DE102014224679A1

DE102014224679A1 - Solarzelle

Info

Publication number: DE102014224679A1
Application number: DE102014224679.2A
Authority: DE
Inventors: Bernd Bitnar; Gunter Erfurt; Stefan Steckemetz
Original assignee: SolarWorld Innovations GmbH
Current assignee: SolarWorld Industries GmbH
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-06-02
Also published as: US20160155865A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle mit einem Halbleiterkörper und mit einer Kontaktanordnung zur elektrischen Kontaktierung einer Oberfläche des Halbleiterkörpers, enthaltend: eine Vielzahl von stromsammelnden Kontaktfingern, welche im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete sind, wobei ein Kontaktfinger jeweils einen Linienwiderstand von mindestens 100 Ω/m aufweist, eine Vielzahl von Stromsammelschienen, welche mit den Kontaktfingern elektrisch verbunden sind, und mindestens einen die Stromsammelschienen elektrisch durchgängig verbindenden Zellverbinder, wobei die Kontaktfinger und die Stromsammelschienen insbesondere bezüglich deren Materialeigenschaften, deren Anordnung auf dem Halbleiterkörper, deren Breite und deren Schichtdicke derart dimensioniert sind, dass die Kontaktanordnung einen Serienwiderstand von maximal 1 Ωcm² aufweist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarzelle.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle mit einer elektrischen Kontaktanordnung. Obgleich die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problematik nachfolgend mit Bezug auf eine Solarzelle mit einer Frontseitenkontaktanordnung erläutert wird, sei sie nicht darauf beschränkt, sondern lässt sich auf beliebig angeordnete und ausgestaltetet Solarzellen-Kontaktanordnungen erweitern.
Eine Frontseitenkontaktanordnung umfasst in der Regel einen Frontkontakt, welcher einen elektrischen Metall-Halbleiter-Kontakt zum Halbleitermaterial herstellt, und zumindest einem mit diesem elektrisch leitend verbundenen Zellverbinder. Der Frontkontakt umfasst stromsammelnde Kontaktfinger und eine oder mehrere mit den Kontaktfingern elektrisch leitend verbundene Stromsammelschiene. Die Zellverbinder sind mit der Stromsammelschiene elektrisch leitend und flächig verbunden. Eine derartige Frontseitenkontaktanordnung ist z. B. in der DE 10 2011 055 561 A1 beschrieben.
Bei einer herkömmlichen Solarzelle umfasst die Frontseitenkontaktanordnung eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden, etwa 100 μm schmalen Kontaktfingern und in der Regel 1 bis 3 senkrecht zu diesen verlaufenden, sehr viel breiteren Stromsammelschienen mit einer Breite von etwa 2 mm. Die Zellverbinder sind in der Regel etwas schmäler als die entsprechenden Stromsammelschienen ausgebildet und dienen dem Zweck, mehrere Solarzellen elektrisch zu einem Modul zu verbinden.
Um bei einer Solarzelle eine möglichst hohe Energieausbeute zu realisieren, sollte eine möglichst große Oberfläche der Solarzelle zur photovoltaischen Stromerzeugung beitragen. Problematisch ist, dass diejenigen Bereiche der Solarzellenoberfläche, welche von der Frontseitenkontaktanordnung überdeckt werden, dadurch bedingt vom Sonnenlicht abgeschattet sind und somit nicht mehr zur Stromerzeugung beitragen können, was insgesamt die Effizienz der Solarzelle reduziert. Man spricht hier von so genannten Kontakt-bedingten Abschattungseffekten. Es besteht somit der Bedarf, die Kontaktfinger und Stromsammelschienen der Frontseitenkontaktanordnung flächenmäßig so auszulegen, dass sie eine möglichst kleine Fläche der Vorderseite der Solarzelle bedecken.
Ein erster Ansatz hierfür wäre, die Abstände der Kontaktfinger und Stromsammelschienen zu erhöhen und/oder deren Anzahl zu reduzieren. Dies ist aber nur bedingt möglich, da dann nicht mehr gewährleistet ist, dass alle im Halbleiter durch Photoeffekt erzeugten Ladungsträger über die Frontseitenkontaktanordnung aufgenommen werden, was insgesamt den Wirkungsgrad der Solarzelle verringert.
Ein zweiter Ansatz bestünde darin, die Breite der Kontaktfinger bzw. ggfs. auch der Stromsammelschienen zu reduzieren. Problematisch daran ist, dass sich dadurch deren Widerstand erhöht, was wiederum die Verlustleistung erhöht und die Effizienz der Solarzelle reduziert. Insbesondere sollte der Linienwiderstand eines Kontaktfingers möglichst niedrig sein, damit deren Widerstandsverluste den Wirkungsgrad der Solarzelle nicht zu stark beeinträchtigen. Der entsprechende Zusammenhang resultiert aus dem Ohm'schen Gesetz, wonach bei konstanter Spannung eine Erhöhung des Widerstandes eine entsprechende reduzierte Stromstärke bewirkt. Somit können die Kontaktfinger und die Stromsammelschienen nicht beliebig schmal ausgeführt werden. Typischerweise beträgt der Linienwiderstand eines Kontaktfingers einer heute bekannten Solarzelle mit drei Stromsammelschienen etwa 30 bis 60 Ω/m.
Demzufolge ist im Hinblick auf die Optimierung des Wirkungsgrades einer Solarzelle das Augenmerk darauf zu richten, dass ein Design einer Frontseitenkontaktanordnung gefunden wird, welches eine möglichst geringe Kontakt-bedingte Abschattung bei gleichzeitig möglichst geringem Linienwiderstand der Kontaktfinger und Stromsammelschienen offeriert.
Ein weiterer Aspekt ist eine geeignete Materialwahl der Frontseitenkontaktanordnungen. Kontaktanordnungen sollten aus einem elektrisch möglichst gut leitenden Material, wie etwa Silber, Aluminium, Kupfer, etc., hergestellt sein. Besonders Silber ist hervorragend geeignet, da es im Vergleich zu vielen anderen Materialien eine höhere Leitfähigkeit aufweist, was wiederum vorteilhaft für den Linienwiderstand und damit die Effizienz von mit Silber hergestellten Kontaktanordnungen ist. Allerdings geht dies zu Lasten der Material- und Herstellungskosten, da Kontaktanordnungen aus Silber im Vergleich zu anderen Materialien sehr viel kostenintensiver sind. Somit stehen einer Reduzierung des Linienwiderstandes durch eine erhöhte Querschnittsfläche stets ein erhöhter Material- bzw. Silberverbrauch und somit höhere Materialkosten entgegen.
In der Praxis wird bisher ein mehr oder weniger guter Kompromiss aus Materialkosten, Abschattung und elektrischem Widerstand gesucht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle mit verringerten Herstellungskosten und/oder verringerten Widerstandsverlusten bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Solarzelle gemäß Anspruch 1 gelöst.
Demgemäß ist eine Solarzelle vorgesehen, mit einem Halbleiterkörper und mit einer Kontaktanordnung zur elektrischen Kontaktierung einer Oberfläche des Halbleiterkörpers, enthaltend: eine Vielzahl von stromsammelnden Kontaktfingern, welche im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete sind, wobei ein Kontaktfinger jeweils einen Linienwiderstand von mindestens 100 Ω/m aufweist, eine Vielzahl von Stromsammelschienen, welche mit den Kontaktfingern elektrisch verbunden sind, wobei die Kontaktfinger und die Stromsammelschienen insbesondere bezüglich deren Materialeigenschaften, deren Anordnung auf dem Halbleiterkörper, deren Breite und deren Schichtdicke derart dimensioniert sind, dass die Kontaktanordnung einen Serienwiderstand von maximal 1 Ωcm² aufweist.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass heutige Solarzellen-Kontaktanordnungen lediglich eine oder zumindest sehr wenige Stromsammelschienen aufweisen. Die Idee der vorliegenden Erfindung ist nun, die Anzahl der verwendeten Stromsammelschienen deutlich zu erhöhen, ohne aber dadurch die Kontakt-bedingte Abschattung zu erhöhen.
Durch die Erhöhung der Anzahl der Stromsammelschienen können bei zumindest gleicher elektrischer Leitfähigkeit die Stromsammelschienen und die Kontaktfinger signifikant schmaler ausgeführt werden. Durch die Verwendung einer erhöhten Anzahl an Stromsammelschienen verringert sich auch deren Abstand zueinander. Infolgedessen verringert sich die Strecke, welche Ladungsträger auf den vergleichsweise hochohmigen Kontaktfingern zurücklegen, was eine Effizienzsteigerung bewirkt.
Die Breite der Kontaktfinger wird derart geringer, dass sich deren Linienwiderstand auf mindestens 100 Ω/m erhöht. Gleichzeit wird aber die Anzahl der Stromsammelschienen erhöht, wobei deren Anzahl so gewählt wird, dass der spezifische Gesamtwiderstand der Solarzelle, also der spezifische (flächenbezogene) Serienwiderstand, geringer ist als 1 Ωcm². Dies führt insgesamt zu einer Verringerung der Kontakt-bedingten Abschattung, was letztlich die Effizienz der Solarzelle erhöht.
Hinzu kommt, dass die Kontaktanordnung dadurch bedingt Material-effizienter hergestellt werden kann, was insbesondere bei vergleichsweise kostenintensiven Kontaktmaterialien, wie etwa Silber, die Materialkosten und damit einhergehend die Herstellkosten senkt.
Insbesondere ist es vorteilhaft, die Kontaktfinger und die Stromsammelschienen derart auszulegen, dass weniger als 5% der Oberfläche der Solarzelle bedeckt sind. Dadurch wird sichergestellt, dass ein möglichst großer Anteil der Solarzellenoberfläche zur Stromgewinnung nutzbar ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass ein Kontaktfinger jeweils einen Linienwiderstand von mindestens 200 Ω/m aufweist. Dadurch kann ein Kontaktfinger noch schmaler ausgebildet werden, was die Materialkosten weiter reduziert.
Bevorzugt wird die Kontaktanordnung derart dimensioniert, dass sie einen Serienwiderstand von maximal 0,7 Ωcm² aufweist. Bevorzugt wird dies durch eine besonders günstige Anordnung und durch eine vorteilhafte Anzahl an Stromsammelschienen und/oder Kontaktfinger auf dem Halbleiterkörper sowie durch deren besonders günstige geometrische Auslegung hinsichtlich Breite und Schichtdicke erreicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kontaktfinger und/oder die Stromsammelschienen aus einem elektrisch leitfähigen, silberfreien Material gefertigt, wie etwa Nickel, Aluminium, Kupfer, Silizium, Zink, etc. oder Legierungen davon. In diesem Fall weisen die Kontaktfinger jeweils eine Breite von maximal 100 μm auf. Bedingt durch vergleichsweise kostengünstige Materialien lassen sich Kontaktanordnungen dadurch besonders kostengünstig herstellen.
In einer alternativen, besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kontaktfinger aus Silber oder einer Silber enthaltenden Legierung. In diesem Fall weisen die Kontaktfinger jeweils eine Breite von maximal 50 μm auf, wodurch die Kontakt-bedingte Abschattung weiter deutlich reduziert wird. Dies stellt zudem einen relativ guten Kompromiss aus hoher elektrischer Leitfähigkeit und geringen Herstellungskosten dar, da in diesem Fall der Materialeinsatz von vergleichsweise teurem Silber durch die deutlich kleineren Kontaktstrukturen reduziert ist.
Eine Reduzierung des Silbermaterials kann auch dadurch erreicht werden, dass der Silberanteil in einem Kontaktfinger reduziert wird und durch ein anderes kostengünstiges Metall ersetzt wird. Alternativ kann der Kontaktfinger dünner und schmäler, d. h. mit kleinerem Querschnitt, ausgelegt sein, so dass dadurch die verwendete Silbermenge reduziert wird.

Es hat sich gezeigt, dass die optimale Breite eines Kontaktfingers im Wesentlichen von der Anzahl der Stromsammelschienen abhängt. Insbesondere ergeben sich die folgenden Abhängigkeiten:

Anzahl der Stromsammelschienen	Kontaktfingerbreite [mm]	Linienwiderstand eines Kontaktfingers aus Silber [Ω/m]	Linienwiderstand eines Kontaktfingers aus Nickel [Ω/m]
5	0,06	60	320
12	0,05	85	454
30	0,04	115	614

Derartige Kontaktfinger können aufgrund der Material- bzw. Silbereinsparung sehr kostengünstig hergestellt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Stromsammelschienen pad-artig als so genannte Stromsammelpads ausgebildet. Dabei kontaktiert ein Stromsammelpad zumindest einen Kontaktfinger und vorzugsweise genau nur einen Kontaktfinger. Eine Stromsammelschiene kann also eine Reihe von getrennter Kontaktpads sein, die jeweils einem oder mehreren Kontaktfingern zugeordnet sind, aber einzeln oder in Gruppen voneinander getrennt sind, solange sie nicht durch einen Zellverbinder verbunden sind. In einer besonderen Ausgestaltung ist die Stromsammelschiene lediglich eine Reihe von vorbestimmten Kontaktpositionen auf den Kontaktfingern, die an diesen Positionen später durch einen Zellverbinder miteinander verbunden werden sollen, wobei die Kontaktpositionen keine vergrößerten Flächen auf dem Kontaktfinger darstellen. Solange die Solarzelle nicht mit einem Zellverbinder verbunden, ist der Serienwiderstand einer Solarzelle nur mit einem Adapter messbar, der alle Kontaktfinger an den vorbestimmten Konatktpositionen kontaktiert und verbindet.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Solarzelle wenigstens fünf Stromsammelschienen aufweist. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Solarzelle, abhängig vom Design, bis zu 15, 20, 30 oder sogar bis zu 50 Stromsammelschienen aufweist. Durch die so gesteigerte Anzahl der verwendeten Stromsammelschienen, kann – abhängig vom Design – der Abstand zwischen den Stromsammelschienen verringert werden, wodurch der aufgenommene Strom noch effizienter abgeführt werden kann. Somit verringert sich die Strecke, die ein Ladungsträger in einem vergleichsweise hochohmigen Kontaktfinger zurücklegen muss, so dass die aufgrund des höheren Linienwiderstands bedingten Verluste vergleichsweise gering bleiben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist jede Stromsammelschiene über zumindest einen Zellverbinder elektrisch kontaktiert. Dabei ist eine Kontaktfläche zwischen Stromsammelschiene und jeweiligem Zellverbinder zumindest kleiner als die Oberfläche der Stromsammelschiene. Die Kontaktfläche verläuft entlang der Längsausrichtung der Stromsammelschiene. Dadurch erfolgt keine zusätzliche, durch den Zellverbinder bedingte Abschattung.
Bevorzugterweise sind die Kontaktfinger und die Stromsammelschienen hinsichtlich ihrer Anzahl, Anordnung, Breite und/oder Schichtdicke derart dimensioniert, dass das Produkt aus dem Linienwiderstand eines Kontaktfingers und dem Linienwiderstand einer Stromsammelschiene zumindest 5 Ω²/m² beträgt. Besonders bevorzugt beträgt das Produkt aus Linienwiderstand eines Kontaktfingers und Linienwiderstand einer Stromsammelschiene zumindest 10 Ω²/m² und insbesondere zumindest 40 Ω²/m².
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kontaktanordnung als Frontseitenkontaktanordnung zur elektrischen Kontaktierung einer Vorderseite des Halbleiterkörpers ausgebildet.
Vorzugsweise ist zusätzlich oder alternativ auch an der rückseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers eine als Rückseitenkontaktanordnung ausgebildete Kontaktanordnung vorgesehen.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass die Solarzelle als bifaziale Solarzelle ausgebildet ist. Diese bifaziale Solarzelle weist neben einer erfindungsgemäß ausgebildeten Frontseitenkontaktanordnung noch eine Rückseitenkontaktanordnung zur elektrischen Kontaktierung einer Rückseite des Halbleiterkörpers auf, die vorzugsweise identisch oder zumindest ähnlich zu der Frontseitenkontaktanordnung aufgebaut und angeordnet ist. Bifaziale Solarzellen sind Solarzellen, bei denen sowohl deren Vorderseite wie auch die Rückseite zur Stromerzeugung nutzbar sind. Solche Solarzellen kommen bevorzugt dann zum Einsatz, wenn die Solarzelle im Wesentlichen senkrecht zur Erdoberfläche ausgerichtet ist. Vorzugsweise weist eine bifaziale Solarzelle sowohl an der Vorderseite wie auch an der Rückseite eine erfindungsgemäße Kontaktierung auf.
Es ist vorteilhaft, eine Solarzelle auf deren Rückseite des Halbleiterkörpers über eine flächige Rückseitenkontaktschicht, welche einen Schichtwiderstand von zumindest 0,015 Ω/sq und/oder einer maximalen Schichtdicke von 20 μm aufweist, elektrisch zu kontaktieren.
Um den Materialverbrauch zu senken, kann es weiter vorteilhaft sein, die maximale Schichtdicke der Rückseitenkontaktschicht auf 10 μm, insbesondere auf 5 μm, zu reduzieren.
Vorteilhafterweise wird die Kontaktanordnung mittels eines Siebdruckverfahrens und/oder Extrusionsdruckverfahrens und/oder Ink-Jet-Verfahrens und/oder Plating-Verfahrens auf die Solarzelle aufgebracht. Die Verwendung derartiger Verfahren hat sich als besonders effizient und kostengünstig erwiesen.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1A ausschnittsweise eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit Frontseitenkontaktanordnung;
1B ausschnittsweise einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit Frontseitenkontaktanordnung;
2 ausschnittsweise eine perspektivische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Solarzelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
3 ausschnittsweise eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Solarzelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
4 einen Ausschnitt auf die Vorderseite einer Solarzelle mit Frontseitenkontaktanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
4A eine ausschnittsweise Querschnittdarstellung der Solarzelle gemäß 4 entlang der Linie A-A;
4B einen ausschnittsweise Querschnittdarstellung der Solarzelle gemäß 4 entlang der Linie B-B;
5 anhand einer Querschnittsdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle.
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
DETAILLIERTERE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die 1A und 1B zeigen ausschnittsweise eine Draufsicht (1A) und eine Querschnittsdarstellung (1B) einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit Frontseitenkontaktanordnung.
Mit Bezugszeichen 10 ist dabei ein Halbleiterkörper, beispielsweise aus einkristallinem Silizium, bezeichnet. Der Halbleiterkörper 10 weist eine Vorderseite 11 und eine Rückseite 12 auf. An der Vorderseite 11 ist ein hier nicht dargestellter Frontseitenemitter im Halbleiterkörper 10 angeordnet. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind die p- und n-dotierten Bereiche innerhalb des Halbleiterkörpers 10, welche zur Ausbildung einer Emitterstruktur der Solarzelle vorgesehen sind, in den 1A und 1B nicht dargestellt, da diese nicht den Kerngedanken der vorliegenden Erfindung darstellen.
Ferner ist auf der Vorderseite 11 eine Frontseitenkontaktanordnung 13 vorgesehen. Die Frontseitenkontaktanordnung 13 umfasst eine Vielzahl von Stromsammelschienen 14, Zellverbindern 15 und Kontaktfingern 16.
Die Kontaktfinger 16 sind im gezeigten Beispiel im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und bilden einen direkten Metall-Halbleiter-Kontakt zu der vorderseitigen Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 10 aus. Die Kontaktfinger 16 sind im gezeigten Beispiel durchgehend ausgebildet. Diese Kontaktfinger 16 dienen der Aufnahme von Ladungsträgern, die bei einfallendem Licht aufgrund des photovoltaischen Effektes an einem pn-Übergang des Frontseitenemitters im Halbleiterkörper 10 erzeugt werden. Die Kontaktfinger 16 fungieren somit als stromsammelnde Kontakte.
Jeder der Kontaktfinger 16 ist mit zumindest einer Stromsammelschiene 14 elektrisch leitend verbunden. Diese Stromsammelschienen 14, die häufig auch als Busbar bezeichnet werden und in der Regel auch parallel zueinander angeordnet sind, sind im gezeigten Beispiel ebenfalls über einen Metall-Halbleiter-Kontakt direkt auf der vorderseitigen Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 10 angeordnet und fungieren somit ebenfalls der Aufnahme von Ladungsträgern aus dem Halbleiterkörper 10. Zusätzlich nehmen die Stromsammelschienen 14 auch den über die verschiedenen Kontaktfinger 16 aufgenommenen Ladungsstrom auf. Die Stromsammelschienen 14 und Kontaktfinger 16 dienen somit dem Sammeln und Zusammenführen der im Halbleiterkörper 10 generierten Ladungsträger.
Um die so erzeugten Ladungsträger weiter zu transportieren und darüber hinaus auch ein Verschalten von verschiedenen nebeneinander angeordneten Solarzellen zu ermöglichen, sind so genannte Zellverbinder 15, die häufig auch als Serienverbinder bezeichnet werden, vorgesehen. Diese Zellverbinder 15, die typischerweise nicht Bestandteil der eigentlichen Solarzelle, sondern des Solarmoduls ist, sind zumindest teilweise auf den Stromsammelschienen 14 angeordnet und mit diesen stoffschlüssig über eine elektrische Kontaktfläche verbunden. Auf diese Weise kann der von verschiedenen Solarzellen desselben Solarzellenmoduls generierte Strom gesammelt und weitergeleitet werden.
Ein jeweiliger Kontaktfinger 16 weist eine Breite B1 und eine Schichtdicke D1 auf. Der Abstand von parallel nebeneinander angeordneten Kontaktfingern 16 ist mit A1 bezeichnet. Im Falle von Nickel oder Aluminium enthaltenden Kontaktfingern 16 beträgt die Breite B1 ≤ 100 μm und in dem Falle von Silber enthaltenden Kontaktfingern ist die Breite B1 ≤ 50 μm. Der Linienwiderstand eines Kontaktfingers ist dadurch bedingt größer als 1 Ω/cm.
Die Breite B2 einer Stromsammelschiene 14 ist hier breiter als die Breite B3 eines darauf angeordneten Zellverbinders 15, jedoch wäre es auch möglich, wenn die Breite B3 größer ist als die Breite B2. Der Abstand zweier parallel zueinander verlaufender Stromsammelschienen 14 ist mit A2 bezeichnet. Vorzugsweise ist die Breite B3 eines Zellverbinders 15 größer als die Breite der entsprechenden Kontaktfläche des Zellverbinders 15 zu der Stromsammelschiene 14.
Als Material für die Kontaktfinger 16 und Stromsammelschienen 14 können hochleitende Materialien wie Silber oder Silber enthaltende Legierungen oder vergleichsweise günstigere, jedoch weniger leitfähige Materialien wie Aluminium, Nickel und dergleichen verwendet werden. Die Kontaktfinger 16 und Stromsammelschienen 14 werden in der Regel durch eine im Siebdruckverfahren aufgetragene streifenförmige Leitpaste und Sintern dieser aufgetragenen Leitpaste hergestellt. Alternativ kann auch ein Extrusionsverfahren eingesetzt werden. Die Zellverbinder 15 werden in der Regel durch Auflöten auf die Stromsammelschiene 14 aufgebracht.
2 zeigt ausschnittsweise eine perspektivische Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit Frontseitenkontaktanordnung. Auf der Oberfläche 11 ist hier ganzflächig eine Passivierungsschicht 18 aufgebracht. Bei dieser Variante sind die Stromsammelschienen 14 elektrisch nicht direkt auf der Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 10 aufgebracht. Vielmehr sind die Stromsammelschienen 14 auf der Passivierungsschicht 18 aufgebracht und kontaktieren auf diese Weise die in die Passivierungsschicht 18 eingebrannten Kontaktfinger 16.
In dem Beispiel der 2 ragen die Stromsammelschienen 14 über die Kontaktfinger 16 hinaus. Dies ist nicht zwingend erforderlich. In einer Weiterbildung werden die Stromsammelschienen 14 und Kontaktfinger 16 in einem einzigen Prozessschritt, insbesondere in einem einzigen Druckschritt, prozessiert. In diesem Fall haben die Stromsammelschienen 14 und Kontaktfinger 16 jeweils dieselbe Höhe (in 2 nicht gezeigt).
3 zeigt ausschnittsweise eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit Frontseitenkontaktanordnung. In der in 3 gezeigten Variante sind die Stromsammelschienen 14 nicht durchgängig, sondern padartig ausgebildet. Dabei ist jeweils ein so genanntes Stromsammelpad 17 mit jeweils einem Kontaktfinger 16 elektrisch leitend verbunden.
4 zeigt einen Ausschnitt auf die Vorderseite 11 einer erfindungsgemäßen Solarzelle mit Frontseitenkontaktanordnung 13. Die Solarzelle 20 ist dort mit Bezugszeichen 20 bezeichnet. Die dargestellte Solarzelle 20 weist eine Vielzahl von Kontaktfingern 16 auf, welche elektrisch leitend über jeweilige Stromsammelschienen 14 miteinander verbunden sind.
Die Kontaktfinger 16 weisen eine maximale Linienbreite B1 ≤ 100 μm im Falle der Verwendung von Aluminium und B1 ≤ 50 μm im Falle der Verwendung von Silber auf. Daraus ergibt sich ein Linienwiderstand der jeweiligen Kontaktfinger 16 von mindestens 100 Ω/m. Allerdings wird durch die Vielzahl von fünf oder mehr Stromsammelschienen 14, die eine derartige Solarzelle 20 aufweist, der Serienwiderstand der gesamten Solarzelle dennoch relativ niedrig gehalten. Insbesondere beträgt der Serienwiderstand der Solarzelle maximal 1 Ωcm², was sich insbesondere daraus ergibt, dass eine Vielzahl von Stromsammelschienen 14 verwendet wird. Somit bleibt auch bei Verwendung von Kontaktfingern 16 mit relativ hohen Linienwiderständen bedingt durch die relativ kurze Strecke, die die jeweiligen Ladungsträger zurücklegen müssen, der Serienwiderstand der Solarzelle relativ gering.
Die 4A und 4B zeigen eine ausschnittsweise Querschnittsdarstellung der Solarzelle 20 gemäß 4 entlang der Geraden A-A' bzw. B-B'.
Die Solarzelle 20 weist eine auf der Vorderseite 11 aufgebrachte Antireflektionsschicht 21 auf. Diese Antireflektionsschicht 21 ist im gezeigten Beispiel aus Siliziumnitrid gebildet und dient dem Zweck zu vermeiden, dass eingestrahltes Licht aufgrund der spiegelnden Eigenschaften der Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 reflektiert wird und somit nicht zur Ladungsträgergeneration beitragen kann. Die Kontaktfinger 16 werden in der Regel durch die Antireflektionsschicht 21 hindurch gefeuert und erreichen damit einen elektrischen Kontakt zur Emitterstruktur innerhalb des Halbleiterkörpers 10.
Auf der Rückseite 12 des Halbleiterkörpers 10 ist im Beispiel der 4A und 4B eine flächige Rückseitenkontaktschicht 23 vorgesehen. Vorzugsweise ist die Rückseitenkontaktschicht 23 aus Aluminium oder einer Aluminium enthaltenen Legierung, welche sich vergleichsweise kostengünstig herstellen lassen. Die Dicke D3 der Rückseitenkontaktschicht 23 ist vorteilhafterweise reduziert, um die Herstellkosten so gering wie möglich zu halten. Typische Werte für die Dicke D3 der Rückseitenschicht sind geringer als 20 μm und insbesondere geringer als 10 μm.
In dem anhand der 4A und 4B gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Stromsammelschienen 14 (links-schraffiert) und die Kontaktfinger 16 (rechts-schraffiert) jeweils dieselbe Höhe bezogen auf die vordere Oberfläche 11, sodass sich dadurch eine weitgehend ebene, planare Vorderseite ergibt. Diejenigen Bereiche der Kontaktanordnung 13, in welchen sich die Stromsammelschienen 14 und die Kontaktfinger 16 schneiden, sind in den 4A und 4B jeweils kreuzschraffiert dargestellt.
5 zeigt anhand einer Querschnittsdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarzelle. Im gezeigten Beispiel ist die Solarzelle als bifaziale Solarzelle 20 ausgebildet. Eine bifaziale Solarzelle 20 weist eine weitgehend offene Rückseite 12 auf, um auf diese Weise auf die Rückseite 12 auftreffendes Licht ebenfalls zur Stromerzeugung zu nutzen. Die bifaziale Solarzelle 20 weist auf der Rückseite 12 entweder eine Passivierschicht und/oder ein Rückseitenfeld (so genanntes Back-Surface-Field, BSF) auf. Die Kontaktanordnungen 13, 13' an der Vorderseite 11 und an der Rückseite 12 weisen dabei vorzugsweise ein ähnliches Design derer Kontaktfinger 16, 16' und Stromsammelschienen 14, 14' auf.
In dem Beispiel der 5 haben die Stromsammelschienen 14, 14' (schraffiert dargestellt) und die Kontaktfinger 16, 16' jeweils dieselbe Höhe bezogen auf die jeweilige Oberfläche 11, 12, sodass sich dadurch eine weitgehend ebene, planare Vorder- bzw. Rückseite ergibt.
Bei bifazialen Solarzellen 20 mit p-leitendem Substratmaterial (p-Typ) kann der Rückseitenkontaktanordnung 13' durch kostengünstige Aluminium-Kontakte ausgebildet sein. Aluminium weist einen höheren elektrischen Widerstand (0,027 Ωmm²/m) auf als Silber (0,016 Ωmm²/m). Bisher sind verfügbare Aluminium-Pasten im Gegensatz zu Silber-Pasten jedoch nicht zum Druck feiner Metall-Kontaktfinger geeignet, da sie beim Druck breit verlaufen. Deshalb tritt bei derartigen Solarzellen 20 das Problem auf, dass der Metallisierungsanteil der Rückseite zu hoch ist (typisch 20–50%), um einen günstigen Wirkungsgrad der Rückseite zu erreichen.
Daher werden in diesem Ausführungsbeispiel in 5 schmale Aluminium-Kontaktfinger 16' mit einer maximalen Breite von B1' ≤ 100 μm auf die Rückseite 12 der bifazialen Solarzelle 20 gedruckt. Die Kontaktfinger 16' der Rückseite 12 weisen eine Dicke auf, welche von der Dicke D1 der Kontaktfinger der Vorderseite 11 verschieden sein kann. Entsprechend der Kontaktierung der Vorderseite 11 sind die Aluminium-Kontaktfinger 16' an der Rückseite 12 angeordnet. Durch die Tendenz zum Verlaufen der Aluminium-Paste ist die Dicke der gedruckten Kontaktfinger 16' bei einer derart geringen Fingerbreite stark begrenzt und es ergibt sich ein Linienwiderstand von mindestens 100 Ω/m. Durch die Verwendung einer Mehrzahl von Stromsammelschienen 14, beispielsweise 5, 10, 15, 20, 30 oder 50, muss der Strom nur eine kleine Strecke durch die vergleichsweise gering leitenden Aluminium-Kontaktfinger 16' zurücklegen, sodass dennoch ein Serienwiderstand der Solarzelle 20 von maximal 1 Ωcm² resultiert.
Es existieren verschiedene Möglichkeiten, derartige, über die Vorder- und Rückseite 11, 12 kontaktierte bifaziale Solarzellen 20 zu realisieren:
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht Kontaktfinger 16 an der Vorderseite 11 vor, die aus Aluminium gefertigt sind. Die n-Typ Solarzelle 20 weist zudem einen BSF auf.
In einer alternativen Ausgestaltung ist eine bifaziale p-Typ Solarzelle vorgesehen, welche zusätzlich oder alternativ auch Kontaktfinger 16' auf der Rückseite 12 aufweist, die zum Beispiel ebenfalls aus Aluminium gefertigt sind.
Eine weitere Ausgestaltung sieht ebenfalls eine bifaziale n-Typ Solarzelle mit einem Rückseitenemitter auf, bei der Kontaktfinger 16' an der Rückseite aus Nickel gefertigt sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Im den gezeigten Beispielen verlaufen sowohl die verschiedenen Kontaktfinger wie auch die verschiedenen Stromsammelschienen zueinander parallel, jedoch ist dies nicht zwingend erforderlich. Auch sind in den gezeigten Beispielen die Stromsammelschienen senkrecht zu den jeweiligen Kontaktfingern angeordnet, was jedoch auch nicht zwingend ist.
Insbesondere sei die Erfindung auch nicht auf die genannten Materialien beschränkt, auch wenn sie bisweilen, wie etwa die Verwendung von Silber, vorteilhaft sind.
In gleicher Weise sei die vorliegende Erfindung auch nicht auf die Verwendung von p- oder n-leitenden Halbleitermaterialien bzw. p- oder n-Typ Solarzellen beschränkt. Es versteht sich von selbst, dass bei geeigneter Variation auch andere Leitungstypen und Dotierungskonzentrationen verwendet werden können.
Auch die angegebenen Herstellungsverfahren dienen lediglich der Erläuterung von Vorteilen bei der Herstellung, sollen die Erfindung allerdings nicht dahingehend beschränken.
Bezugszeichenliste

10: Halbleiterkörper, Siliziumsubstrat
11: Vorderseite, vorderseitige Oberfläche
12: Rückseite, rückseitige Oberfläche
13: (Frontseiten-)Kontaktanordnung
13': Rückseitenkontaktanordnung
14, 14': Stromsammelschienen, Busbar
15: Zellverbinder, Serienverbinder
16, 16': Kontaktfinger
17: Stromsammelpad
18: Passivierungsschicht
20: Solarzelle
21, 21': Antireflexionsschichten
23: Rückseitenkontaktschicht
D1–D3: Schichtdicken
B1–B3: Breiten
A1, A2: Abstände

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011055561 A1 [0003]

Claims

Solarzelle (20), mit einem Halbleiterkörper (10), mit einer Kontaktanordnung (13, 13') zur elektrischen Kontaktierung einer Oberfläche (11, 12) des Halbleiterkörpers (10), enthaltend: – eine Vielzahl von stromsammelnden Kontaktfingern (16, 16'), welche im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, wobei ein Kontaktfinger (16, 16') jeweils einen Linienwiderstand von mindestens 100 Ω/m aufweist, – eine Vielzahl von Stromsammelschienen (14, 14'), welche mit den Kontaktfingern (16, 16') elektrisch verbunden sind, wobei die Kontaktfinger (16, 16') und die Stromsammelschienen (14, 14') insbesondere bezüglich deren Materialeigenschaften, deren Anordnung auf dem Halbleiterkörper (10), deren Breiten (B1, B2) und/oder deren Schichtdicken (D1, D2) derart dimensioniert sind, dass die Kontaktanordnung (13, 13') einen Serienwiderstand von maximal 1 Ωcm² aufweist.
Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktfinger (16, 16') jeweils einen Linienwiderstand von mindestens 200 Ω/m aufweist.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktanordnung (13, 13') einen Serienwiderstand von maximal 0,7 Ωcm² aufweist.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfinger (16, 16') und/oder die Stromsammelschienen (14, 14') aus einem elektrisch leitfähigen, silberfreien Material bestehen, wobei die Kontaktfinger (16, 16') jeweils eine Breite (B1) von maximal 100 μm aufweisen.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfinger (16, 16') aus Silber oder einer Silber enthaltenden Legierung bestehen und dass die Kontaktfinger (16, 16') jeweils eine Breite (B1) von maximal 50 μm aufweist.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsammelschienen (14, 14') als Stromsammelpad (17) ausgebildet sind, wobei ein Stromsammelpad (17) zumindest einen Kontaktfinger (16, 16') elektrisch kontaktiert.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 5 und/oder maximal 50 Stromsammelschienen (14, 14') vorgesehen sind.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stromsammelschiene (14, 14') über zumindest einen Zellverbindern (15) elektrisch kontaktiert ist, wobei eine Kontaktfläche von Stromsammelschiene (14, 14') und entsprechendem Zellverbinder (15) zumindest kleiner ist als die gesamte Oberfläche der Stromsammelschiene (14, 14') und entlang der Längsausrichtung der Stromsammelschiene (14, 14') verläuft.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfinger (16) und die Stromsammelschienen (14, 14') bezüglich deren Anordnung, Breiten (B1, B2) und Schichtdicke (D1, D2) derart dimensioniert sind, dass das Produkt aus Linienwiderstand eines Kontaktfingers (16, 16') und Linienwiderstand einer Stromsammelschiene (14, 14') zumindest 5 (Ω/m)², insbesondere zumindest 10 (Ω/m)², beträgt.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktanordnung (13, 13') als Frontseitenkontaktanordnung (13) zur elektrischen Kontaktierung einer Vorderseite (11) und/oder als Rückseitenkontaktanordnung (13') zur elektrischen Kontaktierung einer Rückseite (12) des Halbleiterkörpers (10) ausgebildet ist.
Solarzelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (20) als bifaziale Solarzelle (20) ausgebildet ist, welche sowohl eine Frontseitenkontaktanordnung (13) als auch eine Rückseitenkontaktanordnung (13') aufweist.
Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückseite (12) des Halbleiterkörpers (10) über eine flächige Rückseitenkontaktschicht (23) elektrisch kontaktiert ist, welche einen Schichtwiderstand von zumindest 0,015 Ω/sq. und/oder einer maximalen Schichtdicke (D3) von 20 μm aufweist.
Solarzelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseitenkontaktschicht (23) eine maximale Schichtdicke (D3) von 10 μm, insbesondere von 5 μm, aufweist.
Solarzelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktanordnung (13, 13') zumindest teilweise, insbesondere vollständig, durch ein Siebdruckverfahren und/oder Extrusionsdruckverfahren und/oder Inkjet-Verfahren und/oder Plating-Verfahren hergestellt ist.