DE102016116192B3

DE102016116192B3 - Photovoltaikmodul mit integriert serienverschalteten Stapel-Solarzellen und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102016116192B3
Application number: DE102016116192.6A
Authority: DE
Inventors: Simon Kirner; Sven Ring; Bernd Stannowski; Rutger Schlatmann
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2017-11-23
Anticipated expiration: 2036-09-01
Also published as: WO2018041301A1

Abstract

Bei einem Photovoltaikmodul mit integriert serienverschalteten, auf einem Glassubstrat angeordneten streifenförmigen Stapel-Solarzellen, die je eine kristalline Silizium-Bottomzelle und mindestens eine weitere Subzelle aufweisen, sind erfindungsgemäß die Stapel-Solarzellen in Substratkonfiguration ausgeführt. Jede Bottom- und Subzelle weist mindestens p- und n-dotierte Bereiche auf, wobei die p- und n-dotierten Bereiche der Bottomzellen auf der lichteinfallenden Seite nebeneinander und die p- und n-dotierten Bereiche der Subzellen übereinander angeordnet sind. Die Bottomzellen sind einseitig kontaktiert ausgebildet und ist auf einem der beiden dotierten Bereiche der Bottomzellen ist eine elektrisch hochleitende Schicht angeordnet, die den Absorberkontakt der Bottomzellen und gleichzeitig den Rückkontakt der Stapelsolarzellen bildet, wobei der Absorberkontakt erste Trenngräben zwischen den nebeneinander angeordneten streifenförmigen Bottomzellen aufweist und ist auf dem hochleitenden Absorberkontakt der Bottomzellen eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist, wobei die elektrisch isolierende Schicht flächig auf dem Photovoltaikmodul aufgebracht ist und zweite Trenngräben zwischen den Bottomzellen aufweist, die parallel versetzt in den ersten Trenngräben ausgebildet sind. Die nicht mit dem Absorberkontakt versehenen dotierten Bereiche der Bottomzellen sind vertikal benachbart zu den entgegengesetzt dotierten Bereichen der auf den Bottomzellen angeordneten Subzellen angeordnet und auf den Subzellen ist ein transparenter Frontkontakt angeordnet, wobei die Frontkontaktschicht flächig auf dem Photovoltaikmodul aufgebracht ist und über dritte Trenngräben, die parallel und versetzt zu den ersten und zweiten Trenngräben ausgebildet und mit dem Material der Frontkontaktschicht befüllt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul mit auf einem Glassubstrat angeordneten integriert serienverschalteten streifenförmigen Stapel-Solarzellen, die jeweils eine kristalline Silizium-Bottomzelle und mindestens eine weitere Subzelle aufweisen sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Effiziente Dünnschichtsolarzellen werden dem Stand der Technik nach in Einzel- oder Stapelsolarzellen realisiert. Bei letzterer Ausführung werden zwei oder mehr Einzelzellen monolithisch übereinander angeordnet. Eine solche Anordnung hat mehrere Vorteile: Es werden Absorber unterschiedlicher Bandlücke verwendet, wodurch Thermalisierungsverluste verringert und ein größerer Anteil des Sonnenspektrums genutzt werden, da das einfallende Licht je nach Wellenlänge in verschiedenen Tiefen – je nach Lage der aktiven Halbleiterschichten – absorbiert werden. Außerdem wird die lichtinduzierte Alterung von beispielsweise hydrogenisierten amorphen Silizium (a-Si:H)-Teilzellen verringert durch die Verwendung dünner Absorberschichten in der Topzelle oder durch die Filterung des einfallenden Lichts in den folgenden Teilzellen. Aufgrund der geringeren Stromdichten pro gestapelter Einzelzelle ist auch der negative Einfluss von Serienwiderständen geringer.
Für Tandemzellen sind dem Stand der Technik nach ganz unterschiedliche Absorbermaterialien für die Einzelzellen beschrieben worden. Allgemein bekannt ist bereits eine amorph/mikrokristalline Silizium (a-Si:H/µc-Si:H) Tandemzelle (“micromorph“) in Superstratkonfiguration oder eine Silizium-Perowskit-Tandem-Solarzelle, wobei letztere bisher nur mit Wafer-Silizium realisiert wurde. Die Subzellen von Stapelsolarzellen im Allgemeinen sind durch sogenannte Tunnelrekombinationskontakte miteinander verbunden, in denen hoch dotierte n- und p-Kontakte der beiden angrenzenden Subzellen einen niederohmigen Kontakt bilden.
Ein bekannter Nachteil der a-Si:H/µc-Si:H Tandemzelle, welche bisher die am technologisch weitest entwickelte Si-Dünnschichtzelle darstellt, die auch kommerziell erhältlich ist, ist die geringe Materialqualität der µc-Si:H Bottomzelle, die durch ihren Herstellungsprozess bedingt ist. Neuartige Herstellungsprozesse wie die Laserkristallisation, ermöglichen bessere Materialqualitäten, sind aber nicht mit dem herkömmlichen Solarzellkontaktierungsmethoden und dadurch bedingt auch nicht mit bekannten Modulverschaltungskonzepten vereinbar.
Für eine einzelne Heteroübergangssolarzelle sind in Prog. Photovolt., vol. 24, pp. 711–724, 2015 interdigitierende Emitter-(a-Si:H(p)) und Absorber-(a-Si:H(n))-Kontaktschichten beschrieben.
Die Verfahren zur integrierten Serienverschaltung von Stapelzellen sind charakterisiert durch eine Vielzahl von Depositions- und Strukturierungsschritten, die u.a. abhängen von den verwendeten Materialien, die die Prozesstemperaturen begrenzen, aber auch von den Solarzellenanordnungen, die die Strukturierungen und Kontaktierungsmöglichkeiten beeinflussen.
In der WO 2013/ 041 467 A1 ist ein Verfahren zur Serienverschaltung von einzelnen verbreiterten Dünnschichtsolarzellen – gleichbedeutend mit einer pro Modulfläche reduzierten Anzahl serienverschalteter Einzelsolarzellen – beschrieben. Hierbei wird die ausreichend vorhandene Leitfähigkeit der metallischen Rückelektrodenschicht, die auf einem Substrat angeordnet ist, zur Unterstützung des Stromflusses ausgenutzt. Dazu wird die einzelne Solarzelle nicht in Form eines Rechtecks ausgebildet, sondern weist an einer Längskante Ausbuchtungen auf. Diese Ausbuchtungen übernehmen den Stromfluss von der schwach leitenden Frontelektrodenschicht durch die Rückelektrodenschicht über eine besonders ausgebildete Strukturierungslinie. Diese sowie weitere Strukturierungslinien sind so zueinander ausgebildet, dass die mittlere Wegstrecke des in der photoaktiven Halbleiterschicht erzeugten Stromes durch die Frontelektrodenschicht verringert ist.
Bei der in DE 199 34 560 A1 beschriebenen Lösung für die Serienverschaltung von mehreren photovoltaischen Einzel- oder Stapelzellen, bei der von je zwei benachbarten Zellen die Rückkontaktschicht der einen Zelle mit der Frontkontaktschicht der anderen Zelle in einem Verbindungsbereich miteinander verbunden sind, wird dieser Verbindungsbereich in verschiedenen Varianten minimiert, beispielsweise durch Verringerung des Abstandes zweier Strukturierungslinien oder Ausbildung von Verbindungsbrücken zwischen benachbarten Zellen oder durch Anordnung der Einzelzellen in einem zweidimensionalen Feld, wobei die Einzelzellen z.B. längs eines meanderförmigen Pfades verschaltet sind.
Dem Stand der Technik nach – auch für die bereits oben erwähnten Lösungen – wird für die Serienverschaltung von streifenförmigen photovoltaischen Elementen zunächst auf einem Substrat eine erste Kontaktschicht abgeschieden, darauf dann die aktiven Halbleiterschichten und eine zweite Kontaktschicht. Anschließend folgen die Schritte zur Strukturierung bzw. zum Einbringen von Trenngräben, die in unterschiedlichen Verfahrensschritten und -folgen ausgeführt werden.
In der Mehrzahl der Fälle werden Solarmodule mit Stapelzellen in Superstratkonfiguration ausgeführt. Diese Konfiguration ermöglicht eine relativ einfache Realisierung der monolithischen Serienverschaltung mittels Laserstrukturierung von der Substrat-/Glasseite aus.
In der US 3 994 012 A ist eine monolithische Solarzelle in Superstratkonfiguration offenbart, in der eine dünne Absorberschicht mehrere streifenförmige Subzellen aufweist, die durch dazwischenliegende, entsprechend angeordnete p- und n-leitende Bereiche zugleich getrennt und verbunden miteinander sind.
In DE 10 2010 052 861 A1 werden in einem ersten Strukturierungsprozess mittels Laserablation und anschließendem Ätzschritt definiert angeordnete Gräben in den Halbleiterschichten und in der ersten Kontaktschicht erzeugt.
Bei dem in WO 93/ 15 527 A1 beschriebenen mehrschichtigen Solarmodul wird jede funktionale Schicht einzeln strukturiert/aufgetrennt. Die erste Strukturierung betrifft die erste Elektrodenschicht, die ganzflächig auf einem Substrat aufgebracht wird.
In DE 10 2010 005 970 A1 ist ein Verfahren zum Einbringen einer isolierenden Trennlinie beschrieben, das eine Auftrennung und Abtragung der funktionalen Schichten – beginnend wiederum mit einer Kontaktschicht auf einem Substrat – eines Solarmoduls bei gleichzeitiger Realisierung eines hohen Isolationswiderstandes zwischen Front- und Rückelektrodenschicht ermöglicht. Die Trennlinien in den unterschiedlichen Schichten können mit nur einem Verfahrensschritt realisiert werden, indem ein Doppel-Laserstrahl verwendet wird, der zwei Teilstrahlen in unterschiedlichen Spektralbereichen (VIS und im IR oder UV) umfasst.
Ein Photovoltaikmodul mit integriert serienverschalteten, auf einem Glassubstrat angeordneten, streifenförmigen Stapel-Solarzellen in Superstratkonfiguration, die je eine kristalline Silizium-Bottomzelle und mindestens eine weitere Subzelle aufweisen, ist aus der US 2014 / 0 209 149 A1 bekannt. Jede Bottomzelle weist mindestens p- und n-dotierte Bereiche auf. Die p- und n-dotierten Bereiche der Bottomzellen sind nebeneinander angeordnet. Die Subzellen weisen pn-Übergänge auf. Die Bottomzellen sind einseitig kontaktiert ausgebildet. Auf der nicht kontaktierten Seite weisen die Bottomzellen eine elektrisch hochleitende Schicht auf, die als Absorberkontaktschicht bezeichnet werden kann. Auf der Absorberkontaktschicht der Bottomzellen ist eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet, wobei die elektrisch isolierende Schicht flächig aufgebracht ist. Auf den Subzellen ist ein transparenter Frontkontakt, flächig als Schicht auf dem Photovoltaikmodul angeordnet. Der Frontkontakt verfügt über Trenngräben.
Ein Photovoltaikmodul in äquivalenter Ausführung zu dem der US 2014 / 0 209 149 A1 ist aus der US 2016 / 0 087 137 A1 bekannt.
Das Aufbringen einer ersten Kontaktschicht direkt auf ein Substrat – wie oben beschrieben –, kann sich aber nachteilig auswirken, wenn ein Verfahrensschritt, der notwendigerweise bei hohen Temperaturen ausgeführt werden muss, beispielsweise bei einem Kristallisierungsvorgang der aktiven Halbleiterschicht, zu Kontakten mit schlechten elektrischen Eigenschaften bzw. beschädigten Kontakten oder zu einer Verunreinigung der Halbleiterschicht durch Diffusion von z.B. Metallen in die Halbleiter-/Absorberschicht führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Photovoltaikmodul mit auf einem Glassubstrat angeordneten integriert serienverschalteten streifenförmigen Stapelzellen, die jeweils eine Silizium-Bottomzelle und mindestens eine weitere Subzelle aufweisen, anzugeben sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Photovoltaik-Moduls. Dabei soll die Anordnung im Vergleich zum Stand der Technik höhere Prozesstemperaturen in der Herstellung – insbesondere der Silizium-Bottomzelle – ermöglichen, jedoch keine negativen Auswirkungen auf die Kontakte haben. Die Erfindung soll insbesondere auch hierfür ein Modulverschaltungskonzept beinhalten.
Die Lösung für diese Aufgabe ist dem Anspruch 1 sowie dem Anspruch 11 zu entnehmen. Vorteilhafte Modifikationen des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Nachfolgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
Bei dem beanspruchten Photovoltaikmodul mit integriert serienverschalteten, auf einem Glassubstrat angeordneten streifenförmigen Stapel-Solarzellen, die je eine Silizium-Bottomzelle und mindestens eine weitere Subzelle aufweisen, sind die Stapel-Solarzellen in Substratkonfiguration ausgeführt, weist jede Zelle mindestens p- und n-dotierte Bereiche auf, das Absorbermaterial der Bottomzellen ist kristallines Silizium. Die p- und n-dotierten Bereiche der Bottomzellen sind auf der lichteinfallenden Seite des kristallinen Siliziums nebeneinander und die p- und n-dotierten Bereiche der mindestens einen Subzelle übereinander angeordnet. In Substratkonfiguration kann die mindestens eine Subzelle somit aus einem Material mit höherer Bandlücke im Vergleich zum Material der Bottomzellen gebildet werden. Auf einem der beiden dotierten Bereiche der Bottomzellen ist ein elektrisch hochleitender Kontakt angeordnet, der den Absorberkontakt der Bottomzellen und gleichzeitig den Rückkontakt der Stapelsolarzellen bildet, wobei die Absorberkontaktschicht erste Trenngräben zwischen den nebeneinander angeordneten streifenförmigen Bottomzellen aufweist. Die Absorberkontaktschicht kann aus einem Metall oder einem transparenten leitenden Oxid gebildet sein. Die Bottomzelle ist damit als einseitig kontaktierte Solarzelle ausgebildet, deren Kontakte auf der Licht einfallenden Seite liegen. Den hochleitenden Absorberkontakt der Bottomzellen nach oben und zur Seite umschließend ist eine elektrisch isolierende Schicht (beispielsweise aus SiO₂) angeordnet, wobei die elektrisch isolierende Schicht streifenförmig auf dem Photovoltaikmodul aufgebracht ist und zweite Trenngräben zwischen den Bottomzellen aufweist, die parallel versetzt zu den ersten Trenngräben ausgebildet sind. Hiermit wird gewährleistet, dass das Schichtsystem Absorber- bzw. Rückkontaktschicht und elektrisch isolierende Schicht eine gute Querleitfähigkeit haben, eine genügende Isolation zu den Subzellen garantieren, chemisch stabil gegenüber den folgenden Prozessierungsschritten (z.B. Deposition mittels PECVD) ist und eine gute Substrattopologie für die darauf aufzubringende Subzelle darstellt. Die p- oder n-dotierten Bereiche, die nicht von der hochleitenden Kontaktschicht bedeckt sind, sind zum größten Teil auch nicht von der Isolatorschicht bedeckt, sondern bilden einen Tunnelrekombinationskontakt mit der entsprechend entgegengesetzt dotierten Schicht der ersten folgenden Subzelle. Um die Querleitfähigkeit für den ersten auf die Bottomzelle folgenden p- oder n-leitenden Bereich zu erhöhen, kann optional eine zusätzliche Schicht aus einem transparenten leitenden Oxid auf die elektrisch isolierende Schicht aufgebracht sein. Auf den Subzellen ist ein transparenter Frontkontakt angeordnet, wobei die Frontkontaktschicht flächig auf dem Photovoltaikmodul aufgebracht ist. Über dritte Trenngräben, die parallel und versetzt zu den ersten und zweiten Trenngräben ausgebildet und mit dem Material der Frontkontaktschicht befüllt sind, ist damit der Absorberkontakt der Bottomzelle, der – wie bereits erwähnt – gleichzeitig den Rückkontakt einer Stapelzelle bildet, mit dem Frontkontakt der mindestens einen Subzelle der benachbarten Stapelzelle verbunden und gewährleistet so die Serienverschaltung der Stapelzellen im Photovoltaikmodul.
In Ausführungsformen der Erfindung, die Subzellen betreffend, ist vorgesehen, mehrere Subzellen mit unterschiedlichen Absorbermaterialien auf der Bottomzelle anzuordnen, wobei die Bandlücke der Absorbermaterialien in Richtung Lichteinfall zunimmt. Damit wird gewährleistet, dass einfallende höher energetische Photonen effizienter genutzt werden. Außerdem können die aktiven Schichten der Subzellen aus amorphem oder nanokristallinem oder mikrokristallinem Silizium, aus Silizium-Legierungen (SiO_x, SiC_x, SiGe_x, SiN_x) oder Perowskit oder organischem halbleitenden Material gebildet sein. Üblicherweise bestehen diese Solarzelle aus einer p-i-n Struktur, die mindestens eine Subzelle jeder Stapelzelle kann aber auch die inverse n-i-p-Struktur aufweisen.
In anderen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die n-dotierten Bereiche der Bottomzellen aus einer n+-dotierten a-Si:H-Schicht oder einer i- und einer n-dotierten Si-Schicht und/oder die p-dotierten Bereiche der Bottomzelle aus einer p-dotierten a-Si:H-Schicht oder einer i- und einer p-dotierten a-Si:H-Schicht gebildet sind.
Aus dem Stand der Technik bekannte Einzelmerkmale können auch bei dem erfindungsgemäßen Photovoltaikmodul vorteilhaft eingesetzt werden. Dies betrifft u.a. die Anordnung einer Diffusionsbarrieren-, Benetzungs- und/oder Passivierschicht auf dem Glassubstrat, die Anordnung auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite des Substrats eine Schicht eines weißen Farbreflektors; die Bildung der elektrisch isolierenden Schicht aus SiO₂ sowie die zusätzliche Anordnung eines Metallgitters auf dem transparenten Frontkontakt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls mit den beschriebenen Merkmalen umfasst die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 11 in der angegebenen Reihenfolge. Zunächst werden ein oder mehrere Schichten (z.B. Dielektrika wie SiO₂ und/oder Si₃N₄) als Diffusionsbarrieren, Passivierschichten und Benetzungsschichten auf einem Glassubstrat deponiert. Darauf wird eine Silizium-Absorberschicht aufgebracht. Diese wird dann mittels eines Lasers kristallisiert und mittels eines zweiten Lasers streifenförmig unterbrochen, so dass erste breite elektrisch isolierende Trenngräben entstehen. Darauf werden dann horizontal abwechselnd unterschiedlich dotierte Bereiche einer ein halbleitendes Material enthaltenden Schicht erzeugt, wobei diese Bereiche orthogonal zu den isolierenden Trenngräben verlaufen. Ob diese dotierten Bereiche die Trenngräben überschreiten oder nicht, ist nicht relevant auf Grund ihrer geringen Querleitfähigkeit. Anschließend erfolgt das Abscheiden einer ersten elektrisch hochleitenden Kontaktschicht auf einem der dotierten Bereiche der Bottomzellen, wodurch der Absorberkontakt der Bottomzellen und damit gleichzeitig ein Rückkontakt für jede Stapelzelle gebildet wird. Hierfür kann als Material ein Metall oder vorzugsweise ein transparentes leitendes Oxid verwendet werden. Auf die hochleitende Schicht wird eine isolierende Schicht deponiert, die z.B. aus SiO₂ besteht. Als Abscheidemethode kann z.B. Siebdruck oder ein Sputterverfahren mit Schattenmaske verwendet werden. Nun werden zweite Trenngräben vorzugsweise innerhalb der ersten streifenförmigen die Bottomzellen unterbrechenden Trenngräben, z.B. wieder mittels eines Lasers, eingebracht, die die streifenförmig aufgebrachte hochleitende Kontaktschicht und die darauf deponierte Isolatorschicht unterbrechen. Nun folgt die Abscheidung von ein oder mehreren Subzellen in der Folge so, dass auf den Stellen der Bottomzelle, die nicht mit dem Leiter-/Isolator-Schichtstapel bedeckt sind, sowie zwischen jeder der Subzellen, ein Tunnelrekombinationskontakt entsteht. Dritte Trenngräben werden nun entsprechend den auszubildenden Bottom- und Topzellen parallel versetzt zu dem zweiten Trenngraben, vorzugsweise in dem ersten breiten Trenngraben, in den gesamten Schichtstapel eingebracht. Dies erfolgt vorzugsweise in der Form, dass die Rückkontakte noch durchgängig erhalten bleiben, die Subzellen aber abgetragen sind. Das kann z.B. dadurch realisiert werden, dass ein Laser mit einer Wellenlänge verwendet wird, für den der Rückkontakt transparent ist (z.B. weil der Rückkontakt aus einem TCO besteht). Nun wird der Isolator, der sich ggf. noch auf dem Rückkontakt befindet, entfernt, so dass der Rückkontakt frei liegt. Dies kann z.B. mittels eines nasschemischen Prozessschritts (z.B. mit HCl oder HF), der die Topzellen und denselben Rückkontakt nicht oder nur in geringem Maße angreift, erfolgen. Danach wird ein transparenter Frontkontakt flächig abgeschieden, so dass auch der frei liegende Rückkontakt kontaktiert wird. Dann werden auch hier Trenngräben erzeugt, die parallel vorzugsweise innerhalb der ersten breiten Trenngräben und versetzt zu den anderen genannten Trenngräben so ausgeführt werden, dass die Absorberkontaktschichten (Rückkontaktschichten) noch an dieser Stelle erhalten bleiben. Diese Trenngräben können wieder mittels eines Lasers erzeugt werden, dessen Wellenlänge für den Rückkontakt transparent ist.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls mit integriert serienverschalteten, auf einem Glassubstrat angeordneten streifenförmigen Stapel-Solarzellen wird als kristallisierte Silizium-Absorberschicht der Bottomzelle eine flüssigphasenkristallisierte Siliziumschicht verwendet.
Andere Ausführungsformen sehen vor, dass für die auf die flüssigphasenkristallisierte Siliziumschicht aufzubringenden n-dotierten Bereiche der Bottomzellen eine n+-dotierte a-Si:H-Schicht oder eine i- und eine n-dotierte Si-Schicht bzw. für die auf die flüssigphasenkristallisierte Siliziumschicht aufzubringenden p-dotierten Bereiche der Bottomzellen eine p-dotierte a-Si:H-Schicht oder eine i- und eine p-dotierte Si-Schicht abgeschieden werden. Die Schichtstruktur der mindestens einen Subzelle kann als n-i-p-Struktur ausgebildet werden. Als vorteilhaft hat sich auch erwiesen, vor dem Aufbringen der kristallisierten Silizium-Absorberschicht der Bottomzellen eine Diffusionsbarrieren- und/oder Passivierschicht auf das Glassubstrat zu deponieren. Zur Verbesserung des integralen Stromtransports und des lateralen Transports von einem zum anderen Zellstreifen wird auf dem transparenten Frontkontakt abschließend ein Metallgitter aufgebracht.
Die konkrete Ausführung der einzelnen Verfahrensschritte ist dem Stand der Technik zu entnehmen und den verwendeten Technologien anzupassen.
Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand von Figuren näher erläutert.
Die Figuren zeigen
1: schematisch ein Schnittbild quer zu den n- und p-Bereichen der Bottomzelle einer erfindungsgemäßen Anordnung;
2: schematisch ein Schnittbild entlang des n-Bereichs der Bottomzelle einer erfindungsgemäßen Anordnung;
3: schematisch ein Schnittbild entlang des p-Bereichs der Bottomzelle einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Die in der 1 schematisch im Schnitt dargestellte Schichtfolge eines erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls wird wie folgt erzeugt:
Auf einem 1 nm bis 3 mm dicken Glassubstrat 1 mit einer 10 nm bis 1000 nm dicken SiN- und/oder einer 10 nm bis 1000 nm dicken SiO₂-Diffusionsbarrierenschicht (nicht dargestellt) wird eine flüssigphasenkristallisierte, n-dotierte poly-Silizium-Absorberschicht 2 mit einer Dicke zwischen 1 µm und 100 µm für die Bottomzelle erzeugt. Darauf werden abwechselnd n⁺-dotierte Bereiche 3 und p⁺-dotierte Bereiche 4 einer a-Si:H-Schicht mit einer Dicke zwischen 1 nm und 100 nm streifenförmig deponiert. Senkrecht zu diesen Streifen werden Trenngräben T₀ – in 2 dargestellt – eingebracht, wodurch streifenförmige Bottomzellen im weiteren Verlauf prozessiert werden können. Die Breite der Trenngräben T₀ beträgt z.B. 50 µm bis 1000 µm und die Breite der Zellstreifen z.B. 1 mm bis 50 mm. Nun wird auf die p⁺-dotierten Bereiche der a-Si:H-Schicht der Bottomzelle eine transparente Absorberkontaktschicht 5 aus einem TCO in einer Dicke von 0,1 µm bis 5 µm abgeschieden. Diese Absorberkontaktschicht 5 der Bottomzelle bildet gleichzeitig – wie bereits erwähnt – den Rückkontakt einer Stapelzelle. Auf die hochleitende Absorberkontaktschicht 5 wird eine elektrisch isolierende Schicht 6 aus SiO₂ mit einer Dicke zwischen 10 nm und 1000 nm aufgebracht. In die beiden zuletzt genannten Schichten 5 und 6 werden zwischen den nebeneinander angeordneten streifenförmigen Bottomzellen weitere schmalere Trenngräben (z.B. 10 µm bis 100 µm) T_K – in 3 dargestellt – parallel, vorzugsweise innerhalb zu den ersten Trenngräben T₀ eingebracht. Die elektrisch isolierende Schicht 6 bildet eine Trennschicht zwischen Bottomzelle und darauf angeordneter Subzelle 7. Auf die elektrisch isolierende Schicht 6 werden anschließend übereinander die p- und n-dotierten Bereiche für die Subzellen 7 aufgebracht. Danach erfolgt das Einbringen dritter Trenngräben T_Z – in 3 dargestellt –, wobei diese parallel zu und vorzugsweise innerhalb der erstgenannten Trenngräben T₀ und versetzt zu den zweitgenannten Trenngräben T_K bis zur flüssigphasenkristallisierten Si-Absorberschicht 2 der Bottomzellen ausgeführt werden (Breite z.B. 10 µm bis 100 µm). Abschließend wird ein transparenter Frontkontakt 8 (z.B. zwischen 50 nm und 5000 nm dick) flächig auf dem Photovoltaikmodul abgeschieden und werden Trenngräben T_R (s. ebenfalls 3) eingebracht, die parallel versetzt zu den bisher genannten Trenngräben und bis zur Absorberkontaktschicht 2 ausgeführt werden (Breite z.B. 10 µm bis 100 µm).

Claims

Photovoltaikmodul mit integriert serienverschalteten, auf einem Glassubstrat (1) angeordneten streifenförmigen Stapel-Solarzellen, die je eine kristalline Silizium-Bottomzelle und mindestens eine weitere Subzelle (7) aufweisen, wobei – die Stapel-Solarzellen in Substratkonfiguration ausgeführt sind, – jede Bottom- und Subzelle (7) mindestens p- und n-dotierte Bereiche aufweist, – die p- und n-dotierten Bereiche (3, 4) der Bottomzellen auf der lichteinfallenden Seite nebeneinander angeordnet sind, – die p- und n-dotierten Bereiche der Subzellen übereinander angeordnet sind, – die Bottomzellen einseitig kontaktiert ausgebildet sind, – auf einem der beiden dotierten Bereiche der Bottomzellen eine elektrisch hochleitende Schicht angeordnet ist, die den Absorberkontakt (5) der Bottomzellen und gleichzeitig den Rückkontakt der Stapelsolarzellen bildet, wobei der Absorberkontakt (5) erste Trenngräben (T₀) zwischen den nebeneinander angeordneten streifenförmigen Bottomzellen aufweist, – auf dem hochleitenden Absorberkontakt (5) der Bottomzellen eine elektrisch isolierende Schicht (6) angeordnet ist, wobei die elektrisch isolierende Schicht (6) flächig auf dem Photovoltaikmodul aufgebracht ist und zweite Trenngräben (T_K) zwischen den Bottomzellen aufweist, die parallel versetzt in den ersten Trenngräben (T₀) ausgebildet sind, – die nicht mit dem Absorberkontakt (5) versehenen dotierten Bereiche der Bottomzellen vertikal benachbart zu den entgegengesetzt dotierten Bereichen der auf den Bottomzellen angeordneten Subzellen (7) angeordnet sind, – auf den Subzellen (7) ein transparenter Frontkontakt (8) angeordnet ist, wobei die Frontkontaktschicht flächig auf dem Photovoltaikmodul aufgebracht ist und über dritte Trenngräben (T_Z), die parallel und versetzt zu den ersten und zweiten Trenngräben (T₀, T_K) ausgebildet und mit dem Material der Frontkontaktschicht befüllt sind.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Subzellen mit unterschiedlichen Absorbermaterialien auf der Bottomzelle angeordnet sind, wobei die Bandlücke der Absorbermaterialien in Richtung Lichteinfall zunimmt.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Glassubstrat (1) eine Diffusionsbarrieren-, Benetzungs- und/oder Passivierschicht angeordnet ist.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der transparente Frontkontakt (8) zusätzlich ein auf dieser Schicht angeordnetes Metallgitter aufweist.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite des Glassubstrats (1) eine Schicht eines weißen Farbreflektors angeordnet ist.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die n-dotierten Bereiche (3) der Bottomzellen aus einer n+-dotierten a-Si:H-Schicht oder einer i- und einer n-dotierten Si-Schicht gebildet sind.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die p-dotierten Bereiche (4) der Bottomzelle aus einer p-dotierten a-Si:H-Schicht oder einer i- und einer p-dotierten Si-Schicht gebildet sind.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Subzelle eine n-i-p-Struktur aufweist.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (6) aus SiO₂ gebildet ist.
Photovoltaikmodul nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Subzellen als Absorbermaterial amorphes oder nanokristallines oder mikrokristallines Silizium oder Silizium-Legierungen wie SiO_x, SiC_x, SiGe_x, SiN_x oder Perowskit oder organisches Material aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls gemäß Anspruch 1, umfassend mindestens die folgenden Verfahrensschritte: – Erzeugen einer streifenförmigen kristallisierten Siliziumschicht als Absorberschicht der Bottomzellen auf einem Glassubstrat, – dann horizontal abwechselndes Aufbringen unterschiedlich dotierter Bereiche einer amorphes Silizium enthaltenden Schicht auf die kristallisierte streifenförmige Siliziumschicht, – anschließendes Abscheiden einer ersten elektrisch hochleitenden Kontaktschicht auf einem der dotierten Bereiche der Bottomzellen, wodurch der Absorberkontakt der Bottomzellen und gleichzeitig ein Rückkontakt für jede Stapelzelle gebildet wird, – folgend dann Einbringen erster Trenngräben zwischen den nebeneinander angeordneten streifenförmigen Bottomzellen, – daran anschließend Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schicht auf den hochleitenden Absorberkontakt, wobei die elektrisch isolierende Schicht streifenförmig auf dem Photovoltaikmodul aufgebracht und als Trennschicht zwischen Bottomzelle und darauf angeordneter Subzelle ausgebildet wird sowie zweite Trenngräben entsprechend den auszubildenden Bottom- und Topzellen parallel versetzt zu den ersten Trenngräben eingebracht werden, – danach Aufbringen der p- und n-dotierten Bereiche für die Subzellen und Einbringen dritter Trenngräben, wobei diese parallel zu den erstgenannten Trenngräben und versetzt zu den zweitgenannten Trenngräben bis zur kristallisierten Absorberschicht der Bottomzellen ausgeführt werden, und – darauf flächiges Abscheiden eines transparenten Frontkontakts und Einbringen von Trenngräben, die parallel versetzt zu den bisher genannten Trenngräben und bis zum Absorberkontakt ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als kristallisierte Silizium-Absorberschicht der Bottomzelle eine flüssigphasenkristallisierte Siliziumschicht verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der kristallisierten Silizium-Absorberschicht der Bottomzellen eine Diffusionsbarrieren- und/oder Benetzungs- und/oder Passivierschicht auf das Glassubstrat aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem transparenten Frontkontakt abschließend ein Metallgitter aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die auf die flüssigphasenkristallisierte Siliziumschicht aufzubringenden n-dotierten Bereiche der Bottomzellen eine n+-dotierte a-Si:H-Schicht oder eine i- und eine n-dotierte Si-Schicht abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die auf die flüssigphasenkristallisierte Siliziumschicht aufzubringenden p-dotierten Bereiche der Bottomzellen eine p-dotierte a-Si:H-Schicht oder eine i- und eine p-dotierte Si-Schicht abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstruktur der mindestens einen Subzelle als n-i-p-Struktur ausgebildet wird.