DE102017122530B4 - Photovoltaikmodul mit auf der Rückseite ineinandergreifenden Kontakten - Google Patents

Photovoltaikmodul mit auf der Rückseite ineinandergreifenden Kontakten Download PDF

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Abstract

Photovoltaikmodul (01) mit mehreren Dünnschicht-Solarzellen (02) auf einem gemeinsamen, elektrisch nicht-leitenden Substrat (03), umfassend einen strukturierten Halbleiterschichtaufbau (07) mit einer strukturierten transparenten Leitschicht (16) auf der Frontseite und einer strukturierten Kontaktschicht (04) auf der Rückseite mit ineinander greifenden Kontakten (05, 06) zur Ableitung von überschüssigen Ladungsträgern beider Polaritäten, wobei zur elektrischen Kontaktierung der Leitschicht (16) mehrere, sich über die Breite (20) einer Dünnschicht-Solarzelle (02) erstreckende und über deren Länge (19) nebeneinander beabstandet angeordnete Kontaktfinger (06), entlang deren Länge (15) mittig Durchkontaktierungen zur Leitschicht (16) in Form von Stegen (14) aus dem Material der Leitschicht (16) mit einem rechteckförmigen Querschnitt angeordnet sind, und zumindest ein Sammelleiter (13) am Rand (22) des Photovoltaikmoduls (01) vorgesehen sind, die Kontaktfinger (06) in der Substratebene (08) geometrisch an die Form einer abgerundeten Spitze mit Taillierung wie beispielsweise Glockenkurvenform angepasst sind, wobei die Basis (12) jedes Kontaktfingers (06) parallel zum Sammelleiter (13) verläuft und die Stege (14) entlang der Höhe (10) jedes Kontaktfingers (06) verlaufen, wobei in Abhängigkeit von der Höhe (10) der Kontaktfinger (06) und ihrer gegenseitigen Beabstandung (25) jeweils immer mindestens so viele Kontaktfinger (06) in einer Dünnschicht-Solarzelle (02) nebeneinander angeordnet sind, dass längliche Solarzellenstreifen (18) ausgebildet sind, wobei mehrere Solarzellenstreifen (18) über die Höhen (10) der Kontaktfinger (06) in einer Serienschaltung miteinander elektrisch leitend verbunden sind und wobei übereinander angeordnete Kontaktfinger (06) mit ihren Höhen (10) auf einer gemeinsamen Höhenlinie (26) ausgerichtet sind und die Serienverschaltung durch eine Tunnelstrecke (24) für die Ladungsträger aus der Leitschicht (16) im Halbleiterschichtaufbau (07) zwischen jeweils der Basis (12) eines Kontaktfingers (06) und der Spitze (21) des auf der Höhenlinie (26) darunter liegenden Kontaktfingers (06) gebildet ist und nur ein einziger Sammelleiter (13) am Rand (22) des Photovoltaikmoduls (01) vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Photovoltaikmodul mit mehreren Dünnschicht-Solarzellen auf einem gemeinsamen, elektrisch nicht-leitenden Substrat, umfassend einen strukturierten Halbleiterschichtaufbau mit einer strukturierten transparenten Leitschicht auf der Frontseite und einer strukturierten Kontaktschicht auf der Rückseite mit ineinandergreifenden Kontakten zur Ableitung von überschüssigen Ladungsträgern beider Polaritäten, wobei zur elektrischen Kontaktierung der Leitschicht mehrere, sich über die Breite einer Dünnschicht-Solarzelle erstreckende und über deren Länge nebeneinander beabstandet angeordnete Kontaktfinger, entlang deren Länge mittig Durchkontaktierungen zur Leitschicht in Form von Stegen aus dem Material der Leitschicht mit einem rechteckförmigen Querschnitt angeordnet sind, und zumindest ein Sammelleiter am Rand des Photovoltaikmoduls vorgesehen sind, und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Photovoltaikmoduls.
  • In Dünnschichttechnologie gefertigte Photovoltaikmodule basieren auf Halbleitern, die auf in der Regel preiswerte Substrate aufgebracht werden, wodurch das aufwändige Verschalten einzelner Solarzellen entfällt. Die zumeist großflächig abgeschiedenen Dünnschichtpakete werden in kleinere Solarzellen strukturiert, die dann wiederum integriert serienverschaltet werden. Es lassen sich so sehr große Substrate beschichten, was den Handhabungsaufwand und damit die Preiskalkulation signifikant reduziert. Die Herausforderung bei Photovoltaikmodulen auf Basis von Dünnschicht-Solarzellen liegt in der Erreichung effizienter Wirkungsgrade durch eine möglichst hohe Lichtabsorption im funktionellen Halbleiterschichtaufbau. Zunehmend weisen daher konzipierte Photovoltaikmodule eine einseitige Rückseitenkontaktierung auf, bei der die Kontakte für beide Polaritäten (Ableitung positiver und negativer überschüssiger Ladungsträger aus dem funktionellen Halbleiterschichtaufbau) auf der Rückseite der Dünnschicht-Solarzellen angeordnet sind. Durch die gegenüber einer beidseitigen Kontaktierung verringerte Abschattung der Vorderseite der Solarzellen kann der photovoltaisch inaktive Bereich verkleinert und damit die Effizienz des Photovoltaikmoduls gesteigert werden. Eine besondere technische Herausforderung stellt dabei jedoch die Konzeption eines einfachen und kostengünstigen, aber effizienten integrierten Verschaltungsprinzips dar.
  • Stand der Technik
  • Der der Erfindung nächstliegende Stand der Technik ist aus dem Abstract 1 „Laser-Assisted Interconnection Concept for CIGSe Thin Film Solar Cells Based on Finger Strips“ von M. Schüle et al. (Abstract zur Präsentation 3 DV.2.6. auf der Konferenz EU PVSEC 2014, im Internet abgerufen am 25.09.2017unter der URL http://www.eupvsecproceedings.com/proceedings?advanced[title]=&advanced[date]=&advanced[author] =schlatmann&advanced[keyword]=&paper=29607) bekannt. In der dortigen 3 wird schematisch ein Photovoltaikmodul mit zwei Dünnschicht-Solarzellen (serielle oder parallele Verschaltung) auf einem gemeinsamen, elektrisch nichtleitenden Substrat aufgezeigt. Als vorteilhaft wird die flexible serielle oder parallele Verschaltbarkeit der Solarzellen zur Erhaltung gewünschter Strom-Spannungs-Ausgangsparameter genannt. In Zusammenhang mit der dortigen 2a wird ersichtlich, dass das Photovoltaikmodul einen strukturierten Halbleiterschichtaufbau (Chalkogenid-Verbindungshalbleiter) mit einer strukturierten transparenten Leitschicht (TCO) auf der Frontseite und einer strukturierten Kontaktschicht auf der Rückseite mit ineinandergreifenden Kontakten zur Ableitung von überschüssigen Ladungsträgern beider Polaritäten umfasst. Dabei sind zur elektrischen Kontaktierung der Leitschicht mehrere Kontaktfinger und zumindest ein Sammelleiter am Rand des Photovoltaikmoduls vorgesehen. Die Kontaktfinger sind rechteckig ausgebildet und erstrecken sich jeweils über die Breite einer Dünnschicht-Solarzelle. Da diese relativ groß ist, sind auch die rechteckigen Kontaktfinger sehr lang. Zudem sind so viele (wenige) rechteckige Kontaktfinger über die Länge einer Solarzelle nebeneinander beabstandet angeordnet, dass sich eine nahezu quadratische Ausbildung der einzelnen Solarzelle mit ungefähr gleicher Länge und Breite ergibt. Weiterhin sind entlang der Länge der rechteckigen Kontaktfinger mittig Durchkontaktierungen zur Leitschicht in Form von Stegen aus dem Material der Leitschicht mit einem rechteckförmigen Querschnitt angeordnet. Weitere Details zum Photovoltaikmodul sind dem schematischen und sehr kurz gehaltenen Abstract 1 jedoch nicht zu entnehmen. Insbesondere sind die Stege in ihrer Erstreckung in der dortigen 1 und 3 nur als bloße Striche angedeutet.
  • Aufgrund des beschriebenen Kontaktierungsschemas zählt das bekannte Photovoltaikmodul zur Klasse der Module mit einer IBC-Verschaltung (Interdigitated Back Contact), wobei die Durchkontaktierungen nicht - wie allgemein üblich (vergleiche beispielsweise die DE 10 2009 031 592 A1 , insbesondere Ausführungsbeispiel gemäß 5) - punktförmig, sondern vielmehr länglich, insbesondere stegförmig ausgebildet sind. Hierbei handelt es sich um ein neuartiges Rückseiten-Verschaltungskonzept, bei dem die rückseitige Kontaktschicht, die aus einem sehr leitfähigem Material besteht, sowohl als Rückkontakt als auch als gegenüber den bekannten Punktkontakten deutlich vergrößerter Frontkontakt genutzt wird. Es besteht weiterhin der Vorteil der Effizienzsteigerung durch Verringerung der beschatteten Flächen auf der Frontseite. Hinzu kommt aber noch, dass die überschüssigen Ladungsträger einer Polarität (auf der Frontseite zumeist die vom Emitter produzierten Minoritätsladungsträger) nicht mehr über die gegenüber dem Material der rückseitigen Kontaktschicht geringer leitfähige Leitschicht gesammelt werden, sondern im Bereich der Stege konzentriert und den rückseitigen Kontaktfingern zugeführt werden. Die Leitschicht muss also nicht mehr hochleitfähig sein, sodass ihre Schichtdicke und damit ihr Widerstand verringert werden können, was zu einer weiteren Verringerung der Leistungsverluste führt. Die Effizienz derartiger Photovoltaikmodule mit IBC-Verschaltung kann dadurch deutlich gesteigert werden.
  • Aus dem Abstract 2 „Rear-side contacted, laser-structured CIGSe cells: A proof of concept“ von G. Farias et al. (Abstract zu Präsentation 3DV.2.12 auf der Konferenz EU PVSEC 2017, im Internet abgerufen am 25.09.2017unter der URLfile:///J:/1705/4%20StdT/Rear-Side%20Contacted,%20Laser-Structured%20CIGSe%20Cells%20%20A%20Proof%20of%20Concept.htm) ist eine Beschreibung der einzelnen Dünnschicht-Solarzelle mit dem neuartigen Verschaltungsprinzip aufgezeigt. Das neuartige Verschaltungskonzept wird durch drei verschiedene Strukturierungsschritte umgesetzt. In einem ersten Strukturierungsschritt (P1) wird die rückseitige Kontaktschicht strukturiert, sodass die Kontaktfinger für die eine Polarität (in der Regel die negativen Minoritätsladungsträger aus dem Emitter) entstehen, die mit den entsprechend entstandenen Kontaktstreifen für die andere Polarität (in der Regel die positiven Majoritätsladungsträger aus dem Absorber) intermittierend, d.h. ineinander verschachtelt angeordnet sind. Dabei sind die verschachtelten Kontakte durch die Strukturierung P1 bis auf das nichtleitende Substrat herunter gegeneinander elektrisch isoliert. Nach dem flächigen Aufbringen des funktionellen Halbleiterschichtaufbaus (Absorber, Emitter und ggfs. intrinsische Schichten) wird dieser in einem zweiten Strukturierungsschritt (P2) im Bereich der zu bildenden Stege oberhalb der länglichen Erstreckung der Kontaktfinger strukturiert, d.h. geöffnet. Anschließend wird die Leitschicht flächig aufgebracht, die dabei die Stegöffnungen mit ihrem Material ausfüllt und die Stege bildet. Abschließend wird in einem dritten Strukturierungsschritt (P3) die Leitschicht strukturiert, sodass einzelne, seriell miteinander verschaltete Dünnschicht-Solarzellen entstehen.
  • Schließlich ist es noch aus der US 2009/0025788 A1 bekannt, die Elektroden für Solarzellen mit einem rechteckigen Querschnitt auszubilden. Dabei haben die Elektroden aber einen rechteckigen Längsschnitt. Zudem ist es bei herkömmlichen dickschichtigen Solarzellen gemäß der US 2016/0190369 A1 bekannt, diese in Reihen übereinander schindelförmig mit gebogenen Drahtschleifen zu verschalten, wobei in jeder Reihe ein abführender Sammelleiter vorgesehen ist.
  • Folgende weitere Kontaktierungsmöglichkeiten sind aus dem Stand der Technik zusätzlich bekannt. In der US 2009/0065060 A1 sind drei Strukturierungsschritte für eine Dünnschichtsolarzelle beschrieben, in dem ein erster Strukturierungsschritt die rückseitige Kontaktschicht durch Längsschnitte trennt, in einem zweiten Strukturierungsschritt Löcher gebohrt werden von der frontseitigen Kontaktschicht bis zum Substrat und diese Löcher zwischen den Längsschnitten des ersten Strukturierungsschritts regelmäßig angeordnet sind und in einem dritten Strukturierungsschritt die frontseitigen Kontaktschichten unter Umgehung der Löcher in einem Bogen erfolgen und parallel zu dem ersten Längsschnitt und in dessen Nähe ausgeführt werden. Eine dieser Strukturierung entsprechende Strukturierung einer Tandemsolarzelle ist in der US 2013 / 0 206 216 A1 beschrieben.
  • In der WO 2013/041467 A1 ist eine Strukturierung einer Dünnschichtsolarzelle beschrieben, in der eine Rückelektrodenschicht durch erste Strukturierungslinien unterteilt ist und eine Absorberschicht durch weitere zweite Strukturierungslinien unterteilt ist und eine Frontelektrodenschicht und die Absorberschicht durch dritte Strukturierungslinien in Bereiche unterteilt sind und die Frontelektrodenschicht eines ersten Bereichs in Serienverschaltung mit der Rückelektrodenschicht eines zweiten Bereichs verbunden ist und die dritten Strukturierungslinien mit Ausbuchtungen und Kanten und die zweiten Strukturierungslinien ebenfalls mit Ausbuchtungen und Kanten so zueinander angeordnet sind, dass dadurch die mittlere Wegstrecke des in der Absorberschicht erzeugten Stromes durch die Frontelektrodenschicht reduziert ist und somit ohmsche Verlust verringert.
  • Für ein Dünnschicht-Solarzellenmodul ist in der US 2012/0234375 A1 folgendes Strukturierungsschema offenbart. Das Dünnschicht-Solarzellenmodul umfasst Einheitszellen, die durch Strukturierungslinien getrennt sind. Diese Strukturierungslinien sind mit Spitzen oder Ausbuchtungen versehen und parallel zueinander angeordnet. Die Einheitszellen im Modul sind dabei elektrisch in Reihe geschaltet. An den Rändern eines Moduls sind auf zwei Seiten Stromabnahmeabschnitte vorgesehen. Eine ähnliche Strukturierung eines Moduls ist in der JP H08- 51 226 A vorgesehen, in der aber die Trennlinien jeweils mit ihren Spitzen zueinander angeordnet sind.
  • Die Offenlegungsschrift DE 10 2009 027 852 A1 offenbart ein Dünnschichtsolarmodul mit drei Strukturierungsschritten (P1, P2, P3), bei der als Alternative zu den üblichen Strukturierungslinien inselförmige Verbindungsbereiche zur Serienverschaltung der Solarzellen vorgesehen sind und diese durch die Strukturierungsschnitte geschaffen werden.
  • In der US 2011/0265856 A1 ist ein Tandemsolarzellenmodul offenbart, welches monolithisch zu fertigen ist und in dem die einzelnen Tandemsolarzellen in einer Reihe angeordnet sind. Die Tandemsolarzellen im Modul sind dabei über Tunnelübergänge (tunnel junctions) zwischen den P- und N-leitenden Schichten in den Tandemsolarzellen in Serie geschaltet, wobei die Serienschaltung über die Tunnelübergänge und ergänzende rückseitige Kontakte realisiert ist. Die Tunnelübergänge werden durch überlappende Bereiche der P- und N-leitenden Schichten, indem die eine Schicht bis in den Bereich der nächsten Tandemsolarzelle geführt ist, ausgebildet. Rückseitig sind die Tandemsolarzellen zudem jeweils mit Elektroden ausgestattet.
  • Aufgabenstellung
  • Ausgehend von dem Abstract 1 als nächstliegendem Stand der Technik vor dem Hintergrund des Abstracts 2 ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung nun darin zu sehen, das eingangs beschriebene, gattungsgemäße Photovoltaikmodul so weiterzubilden, dass eine weitere Verbesserung der Effektivität in Verbindung mit einer vergrößerten Flexibilität bei der Leistungsanpassung des Photovoltaikmoduls an den jeweiligen Einsatzfall erreicht werden kann. Dabei soll gleichzeitig ein möglichst einfaches Herstellungsverfahren angewendet werden können. Die Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Modifikationen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
  • Erfindungsgemäß ist bei dem beanspruchten Photovoltaikmodul mit dem beschriebenen neuartigen Verschaltungskonzept vorgesehen, dass die Kontaktfinger in der Substratebene geometrisch an die Form einer oben gerundeten Spitze mit Taillierung, wie sie z.B. bei einer Glockenkurve oder einem Lorentz- oder Voigt-Profil gegeben ist oder als Grenzfall auch an ein gleichschenkeliges Dreieck mit gerundeter Spitze angepasst sind, wie es auch einer Ausführungsform entspricht. Dabei verläuft die Basis der Kontaktfinger parallel zum Sammelleiter. Der Abstand und die Länge der Finger ergibt sich aus der Leitfähigkeit der Leitschicht (TCO) im Verhältnis zu einer gewünschten bzw. optimierten Transparenz unter Berücksichtigung des Stromgewinn (durch eine geringere Absorption in der Leitschicht) und der Leitfähigkeit des Rückkontaktes. Je nachdem wie die, durch den Absorber generierte Stromdichte ausfällt, ergeben sich dann die entsprechenden Abstände, Höhen und Formen der Finger. Die Höhe der Kontaktfinger liegt dabei insbesondere zwischen dem 1 ,5-fachen und dem 10-fachen der Länge seiner Basis. Weiterhin verläuft jeder Steg erfindungsgemäß entlang der Höhe der Kontaktfinger. Schließlich ist noch erfindungsgemäß vorgesehen, dass in Abhängigkeit von der Höhe der Kontaktfinger und ihrer gegenseitigen Beabstandung insbesondere so viele Kontaktfinger in einer Dünnschicht-Solarzelle nebeneinander angeordnet sind, dass längliche Solarzellenstreifen mit einer gegenüber der Breite insbesondere eineinhalbfachen (1 ,5-fachen) Länge ausgebildet sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Photovoltaikmodul werden streifenförmige Dünnschicht-Solarzellen eingesetzt, wodurch sich die industrielle Herstellung gegenüber dem Einsatz von quadratischen Solarzellen wesentlich vereinfacht. Dabei können die Streifengrößen durch die Höhe und Breite der Kontaktfinger sowie durch deren Anzahl nahezu beliebig skaliert werden, um das Layout und die Strom-Spannungs-Ausgangsparameter zu optimieren bzw. an den jeweiligen Einsatzfall anpassen zu können. Dabei ist entscheidend welche Strom-Spannungs-Charakteristik gefordert ist. Eine hohe Spannung bei einem verhältnismäßig geringeren Strom wird erzielt, in dem die Anzahl der Schindeln erhöht wird. Eine geringe Spannung bei einem verhältnismäßig hohen Strom wird erzielt, in dem die Zellstreifen verlängert werden. Erfindungsgemäß bedeutet dies eine vorteilhafte Flexibilität bei der Gestaltung der Module in Hinblick auf die Strom-Spannungs-Charakteristik. Die Kontaktfinger sind relativ kurz bemessen, sodass die Solarzellenstreifen relativ schmal und gut handhabbar sind. Zudem kann das Layout noch hinsichtlich des Leistungsverlustes aufgrund der Relationen zwischen der Leitschicht, dem gesamten Kontaktwiderstand und dem Widerstand in den Kontaktfingern modifiziert werden. Dadurch wird eine große Flexibilität hinsichtlich der Ausgangsleistung des mit der Erfindung beanspruchten Photovoltaikmoduls erreicht. Dazu trägt insbesondere die erfindungsgemäße Gestaltung der Kontaktfinger bei, deren Widerstand den Hauptanteil im Kontaktwiderstand ausmacht. Trotz der Ausgestaltung der Kontaktfinger bleibt aber deren zuvor beschriebener Vorteil erhalten, dass nunmehr nicht mehr die Leitschicht die Ladungsträger großflächig einsammelt, sondern diese gezielt über die Stege und die Kontaktfinger abgeführt werden. Dadurch kann die Dicke der Leitschicht auf der Frontseite wesentlich reduziert werden. Eine dünne Leitschicht erbringt aber einen wesentlich geringeren optischen Verlust bei der Sonneneinstrahlung, sodass hierdurch die Effektivität des mit der Erfindung beanspruchten Photovoltaikmoduls noch weiter gesteigert werden kann. PV-Module mit herkömmlicher Verschaltungsstruktur zeigen beispielsweise einen Wirkungsgrad von 5,7 %. Demgegenüber konnte bei Versuchsmodulen mit einem Aufbau nach der Erfindung bereits ein Wirkungsgrad von 6,5 % erreicht werden, was einer Steigerung von ca. 14 % entspricht.
  • Grundsätzlich ist das mit der Erfindung beanspruchte Photovoltaikmodul aus länglichen Solarzellenstreifen mit Kontaktfingern auf seiner Rückseite ausgerüstet. Herkömmliche Verschaltungen zwischen den einzelnen Solarzellenstreifen sind damit ohne weiteres möglich. Besonders vorteilhaft und bevorzugt ist es aber für das beanspruchte Photovoltaikmodul, wenn mehrere Solarzellenstreifen über die Höhen der Kontaktfinger in einer Serienschaltung miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei übereinander angeordnete Kontaktfinger mit ihren Höhen auf einer gemeinsamen Höhenlinie ausgerichtet sind und die Serienverschaltung durch eine Tunnelstrecke für die Ladungsträger aus der Leitschicht im Halbleiterschichtaufbau zwischen jeweils der Basis eines Kontaktfingers und der Spitze des darunter liegenden Kontaktfingers gebildet ist. Hierbei handelt es sich um ein neuartiges Schindelprinzip, bei dem die Verschaltung durch intrinsische Tunnelstrecken und nicht - wie bei herkömmlichen PV-Modulen - durch gegenständliche Leiterbahnen oder Drähte - erzeugt wird. Dies ist besonders vorteilhaft, weil die Tunnelstrecken bereits im Dünnschichtaufbau implizit enthalten sind und keiner zusätzlichen Herstellungsmaßnahmen bedürfen. Da die intrinsischen Tunnelstrecken im leitenden Halbleiterschichtaufbau liegen und entsprechend bemessen sind, sind sie für die Ladungsträger ohne weiteres passierbar. Das Durchtunneln des Halbleiterschichtaufbaus zwischen zwei in einer Spalte des PV-Moduls benachbarten Kontaktfingern auf der gemeinsamen Höhenlinie wird dabei durch deren Ausgestaltung als taillierte Spitze und insbesondere als gleichschenkliges Dreieck begünstigt. Die Ladungsträger starten von der breiten Basis eines Kontaktfingers in den Halbleiterschichtaufbau und tunneln radialförmig zur abgerundeten Spitze des vertikal benachbarten Kontaktfingers. Von dort durchwandern sie den hochleitfähigen Kontaktfinger in Richtung auf seine breite Basis. Von dort tunneln die Ladungsträger dann wieder durch den Halbleiterschichtaufbau zur Spitze des nächsten Kontaktfingers.
  • Durch das beschriebene intrinsische Verschaltungskonzept ergeben sich bei dem mit der Erfindung beanspruchten Photovoltaikmodul entsprechend der Anzahl der nebeneinander in einem Solarzellenstreifen angeordneten Kontaktfinger vertikale Tunnelstrecken mit relativ geringem Widerstand, die ohne weitere, widerstandsvergrößernde Hilfsmittel (wie Leiterbahnen oder Drähte) das gesamte PV-Modul von Solarzellenstreifen zu Solarzellenstreifen durchziehen. Dabei können die eingesammelten Ladungsträger vor dem Eintritt in jede weitere intrinsische Tunnelstrecke seitlich über einen Sammelleiter abgeleitet abgeführt werden. Je nach Wahl der auftretenden inneren Widerstände können auch einige Ladungsträger seitlich abgeführt und einige vertikal in den nächsten dreiecksförmigen Kontaktfinger weitertunneln. Besonders vorteilhaft ist eine vollständige vertikale Durchleitung der Ladungsträger durch alle Solarzellenstreifen. Deshalb ist es besonders vorteilhaft und bevorzugt, wenn bei der Erfindung nur ein einziger Sammelleiter am Rand des Photovoltaikmoduls vorgesehen ist. Zwischen den einzelnen Solarzellenstreifen sind dann keine weiteren Sammelleiter vorgesehen. Dadurch werden die photovoltaisch inaktiven Bereiche in einer Größenordnung von 20 % verringert und damit die Effizienz weiter vergrößert. Die Kontaktfinger übereinander liegender Solarzellenstreifen sind bezüglich des Sammelleiters in Reihe zueinander geschaltet. Alle Ladungsträger aus der Leitschicht im gesamten Photovoltaikmodul werden über einen einzigen Sammelleiter an dessen Rand abgeführt. Dadurch wird die photovoltaisch aktive Fläche und damit der Wirkungsgrad des beanspruchten PV-Moduls nochmals vergrößert.
  • Durch die streifenförmige Ausbildung der Solarzellen im PV-Modul kann dessen Strom-Spannungs-Ausgangsleistung optimal flexibel gestaltet werden. Die übereinander liegende Verschaltung von mehreren Solarzellenstreifen führt - je nach Länge der Streifen - zu einem großflächigen, in den Abmessungen bevorzugt quadratischen PV-Modul. Je nach Leistungsanforderungen ist es darüber hinaus bevorzugt und vorteilhaft, wenn mehrere Solarzellenstreifen nebeneinander angeordnet und in einer Parallelschaltung miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei der zumindest eine Sammelleiter durchgehend über alle Solarzellenstreifen ausgebildet ist. Die Kontaktfinger nebeneinander liegender Solarzellenstreifen sind bezüglich dieses Sammelleiters parallel zueinander geschaltet. Auch hier gilt wieder, dass die Ladungsträger aus der Leitschicht zwischen den Solarzellenstreifen oder bevorzugt über einen einzigen Sammelleiter am Rand des PV-Moduls abgeführt werden können. Durch die kombinierte Serien- und Parallelschaltung können Photovoltaikmodule nach der Erfindung mit nahezu beliebigen Strom-Spannungs-Ausgangsparametern erzeugt werden. Dazu trägt auch bei, wenn bevorzugt und vorteilhaft vorgesehen ist, dass durch Variation der Geometrie und der Anzahl der benachbarten Kontaktfinger in einem Solarzellenstreifen dessen Größe variierbar ausbildbar ist. So können beispielsweise bevorzugt und vorteilhaft 10 bis 100 Kontaktfinger in einem Solarzellenstreifen nebeneinander angeordnet sein. Weiterhin können bevorzugt und vorteilhaft 10 bis 100 Solarzellenstreifen in einer Serienschaltung miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
  • Bereits weiter oben wurde ausgeführt, dass durch die Sammlung der Ladungsträger an der Frontseite der Solarzellen über die Stege der Kontaktfinger und nicht über die Leitschicht, deren Dicke wesentlich verringert werden kann. Es ist daher bevorzugt und vorteilhaft, wenn bei der Erfindung vorgesehen ist, dass die Leitschicht im Vergleich zu herkömmlichen Leitschichten besonders dünn ausgebildet ist und nur ein Viertel bis ein Zehntel von deren Dicke aufweist. Beispielsweise kann die Leitschicht bei der Erfindung zwischen 100 nm und 200 nm dünn sein, während sie bei herkömmlichen PV-Modulen noch 800 nm bis 900 nm dick ist.
  • In seinen verschiedenen Materialien kann das mit der Erfindung beanspruchte Photovoltaikmodul in allen üblichen Variationen ohne weiteres ausgeführt werden. Bevorzugt und vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Leitschicht aus einem TCO, der Halbleitschichtaufbau aus Chalkopyrithalbleitern und/oder die Kontaktschicht aus Molybdän ausgebildet ist. Leitfähige Oxidschichten, beispielsweise aus aluminiumdotiertem Zinkoxid ZnO:Al, sind einfach herstellbar und besonders robust. Sie können unter Zwischenlage einer intrinsischen Schicht, beispielsweise i-ZnO, aufgebracht werden. Da die Leitschicht nicht mehr allein der Ladungsträgerabfuhr dient, sondern vornehmlich die Stege und die Kontaktfinger, kann eine geringere Leitfähigkeit ohne weiteres in Kauf genommen werden. Chalkopyrithalbleiter (auch Chalkogenidhalbleiter, Verbindungshalbleiter aus den Gruppen I-III-VI, hoch absorbierend aufgrund direkter Bandlücke) eignen sich besonders für Dünnschichtaufbauten. Die Emitterschicht kann beispielsweise aus Kadmiumsulfid CdS bestehen. Schließlich sind Kontaktschichten aus Molybdän besonders leitfähig. Als Substrat kann jedes nichtleitende Substrat eingesetzt werden, beispielsweise Glas. Besonders geeignet sind auch Kunststoffe, da keine hohen Temperaturbelastungen auftreten. Somit ist es bei der Erfindung besonders bevorzugt und vorteilhaft, wenn das Substrat flexibel ausgebildet ist. Dadurch können Herstellung, Handhabung und Transport des mit der Erfindung beanspruchten Photovoltaikmoduls vereinfacht werden.
  • Bei der Herstellung des mit der Erfindung beanspruchten Photovoltaikmoduls kann ausschließlich Lasertechnologie zur Strukturierung eingesetzt werden. Eingangs wurden bereits kurz die drei erforderlichen Strukturierungsschritte erwähnt, mit denen die rückseitige Kontaktschicht, der funktionelle Halbleiterschichtaufbau und die frontseitige Leitschicht strukturiert werden. Beim ersten Strukturierungsschritt werden somit die Kontaktfinger, beim zweiten Strukturierungsschritt die Stege auf den Kontaktfingern und beim dritten Strukturierungsschritt die einzelnen Dünnschicht-Solarzellen in serieller Verschaltung erzeugt. Für die Erfindung ist es dabei vorteilhaft, dass der zweite Strukturierungsschritt entlang der Höhen der Kontaktfinger durchgeführt wird, wobei die Kontur der Kontaktfinger durch den ersten Strukturierungsschritt nicht berührt wird. Es wird somit ein negativer Steg auf jedem Kontaktfinger gebildet, der sich entlang dessen Höhe erstreckt, ohne seine Außenkontur zu berühren. Des Weiteren kann bevorzugt und vorteilhaft vorgesehen sein, dass der dritte Strukturierungsschritt zwischen den Kontaktfingern oberhalb der Strukturierungslinie des ersten Strukturierungsschrittes und im Bereich der Kontaktfinger oberhalb deren Basis durchgeführt wird. Durch diesen Schritt entfallen Beschattungsflächen und es werden keine parallelen Sammelschienen innerhalb des Photovoltaikmoduls gebildet. Die Basen der Kontaktfinger liegen direkt auf dem Rand jedes Solarzellenstreifens. Da das Photovoltaikmodul aber bevorzugt eine einzelne Sammelschiene an seinem Rand aufweist, ist es bevorzugt und vorteilhaft, wenn im Randbereich des Photovoltaikmoduls der dritte Strukturierungsschritt versetzt neben dem ersten Strukturierungsschritt zur Bildung eines Sammelleiters durchgeführt wird. Weitere Details hierzu und zu dem mit der Erfindung beanspruchten Photovoltaikmodul sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
  • Ausführungsbeispiele
  • Nachfolgend werden das Photovoltaikmodul nach der Erfindung, seine Herstellung und seine vorteilhaften Modifikationen anhand der schematischen Figuren zum besseren Verständnis der Erfindung noch weitergehend erläutert. Dabei zeigt die
    • 1 eine perspektivische schematische Ansicht des Photovoltaikmoduls im Bereich einer Dünnschicht-Solarzelle,
    • 2 einen schematischen Querschnitt des Photovoltaikmoduls im Bereich einer Dünnschicht-Solarzelle,
    • 3 eine schematische Ansicht des Photovoltaikmoduls mit seriell verschalteten Solarzellenstreifen und
    • 4 ein Strom-Spannungs-Diagramm des Photovoltaikmoduls.
  • In der 1 ist ein teilweise transparent dargestellter Ausschnitt aus einem Photovoltaikmodul 01 im Bereich einer Dünnschicht-Solarzelle 02 perspektivisch aufgezeigt. Dargestellt (abgebrochen) ist ein Substrat 03 aus einem nichtleitenden Material, im gezeigten Ausführungsbeispiel eine dünne Kunststofffolie. Darauf ist eine rückseitige Kontaktschicht 04, im gezeigten Ausführungsbeispiel aus Molybdän, aufgebracht. Diese Kontaktschicht 04 ist mittels eines ersten lasergestützten Strukturierungsschrittes (P1, siehe Einschub) in Kontaktflächen 05 und dreiecksförmige Kontaktfinger 06 strukturiert, die alternierend ineinandergreifen und gegeneinander zur getrennten Ladungsträgerabfuhr ausreichend elektrisch isoliert sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel leiten die Kontaktflächen 05 die überschüssigen positiven Majoritätsladungsträger und die dreiecksförmigen Kontaktfinger 06 die überschüssigen negativen Minoritätsladungsträger aus einem auf die Kontaktschicht 04 aufgebrachten funktionellen Halbleiterschichtaufbau 07, ab. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen halbleitenden Dünnschichtaufbau aus einem Verbindungshalbleiter aus den Klassen I-III-VI, beispielsweise Cu(InxGa1-x)Se2 oder CIGSe als Absorberschicht. Die Emitterschicht besteht beispielsweise aus CdS.
  • Die Kontaktfinger 06 sind in der Substratebene 08 geometrisch an die Form eines gleichschenkeligen Dreiecks angepasst, dessen beide gleichlangen Seitenschenkel 09 symmetrisch zu einer Höhe 10 angeordnet sind, einen spitzen Winkel 11 einschließen und an eine Basis 12 anschließen (vergleiche 2). Dabei beträgt die Höhe 10 im gezeigten Ausführungsbeispiel das 4-fache der Länge der Basis 12. Gegenüber herkömmlichen PV-Modulen sind die dreiecksförmigen Kontaktfinger 06 aber kürzer dimensioniert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Abschnitt eines Sammelleiters 13 dargestellt, zu dem die Basis 12 des dreiecksförmigen Kontaktfingers 06 parallel verläuft. Auf dem dreiecksförmigen Kontaktfinger 06 verläuft entlang seiner Höhe 10 ein Steg 14. Dabei ist der Steg 14 in seiner Länge 15 so bemessen, dass er nicht die Strukturierungslinie 28 des Kontaktfingers 06 berührt (vergleiche 2). Im gezeigten Ausführungsbeispiel endet der Steg 14 an der Basis 12 bzw. kurz davor. Die Erzeugung des Steges 14 mit einem angenähert rechteckigen Querschnitt erfolgt nach dem Aufbringen des Halbleiterschichtsaufbaus 07 durch einen zweiten lasergestützten Strukturierungsschritt (P2, siehe Einschub 1) oberhalb jedes dreiecksförmigen Kontaktfingers 06. Beim anschließenden frontseitigen Aufbringen einer Leitschicht 16, im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine TCO-Schicht in Form von ZnO:Al unter Zwischenlage einer intrinsischen ZnO-Schicht, wird der strukturierte Steg 14 mit Material der Leitschicht 16 aufgefüllt. Abschließend wird das Photovoltaikmodul 01 fertigprozessiert durch einen dritten lasergestützten Strukturierungsschritt (P3, siehe Einschub 1), bei dem die Leitschicht 16 aufgeteilt wird bis auf den Halbleiterschichtaufbau 07. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Steg 14 nicht berührt wird. Es entstehen die implizit seriell verschalteten Dünnschicht-Solarzellen 02. Dabei ist die frontseitige Leitschicht 16 durch die Stege 14, die die elektrisch leitende Verbindung mit den rückseitigen dreiecksförmigen Kontaktfingern 06 herstellen, durchkontaktiert.
  • Die 2 zeigt den zuvor beschriebenen Aufbau des Photovoltaikmoduls 01 im Bereich einer Solarzelle 02 im schematischen Querschnitt. Die gezeigten Bezugszeichen sind der 1 zu entnehmen. Eingezeichnet ist auch der Stromfluss (Pfeile) durch das Photovoltaikmodul 01. Die erfindungsgemäße dreiecksförmige Form der Kontaktfinger 06 ist in dieser Schnittdarstellung jedoch nicht zu erkennen. Besonders gut sind aber die drei lasergestützten Strukturierungsschritte (P1, P2, P3) zu erkennen. Dargestellt ist eine versetzte Durchführung der lasergestützten Strukturierungsschritte (P1) und (P3), sodass Kontaktbereiche 17 entstehen, die als parallele Sammelschienen 13 dienen.
  • Die 3 zeigt schematisch die serielle Verschaltung mehrerer Solarzellenstreifen 18 im Photovoltaikmodul 01. Dabei sind die Solarzellenstreifen 18 zwar parallel zueinander angeordnet, die Verschaltung ihrer dreiecksförmigen Kontaktfinger 06 bezüglich des Sammelleiters 13 erfolgt jedoch seriell. Übereinander liegende dreiecksförmige Kontaktfinger 06 sind alle mit ihrer Höhe 10 auf einer gemeinsamen Höhenlinie 26 angeordnet. Die Solarzellenstreifen 18 sind länglich ausgebildet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge 19 ungefähr das Dreifache der Breite 20 der Streifen 18. Sehr viel längere Solarzellenstreifen 18 sind aber ohne weiteres ausführbar. Die längliche Ausbildung der Solarzellenstreifen 18 mit der Länge 19 ergibt sich durch die Anordnung einer entsprechenden Anzahl von dreiecksförmigen Kontaktfingern 06 mit einem Abstand 25 nebeneinander. Weiterhin erstrecken sich die dreiecksförmigen Kontaktfinger 06 nahezu über die gesamte Breite 20 der Solarzellenstreifen 18. Dabei ist über eine Variation ihrer Geometrie (Höhe 10 und Breite der Basis 12) und der Anzahl der benachbarten dreiecksförmigen Kontaktfinger 06 mit ihren gegenseitigen Abständen 25 in einem Solarzellenstreifen 18 dessen Größe bezüglich Breite 20 und Länge 19 variierbar ist.
  • In der 3 sind auch die drei Strukturierungsschritte (P1, P2, P3) zur Erzeugung des Photovoltaikmoduls 01 nach der Erfindung dargestellt. Es ergeben sich die dreiecksförmigen Kontaktfinger 06 mit ihrer abgerundeten Spitze 21 und ihrer Basis 12 und den (schematisch angedeuteten) Stegen 14. Da im gezeigten Ausführungsbeispiel der Strukturierungsschritt (P3) zwischen den Kontaktfingern 06 deckungsgleich zur Strukturierungslinie 27 des Strukturierungsschritts (P1) und innerhalb der dreiecksförmigen Kontaktfinger 06 deckungsgleich mit deren Basis 12 durchgeführt wurde, entstehen zwischen den einzelnen Solarzellenstreifen 18 keine ableitenden Sammelleiter 13. Dieser wird als einziger Sammelleiter 13 im gezeigten Ausführungsbeispiel nur am unteren Rand 22 des Photovoltaikmodules 01 durch eine vom dreiecksförmigen Kontaktfinger 06 weg orientierte seitliche Verschiebung des dritten Strukturierungsschrittes (P3) in Bezug auf den ersten Strukturierungsschritt (P1) erzeugt (vergleich auch Einschub 1).
  • Mit Pfeilen 23 werden Ladungsträger angedeutet, die aus dem Halbleiterschichtaufbau 07 zu den dreiecksförmigen Kontaktfingern 06 wandern. Dort werden sie durch die Stege 14 konzentriert. Da sich unterhalb der dreiecksförmigen Kontaktfinger 06 entlang ihrer Basen 12 keine Sammelleiter 13 befinden, die für eine Ableitung der Ladungsträger quer zu den Kontaktfingern 06 sorgen könnten, durchtunneln die Ladungsträger von der Basis 12 eines Kontaktfingers 06 den Halbleiterschichtaufbau 07 zur Spitze 21 des darunter angeordneten Kontaktfingers 06 entlang von Tunnelstrecken 24. Dies erfolgt durch alle entlang einer gemeinsamen Höhenlinie 26 in Serie geschalteten dreiecksförmigen Kontaktfinger 06, bis die Ladungsträger vom Sammelleiter 13 aus dem Photovoltaikmodul 01 abgeleitet werden.
  • In der 3 ist ein Photovoltaikmodul 01 mit drei in Serie geschalteten Solarzellenstreifen 18 gezeigt. Es können jeweils weitere drei Solarzellenstreifen 18 dazu ein- oder mehrfach parallel geschaltet werden, wobei der Sammelleiter 13 dann durchgeht. Eine beliebige Anordnung von einer Vielzahl von Solarzellenstreifen 18 ist ohne weiteres möglich und von den Leistungsanforderungen des Photovoltaikmoduls 01 abhängig.
  • In der 4 ist für ein durchkontaktiertes Photovoltaikmodul 01 nach der Erfindung mit vier Solarzellenstreifen 18 und jeweils sieben nebeneinander angeordneten dreiecksförmigen Kontaktfingern 06 pro Solarzellenstreifen 18 die Strom-Spannungs-Leistungskurve (Stromdichte in mA/cm2 über Spannung in V) aufgezeigt. In Laborversuchen konnten bei einer Kurzschlussstromdichte Isc von 7,63 mA/cm2, einer Leerlaufspannung Voc von -2,34 V und einem Füllfaktor von 68,8 % eine absolute Effizienz von 12,3 % erreicht werden. Damit war es einem als Referenz gemessenen Photovoltaikmodul in Dünnschichttechnologie mit herkömmlicher Verschaltung ohne dreiecksförmige Kontaktfinger überlegen (ISC von 6,25 mA/cm2, Leerlaufspannung VOC von -2,87 V und einem Füllfaktor von 63,9 %, absolute Effizienz von 11,48 %).
  • Bezugszeichenliste
    • 01
    Photovoltaikmodul
    02
    Dünnschicht-Solarzelle
    03
    Substrat
    04
    Kontaktschicht
    05
    Kontaktflächen in 04
    06
    dreiecksförmiger Kontaktfinger in 04
    07
    Halbleiterschichtaufbau
    08
    Substratebene
    09
    Seitenschenkel von 06
    10
    Höhe von 06
    11
    Winkel von 06
    12
    Basis von 06
    13
    Sammelleiter
    14
    Steg
    15
    Länge von 14
    16
    Leitschicht
    17
    Kontaktbereich
    18
    Solarzellenstreifen
    19
    Länge von 18
    20
    Breite von 18
    21
    Spitze von 06
    22
    unterer Rand von 01
    23
    Pfeil Wanderung Ladungsträger
    24
    Tunnelstrecke für 23
    25
    Abstand zwischen zwei 06
    26
    gemeinsame Höhenlinie von mehreren 06
    27
    Strukturierungslinie (P1) zwischen zwei 06
    28
    Strukturierungslinie (P1) von 06
    P1
    erster Strukturierungsschritt von 04
    P2
    zweiter Strukturierungsschritt von 07
    P3
    dritter Strukturierungsschritt von 16

Claims (8)

  1. Photovoltaikmodul (01) mit mehreren Dünnschicht-Solarzellen (02) auf einem gemeinsamen, elektrisch nicht-leitenden Substrat (03), umfassend einen strukturierten Halbleiterschichtaufbau (07) mit einer strukturierten transparenten Leitschicht (16) auf der Frontseite und einer strukturierten Kontaktschicht (04) auf der Rückseite mit ineinander greifenden Kontakten (05, 06) zur Ableitung von überschüssigen Ladungsträgern beider Polaritäten, wobei zur elektrischen Kontaktierung der Leitschicht (16) mehrere, sich über die Breite (20) einer Dünnschicht-Solarzelle (02) erstreckende und über deren Länge (19) nebeneinander beabstandet angeordnete Kontaktfinger (06), entlang deren Länge (15) mittig Durchkontaktierungen zur Leitschicht (16) in Form von Stegen (14) aus dem Material der Leitschicht (16) mit einem rechteckförmigen Querschnitt angeordnet sind, und zumindest ein Sammelleiter (13) am Rand (22) des Photovoltaikmoduls (01) vorgesehen sind, die Kontaktfinger (06) in der Substratebene (08) geometrisch an die Form einer abgerundeten Spitze mit Taillierung wie beispielsweise Glockenkurvenform angepasst sind, wobei die Basis (12) jedes Kontaktfingers (06) parallel zum Sammelleiter (13) verläuft und die Stege (14) entlang der Höhe (10) jedes Kontaktfingers (06) verlaufen, wobei in Abhängigkeit von der Höhe (10) der Kontaktfinger (06) und ihrer gegenseitigen Beabstandung (25) jeweils immer mindestens so viele Kontaktfinger (06) in einer Dünnschicht-Solarzelle (02) nebeneinander angeordnet sind, dass längliche Solarzellenstreifen (18) ausgebildet sind, wobei mehrere Solarzellenstreifen (18) über die Höhen (10) der Kontaktfinger (06) in einer Serienschaltung miteinander elektrisch leitend verbunden sind und wobei übereinander angeordnete Kontaktfinger (06) mit ihren Höhen (10) auf einer gemeinsamen Höhenlinie (26) ausgerichtet sind und die Serienverschaltung durch eine Tunnelstrecke (24) für die Ladungsträger aus der Leitschicht (16) im Halbleiterschichtaufbau (07) zwischen jeweils der Basis (12) eines Kontaktfingers (06) und der Spitze (21) des auf der Höhenlinie (26) darunter liegenden Kontaktfingers (06) gebildet ist und nur ein einziger Sammelleiter (13) am Rand (22) des Photovoltaikmoduls (01) vorgesehen ist.
  2. Photovoltaikmodul (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfinger (06) in der Substratebene (08) geometrisch an die Form eines gleichschenkligen (09) Dreiecks angepasst sind.
  3. Photovoltaikmodul (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Solarzellenstreifen (18) nebeneinander angeordnet und in einer Parallelschaltung miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei der zumindest eine Sammelleiter (13) durchgehend über alle Solarzellenstreifen (18) ausgebildet ist.
  4. Photovoltaikmodul (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 10 bis 100 Kontaktfinger (06) in einem Solarzellenstreifen (18) nebeneinander angeordnet sind.
  5. Photovoltaikmodul (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 10 bis 100 Solarzellenstreifen (18) in einer Serienschaltung elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
  6. Photovoltaikmodul (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (16) zwischen 100 nm und 200 nm dünn ist.
  7. Photovoltaikmodul (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (16) aus einem transparenten leitfähigen Oxid, der Halbleitschichtaufbau (07) aus Chalkopyrithalbleitern und/oder die Kontaktschicht (04) aus Molybdän ausgebildet ist.
  8. Photovoltaikmodul (01) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (03) flexibel ausgebildet ist.
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