DE102018108158B4 - Bifazial-Solarzelle, Solarmodul und Herstellungsverfahren für eine Bifazial-Solarzelle - Google Patents

Bifazial-Solarzelle, Solarmodul und Herstellungsverfahren für eine Bifazial-Solarzelle Download PDF

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Abstract

Bifazial-Solarzelle mit einem rückseitigen Schichtstapel, wobei der rückseitige Schichtstapel eine AlOx-Schicht (1), eine oder mehrere SiNx-Schichten (2, 3, 5) und eine SiOxNy-Schicht (4) aufweist, wobei ein Brechungsindex der AlOx-Schicht (1) im Bereich von 1,5 bis 1,7 liegt, ein Brechungsindex der SiNx-Schicht (2, 3, 5) im Bereich von 2,0 bis 2,4 liegt und ein Brechungsindex der SiOxNy-Schicht (4) im Bereich von 1,5 bis 1,9 liegt, gemessen nach DIN bei einer Wellenlänge von 632 nm, und wobei eine Dicke der AlOx-Schicht (1) im Bereich von 5 bis 20 nm liegt, eine Dicke einer auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht (1) angeordneten SiNx-Schicht (2, 3) im Bereich von 20 bis 50 nm liegt, eine Dicke einer von dem Substrat abgewandten Seite der SiOxNy-Schicht (4) angeordneten SiNx-Schicht (5) im Bereich von 5 bis 30 nm liegt und eine Dicke der SiOxNy-Schicht (4) im Bereich von 40 bis 80 nm liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Bifazial-Solarzelle, ein Solarmodul und ein Herstellungsverfahren für eine Bifazial-Solarzelle. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Bifazial-Solarzelle mit einem rückseitigen Schichtstapel und ein Solarmodul, das eine derartige Bifazial-Solarzelle aufweist sowie ein Herstellungsverfahren für die Bifazial-Solarzelle.
  • Eine Solarzelle weist üblicherweise eine Vorderseite und eine Rückseite auf, die jeweils Schichtstapel aufweisen können. Sie ist ein elektrisches Bauelement, das auf ihre Vorderseite einfallendes Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umwandelt.
  • Zur Vermeidung einer Lichteinbuße durch Reflexion kann die Solarzelle eine Antireflexionsbeschichtung aufweisen. Eine derartige Solarzelle ist beispielsweise in der DE 10 2009 056 594 A1 beschrieben, die eine Antireflexionsbeschichtung für die Vorderseite einer Solarzelle vorschlägt, die eine erste SiNx-Schicht mit einem hohen Brechungsindex und eine zweite SiNx-Schicht mit einem geringeren Brechungsindex aufweist.
  • Ferner ist aus der DE 10 2006 062 092 B4 ein Photovoltaikmodul mit Solarzellen bekannt, welche jeweils ein Zell-Schichtsystem aufweisen, das zwischen einem Laminierungsmaterial und einer Licht aufnehmenden Oberfläche der Solarzelle angeordnet ist, das einen variierenden Brechungsindex aufweist und das aus mindestens drei unterschiedlichen Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex besteht.
  • Bei den vorstehend beschriebenen Solarzellen gemäß dem Stand der Technik handelt es sich um Monofazial-Solarzellen. Monofazial-Solarzellen können nur auf ihre Vorderseite einfallendes Licht verwerten. Daher ist ihr Wirkungsgrad begrenzt.
  • Die DE 10 2010 000 002 A1 beschreibt ein Verfahren zur Abscheidung von Mehrlagenschichten in einer Plasmabeschichtungsanlage mit mindestens einer Prozesskammer in Form eines Durchlaufofens, bei dem eine Solarzelle hergestellt wird, die eine Aluminiumoxid-Schicht aufweist, auf der eine Siliziumoxid, Siliziumnitrid- oder Siliziumoxynitrid-Schicht abgeschieden ist.
  • US 2009 / 0 108 250 A1 beschreibt eine Leuchtdiode, die eine Aluminiumoxid-Schicht und eine Siliziumnitrid- oder Titanoxid-Schicht mit alternierenden Brechungsindices aufweist.
  • Neben Monofazial-Solarzellen sind Bifazial-Solarzellen (auch üblich in der englischen Schreibweise: Bifacial-Solarzelle) bekannt. Eine Bifazial-Solarzelle ist eine Solarzelle, die einfallendes Sonnenlicht von zwei Seiten ausnutzen kann. Die Bifazial-Solarzelle kann nicht nur einen direkten Lichteinfall über die Vorderseite sondern auch einen direkten oder indirekten Lichteinfall über die Rückseite verwerten, letzteres beispielsweise in Form reflektierten Sonnenlichts. Hierdurch wird ein höherer Wirkungsgrad der Solarzelle erzielt als bei Monofazial-Solarzellen. So kann zum Beispiel ein von einer hellen Hauswand zurückgeworfenes Licht von der Rückseite der Bifazial-Solarzelle genutzt werden.
  • Beispielsweise beschreibt die US 2017 / 0 170 340 A1 eine Bifazial-Solarzelle, die ein Substrat aufweist, das auf einer Oberfläche mit einem ersten Schichtstapel beschichtet ist und auf einer weiteren Oberfläche mit einem weiteren Schichtstapel beschichtet ist, der eine Emitter-Schicht, eine SiliziumoxidSchicht, eine Aluminiumoxid-Schicht, eine Siliziumnitrid-Schicht und eine Mehrzahl an Elektroden aufweist.
  • Ferner beschreiben beispielsweise beschreiben DULLWEBER, T. [et al.]: The PERC+ cell: A 21%-efficient industrial bifacial PERC solar cell. In: Proc. 31st EUPVSEC 2015, Hamburg Paper 2BO.4.3, S. 345-350 eine Bifazial-Solarzelle mit einem zweischichtigen Schichtstapel, der rückseitig auf ein Substrat aufgebracht ist. Der Schichtstapel besteht aus einer AlOx-Schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, und einer SiNx-Schicht, die auf einer vom Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht angeordnet ist. Es besteht aber weiterhin ein Bedarf, die Effizienz der Solarzelle zu steigern.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Solarzelle und ein Solarmodul sowie ein Herstellungsverfahren für eine Solarzelle bereitzustellen, die eine optimierte Effizienz aufweisen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Bifazial-Solarzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Solarmodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und ein Herstellungsverfahren für eine Bifazial-Solarzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Modifikationen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Erfindung betrifft eine Bifazial-Solarzelle mit einem rückseitigen Schichtstapel, bei der erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der rückseitige Schichtstapel eine AlOx-Schicht, eine oder mehrere SiNx-Schichten und eine oder mehrere SiOxNy-Schichten aufweist, wobei ein Brechungsindex der AlOx-Schicht im Bereich von 1,5 bis 1,7 liegt, ein Brechungsindex der SiNx-Schicht im Bereich von 2,0 bis 2,4 liegt und ein Brechungsindex der SiOxNy-Schicht im Bereich von 1,5 bis 1,9 liegt, gemessen nach DIN bei einer Wellenlänge von 632 nm, und wobei eine Dicke der AlOx-Schicht im Bereich von 5 bis 20 nm liegt, eine Dicke einer auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht angeordneten SiNx-Schicht im Bereich von 20 bis 50 nm liegt, eine Dicke einer von dem Substrat abgewandten Seite der SiOxNy-Schicht angeordneten SiNx-Schicht im Bereich von 5 bis 30 nm liegt und eine Dicke der SiOxNy-Schicht im Bereich von 40 bis 80 nm liegt. Die jeweiligen SiNx bzw. SiOxNy Schichten können sich in ihrem Brechungsindex unterscheiden.
  • Durch diesen rückseitigen Schichtstapel wird die Effizienz der Bifazial-Solarzelle gesteigert. Gegenüber einer Bifazial-Solarzelle mit einem rückseitigen Schichtstapel aus einer AlOx-Schicht und einer SiNx-Schicht ergibt sich eine höhere Effizienz sowohl bei vorderseitigem (+0,2%) als auch rückseitigem Lichteinfall (+0,8 bis 1,0%) sowie eine verringerte PID-Degradation. Eine PID (Potential Induced Degradation = potentialinduzierte Degradation) ist ein Phänomen, das Solarzellen von Solarmodul-Anlagen angreift. PID verursacht eine Verschlechterung der Leistung der Solarmodule mit der Zeit.
  • Bedingt durch den Herstellungsprozess von SiNx- und SiOxNy-Schichten beispielsweise im PECVD-Verfahren (plasma enhanced chemical vapor deposition-Verfahren) wird bei der Abscheidung der Schichten Wasserstoff eingelagert, d. h. die SiNx-Schicht bzw. SiOxNy-Schicht wird hydrogenisiert, was durch die Bezeichnung SiNx:H-Schicht bzw. SiOxNy-Schicht:H-Schicht dargestellt wird. Dieser in einer derartigen Schicht enthaltene Wasserstoff passiviert Rekombinationszentren an der SiNx/Si-Grenzfläche bzw. SiOxNy-Grenzfläche und im Volumen des Siliziumsubstrats. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Solarzelle positiv beeinflusst. Die Herstellung des erfindungsgemäßen rückseitigen Schichtstapels ist in einer PECVD-Anlage in einem Prozess ohne Belüftung oder Anlagenwechsel möglich. Dadurch können Kosten gespart werden. Bevorzugt werden alle Schichten des Rückseitenstapels in einer Rohr-PECVD Anlage mit einem Graphitboot als Waferhalter mittels eines direkten Plasmas abgeschieden. Es ist aber auch möglich, das AlOx mittels „Atomic-Layer-Deposition“ (ALD) oder Mikrowellen-Remote-Plasma abzuscheiden, und die SiNx- und SiOxNy-Schichten in einer Rohr-PECVD Anlage abzuscheiden.
  • Die Bifazial-Solarzelle ist bevorzugt eine mono- oder multikristalline Solarzelle, die ein Siliziumsubstrat aufweist. Bevorzugt ist die Bifazial-Solarzelle eine PERC-Zelle (PERC - Passivated Emitter and Rear Cell).
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die AlOx-Schicht auf einem Substrat der Solarzelle angeordnet, ist die SiNx-Schicht auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht angeordnet und ist die SiOxNy-Schicht auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der SiNx-Schicht angeordnet. In dieser Ausführungsform weist die Bifazial-Solarzelle rückseitig folgenden Aufbau auf: Substrat/AIOx-Schicht/SiNx-Schicht/SiOxNy-Schicht. Bevorzugt sind die Schichten des Schichtstapels direkt oder unmittelbar übereinander angeordnet, d.h. ohne eine andere Zwischenschicht.
  • Bevorzugt ist die SiNx-Schicht eine SiNx-Doppelschicht, die eine erste SiNx-Schicht und eine zweite SiNx-Schicht aufweist. Bevorzugt weist der Schichtstapel daher vier Schichten auf. Bevorzugter besteht der Schichtstapel aus diesen vier Schichten in der folgenden Reihenfolge: AlOx-Schicht/SiNx-Doppelschicht/SiOxNy-Schicht. Hierbei ist immer zu beachten, dass auf der Rückseite der Solarzelle eine zusätzliche Rückseitenmetallisierung vorliegen kann.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist eine dritte SiNx-Schicht auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der SiOxNy-Schicht angeordnet. Bevorzugt weist der Schichtstapel in dieser Ausführungsform fünf Schichten auf. Bevorzugter besteht der Schichtstapel aus den fünf Schichten in der folgenden Reihenfolge: AlOx-Schicht/SiNx-Doppelschicht/SiOxNy-Schicht/SiNx-Schicht. Auch hierbei ist zu beachten, dass auf der Rückseite der Solarzelle eine zusätzliche Rückseitenmetallisierung vorliegen kann.
  • Vorteilhafterweise ist ein Brechungsindex der ersten SiNx-Schicht kleiner als ein Brechungsindex einer zweiten SiNx-Schicht, wobei die erste SiNx-Schicht auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der zweiten SiNx-Schicht angeordnet ist und die zweite SiNx-Schicht auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht angeordnet ist. In dieser Ausführungsform weist die Solarzelle bevorzugt rückseitig folgenden Aufbau auf: Substrat/AlOx-Schicht/zweite SiNx-Schicht/erste SiNx-Schicht/SiOxNy-Schicht oder Substrat/AlOx-Schicht/zweite SiNx-Schicht/erste SiNx-Schicht/SiOxNy-Schicht/dritte SiNx-Schicht. Der Brechungsindex der dritten SiNx-Schicht ist bevorzugt kleiner als der Brechungsindex der zweiten SiNx-Schicht. Bevorzugter ist der Brechungsindex der dritten SiNx-Schicht gleich oder im Wesentlichen gleich zu dem Brechungsindex der ersten SiNx-Schicht.
  • Ein Brechungsindex der SiOxNy-Schicht ist kleiner als ein Brechungsindex der SiNx-Schicht d.h. der ersten, zweiten und dritten SiNx-Schicht. Insbesondere kann der Brechungsindex der SiOxNy-Schicht größer als ein Brechungsindex der AlOx-Schicht sein.
  • Der Brechungsindex der AlOx-Schicht liegt im Bereich von 1,5 bis 1,7, der Brechungsindex der SiNx-Schicht liegt im Bereich von 2,0 bis 2,4, und der Brechungsindex der SiOxNy-Schicht liegt im Bereich von 1,5 bis 1,9, gemessen nach DIN bei einer Wellenlänge von 632 nm. Wenn die SiNx-Schicht eine SiNx-Doppelschicht ist, liegt bevorzugt ein Brechungsindex der ersten SiNx-Schicht im Bereich von 2,0 bis 2,2 und ein Brechungsindex der zweiten SiNx-Schicht im Bereich von 2,2 bis 2,4. Wenn der Schichtstapel die dritte SiNx-Schicht aufweist, liegt bevorzugt ein Brechungsindex der dritten SiNx-Schicht im Bereich von 2,0 bis 2,2. Im Bereich dieser Werte weist die Bifazial-Solarzelle eine hohe Lichteinkopplung auf und es wird eine hohe Passivierungswirkung erzielt.
  • Bevorzugt beträgt eine Gesamtschichtdicke des Schichtstapels mindestens 95 nm, bevorzugt mindestens 105nm, bevorzugter mindestens 115nm, noch bevorzugter mindestens 120 nm. Dadurch werden sowohl bei Lichteinfall von der Vorderseite als auch bei Lichteinfall von der Rückseite eine höhere Leerlaufspannung und ein höherer Wirkungsgrad erzielt.
  • Bevorzugt ist eine Schichtdicke der SiOxNy-Schicht größer als eine Schichtdicke der SiNx-Schicht. Wenn die SiNx-Schicht eine SiNx-Doppelschicht ist, ist bevorzugt eine Schichtdicke der SiOxNy-Schicht gleich oder größer als die Schichtdicke der SiNx-Doppelschicht. Eine Schichtdicke der AlOx-Schicht ist bevorzugt kleiner als die Schichtdicke der SiNx-Schicht. Eine Schichtdicke der AlOx-Schicht liegt im Bereich von 5 bis 20 nm, eine Schichtdicke der auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht angeordneten SiNx-Schicht liegt im Bereich von 20 bis 50 nm, eine Schichtdicke der von dem Substrat abgewandten Seite der SiOxNy-Schicht angeordneten dritten SiNx-Schicht liegt im Bereich von 5 bis 30 nm, und eine Schichtdicke liegt der SiOxNy-Schicht im Bereich von 40 bis 80 nm. Eine Dicke der ersten SiNx-Schicht liegt bevorzugt im Bereich von 20 bis 40 nm, und eine Dicke der zweiten SiNx-Schicht liegt bevorzugt im Bereich von 10 bis 30 nm. Eine Dicke der dritten SiNx-Schicht liegt bevorzugter im Bereich von 10 bis 20 nm. Im Bereich dieser Werte weist die Bifazial-Solarzelle eine hohe Lichteinkopplung auf und es wird eine hohe Passivierungswirkung erzielt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der rückseitige Schichtstapel aus folgenden vier Schichten: eine auf dem Substrat angeordnete AIOx-Schicht, die zweite auf der vom Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht angeordnete SiNx-Schicht, die erste auf der vom Substrat abgewandten Seite der SiNx-Schicht angeordnete SiNx-Schicht und die auf der vom Substrat abgewandten Seite der ersten SiNx-Schicht angeordnete SiOxNy-Schicht. In dieser Ausführungsform ist der Brechungsindex der AlOx-Schicht bevorzugt im Bereich von 1,5 bis 1,7, bevorzugter bei 1,6, ist der Brechungsindex der zweiten SiNx-Schicht bevorzugt im Bereich von 2,2 bis 2,4, der Brechungsindex der ersten SiNx-Schicht im Bereich von 2,0 bis 2,1, und der Brechungsindex der SiOxNy-Schicht im Bereich von 1,5 bis 1,7, gemessen wie vorstehend angegeben.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht der rückseitige Schichtstapel aus folgenden fünf Schichten: eine auf dem Substrat angeordnete AlOx-Schicht, die zweite auf der vom Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht angeordnete SiNx-Schicht, die erste auf der vom Substrat abgewandten
  • Seite der SiNx-Schicht angeordnete SiNx-Schicht, die auf der vom Substrat abgewandten Seite der ersten SiNx-Schicht angeordnete SiOxNy-Schicht und die dritte auf der vom Substrat abgewandten Seite der SiOxNy-Schicht angeordnete SiNx-Schicht. In dieser Ausführungsform ist der Brechungsindex der AlOx-Schicht bevorzugt im Bereich von 1,5 bis 1,7, bevorzugter bei 1,6, ist der Brechungsindex der zweiten SiNx-Schicht bevorzugt im Bereich von 2,2 bis 2,4, der Brechungsindex der ersten und dritten SiNx-Schicht im Bereich von 2,0 bis 2,1, und der Brechungsindex der SiOxNy-Schicht im Bereich von 1,5 bis 1,7, gemessen wie vorstehend angegeben. Wie vorstehend bereits erwähnt, ist mit dem Ausdruck, dass der Schichtstapel aus den genannten Schichten besteht derart gemeint, dass weiterhin eine Rückseitenmetallisierung auf dem rückseitigen Schichtstapel vorgesehen sein kann.
  • Bevorzugt liegt die Gesamtschichtdicke dieses Schichtstapels im Bereich von 100 bis 130 nm, bevorzugter bei 125 nm. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Beständigkeit gegenüber Pastenfraß bei der Herstellung der Bifazial-Solarzelle. Zudem wird quantitativ mehr Wasserstoff für eine chemische Passivierung der Oberfläche und des Volumen bereitgestellt. Gleichzeitig wurden mit diesem Schichtstapel gute optische (Antireflexions-) Eigenschaften für Lichteinfall von der Rückseite erzielt (Bifazialität > 70 % bzw. Wirkungsgrade> 16 %). Der visuelle Eindruck der Rückseite nach Einkapselung der Bifazial-Solarzelle in einem Solarmodul ist außerordentlich homogen im Vergleich zu einer Bifazial-Solarzelle mit einem ca. 75 - 80 nm dicken rückseitigen Schichtstapel, der aus einer AlOx-Schicht (Schichtdicke von ca. 15 - 20 nm, Brechungsindex von 1,6) und einer SiNx-Schicht (Schichtdicke von ca. 60nm, Brechungsindex von 2,05) besteht.
  • Gegenüber der Solarzelle mit diesem zweischichtigem Schichtstapel aus einer AlOx-Schicht und einer SiNx-Schicht weist die erfindungsgemäße Bifazial-Solarzelle mit dem vierschichtigen Schichtstapel bei Einstrahlung von der Vorderseite eine höheres Voc (Leerlaufspannung, +3 mV) sowie einen höheres ηfront (vorderseitiger Wirkungsgrad, + 0,2 %) auf; bei Einstrahlung von der Rückseite wurden sogar bis zu 5 mV Voc (Leerlaufspannung) Gewinn und + 0,8% ηback (rückseitiger Wirkungsgrad) bei der erfindungsgemäßen Bifazial-Solarzelle mit dem vierschichtigen Schichtstapel im Vergleich zur Bifazial-Solarzelle mit dem zweischichtigen Schichtstapel gemäß Stand der Technik gemessen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Schichtstapels ist die verbesserte Beständigkeit der Bifazial-Solarzelle gegenüber PID von der Rückseite.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Solarmodul, aufweisend mehrere Bifazial-Solarzellen nach einer oder mehreren der vorstehenden Ausführungsformen. Die Effizienz des Solarmoduls ist gesteigert. Das Solarmodul kann bifazial oder monofazial ausgebildet sein. Im letzteren Fall werden also Bifazial-Solarzellen in einem Solarmodul angeordnet, welches eigentlich für monofaziale Stromgewinnung eingesetzt wird.
  • Ein bifaziales Solarmodul besitzt die Eigenschaft, sowohl auf die Vorderseite einfallendes Licht als auch auf die Rückseite einfallendes Licht zur Stromerzeugung zu nutzen. Bei dem bifazialen Solarmodul wird eine transparente Folie oder Glas als Rückseitenverkapselungselement verwendet. So kann Licht, dass ungenutzt durch das Modul geht und reflektiertes Licht aus der Umgebung auf der Rückseite genutzt werden. Ein monofaziales Solarmodul besitzt die Eigenschaft, nur auf die Vorderseite einfallendes Licht zur Stromerzeugung zu nutzen. Bei einem monofazialen Solarmodul wird ein weitgehend lichtundurchlässiges Rückseitenverkapselungselement verwendet, mit einer Transmission von weniger als 2 %.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Solarmodul als monofaziales Solarmodul ausgebildet. Weiterhin bevorzugt weist das Solarmodul ein weißes Rückseitenverkapselungselement auf. Dadurch kann ein um ca. 90 mA höherer Strom Isc (Kurzschlussstrom) (ca. 1% relativ) und damit eine höhere Modulleistung von üblicherweise 2 - 3 Wpeak erzielt werden.
  • Das weiße Rückseitenverkapselungselement stellt im Sinne der Erfindung ein Rückseitenverkapselungselement dar, das im Wellenlängenbereich von 300 bis 1200nm weitgehend intransparent ist. Es ist daher bei der Verwendung des weißen Rückseitenverkapselungselements nur ein geringer Lichteinfall auf den Bifazial-Solarzellen zu erwarten (< 2%). Die Erfinder haben jedoch nach Auswertung von sogenannten Einkapselmessungen (Cell-To-Module encapsulation loss) an Monofazial- und Bifazial-Solarzellen mit verschiedenen Verkapselungselement-Materialien (Glas-Glas, Glas-transparentes Rückseitenverkapselungselement, Glas-weißes Rückseitenverkapselungselement) herausgefunden, dass - bei Beleuchtung von vorne, d.h. bei Lichteinfall auf die Vorderseite - gegenüber einer Monofazial-Solarzelle ein ca. 1 % höherer Isc Strom (Kurzschlussstrom) pro Solarzelle gemessen wird, was bei einem Solarmodul mit zweiundsiebzig Solarzellen ca. 2 W höhere Solarmodulleistung unter Standard-Test-Bedingungen ergibt.
  • Gegenüber einer Monofazial-Solarzelle wird bei der Bifazial-Solarzelle weiterhin Aluminiumpaste gespart, da nur ca. 10 - 20 % der Fläche metallisiert sind. Dadurch können Kosten gespart werden.
  • Desweiteren wurde festgestellt, dass eine höhere Jsc (Kurzschlussstromdichte) bei den Bifazial-Solarzellen gegenüber den Monofazial-Solarzellen erhalten wird, der aus der Rückreflektion von Strahlung im Nah-IR Bereich (700 - 1200 nm) an dem weißem Rückseitenverkapselungselement herrühren dürfte. Diese Strahlung wird dann nochmals in die Bifazial-Solarzelle eingekoppelt und kann Ladungsträger erzeugen.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Herstellungsverfahren für die Bifazial-Solarzelle entsprechend einer oder mehreren der beschriebenen Ausführungsformen, bei dem der rückseitige Schichtstapel aus AlOx-Schicht, SiNx-Schicht(en) und SiOxNy-Schicht in einer Rohr PECVD Anlage mit einem Graphitboot als Waferhalter abgeschieden werden und die Schichten nacheinander in ein- und demselben Rohr aufgebracht werden.
  • Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den Figuren gezeigt und nachfolgend exemplarisch beschrieben. Es zeigen schematisch und nicht maßstabsgetreu:
    • 1 einen Schichtstapel gemäß dem Stand der Technik;
    • 2a einen erfindungsgemäßen Schichtstapel;
    • 2b einen weiteren erfindungsgemäßen Schichtstapel;
    • 3a bis 3e Varianten des in 2a gezeigten erfindungsgemäßen Schichtstapels;
    • 3f eine Variante des in 2b gezeigten erfindungsgemäßen Schichtstapels;
    • 4 und 5 jeweils Graphen mit einem Vergleich zweier Bifazial-Solarzellen für Jsc, Voc, FF und Eta.
  • 1 zeigt einen Schichtstapel gemäß dem Stand der Technik. Dieser bekannte Schichtstapel ist zweischichtig und rückseitig auf ein Substrat (nicht gezeigt) aufgebracht. Der Schichtstapel besteht aus einer AlOx-Schicht 1, die auf dem Substrat (nicht gezeigt) angeordnet ist, und einer ersten SiNx-Schicht 2, die auf einer vom Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht 1 angeordnet ist. Die AlOx-Schicht 1 weist einen Brechungsindex von 1,6, wie vorstehend angegeben gemessen, und eine Schichtdicke von 16 nm auf. Die erste SiNx-Schicht 2 weist einen Brechungsindex von 2,05, wie vorstehend angegeben gemessen, und eine Schichtdicke von 60 nm auf. Die Gesamtschichtdicke des Schichtstapels beträgt daher 76 nm.
  • 2a zeigt einen erfindungsgemäßen Schichtstapel. Der erfindungsgemäße Schichtstapel ist vierschichtig und rückseitig auf ein Substrat (nicht gezeigt) aufgebracht. Der Schichtstapel weist eine AlOx-Schicht 1, die auf dem Substrat (nicht gezeigt) angeordnet ist, eine SiNx-Doppelschicht 2, 3, die auf einer vom Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht 1 angeordnet ist und eine SiOxNy-Schicht 4 auf, die auf einer vom Substrat abgewandten Seite der SiNx-Doppelschicht angeordnet ist. Die SiNx-Doppelschicht 2, 3 weist eine erste SiNx-Schicht 2 und eine zweite SiNx-Schicht 3 auf, wobei die erste SiNx-Schicht 2 auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der zweiten SiNx-Schicht 3 angeordnet ist und die zweite SiNx-Schicht 3 auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht 1 angeordnet ist.
  • Die AlOx-Schicht 1 weist einen Brechungsindex von 1,6, wie vorstehend angegeben gemessen, und eine Schichtdicke von 5 bis 20 nm auf. Die erste SiNx-Schicht 2 weist einen Brechungsindex im Bereich von 2,0 bis 2,2, wie vorstehend angegeben gemessen, und eine Schichtdicke im Bereich von 20 bis 40 nm auf. Die zweite SiNx-Schicht 3 weist einen Brechungsindex im Bereich von 2,1 bis 2,4, wie vorstehend angegeben gemessen, und eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 30 nm auf. Die SiOxNy-Schicht 4 weist einen Brechungsindex im Bereich von 1,5 bis 1,9, wie vorstehend angegeben gemessen, und eine Schichtdicke im Bereich von 50 bis 80 nm auf. Die Gesamtschichtdicke des Schichtstapels beträgt daher 89 bis 170 nm, bevorzugt 110 bis 140 nm.
  • 2b zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Schichtstapel. Der in 2b gezeigte Schichtstapel entspricht dem in 2a gezeigten Schichtstapel mit dem Unterschied, dass auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der SiOxNy-Schicht 4 weiterhin eine dritte SiNx-Schicht 5 angeordnet ist. Die dritte SiNx-Schicht 5 weist einen Brechungsindex im Bereich von 2,0 bis 2,2, wie vorstehend angegeben gemessen, und eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 20 nm auf.
  • 3a bis 3e zeigen Varianten des in 2a gezeigten erfindungsgemäßen Schichtstapels.
  • 3a zeigt einen rückseitigen Schichtstapel gemäß 2a, bei dem die AlOx-Schicht 1 eine Schichtdicke von 16 nm und einen Brechungsindex von 1,6 aufweist, die zweite SiNx-Schicht 3 eine Schichtdicke von 40 nm und einen Brechungsindex von 2,40 aufweist, die erste SiNx-Schicht 2 eine Schichtdicke von 20 nm und einen Brechungsindex von 2,05 aufweist, die SiOxNy-Schicht 4 eine Schichtdicke von 60 nm und einen Brechungsindex von 1,7 aufweist. Die Gesamtschichtdicke des Schichtstapels beträgt 136 nm.
  • 3b zeigt einen rückseitigen Schichtstapel gemäß 2a, bei dem die AlOx-Schicht 1 eine Schichtdicke von 16 nm und einen Brechungsindex von 1,6 aufweist, die zweite SiNx-Schicht 3 eine Schichtdicke von 20 nm und einen Brechungsindex von 2,40 aufweist, die erste SiNx-Schicht 2 eine Schichtdicke von 20 nm und einen Brechungsindex von 2,05 aufweist, die SiOxNy-Schicht 4 eine Schichtdicke von 70 nm und einen Brechungsindex von 1,7 aufweist. Die Gesamtschichtdicke des Schichtstapels beträgt 126 nm.
  • 3c zeigt einen rückseitigen Schichtstapel gemäß 2a, bei dem die AlOx-Schicht 1 eine Schichtdicke von 16 nm und einen Brechungsindex von 1,6 aufweist, die zweite SiNx-Schicht 3 eine Schichtdicke von 20 nm und einen Brechungsindex von 2,10 aufweist, die erste SiNx-Schicht 2 eine Schichtdicke von 30 nm und einen Brechungsindex von 2,05 aufweist, die SiOxNy-Schicht 4 eine Schichtdicke von 50 nm und einen Brechungsindex von 1,7 aufweist. Die Gesamtschichtdicke des Schichtstapels beträgt 116 nm.
  • 3d zeigt einen rückseitigen Schichtstapel gemäß 2a, bei dem die AlOx-Schicht 1 eine Schichtdicke von 16 nm und einen Brechungsindex von 1,6 aufweist, die zweite SiNx-Schicht 3 eine Schichtdicke von 20 nm und einen Brechungsindex von 2,20 aufweist, die erste SiNx-Schicht 2 eine Schichtdicke von 30 nm und einen Brechungsindex von 2,05 aufweist, die SiOxNy-Schicht 4 eine Schichtdicke von 50 nm und einen Brechungsindex von 1,7 aufweist. Die Gesamtschichtdicke des Schichtstapels beträgt 116 nm.
  • 3e zeigt einen rückseitigen Schichtstapel gemäß 2a, bei dem die AlOx-Schicht 1 eine Schichtdicke von 10 nm und einen Brechungsindex von 1,6 aufweist, die zweite SiNx-Schicht 3 eine Schichtdicke von 20 nm und einen Brechungsindex von 2,20 aufweist, die erste SiNx-Schicht 2 eine Schichtdicke von 30 nm und einen Brechungsindex von 2,05 aufweist, die SiOxNy-Schicht 4 eine Schichtdicke von 80 nm und einen Brechungsindex von 1,7 aufweist. Die Gesamtschichtdicke des Schichtstapels beträgt 140 nm.
  • 3f zeigt eine Variante des in 2b gezeigten erfindungsgemäßen Schichtstapels, bei dem die AlOx Schicht 1 eine Schichtdicke von 16 nm und einen Brechungsindex von 1,6, die erste SiNx-Schicht 2 eine Schichtdicke von 20 nm und einen Brechungsindex von 2,05, die zweite SiNx-Schicht 3 eine Schichtdicke von 20 nm und einen Brechungsindex von 2,4, die SiOxNy Schicht 4 eine Schichtdicke von 70 nm und einen Brechungsindex von 1,5 und die dritte SiNx Schicht 5 eine Schichtdicke von 10 nm und einen Brechungsindex von 2,05 aufweist.
  • 4 und 5 zeigen jeweils Graphen in denen Vergleiche der Kurzschlussstromdichte (Jsc), der Leerlaufspannung (Voc), des Füllfaktors (FF) und des Wirkungsgrades (Eta) zweier erfindungsgemäßer Bifazial-Solarzellen stattfinden. Bei den Graphen handelt es sich um sogenannte Boxplots mit Median (auch als Zahl daneben dargestellt), sowie oberem und unterem Quartil. Es handelt sich um Batchexperimente mit typischerweise hundert Bifazial-Solarzellen per Batch.
  • 4 zeigt Boxplots mit einem Vergleich zweier Bifazial-Solarzellen für Kurzschlussstromdichte (Jsc), Leerlaufspannung (Voc), Füllfaktor (FF) und Wirkungsgrad (Eta) bei einer Vorderseitenbeleuchtung der Bifazial-Solarzellen. B1 bezeichnet die in 3b gezeigte erfindungsgemäße Bifazial-Solarzelle und C1 bezeichnet die in 1 gezeigte Bifazial-Solarzelle gemäß dem Stand der Technik. Wie in 4 gezeigt, weist die erfindungsgemäße Bifazial-Solarzelle eine höhere Kurzschlusstromdichte, eine um etwa 3 mV höhere Leerlaufspannung, einen höheren Füllfaktor und einen um etwa 0,2% höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu der Bifazial-Solarzelle gemäß dem Stand der Technik auf.
  • 5 zeigt Boxplots mit einem Vergleich zweier Bifazial-Solarzellen für Kurzschlussstromdichte (Jsc), Leerlaufspannung (Voc), Füllfaktor (FF) und Wirkungsgrad (Eta) bei einer Rückseitenbeleuchtung der Bifazial-Solarzellen. B1 bezeichnet die in 3b gezeigte erfindungsgemäße Bifazial-Solarzelle und C1 bezeichnet die in 1 gezeigte Bifazial-Solarzelle gemäß dem Stand der Technik. Wie in 5 gezeigt weist die erfindungsgemäße Bifazial-Solarzelle eine um 1,2 mA/cm2 höhere Kurzschlussstromdichte, eine um 5 mV höhere Leerlaufspannung, einen höheren Füllfaktor und einen um 0,75% höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu der Bifazial-Solarzelle gemäß dem Stand der Technik auf.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    AlOx-Schicht
    2
    erste SiNx-Schicht
    3
    zweite SiNx-Schicht
    4
    SiOxNy-Schicht
    5
    dritte SiNx-Schicht

Claims (12)

  1. Bifazial-Solarzelle mit einem rückseitigen Schichtstapel, wobei der rückseitige Schichtstapel eine AlOx-Schicht (1), eine oder mehrere SiNx-Schichten (2, 3, 5) und eine SiOxNy-Schicht (4) aufweist, wobei ein Brechungsindex der AlOx-Schicht (1) im Bereich von 1,5 bis 1,7 liegt, ein Brechungsindex der SiNx-Schicht (2, 3, 5) im Bereich von 2,0 bis 2,4 liegt und ein Brechungsindex der SiOxNy-Schicht (4) im Bereich von 1,5 bis 1,9 liegt, gemessen nach DIN bei einer Wellenlänge von 632 nm, und wobei eine Dicke der AlOx-Schicht (1) im Bereich von 5 bis 20 nm liegt, eine Dicke einer auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht (1) angeordneten SiNx-Schicht (2, 3) im Bereich von 20 bis 50 nm liegt, eine Dicke einer von dem Substrat abgewandten Seite der SiOxNy-Schicht (4) angeordneten SiNx-Schicht (5) im Bereich von 5 bis 30 nm liegt und eine Dicke der SiOxNy-Schicht (4) im Bereich von 40 bis 80 nm liegt.
  2. Bifazial-Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die AlOx-Schicht (1) auf einem Substrat der Solarzelle angeordnet ist, die SiNx-Schicht (2, 3) auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht (1) angeordnet ist und die SiOxNy-Schicht (4) auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der SiNx-Schicht (2, 3) angeordnet ist.
  3. Bifazial-Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die SiNx-Schicht (2, 3) eine SiNx-Doppelschicht ist, die eine erste SiNx-Schicht (2) und eine zweite SiNx-Schicht (3) aufweist.
  4. Bifazial-Solarzelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte SiNx-Schicht (5) auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der SiOxNy-Schicht (4) angeordnet ist.
  5. Bifazial-Solarzelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brechungsindex der ersten SiNx-Schicht (2) kleiner ist als ein Brechungsindex einer zweiten SiNx-Schicht (3), wobei die erste SiNx-Schicht (2) auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der zweiten SiNx-Schicht (3) angeordnet ist und die zweite SiNx-Schicht (3) auf einer von dem Substrat abgewandten Seite der AlOx-Schicht (1) angeordnet ist.
  6. Bifazial-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brechungsindex der ersten und dritten SiNx-Schicht (2, 5) im Bereich von 2,0 bis 2,2 liegt und ein Brechungsindex der zweiten SiNx-Schicht (3) im Bereich von 2,2 bis 2,4 liegt.
  7. Bifazial-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtschichtdicke des Schichtstapels mindestens 95 nm, mindestens 105nm, mindestens 115nmoder mindestens 120 nm beträgt.
  8. Bifazial-Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass und eine Dicke der ersten SiNx-Schicht (2) im Bereich von 20 bis 40 nm liegt, die Dicke der zweiten SiNx-Schicht (3) im Bereich von 10 bis 30 nm liegt und die Dicke der dritten SiNx-Schicht (5) im Bereich von 10 bis 20 nm liegt.
  9. Solarmodul, aufweisend mehrere Bifazial-Solarzellen nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  10. Solarmodul nach Anspruch 9, ausgebildet als monofaziales Solarmodul.
  11. Solarmodul nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein weißes Rückseitenverkapselungselement.
  12. Herstellungsverfahren für eine Bifazial-Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der rückseitige Schichtstapel aus AlOx-Schicht (1), SiNx-Schicht(en) (2, 3, 5) und SiOxNy-Schicht (4) in einer Rohr PECVD Anlage mit einem Graphitboot als Waferhalter abgeschieden werden und die Schichten nacheinander in ein- und demselben Rohr aufgebracht werden.
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