erzeugt wurden, wird in diese Kanäle 7 Isolatormaterial 5 eingebracht (4h)). Dies kann mit Hilfe von in der Solarzelltechnik bekannt Verfahren wie z. B. mit Hilfe von Druckern, Lithographieverfahren sowie mit Hilfe von Maskentechnologie erfolgen.
Im nächsten Verfahrensschritt (4i)) wird ein Teil des Isolatormaterials 5 im Zentrum der Kanäle 7 bis zur elektrischen Kontaktschicht 6 so weit entfernt, dass an den die zweite elektrische Kontaktschicht 4 und die Halbleiterschicht 3 flankierenden Seiten der Kanäle 7 ausreichend Isolatormaterial 5 verbleibt, welches eine elektrische Isolation der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 und der Halbleiterschicht 3 jeweils in den Kanälen 7 gewährleistet. Als Ergebnis ist die elektrische Kontaktschicht 6 im Bereich genau unterhalb der Kanäle 7 freigelegt. Dies erfolgt beispielsweise durch Lasern von der Schichtseite aus.
Im nächsten Verfahrensschritt wird eine elektrische, transparente Kontaktschicht 2, vorzugsweise TCO Schicht, ganzflächig aufgebracht, die nun sowohl die Halbleiterschicht 3, als auch die zuvor freigelegte Oberfläche der elektrischen Kontaktschicht 6 bedeckt und kontaktiert (4k)).
In einem weiteren Strukturierungsschritt P3 (4l)) werden nahe neben und parallel zu den durch die Strukturierungsschritte P2 erzeugten Gräben und parallel, aber weiter entfernt von den durch die ersten Strukturierungsschritte P1 erzeugten Gräben, dritte Gräben P3 gebildet. Dabei wird Material der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4, Halbeitermaterial 3 sowie Material der elektrischen Kontaktschicht 2 grabenartig entfernt. Als Ergebnis ist die zweite elektrische Kontaktschicht 4 eines photovoltaischen Elements 10 mit der dritten elektrischen Kontaktschicht 6 des benachbarten photovoltaischen Elements 10 auf der Rückseite des Solarmoduls 9 in Serie geschaltet.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: erste elektrische Kontaktschicht (Frontkontakt 1)
3: Halbleiterschicht
4: zweite elektrische Kontaktschicht (Rückkontakt)
5: Isolatorschicht/Isolatormaterial
6: dritte elektrische Kontaktschicht (Frontkontakt 2)
7: Kanal
8: Steg im Kanal 7
8a: Säule im Kanal 7
9: Solarmodul
10: einzelnes photovoltaisches Element/Zellstreifen

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] Haas, S.; Krumscheid, S.; Bauer, A.*; Lambertz, A.*; Rau, U.*: Novel series connection concept for thin film solar modules. Progress in photovoltaics 21(5), 972–979 (2012) [10.1002/pip.2188]

Claims

Solarmodul (9) mit einer Schichtanordnung, umfassend wenigstens ein Substrat (1), eine erste elektrische Kontaktschicht (2), eine aktive Halbleiterschicht (3), eine zweite elektrische Kontaktschicht (4), eine Isolatorschicht (5) sowie eine weitere dritte Kontaktschicht (6), mit einer Vielzahl an parallel angeordneten photovoltaischen Elementen (10) (A, B, C...), bei dem innerhalb der Fläche eines jeweiligen photovoltaischen Elements (10) (A, B, C...), dessen Fläche durch die Länge L und Breite B des photovoltaischen Elements (10) bestimmt wird, in periodischer Anordnung Kanäle (7) verteilt sind, welche die erste elektrische Kontaktschicht (2) mit der weiteren dritten Kontaktschicht (6) elektrisch leitend kontaktieren.
Solarmodul (9) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Kontaktschicht (4) eines photovoltaischen Elements (10) mit der dritten elektrischen Kontaktschicht (6) des benachbarten photovoltaischen Elements (10) auf der Rückseite des Solarmoduls (9) in Serie geschaltet ist.
Verfahren zur Herstellung und Serienverschaltung photovoltaischer Elemente zu einem Solarmodul (9), bei dem auf ein Substrat (1) wenigstens eine erste elektrische Kontaktschicht (2), eine Halbleiterschicht (3), eine zweite elektrische Kontaktschicht (4), eine Isolatorschicht (5) sowie eine weitere dritte Kontaktschicht (6) aufgebracht wird, und eine Strukturierung der Solarmodulfläche in einzelne photovoltaische Elemente (10) (A, B, C, ...) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Fläche eines jeweiligen photovoltaischen Elements (10) (A, B, C...), dessen Fläche durch die Länge L und Breite B des photovoltaischen Elements (10) bestimmt wird, in periodischer Anordnung verteilt, elektrisch leitende Kanäle (7) zwischen der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) und der weiteren elektrischen Kontaktschicht (6) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strom-Spannungskennlinie, gemessen mittels einer einzelnen Solarzelle, aufgebracht auf eine Referenzzelle, ermittelt wird, die Materialeigenschaften der Kontaktschichten ermittelt werden und mittels dieser Informationen numerische Berechnungen der entstehenden Spannungsabfälle durchgeführt werden, und aus diesen Berechnungen der Abstand der Kanäle (7) zueinander und der Radius der Kanäle (7) bestimmt wird, mit dem eine maximale Gesamtleistung des Solarmoduls (9) erreicht werden kann, und aus diesen Ergebnissen der Abstände und der Radien der Kanäle (7), im Kombination der Kenntnis der elektrischen Eigenschaften der dritten Kontaktschicht (6), durch numerische Berechnungen die optimale Zellstreifenbreite bestimmt wird.