DE102018124838B4 - Photovoltaiksubstrat, Photovoltaikelement und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Photovoltaiksubstrat (1) für ein Photovoltaikelement (8), insbesondere für ein Dünnfilmphotovoltaikelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaiksubstrat (1)- eine Polyimidfolie aufweist,- in Richtung seiner Erstreckungsebene (4) elektrisch nicht leitfähig ist und- senkrecht zu seiner Erstreckungsebene (4) elektrisch leitfähig ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Photovoltaiksubstrat. Das Photovoltaiksubstrat kann insbesondere als tragende, grundlegende oder ggf. auch unterste Schicht eines Photovoltaikelements Einsatz finden. Das Photovoltaikelement kann mehrschichtig auf dem Photovoltaiksubstrat aufgebaut sein. Das Photovoltaiksubstrat kann dabei eine Stabilität, einen Zusammenhalt oder grundlegende mechanische Eigenschaften des Photovoltaikelements wie Zugfestigkeit oder Scherfestigkeit bereitstellen. Die Erfindung betrifft auch ein Photovoltaikelement mit einem solchen Photovoltaiksubstrat und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Photovoltaikelements.
  • Photovoltaikelemente finden eine Vielzahl von Anwendungen. Dazu gehören Spezialanwendungen wie die Konstruktion von Fahrzeugen, insbesondere für die Raumfahrt, aber auch die nachhaltige Stromerzeugung in der Industrie, Haushalten oder für einzelne Verbraucher. Photovoltaikelemente liefern, Sonneneinstrahlung vorausgesetzt, unerschöpflich Energie und sind dabei wartungsarm, mechanisch und bei geeigneter Ausführung auch thermisch robust und mobil und/oder unabhängig von externer Stromversorgung wie einem öffentlichen Stromnetz einzusetzen. Sie ermöglichen damit auch eine dezentrale Stromversorgung. Photovoltaikelemente können in allen praktischen Größenordnungen zum Einsatz kommen, beispielsweise großflächig an Dächern, Fassaden, Spezialbauten oder Boden-, Wasser-, Luft- und Raumfahrzeugen, aber auch kleinflächig beispielsweise für elektrische und elektronische Kleingeräte, insbesondere für solche Kleingeräte, die mobil sein sollen oder als flexibel verwendbare (externe) Stromversorgung für solche Kleingeräte. Anwendung finden können Photovoltaikelemente dabei unter anderem für solche Spezialanwendungen, bei denen eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle zur möglichst wartungsfreien Stromerzeugung benötigt wird. Eine solche Spezialanwendung ist die an Raumfahrzeugen: An Raumfahrzeugen müssen Photovoltaikelemente nicht nur besonders zuverlässig funktionieren, sondern auch Anforderungen in Bezug auf die besondere Verbausituation erfüllen.
  • Dazu gehört, dass die Photovoltaikelemente besonders leicht sein müssen. Vorteilhafterweise sind Photovoltaikelemente zur Verwendung an Raumfahrzeugen auch besonders dünn und flexibel, so dass sie kompakt gestaut werden können. Ein derartiges Stauen kann beispielsweise für eine Ausbildung eines Photovoltaikelements als oder auf einer Photovoltaikmembran erfolgen, die dadurch in einem Betriebszustand eine große Fläche nutzen, aber beispielsweise für einen Start des Raumfahrzeugs einen möglichst kleinen Stauraum einnehmen kann.
  • Herkömmliche Photovoltaik basiert auf kristallinen Zellen, insbesondere Siliziumzellen oder Gallium-Arsenid-Zellen. Es gibt aber weitere Entwicklungen auf dem Gebiet der Photovoltaik, beispielsweise organische Solarzellen, die gegenüber herkömmlichen Solarzellen sehr dünn und flexibel sein können, und sogenannte Dünnschichtphotovoltaik. Dünnschichtphotovoltaik ermöglicht ebenfalls die Ausbildung sehr dünner und flexibler sowie leichter Photovoltaikelemente. Dünnfilmphotovoltaikelemente können beispielsweise für die oben genannten Einsatzzwecke verwendet werden und eignen sich insbesondere gut für die genannten Anwendungen in der Raumfahrt wie etwa Photovoltaikmembranen. Sie eignen sich aber auch beispielsweise für eine Integration in Gebäuden, unter Umständen andere Baumaterialien ersetzend, beispielsweise als Dachschindeln, Fassadenelemente oder sogar Fenster oder andere Lichteinlässe, wenn sie mindestens teilweise transparent sind.
  • Dünnfilmphotovoltaikelemente werden durch Beschichten eines Photovoltaiksubstrats mit mehreren photovoltaisch aktiven Schichten gebildet, sodass keine Wafer geschnitten oder anderweitig erzeugt werden müssen und eine Herstellung als Meterware möglich ist. Während bei herkömmlicher kristalliner Photovoltaik stets einzelne Photovoltaikzellen gefertigt werden, ist bei Dünnfilmphotovoltaik eine Aufteilung der Meterware nach deren Herstellung (sodass die Meterware ein Halbzeug bildet) oder während deren Herstellung möglich. Damit können Halbzeuge und sogar gebrauchsfertige Photovoltaikelemente als „Endlosband“ erzeugt werden. Dünnfilmphotovoltaikelemente erreichen Dicken im Bereich von Nanometern bis wenigen Mikrometern (z. B. weniger als 5 nm, weniger als 10 nm, weniger als 50 nm, weniger als 200 nm, weniger als 500 nm, weniger als 1 µm, weniger als 10 µm, weniger als 30 µm), im Gegensatz zu herkömmlichen Photovoltaikelementen mit Dicken im Bereich mehrerer hundert Mikrometer (bspw. 200 µm), in Ausnahmefällen bis zu 80 µm. Als photovoltaisch aktives Material können bei der Dünnfilmphotovoltaik beispielsweise amorphes oder mikrokristallines Silizium, Galliumarsenid oder Cadmiumtellurid Einsatz finden. In sogenannten CIS- oder CIGS-Zellen ist das photovoltaisch aktive Material mit Kupfer-Indium-Schwefel-Selen-Verbindungen (CIS) oder Kupfer-Indium-Gallium-Schwefel-Selen-Verbindungen (CIGS) gebildet.
  • Im Folgenden soll der Begriff „Photovoltaik“ alle bekannten Ausprägungen der Photovoltaik umfassen, insbesondere auch die Dünnfilmphotovoltaik.
  • STAND DER TECHNIK
  • Photovoltaikelemente für Dünnfilmphotovoltaik sind mehrschichtig aufgebaut. Als Trägermaterial kommt ein Photovoltaiksubstrat zum Einsatz, das in seiner Ausbildung stark variieren kann. Zum Beispiel kann ein solches Photovoltaiksubstrat eigensteif sein (wie beispielsweise ein Photovoltaiksubstrat mit Glas) oder flexibel sein (beispielsweise ein Photovoltaiksubstrat aus mindestens einer Folie, bspw. einer Stahlfolie oder Polyimidfolie).
  • Das Photovoltaiksubstrat trägt mehrere Schichten. Wenn das Photovoltaiksubstrat flexibel ist, sind diese Schichten vorteilhafterweise auch flexibel, so dass das mit ihnen gebildete Photovoltaikelement insgesamt flexibel ist. Unmittelbar auf dem Photovoltaiksubstrat angeordnet ist eine Rückkontaktschicht aus einem leitfähigen Material. Auf der Rückkontaktschicht befinden sich die eigentlich photovoltaisch aktiven Schichten, die eine photovoltaisch aktive Lage bilden. Abgedeckt sind die photovoltaisch aktiven Schichten auf der dem Photovoltaiksubstrat abgewandten Seite von einer Frontkontaktschicht, die ebenfalls elektrisch leitfähig ist und transparent ist, so dass Sonnenlicht durch die Frontkontaktschicht zu der photovoltaisch aktiven Lage gelangen kann.
  • US 2012/0024361 A1 offenbart ein Photovoltaikelement, das eine anisotrop leitende Schicht als Rückkontakt oder Teil eines Rückkontakts aufweist. Das Photovoltaikelement weist ein Photovoltaiksubstrat aus Glas auf, das eine ausreichende Dicke aufweisen muss, um eine Unterstützung für weitere Lagen des Photovoltaikelements zur Verfügung zu stellen. Die weiteren Lagen sind auf das Photovoltaiksubstrat aus Glas aufgetragen. Auf das Photovoltaiksubstrat aus Glas ist eine transparente, leitfähige Oxidschicht als Frontkontakt aufgetragen, darauf eine nicht-leitfähige transparente Pufferschicht, darauf zwei photovoltaisch aktive Lagen, die einen p-n-Übergang bereitstellen, darauf die anisotrop leitfähige Schicht und darauf schließlich eine Kontaktschicht aus Metall. Vor einem Auftragen der anisotrop leitfähigen Schicht können Gräben in das Photovoltaikelement eingebracht worden sein, die zum Aufteilen und Strukturieren des Photovoltaikelements dienen. Die anisotrop leitfähige Schicht weist ein Polymermaterial mit darin angeordneten leitfähigen Partikeln auf, die im Wesentlichen kugelförmig sein oder eine andere geeignete Form aufweisen können. Die leitfähigen Partikel können Metallperlen, metallbeschichtete Glasperlen oder metallbeschichtete Polymerperlen sein.
  • US 2007/0212521 A1 offenbart eine anisotrop leitfähige Polyimidfolie. Die anisotrop leitfähige Polyimidfolie ist hergestellt, indem eine Polyimidfolie eine Mehrzahl von bienenwabenförmig angeordneten Durchgangsausnehmungen mit nach außen gebogenen inneren Wandflächen aufweist und die Durchgangsausnehmungen mit einem leitfähigen Material gefüllt sind. Eine Klebeschicht ist auf beiden Seiten auf die Polyimidfolie aufgebracht. Die anisotrop leitfähige Polyimidfolie ist für eine elektrische Verbindung von elektronischen Bauteilen und Substraten, beispielsweise bei Chips mit integrierten Schaltkreisen oder flexiblen Leiterplatten, bestimmt.
  • JP 2007 298692 A offenbart ein Polyimidband, das ein leitfähiges Füllmaterial und eine anisotrope Leitfähigkeit aufweist.
  • US 2011/0209902 A1 offenbart eine Leiteranordnung für einen Stromsammler für ein Photovoltaikelement, der gleichzeitig im Wesentlichen transparent und leitfähig ist. Die Leiteranordnung weist dazu im Wesentlichen transparente Filamente und elektrisch leitfähige Filamente auf, die miteinander verwoben werden, wobei die im Wesentlichen leitfähigen Filamente parallel zueinander orientiert sind und die elektrisch leitfähigen Filamente parallel zueinander und orthogonal zu den im Wesentlichen transparenten Filamenten orientiert sind, sodass die sich ergebende Leiteranordnung mindestens in einer Richtung in Richtung ihrer Erstreckungsebene elektrisch leitfähig ist.
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Photovoltaiksubstrat zur Verfügung zu stellen, das eine alternative, verbesserte und/oder einfachere elektrische Kontaktierung der Rückkontaktschicht und/oder der Frontkontaktschicht erlaubt. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Photovoltaikelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, die ein solches Photovoltaiksubstrat vorteilhaft nutzen.
  • LÖSUNG
  • Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung basiert auf der folgenden Analyse der aus dem Stand der Technik bekannten Photovoltaikelemente:
    • Zum Aufbau möglichst großflächiger Photovoltaikelemente finden verschiedene Ausgestaltungen Einsatz.
      1. a) Zum einen werden sogenannte photovoltaische Einzelzellen in Reihenschaltung eingesetzt (Einzelzellen-Ansatz). Dabei ist jede Einzelzelle als Baueinheit ausgebildet, die grundsätzlich einen Aufbau aufweist, wie dieser zuvor beschrieben worden ist. Dies ist der Fall bei herkömmlicher Photovoltaik. Die Einzelzellen werden jeweils einzeln kontaktiert und außerhalb der Einzelzellen verschaltet. Bei Dünnfilmphotovoltaik kann ebenfalls der Einzelzellen-Ansatz Einsatz finden. Bei Dünnfilmphotovoltaik können die Einzelzellen aber anstelle einer äußeren Verschaltung, wie dies bei herkömmlicher Photovoltaik der Fall ist, durch eine sogenannte Schindelung miteinander elektrisch verbunden werden. Bei einer Schindelung wird anstelle der äußeren Verschaltung ein unmittelbarer elektrischer Kontakt eines Rückkontakts einer Einzelzelle mit einem Frontkontakt einer benachbarten Einzelzelle herbeigeführt. Hierzu werden die Einzelzellen schindelartig übereinander gelegt.
      2. b) Alternativ kann bei Dünnfilmphotovoltaik auch der sogenannte monolithische Ansatz Einsatz finden, bei dem eine Reihenschaltung von mehreren Zellen innerhalb eines grundsätzlich wie oben beschrieben aufgebauten, eine Baueinheit bildenden Photovoltaikelements erfolgt. Dies wird erreicht, indem das Photovoltaikelement in die mehreren Zellen aufgeteilt ist und innerhalb des Photovoltaikelements selbst eine elektrische Verschaltung der Zellen in einem sogenannten Verschaltungsbereich erzeugt wird. Dazu werden einzelne Schichten des Photovoltaikelements in sogenannten Gräben jeweils selektiv unterbrochen. Die Gräben können auf verschiedene Weise ausgeführt und verschieden angeordnet sein. Sie erfüllen grundsätzlich die Funktion der selektiven elektrischen Trennung innerhalb einer bestimmten Schicht. Dabei können sogenannte P1-, P2- und P3-Gräben wie im Folgenden beschrieben gebildet sein. Es können aber auch mehrere Gräben die grundsätzliche Funktion eines der im Folgenden beschriebenen Gräben gemeinsam erfüllen oder umgekehrt kann die Funktion von mehreren der im Folgenden beschriebenen Gräben durch einen Graben erfüllt werden.
        • ba) Eine mögliche Ausführungsform für einen monolithischen Aufbau ist wie folgt: Ein erster Graben (sogenannter P1-Graben) ist gebildet, indem die Rückkontaktschicht unterbrochen ist. Daran anschließend ist ein zweiter Graben (sogenannter P2-Graben) gebildet, indem die photovoltaisch aktive Lage unterbrochen ist. Weil die zwischen der Frontkontaktschicht und der Rückkontaktschicht angeordnete photovoltaisch aktive Lage im Bereich des zweiten Grabens fehlt, können sich hier die Frontkontaktschicht und die Rückkontaktschicht unmittelbar kontaktieren. Da die Frontkontaktschicht und die Rückkontaktschicht beide elektrisch leitfähig sind, sind Frontkontaktschicht und Rückkontaktschicht im Bereich des zweiten Grabens unmittelbar elektrisch miteinander verbunden. Daran anschließend ist schließlich im Bereich eines dritten Grabens (sogenannter P3-Graben) die Frontkontaktschicht (und in der Praxis häufig auch die photovoltaisch aktive Lage) unterbrochen. Durch die in dem ersten und dem dritten Graben angrenzenden Unterbrechungen der Rückkontaktschicht und der Frontkontaktschicht wird somit ein elektrischer Stromfluss zwischen der Frontkontaktschicht und der Rückkontaktschicht im Bereich des zweiten Grabens erzwungen. Auf diese Weise kann eine elektrische Verschaltung der Zellen in Reihenschaltung erfolgen, welche im Ergebnis grundsätzlich der Schindelung entspricht. Solche Gräben werden bevorzugt bereits eingebracht, während die Rückkontaktschicht, die photovoltaisch aktive Lage und die Frontkontaktschicht auf das Photovoltaiksubstrat aufgebracht werden. Eine Schicht (oder im Falle der photovoltaisch aktiven Lage gegebenenfalls mehrere Schichten) wird aufgebracht und unmittelbar anschließend mit Gräben strukturiert, bevor die nächste Schicht aufgebracht wird. Das Einbringen der Gräben kann beispielsweise mittels Laserabtrag oder durch mechanisches Abtragen geschehen.
        • bb) Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform, dem sogenannten Monoscribe-Verfahren, werden demgegenüber zunächst alle Schichten aufgebracht und damit ein Halbzeug hergestellt. Die Gräben werden nachträglich in diesem Halbzeug erzeugt. Dabei werden, beispielsweise bei Laserabtrag, oberhalb einer abzutragenden Schicht angeordnete Schichten automatisch mit abgetragen. Weil deshalb Gräben nicht ohne Weiteres durch darüber liegende Schichten überbrückt werden können, müssen mit abgetragene Schichten gegebenenfalls „rekonstruiert“ werden. Es ist daher notwendig, Gräben partiell mit leitfähigem bzw. je nach Art der notwendigen Überbrückung mit nicht-leitfähigem Material aufzufüllen, beispielsweise mittels Tintenstrahldruck. Dieses nachträgliche Auffüllen ist gegenüber dem oben beschriebenen Verfahren aufwändiger. Insgesamt hat das Monoscribe-Verfahren aber den Vorteil, dass eine Platzierung der Gräben nach Herstellung des Halbzeugs vorgenommen werden kann und somit individuellen Anforderungen angepasst werden kann.
  • Im Betrieb des Photovoltaikelements muss zum einen die Rückkontaktschicht und zum anderen die Frontkontaktschicht elektrisch kontaktiert werden. Für die Frontkontaktschicht ist dies zwar grundsätzlich in einfacher Weise durch Aufbringen eines elektrischen Anschlusselements auf die Frontkontaktschicht möglich. Dabei geht allerdings photovoltaisch aktive Fläche verloren. Zudem ist Materialaufwand notwendig, weil die Frontkontaktschicht gewöhnlich mit einem Leiterbändchen, z. B. einem versilberten Kupferstreifen, kontaktiert wird und das Leiterbändchen dann mit weiteren elektrischen Leitungen verbunden wird. Für das Kontaktieren der Rückkontaktschicht ist zusätzlich nachteilig, dass diese zwischen dem Photovoltaiksubstrat und der photovoltaisch aktiven Lage eingeschlossen ist, so dass die Rückkontaktschicht nicht ohne weiteres kontaktiert werden kann.
  • Insbesondere in Zusammenhang mit dem monolithischen Ansatz kann problematisch sein, dass ein elektrisch leitfähiges Photovoltaiksubstrat den ersten Graben elektrisch überbrückt, weil das Photovoltaiksubstrat auf beiden Seiten des Grabens mit der Rückkontaktschicht in elektrischem Kontakt steht. Dies hat zur Folge, das für den monolithischen Ansatz
    • - entweder ein elektrisch nicht leitfähiges Photovoltaiksubstrat eingesetzt werden muss oder
    • - ein eingesetztes elektrisch leitfähiges Photovoltaiksubstrat (bspw. eine Stahlfolie) überall dort, wie es mit der Rückkontaktschicht in Kontakt kommt, mit einer elektrisch nicht leitfähigen Beschichtung versehen sein muss.
  • Wenn aber entweder das Photovoltaiksubstrat elektrisch nicht leitfähig ist oder jedenfalls durch eine Beschichtung dafür gesorgt wurde, dass kein elektrischer Kontakt zwischen der Rückkontaktschicht und dem Photovoltaiksubstrat besteht, und die Rückkontaktschicht zwischen dem Photovoltaiksubstrat und der photovoltaisch aktiven Lage eingeschlossen ist, kann die Rückkontaktschicht nur kontaktiert werden, indem
    • - entweder das Photovoltaiksubstrat partiell entfernt wird
    • - oder die Frontkontaktschicht und die photovoltaisch aktive Lage partiell entfernt werden.
  • Nur in dem Bereich, in dem das Photovoltaiksubstrat oder die Frontkontaktschicht und die photovoltaisch aktive Lage entfernt ist/sind und in dem somit die Rückkontaktschicht frei liegt, kann die Rückkontaktschicht elektrisch kontaktiert werden, beispielsweise indem ein elektrisches Anschlusselement auf die Rückkontaktschicht aufgebracht wird. Dabei geht aber photovoltaisch aktive Fläche verloren. Zudem ist das partielle Entfernen aufwendig und es besteht die Gefahr, dass bei dem partiellen Entfernen ungewollt darüberhinausgehende Bereiche des Photovoltaikelements beschädigt werden, was schlimmstenfalls zu Beeinträchtigungen der Funktion führen kann.
  • Auch für den Einzelzellen-Ansatz muss an jeder Einzelzelle die Rückkontaktschicht elektrisch kontaktiert werden. Entweder muss ein elektrisches Anschlusselement an die Einzelzelle angeschlossen werden oder die Rückkontaktschicht muss im Zuge der Schindelung mit der Frontkontaktschicht einer anderen Einzelzelle in elektrischen Kontakt gebracht werden. Wird hier ein nicht leitfähiges Photovoltaiksubstrat eingesetzt, muss oder müssen das Photovoltaiksubstrat oder die Frontkontaktschicht und die photovoltaisch aktive Lage ebenfalls partiell entfernt werden, um eine Kontaktierung der Rückkontaktschicht zu ermöglichen.
  • Eine zusätzliche Schwierigkeit ist, dass eine direkte Kontaktierung der Rückkontaktschicht schwierig ist: Diese ist nur sehr dünn und kann gegebenenfalls schwierig zu löten sein, weil typische Materialien für die Rückkontaktschicht wie etwa Molybdän nur schwer benetzbare Oberflächen aufweisen. Eine Befestigung über einen leitfähigen Kleber statt des Lötens ist auf der anderen Seite gegebenenfalls weniger zuverlässig, weist eine geringere Leitfähigkeit auf und ist aufwändiger, weil eine Kompatibilität des Klebers und der zu verklebenden Oberflächen zuvor getestet werden muss. Insbesondere für die Anwendung an Raumfahrzeugen sind Kleber auch nachteilhaft, weil diese u. U. ausgasen.
  • Aus den genannten Gründen werden an den Photovoltaikelementen des Stands der Technik so wenige elektrische Kontakte ausgebildet wie möglich. Auf aufwändige Verschaltungen, die zusätzliche elektrische Kontakte erfordern würden, wird daher verzichtet.
  • Vor diesem Hintergrund wurde überraschend festgestellt, dass erfindungsgemäß für Photovoltaiksubstrate vorteilhafterweise ein grundsätzlich bekanntes Phänomen der elektrischen Leitfähigkeit Einsatz finden kann - erfindungsgemäß findet zur Lösung der Aufgabe ein Photovoltaiksubstrat Einsatz, welches eine bestimmte Ausprägung anisotroper Leitfähigkeit aufweist:
    • Anisotrope Leitfähigkeit bedeutet grundsätzlich, dass ein Material oder Bauelement für einen Stromfluss durch dieses hindurch in verschiedene Richtungen unterschiedliche Leitfähigkeiten aufweist. Die Leitfähigkeit kann dabei in eine oder mehrere Richtungen Null betragen kann.
  • Das erfindungsgemäße Photovoltaiksubstrat ist in Richtung seiner Erstreckungsebene elektrisch nicht leitfähig, während es senkrecht zu seiner Erstreckungsebene elektrisch leitfähig ist. Die Erstreckungsebene ist dabei die Ebene, die sich mit dem größtmöglichen Anteil mit dem Photovoltaiksubstrat deckt. Bei der Bezeichnung als „nicht leitfähig“ soll es hier unbenommen sein, dass eine kleinräumige Leitfähigkeit über einen im Vergleich zu der gesamten Erstreckung des Photovoltaiksubstrats sehr kleinen Bereich des Photovoltaiksubstrats, beispielsweise über 1, 2, 3, 4, 5 oder 10 Partikel oder Leitelemente, vorliegen kann. Jedenfalls ist das Photovoltaiksubstrat nicht durchgängig über seine gesamte Erstreckung in der Erstreckungsebene oder zwischen zwei an in der Erstreckungsebene gegenüberliegenden oder benachbarten Seiten des Photovoltaiksubstrats angelegten Kontakten leitfähig. Anders gesagt, befinden sich zwischen gegebenenfalls leitfähigen Bereichen stets nicht leitfähige Bereiche, die einen Stromfluss unterbrechen. Definiert man ein kartesisches Koordinatensystem, bei dem die x- und y-Achse in der Erstreckungsebene liegen, kann die besondere Leitfähigkeit des Photovoltaiksubstrats somit als anisotrope Leitfähigkeit oder als Leitfähigkeit in z-Richtung bezeichnet werden.
  • Da die Richtung, in der das Photovoltaiksubstrat die Unterbrechung der Rückkontaktschicht in dem ersten Graben elektrisch überbrücken könnte, parallel zu der Erstreckungsebene liegt, ist das Photovoltaiksubstrat in dieser Richtung nicht leitfähig, so dass die unerwünschte Überbrückung der Unterbrechung der Rückkontaktschicht nicht erfolgt. Damit ist mit dem erfindungsgemäßen Photovoltaiksubstrat ein monolithischer Ansatz wie mit einem nicht leitfähigen oder nicht leitfähig beschichteten Photovoltaiksubstrat möglich.
  • Gleichzeitig kann aber mit dem erfindungsgemäßen Photovoltaiksubstrat die Rückkontaktschicht in einfacher Weise kontaktiert werden: Wird das Photovoltaiksubstrat an seiner der Rückkontaktschicht abgewandten und somit freiliegenden Oberfläche elektrisch im Bereich einer Kontaktstelle kontaktiert, beispielsweise durch Anbringen eines Anschlusselements oder auch durch Inkontaktbringen mit einer Frontkontaktschicht einer weiteren Zelle im Fall einer Schindelung beim Einzelzellen-Ansatz, erfolgt eine elektrische Leitung von der so gebildeten Kontaktstelle zu der Rückkontaktschicht durch einen Stromfluss senkrecht zu der Erstreckungsebene, der angesichts der erläuterten Anisotropie möglich ist.
  • In ähnlicher Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Photovoltaiksubstrat die Frontkontaktschicht in einfacher Weise kontaktiert werden. Dazu muss partiell die Frontkontaktschicht in elektrischen Kontakt mit der Rückkontaktschicht gebracht werden. Dies kann in der einfachsten Weise dadurch geschehen, dass lokal die Frontkontaktschicht direkt auf die Rückkontaktschicht aufgebracht wird, ohne dazwischenliegende photovoltaisch aktive Schichten. Durch entsprechende Unterbrechungen der Leitfähigkeit der Rückkontaktschicht, etwa Gräben, wird der Bereich, in dem die Rückkontaktschicht so den Stromfluss in der Frontkontaktschicht leitet, begrenzt. Dies entspricht der oberhalb bereits im Zuge der Beschreibung des ersten Grabens, des zweiten Grabens und des dritten Grabens beschriebenen Kontaktierung und Verschaltung. Dieser Bereich der Rückkontaktschicht kann nun wie oben beschrieben in einfacher Weise kontaktiert werden, wobei statt einem Rückkontakt hier nun ein Frontkontakt hergestellt wird.
  • Das Photovoltaiksubstrat weist eine Polyimidfolie auf. Die Polyimidfolie kann durch zusätzliche Maßnahmen in Richtung ihrer Erstreckungsebene elektrisch nicht leitfähig sein und senkrecht zu ihrer Erstreckungsebene elektrisch leitfähig sein. (Was oberhalb zum Begriff „nicht leitfähig“ für das Photovoltaiksubstrat erläutert wurde, gilt analog auch für die Polyimidfolie.) Wie oben für das Photovoltaiksubstrat erläutert, kann dies als anisotrope Leitfähigkeit oder Leitfähigkeit in z-Richtung bezeichnet werden. Polyimid ist elektrisch nicht leitfähig, chemisch resistent, lässt sich in Folienform bringen, ist wie die meisten Kunststoffe leicht, aber gleichzeitig mechanisch stabil. Polyimid kann u. U. thermisch hoch belastet werden (beispielsweise auf über 400°C) und ist gegebenenfalls thermisch sehr stabil gegenüber Ausdehnung.
  • Diese Eigenschaften machen Polyimid auch für die Anwendung in dem erfindungsgemäßen Photovoltaiksubstrat besonders geeignet. Dass das Photovoltaiksubstrat eine Polyimidfolie aufweist, kann insbesondere bedeuten, dass das Grundmaterial eine Polyimidfolie oder ein Polyimidmaterial ist. Dabei kann die Polyimidfolie von vornherein unter Einbringung der Partikel oder Leitelemente hergestellt sein, oder die Partikel oder Leitelemente können nachträglich in die Polyimidfolie eingebracht worden sein. Dabei soll hier unter der „Polyimidfolie“ eine Folie verstanden werden, die als Grundmaterial Polyimid und außer dem Grundmaterial mindestens einen Zusatz aufweist, wobei der mindestens eine Zusatz die anisotrope Leitfähigkeit herstellt.
  • Grundsätzlich gibt es im Rahmen der Erfindung vielfältige Möglichkeiten, um die gewünschte anisotrope Leitfähigkeit des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie herbeizuführen. So kann beispielsweise ein an sich anisotropes und entsprechend ausgerichtetes Material in dem Photovoltaiksubstrat oder der Polyimidfolie Einsatz finden. Möglich ist auch der Einsatz eines Verbundmaterials mit mehreren Materialien, wobei dann ein Material nicht elektrisch leitfähig sein kann, welches dann für die Gewährleistung der Unterbrechung des Stromflusses in Richtung der Erstreckungsebene zuständig ist, während ein anderes Material elektrisch leitfähig ist und gezielt so ausgerichtet ist, dass dieses die Leitfähigkeit senkrecht zur Erstreckungsebene gewährleistet.
  • Für eine besondere Ausgestaltung der Erfindung wird die beschriebene anisotrope Leitfähigkeit des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie dadurch erreicht, dass das Photovoltaiksubstrat oder die Polyimidfolie ein elektrisch nicht leitfähiges Grundmaterial aufweist - im Falle der Polyimidfolie ist das Grundmaterial Polyimid -, in das elektrisch leitfähige Partikel oder elektrische Leitelemente eingebettet sind. Die Partikel oder elektrischen Leitelemente sind beabstandet voneinander angeordnet, (zumindest teilweise) durch das Grundmaterial elektrisch gegeneinander isoliert und sind (vorzugsweise auf beiden Seiten) in eine Richtung senkrecht zu der Erstreckungsebene des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie mit dem Grundmaterial mindestens bündig oder erstrecken sich u. U. sogar aus dem Grundmaterial hinaus. Die Partikel oder elektrischen Leitelemente können deterministisch oder zufällig verteilt sein. Dabei ist es unschädlich, wenn sich einzelne Partikel oder Leitelemente untereinander berühren. Entscheidend ist jedenfalls, dass sich die Partikel oder Leitelemente nicht über die gesamte Erstreckung des Grundmaterials untereinander berühren. Eine Unterbrechung zwischen den Partikeln kann zumindest nach dem fünffachen, zehnfachen, zwanzigfachen, dreißigfachen, fünfzigfachen oder hundertfachen einer größten Erstreckung der Partikel oder Leitelemente auftreten. Soweit die Partikel oder Leitelemente nur einzelne „Inseln der Leitfähigkeit“ bilden, ist die anisotrope Leitfähigkeit des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie uneingeschränkt gegeben.
  • Indem sich die Partikel oder Leitelemente senkrecht zu der Erstreckungsebene des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie durch und u. U. über das Grundmaterial hinaus erstrecken, stellen sie die Leitfähigkeit senkrecht zu der Erstreckungsebene des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie (d. h. in z-Richtung) bereit. Dies bedeutet, dass sich die Partikel oder Leitelemente auf beiden Seiten bis zu den Oberflächen des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie oder geringfügig über die Oberflächen aus dem Grundmaterial hinaus erstrecken. Durch die Partikel oder Leitelemente wird dann der Strom senkrecht zu der Erstreckungsebene des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie geleitet, sofern ein Partikel oder Leitelement (oder eine „Insel“ aus mehreren Partikeln oder Leitelementen) auf einer Seite des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie und auf der anderen Seite des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie jeweils elektrisch kontaktiert ist. Weil sich aber zwischen den Partikeln oder Leitelementen das elektrisch nicht leitfähige Grundmaterial befindet, kann innerhalb der Erstreckungsebene des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie keine elektrische Leitung stattfinden. Bestenfalls kann eine sehr lokale Leitung in der Erstreckungsebene stattfinden, wenn eine zufällig gebildete „Insel“ aus Partikeln oder Leitelementen an in der Erstreckungsebenen voneinander entfernten Punkten elektrisch kontaktiert wird. Diese lokale elektrische Leitfähigkeit innerhalb der „Inseln“, d. h. in der Größenordnung eines Partikels oder Leitelements oder einiger weniger Partikel oder Leitelemente, beispielsweise in der Größenordnung von 2, 3, 4, 5 oder 10 Partikeln oder Leitelementen, soll hier aber nicht als Leitfähigkeit des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie in Richtung der Erstreckungsebene verstanden werden. Es handelt sich stattdessen um eine zufällige lokale Leitfähigkeit durch Kontaktieren der Partikel oder Leitelemente infolge von deren zufälliger Verteilung.
  • Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn die Partikel oder Leitelemente eine solche Erstreckung aufweisen, dass wenigstens einige von in das Grundmaterial eingebrachten Partikeln oder Leitelemente sich senkrecht zu der Erstreckungsebene des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie bis zu den Oberflächen oder über das Grundmaterial hinaus erstrecken. Grundsätzlich kann dies natürlich erreicht werden, indem die Partikel oder Leitelemente in dem Grundmaterial gezielt angeordnet werden. Möglich ist auch, dass die Partikel oder Leitelemente in das Grundmaterial eingebracht werden, während dieses flüssig oder wenigstens viskos ist, und darin zufällig verteilt werden, beispielsweise durch Rühren und ein anschließendes Formen, z. B. Gießen oder Strecken, des Grundmaterials mit den darin angeordneten Partikeln oder Leitelementen. Dabei können die Partikel oder Leitelemente von vorneherein größer sein als eine ausgeformte Dicke des Grundmaterials quer zu der Erstreckungsebene. Es ist aber auch möglich, dass das Grundmaterial während eines Trocknens oder Ausdehnens mindestens senkrecht zu der Erstreckungsebene schrumpft, sodass zunächst vollständig in das Grundmaterial eingebettete Partikel oder Leitelemente aufgrund des Schrumpfens hervortreten.
  • Wenn die Partikel oder Leitelemente zufällig verteilt werden, ist es u. U. vorteilhaft, wenn die Partikel oder Leitelemente eine Form haben, bei der alle oder wenigstens die Mehrheit der Partikel oder Leitelemente mit hoher Wahrscheinlichkeit sich auf beiden Seiten senkrecht zu der Erstreckungsebene des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie bis zur Oberfläche oder über diese und über das Grundmaterial hinaus erstrecken. Ganz grundsätzlich könnte dies beispielsweise mit würfelförmigen Partikeln oder Leitelementen erreicht werden, wobei eine Kantenlänge der oder zumindest der meisten der Würfel gleich oder geringfügig größer ist als eine Dicke des Grundmaterials, die senkrecht zu der Erstreckungsebene gemessen wird. Möglich und praxisrelevant ist aber auch der Einsatz beispielsweise der folgenden Formen, die das Erstrecken bis zur Oberfläche oder über diese hinaus für alle Partikel oder Leitelemente sicherstellen oder für eine überwiegende Zahl der Partikel oder Leitelemente ermöglichen:
    • - kugelförmige Partikel oder Leitelemente mit einem Durchmesser der Kugeln, der gleich oder geringfügig größer ist als die Dicke des Grundmaterials,
    • - Plättchen („Flakes“),
    • - sogenannte dendritisch verzweigte Partikel oder Leitelemente
    • - unregelmäßig geformte Partikel oder Leitelemente
  • Dendritisch verzweigte Partikel bzw. Leitelemente weisen eine verästelte Struktur auf, die unregelmäßig geformt ist. Dendritische elektrisch leitfähige Partikel bzw. Leitelemente sind insbesondere für die Anwendung als Füllstoffe marktüblich erhältlich.
  • Die Partikel oder Leitelemente untereinander können gleiche, aber auch unterschiedliche Formen aufweisen, wie etwa eine Mischung aus kugelförmigen und dendritischen Partikeln. Sie können auch gleiche oder unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Jeder Partikel oder jedes Leitelement in sich kann außerdem unterschiedliche Erstreckungen in verschiedene Raumrichtungen aufweisen. Unter Umständen kann die Erstreckung des Partikels oder Leitelements in eine Raumrichtung ein Vielfaches, beispielsweise ein doppeltes, fünffaches oder zehnfaches, seiner Erstreckung in eine andere Raumrichtung betragen. Dabei kann sowohl die Erstreckung des Partikels oder Leitelements senkrecht zu der Erstreckungsebene um das Vielfache kleiner oder größer sein als eine Erstreckung in der Erstreckungsebene oder die (erste) Erstreckung des Partikels oder Leitelements in eine Richtung in der Erstreckungsebene um das Vielfache kleiner oder größer sein als eine weitere Erstreckung in der Erstreckungsebene, die beispielsweise quer zu der ersten Erstreckung in der Erstreckungsebene gemessen ist. Die Partikel oder Leitelemente können dabei sogar streifenförmig sein. Wenn die Partikel oder Leitelemente streifenförmig sind, können sie insbesondere parallel angeordnet sein.
  • Soll sich mindestens ein Teil der Partikel oder Leitelemente senkrecht zu der Erstreckungsebene des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie an seinen oder ihren beiden Oberflächen über das Grundmaterial hinaus erstrecken, ist eine längste Erstreckung von Partikeln oder Leitelementen vorzugsweise größer als die Dicke des Grundmaterials. Die längste Erstreckung kann beispielsweise zwischen 0,1 µm und 5 µm, zwischen 0,01 µm und 5 µm, zwischen 0,1 µm und 1 µm, zwischen 0,01 µm und 1 µm, zwischen 0,01 µm und 2 µm, zwischen 1 µm und 10 µm, zwischen 1 µm und 70 µm, zwischen 1 µm und 20 µm oder zwischen 1 µm und 40 µm größer sein als die Dicke des Grundmaterials. Das Grundmaterial kann beispielsweise eine Dicke von 5 µm bis 125 µm, 3 µm bis 130 µm, 10 µm bis 130 µm, 10 µm bis 80 µm, 10 µm bis 75 µm, 10 µm bis 50 µm, 20 µm bis 80 µm, 20 µm bis 75 µm, 20 µm bis 60 µm, 20 µm bis 50 µm, 20 µm bis 30 µm, 25 µm bis 75 µm, 25 µm bis 50 µm, 20 µm bis 25 µm oder 25 µm bis 30 µm, von 5 µm, 25 µm, 50 µm, 75 µm oder 125 µm aufweisen. Die Partikel oder Leitelemente können beispielsweise eine längste Erstreckung (bei kugelförmigen Partikeln oder Leitelementen ist dies der Durchmesser) zwischen 5 µm und 30 µm, zwischen 5 µm und 200 µm, zwischen 12 µm und 90 µm, zwischen 30 µm und 150 µm, zwischen 50 µm und 120 µm, zwischen 30 µm und 100 µm oder zwischen 30 µm und 120 µm aufweisen. Beispielsweise kann ein Grundmaterial mit einer Dicke von 10 µm bis 80 µm Partikel mit einer längsten Erstreckung zwischen 10 µm und 90 µm aufweisen, ein Grundmaterial mit einer Dicke von 20 µm bis 75 µm Partikel mit einer längsten Erstreckung von 22 µm bis 85 µm, ein Grundmaterial mit einer Dicke von 10 µm bis 130 µm Partikel mit einer längsten Erstreckung von 10 µm bis 150 µm, ein Grundmaterial mit einer Dicke von 5 µm Partikel mit einer längsten Erstreckung von 5 µm bis 7 µm oder ein Grundmaterial mit einer Dicke von 25 µm Partikel mit einer längsten Erstreckung von 25 µm bis 35 µm.
  • Für alle Angaben gilt, dass nicht alle Partikel oder Leitelemente die angegebene längste Erstreckung aufweisen müssen und nicht alle Partikel oder Leitelemente auf einer oder beiden Seiten sich über das Grundmaterial hinaus erstrecken müssen. Einige Partikel oder Leitelemente können aufgrund ihrer Größe und/oder ihrer Ausrichtung auf einer Seite oder auf beiden Seiten vollständig in das Grundmaterial eingeschlossen sein. Es können sich auch ein Partikel oder Leitelement, das sich auf einer Seite aus dem Grundmaterial hinaus erstreckt und ein weiteres Partikel oder Leitelement, das sich auf der anderen Seite aus dem Grundmaterial hinaus erstreckt gegenseitig berühren und so gemeinsam leitend wirken. Für die grundsätzliche anisotrope Leitfähigkeit des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie ist dies alles unerheblich. Es ist allerdings vorteilhaft, wenn die Leitfähigkeit jeweils über so wenige Partikel oder Leitelemente wie möglich hergestellt ist - d. h. im Idealfall ein Partikel oder Leitelement, das sich an beiden Seiten über das Grundmaterial hinaus erstreckt.
  • Durchaus möglich ist auch, dass im Rahmen der Erfindung Partikel oder Leitelemente Einsatz finden, deren Formen (deterministisch oder stochastisch) voneinander abweichen und/oder deren Größen (deterministisch oder stochastisch) voneinander abweichen.
  • Eine Flächendichte der Partikel oder Leitelemente kann als so hoch angestrebt werden, wie dies möglich ist, während sich die Partikel oder Leitelemente nicht oder nur vereinzelt innerhalb der oben beschriebenen „Inseln“ berühren. Prinzipiell gilt, dass je größer die Flächendichte der Partikel oder Leitelemente ist, desto mehr Strompfade senkrecht zu der Erstreckungsebene durch das Photovoltaiksubstrat oder der Polyimidfolie führen. Je mehr und je dichter angeordnete Strompfade vorhanden sind, desto kleinräumiger ist das Photovoltaiksubstrat oder die Polyimidfolie „gepixelt“ oder in anderen Worten desto höher ist seine oder ihre räumliche Auflösung (für die Möglichkeit verschiedener Kontaktierungen) innerhalb der Erstreckungsebene. Eine geringere Flächendichte der Partikel oder Leitelemente kann aber andersherum von Vorteil sein, wenn eine höhere mechanische Belastbarkeit gewünscht ist. Je größer die Flächendichte der Partikel oder Leitelemente, desto niedriger ist die mechanische Belastbarkeit des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie. Eine Auswahl der Flächendichte muss daher einer Abwägung entsprechend dem angestrebten Einsatzzweck folgen. Die Partikel oder Leitelemente können beispielsweise bis zu 10 %, 25 %, 50 %, 70 %, 75 %, 80 % oder 90 % einer Fläche des Photovoltaiksubstrats oder der Polyimidfolie füllen oder ausmachen.
  • Die leitfähigen Partikel oder Leitelemente können vollständig aus einem leitfähigen Material oder aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material bestehen, das mit einem elektrisch leitfähigen Material ganz oder teilweise beschichtet und/oder durchsetzt ist. Die Partikel oder Leitelemente können zumindest an ihren Außenflächen Metall aufweisen. Dazu können sie beispielsweise aus einem oder mehreren Metallen bestehen. Beispielsweise können die Partikel oder Leitelemente aus Kupfer, Nickel, Silber, Gold oder Kohlenstoff bestehen oder aus Kupfer mit einer Silberbeschichtung oder einer Nickel- oder Goldbeschichtung bestehen. Die Partikel oder Leitelemente können auch eine Beschichtung mit oder aus einem Metall aufweisen. Beispielsweise können die Partikel oder Leitelemente eine Goldbeschichtung, eine Silber-, Kupfer- oder Nickelbeschichtung aufweisen. Die Partikel oder Leitelemente können aus einem Polymer mit einer Metallbeschichtung, etwa einer Goldbeschichtung, einer Silber-, Kupfer- oder Nickelbeschichtung, bestehen.
  • Das Photovoltaiksubstrat kann flexibel sein. Das bedeutet, dass das Photovoltaiksubstrat nicht eigensteif ist. Auf die Dicke des Photovoltaiksubstrats kommt es dabei grundsätzlich nicht an. Das Photovoltaiksubstrat kann flexibel und dünn sein. Dass das Photovoltaiksubstrat flexibel ist, kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, dass das Grundmaterial flexibel ist. Das Photovoltaiksubstrat kann folienartig ausgebildet sein oder eine Folie sein. Für ein Grundmaterial, das zum einen flexibel sein und insbesondere eine Folie ausbilden kann und zum anderen elektrisch nicht leitfähig ist, kommen insbesondere Kunststoffe in Frage. Ein weiterer Vorteil von Kunststoffen ist, dass sie eine im Vergleich zu der Fläche des Photovoltaiksubstrats geringe Masse aufweisen können. Dies kann insbesondere dann ein Vorteil sein, wenn eine Gesamtmasse eines Photovoltaikelements gering gehalten werden soll, beispielsweise für einen Einsatz in Fahrzeugen, insbesondere Raumfahrzeugen. Ein besonders geeigneter Kunststoff ist Polyimid. Dünnfilmphotovoltaikelemente sind umso effizienter, je höher eine Prozesstemperatur bei ihrer Herstellung gehalten wurde. Wenn das Photovoltaiksubstrat in einem Dünnfilmphotovoltaikelement eingesetzt werden soll, ist daher die thermische Stabilität von Polyimid ein besonderer Vorteil. Insbesondere sind Photovoltaiksubstrate mit Polyimid auch für die Anwendung an Raumfahrzeugen geeignet.
  • In einem Photovoltaikelement kann ein Photovoltaiksubstrat eingesetzt werden, wie dieses zuvor beschrieben worden ist. Bei dem Photovoltaikelement kann es sich insbesondere um ein Dünnfilmphotovoltaikelement handeln. Das Photovoltaikelement kann sowohl im Rahmen des Einzelzellen-Ansatzes als auch im Rahmen des monolithischen Ansatzes Anwendung finden. Insbesondere kann das Photovoltaikelement in einem Raumfahrzeug Einsatz finden.
  • Das Photovoltaikelement kann eine auf dem Photovoltaiksubstrat angeordnete Rückkontaktschicht, eine Frontkontaktschicht und eine photovoltaisch aktive Lage zwischen der Frontkontaktschicht und der Rückkontaktschicht aufweisen, wobei das Photovoltaiksubstrat, die Rückkontaktschicht, die Frontkontaktschicht und die photovoltaisch aktive Lage sich im Wesentlichen in parallelen Erstreckungsebenen erstrecken. Für die Definition der Erstreckungsebenen gilt das oben für die Erstreckungsebene des Photovoltaiksubstrats Gesagte analog. Lokal, beispielsweise im Bereich von Gräben, in denen eine oder mehrere der Lagen und/oder Schichten unterbrochen ist oder sind, können das Photovoltaiksubstrat, die Rückkontaktschicht, die Frontkontaktschicht und die photovoltaisch aktive Lage von der Erstreckung in parallelen Erstreckungsebenen abweichen. Wenn beispielsweise die photovoltaisch aktive Lage zwischen der Frontkontaktschicht und der Rückkontaktschicht lokal fehlt, so kann etwa die Frontkontaktschicht lokal von der Erstreckung parallel zu dem Photovoltaiksubstrat und der Rückkontaktschicht abweichen und auf die Rückkontaktschicht zu bzw. von der Rückkontaktschicht weg streben. Die Frontkontaktschicht kann zumindest teilweise transparent oder durchscheinend sein. Die photovoltaisch aktive Lage kann mehrere Schichten aufweisen.
  • Eine sogenannte Tandem-Zelle (auch Stapelzelle, Multi-Junction-Zelle) kann als ein Photovoltaikelement betrachtet werden, das dann jedenfalls auch das Photovoltaiksubstrat, die Rückkontaktschicht, die Frontkontaktschicht und die photovoltaisch aktive Lage aufweist. Alle, einige oder mindestens eines oder eine der aufgezählten Substrate, Lagen und Schichten sind dabei mehrfach in der Tandem-Zelle vorhanden. Die Tandem-Zelle kann in bestimmten Ausführungsformen auch als ein Stapel von Photovoltaikelementen betrachtet werden, die jeweils das Photovoltaiksubstrat, die Rückkontaktschicht, die Frontkontaktschicht und die photovoltaisch aktive Lage aufweisen. Insbesondere kann aber die Tandem-Zelle jeweils nur ein Trägersubstrat, eine Rückkontaktschicht und/oder eine Frontkontaktschicht aufweisen. Es kann oder können auch eine oder mehrere Schichten gleichzeitig als Rückkontaktschicht eines ersten Photovoltaikelements und Frontkontaktschicht eines zweiten Photovoltaikelements fungieren. Die Tandem-Zelle kann auch noch weitere Schichten oder Lagen aufweisen, beispielsweise eine Klebeschicht oder mehrere Klebeschichten. Eine oder mehrere der Lagen und/oder Schichten kann mindestens für einen bestimmten Wellenlängenbereich transparent sein. Auf diese Weise ist es möglich, dass, um in dem Bild des Stapels von Photovoltaikelementen zu bleiben, in einem ersten, obersten Photovoltaikelement des Stapels Licht eines ersten Wellenlängenbereichs absorbiert wird, während das erste Photovoltaikelement für einen zweiten Wellenlängenbereich transparent ist, der aber in einem in dem Stapel unter dem ersten Photovoltaikelement angeordneten zweiten Photovoltaikelement absorbiert wird. So können sich die beiden verschiedenen Photovoltaikelemente in dem Stapel so ergänzen, dass Licht eines Gesamtwellenlängenbereichs, der den ersten und den zweiten Wellenlängenbereich umfasst, genutzt werden kann. Sofern sich jeweils ein Photovoltaiksubstrat, eine Rückkontaktschicht, eine Frontkontaktschicht und eine photovoltaisch aktive Lage im Wesentlichen in parallelen Erstreckungsebenen erstrecken, ist die Tandem-Zelle ein erfindungsgemäßes Photovoltaikelement oder weist ein erfindungsgemäßes Photovoltaikelement auf.
  • Ein erfindungsgemäßes Photovoltaikelement entspricht im grundsätzlichen Aufbau den beschriebenen Photovoltaikelementen nach dem Stand der Technik und eignet sich für eine Verwendung im Rahmen des Einzelzellen-Ansatzes oder im Rahmen des monolithischen Ansatzes. Aufgrund des Einsatzes des modifizierten Photovoltaiksubstrats kann das Photovoltaikelement aber elektrisch besonders einfach und in besonders vorteilhafter Weise kontaktiert werden.
  • Die Rückkontaktschicht kann elektrisch kontaktiert sein, indem ein elektrisches Anschlusselement elektrisch mit dem Photovoltaiksubstrat verbunden ist. Bei dem elektrischen Anschlusselement kann es sich beispielsweise um einen Stecker, ein Ende eines Kabels oder eine Lötstelle handeln, wobei Löten auch im Rahmen des elektrischen Verbindens eingesetzt werden kann. Ein elektrisches Anschlusselement ist jegliches elektrisch, beispielsweise mit einem Verbraucher, einem Messgerät, einer sogenannten Bypass-Diode, einer Überwachungselektronik oder ähnlichem, verbundenes Element. Das elektrische Verbinden mit dem Photovoltaiksubstrat kann direkt oder indirekt über ein weiteres leitfähiges Bauteil oder eine gegebenenfalls von hinten auf das Substrat aufgebrachte weitere leitfähige Schicht erfolgen.
  • Vorteilhafterweise muss oder müssen somit nicht gemäß dem Stand der Technik das Photovoltaiksubstrat oder die Frontkontaktschicht und die photovoltaisch aktive Lage partiell von der Rückkontaktschicht abgetragen (oder anderweitig eine Ausnehmung in dem Photovoltaiksubstrat bzw. der Frontkontaktschicht und der photovoltaisch aktiven Lage gebildet) werden, um die Rückkontaktschicht elektrisch kontaktieren zu können. Zudem ist die elektrische Kontaktierung der Rückkontaktschicht nicht an einen bestimmten Bereich des Photovoltaikelements gebunden, sondern kann grundsätzlich an jedem Punkt der Rückkontaktschicht erfolgen. (Gegebenenfalls ist dies kleinräumig dadurch limitiert, ob sich genau an diesem Punkt ein Partikel oder Leitelement befindet.) Das bedeutet auch, dass die einmal etablierte elektrische Kontaktierung nicht ortsgebunden ist und ohne weitergehende Veränderung des Photovoltaikelements jederzeit verlagert werden kann. Zudem reicht es, wenn das Anschlusselement oberflächlich in Kontakt mit dem Photovoltaiksubstrat gebracht wird. Es muss nicht in dieses eingebettet werden. Die Kontaktierung kann auch von hinten (d. h. auf der von der Frontkontaktschicht abgewandten Seite des Photovoltaikelements) erfolgen, sodass keine photovoltaisch aktive Fläche der Kontaktierung geopfert werden muss. Praktisch sind für die Kontaktierung gegebenenfalls vorhandene Unterteilungen des Photovoltaikelements und seiner leitfähigen Schichten, insbesondere der Rückkontaktschicht, etwa durch Gräben, zu beachten, sodass eine elektrische Kontaktierung stets in einem Bereich erfolgen muss, wo sie im Zusammenhang mit der angestrebten Verschaltung sinnvoll ist. Innerhalb eines Bereiches des Photovoltaikelements mit elektrisch gleicher Funktion (z. B. durch Gräben definiert) kann aber grundsätzlich an beliebiger Stelle der Rückkontaktschicht kontaktiert werden. Das Kontaktieren kann auch aus einem weiteren Grund erleichtert sein: Weil die Rückkontaktschicht sehr dünn ist, in ihr aber der gesamte Strom der Photovoltaikelements geführt wird, wird auch bei Photovoltaikelementen des Stands der Technik die Rückkontaktschicht nicht punktuell kontaktiert, sondern die Rückkontaktschicht großflächig freigelegt und mittels eines flächig anliegenden Leiterbändchens kontaktiert. Dadurch erfolgt eine Stromsammlung erst in dem (dickeren) Leiterbändchen statt in der Rückkontaktschicht im kleinen Bereich eines punktuellen Kontakts, sodass eine Erwärmung und elektrische Verluste vermieden werden. Erfindungsgemäß kann ein solches flächiges Kontaktieren ohne weitere Maßnahmen besonders einfach erfolgen.
  • Der gleiche Effekt kann genutzt werden, um die Frontkontaktschicht zu kontaktieren: Ebenso wie die Rückkontaktschicht kann die Frontkontaktschicht kontaktiert werden, indem ein elektrisches Anschlusselement elektrisch mit dem Photovoltaiksubstrat verbunden ist. Dazu muss die Frontkontaktschicht in elektrischen Kontakt mit der Rückkontaktschicht gebracht werden. Dies kann beispielsweise unter Anwendung der bereits beschriebenen „Gräben“ geschehen, entsprechend dem oberhalb beschriebenen „zweiten Graben“. Ein Frontkontakt wird somit gleichsam „nach hinten verlegt“. Damit können auch sowohl die Rückkontaktschicht als auch die Frontkontaktschicht über das Photovoltaiksubstrat „von hinten“ kontaktiert werden, sodass die gesamte elektrische Kontaktierung des Photovoltaikelements von einer Seite und mit geringem Aufwand erfolgen kann. Alle beschriebenen Vorteile des Kontaktierens der Rückkontaktschicht über das Photovoltaiksubstrat gelten entsprechend auch für das Kontaktieren der Frontkontaktschicht.
  • Auf der der Rückkontaktschicht abgewandten Seite des Photovoltaiksubstrats kann eine elektrisch leitfähige Anschlussschicht aufgebracht sein. Die Anschlussschicht kann dabei auch nur auf eine Teilfläche des Photovoltaiksubstrats aufgebracht sein, beispielsweise nur in einem Bereich, in dem eine Kontaktierung erfolgen soll. Wenn die Anschlussschicht auf die gesamte der Rückkontaktschicht abgewandte Seite des Photovoltaiksubstrats aufgebracht ist, ist eine Kontaktierung besonders einfach und diese kann an jedem Ort auf der Anschlussschicht erfolgen. Wenn die Anschlussschicht auf die gesamte der Rückkontaktschicht abgewandte Seite des Photovoltaiksubstrats aufgebracht ist, muss aber beachtet werden, dass die Anschlussschicht unterbrochen werden muss, wo die Rückkontaktschicht unterbrochen ist. Anderenfalls würde die Anschlussschicht die Rückkontaktschicht unerwünscht elektrisch überbrücken und einen Kurzschluss verursachen. Material der Anschlussschicht kann hingegen eingespart werden, wenn die Anschlussschicht nur auf eine Teilfläche des Photovoltaiksubstrats aufgebracht ist. Für die Anschlussschicht eignet sich jedes leitfähige Material, so etwa ein Metall, insbesondere Kupfer oder Silber oder aber auch ein isotrop leitfähiger Kleber. Die Anschlussschicht kann dann durch das zu verbindende Element auf an sich bekannte Weise kontaktiert werden. Gegebenenfalls ist diese Kontaktierung, beispielsweise durch Löten, einfacher als dies für eine übliche Rückkontaktschicht, beispielsweise aus Molybdän, der Fall wäre.
  • Die Anschlussschicht erleichtert u. U. die Kontaktierung, indem die Anschlussschicht einen Bereich für die Kontaktierung definiert. Ist die Anschlussschicht nicht vorhanden, muss für die Kontaktierung grundsätzlich mindestens eines der leitfähigen Partikel oder Leitelemente getroffen werden. Durch die Anschlussschicht können mehrere der Partikel oder Leitelemente elektrisch miteinander verbunden und so ein größerer Bereich bereitgestellt werden. Je nach Größe des Bereichs der Anschlussschicht kann die Zahl der die Anschlussschicht kontaktierenden Partikel oder Leitelemente variiert werden, womit auch Einfluss auf den Durchtrittswiderstand von der Anschlussschicht durch das Photovoltaiksubstrat genommen werden kann. Es können auch durch eine flächige Aufteilung der Anschlussschicht und ggf. auch der Rückkontaktschicht verschiedene Bereiche für die Kontaktierung bereitgestellt werden.
  • Das Photovoltaikelement kann mehrere Zellen aufweisen, wobei die Zellen dadurch voneinander getrennt sind, dass jeweils zwischen benachbarten Zellen (insbesondere in dieser Reihenfolge hintereinander) mehrere Gräben gebildet sind:
    • - Ein erster Graben unterbricht die Rückkontaktschicht.
    • - Ein zweiter Graben unterbricht die photovoltaisch aktive Lage, wobei im Bereich des zweiten Grabens die Frontkontaktschicht die Rückkontaktschicht kontaktiert.
    • - Ein dritter Graben unterbricht die Frontkontaktschicht.
  • Sofern die Leitfähigkeit des Photovoltaiksubstrats senkrecht zu der Erstreckungsebene durch Partikel oder Leitelemente hergestellt ist, muss eine Breite des ersten Grabens und eine Größe der Partikel oder Leitelemente sowie eine Größe sich eventuell bildender „Inseln der Leitfähigkeit“ so aufeinander abgestimmt werden, dass die Partikel oder Leitelemente oder die Inseln den Graben nicht überbrücken können. Der erste Graben muss daher breiter sein als eine (ggf. höchste) Erstreckung der Partikel oder Leitelemente in der Erstreckungsebene. Die Breite des ersten Grabens kann beispielsweise mehr als 110 %, 120 % oder 150 % der (ggf. höchsten) Erstreckung der Partikel oder Leitelemente in der Erstreckungsebene betragen. Vorteilhaft ist aber zusätzlich eine statistische Betrachtung, die berücksichtigt, dass bei statistisch in dem Grundmaterial verteilten Partikeln oder Leitelementen eine eventuelle Bildung von „Inseln“ nicht sicher vorhergesagt werden kann: Danach kann die Wahl der Partikel oder Leitelemente, insbesondere nach ihrer Größe, so getroffen werden, dass „Inseln“, die in der Erstreckungsebene größer sind als die Breite des ersten Grabens nur mit einer vorherbestimmten, sehr kleinen Wahrscheinlichkeit auftreten (oder umgekehrt die Breite des ersten Grabens so gewählt werden, dass er mit einer hohen Wahrscheinlichkeit breiter ist als auftretende „Inseln“). Die Wahl der Partikel oder Leitelemente kann beispielsweise so getroffen werden, dass „Inseln“, die in der Erstreckungsebene größer sind als die Breite des ersten Grabens, mit einer Wahrscheinlichkeit kleiner als 5 %, 1 %, 0,5 %, 0,1 %, 0,01 % oder 0,001 % auftreten. Umgekehrt kann die Breite des ersten Grabens so gewählt werden, dass er mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 95 %, 99 %, 99,5 %, 99,9 %, 99,99 % oder 99,999 % breiter ist als auftretende „Inseln“.
  • Die Anschlussschicht kann jeweils im Bereich der Gräben unterbrochen sein, so dass aus der Anschlussschicht mehrere elektrisch voneinander getrennte Anschlussschichtteile gebildet sind, wobei jeder Anschlussschichtteil an einer Zelle angeordnet ist. Die Zellen können somit im Bereich der Anschlussschicht elektrisch voneinander getrennt sein. Ein Anschlussschichtteil kann aber auch eine benachbarte Zelle (ggf. mit einer Erstreckung nur über einen Teil der benachbarten Zelle) mit kontaktieren, wenn beispielsweise wie unten beschrieben ausgenutzt werden soll, dass der Rückkontakt einer Zelle gleichzeitig der Frontkontakt einer benachbarten Zelle ist. Nicht jede Zelle muss dabei (kann aber) einen Anschlussschichtteil aufweisen. Anschlussschichtteile können auch gezielt an Zellen aufgebracht werden, die für eine spezielle Anwendung kontaktiert werden sollen.
  • Diese Trennung der Zellen ermöglicht nun vielfältige Verschaltungen der Zellen in einfacher Weise. Dabei kann ausgenutzt werden, dass der Rückkontakt einer Zelle gleichzeitig der Frontkontakt einer benachbarten Zelle ist, wie es sich aus dem geschilderten Stromfluss über die Gräben ergibt. Ein erstes elektrisches Anschlusselement eines elektrischen Bauteils kann über ein erstes Anschlussschichtteil einer ersten Zelle elektrisch mit der Rückkontaktschicht, konkret einem der ersten Zelle zugeordneten Teil der Rückkontaktschicht, verbunden sein und ein zweites Anschlusselement des elektrischen Bauteils über ein zweites Anschlussschichtteil einer zweiten Zelle elektrisch mit der Frontkontaktschicht, konkret einem einer der zweiten Zelle benachbarten Zelle zugeordneten Teil der Frontkontaktschicht, der mit einem der zweiten Zelle zugeordneten Teil der Rückkontaktschicht elektrisch verbunden ist, verbunden sein. Die erste Zelle kann die der zweiten Zelle benachbarte Zelle sein.
  • Somit kann durch Kontaktierung der Anschlussschicht jeweils an einer Zelle jederzeit ein bestimmter Teilbereich des Photovoltaikelements herausgegriffen werden. Beispielsweise können Messgeräte zwischen den Zellen angeschlossen sein. Es kann aber auch eine Überwachungselektronik mit dem Photovoltaikelement verbunden sein und so ausgebildet sein, dass die Überwachungselektronik gezielt eine Messung zwischen bestimmten Zellen durchführen kann. Dazu können beispielsweise eine Mehrzahl von Messgeräten jeweils mit unterschiedlicher Verschaltung (d. h. über unterschiedliche Zellen messend) fest zwischen Zellen angeschlossen sein oder elektrische Kontakte für eines oder mehrere Messgeräte, die von der Überwachungselektronik angesteuert werden können, können beweglich zwischen verschiedenen Zellen sein. Die Überwachungselektronik kann so dazu in der Lage sein, Überwachungsmessungen über jeden beliebigen oder einen von mehreren vorgegebenen Teilbereich des Photovoltaikelements durchzuführen.
  • Weil die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen die darüber abgegriffene Spannung bestimmt, kann beispielsweise auch die Höhe einer abgegriffenen Spannung bestimmt werden, indem mit der beschriebenen Kontaktierung nur ein Teilbereich der durch das Photovoltaikelement bereitgestellten Zellen abgegriffen wird, wobei es möglich sein kann, bei Bedarf auch zu einem größeren oder kleineren Teilbereich oder damit zu einer größeren oder kleineren Teilspannung zu wechseln. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Spannung zur Versorgung verschiedener elektrischer Verbraucher abgegriffen werden soll.
  • Die beschriebene Kontaktierung erlaubt es auch, sogenannte Bypass-Dioden anzubringen. Diese sind grundsätzlich bei Reihenschaltungen von Photovoltaikzellen bekannt und erlauben ein Überbrücken einzelner Zellen in der Reihenschaltung. Dies kann deswegen wichtig sein, weil aufgrund der Reihenschaltung bei einem temporären oder dauerhaften Ausfall einer einzelnen Zelle, der ihre Leitfähigkeit beeinträchtigt, die gesamte Reihenschaltung ausfällt. Die Anbringung von Bypass-Dioden an monolithisch ausgebildeten Photovoltaikelementen ist aber nach dem Stand der Technik nicht ohne weiteres möglich, weil dazu zusätzliche, aufwändige Kontaktpunkte durch Abtragen des Photovoltaiksubstrats an jeder Zelle, die mit einer Bypass-Diode verschaltet werden soll, gebildet werden mussten. Erfindungsgemäß kann entweder über die direkte Kontaktierung des Photovoltaiksubstrats oder eines Anschlussschichtteils eine Bypass-Diode über jede beliebige Zelle oder jede beliebige Gruppe von Zellen angeschlossen werden.
  • Analoge Verschaltungen werden auch für den Einzelzellen-Ansatz durch das erfindungsgemäße Photovoltaikelement erleichtert, weil auch hier die elektrische Kontaktierung der Rückkontaktschicht, gegebenenfalls durch die Anschlussschicht, wesentlich erleichtert ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn analog zu den oben geschilderten Verschaltungen eine Vielzahl von elektrischen Kontakten gebildet werden müssen, zum Beispiel für die Anordnung mehrerer Bypass-Dioden oder Messgeräte oder das Zurverfügungstellen verschiedener Spannungen für verschiedene Verbraucher.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik ist für die erfindungsgemäße Ausgestaltung somit sowohl für den monolithischen Ansatz als auch für den Einzelzellen-Ansatz eine wesentlich größere Freiheit für komplexe Verschaltungen gegeben, da ein elektrisches Kontaktieren einfach ist und ohne großen Aufwand eine große Zahl von elektrischen Kontaktierungen an verschiedenen Kontaktpunkten vorgenommen werden kann.
  • Ein erfindungsgemäßes Photovoltaikelement wie vorhergehend beschrieben kann beispielsweise hergestellt werden, indem die Rückkontaktschicht und/oder die Frontkontaktschicht und/oder mindestens eine der Schichten der photovoltaisch aktiven Lage auf das Photovoltaiksubstrat durch Aufdampfen, Sputterdeposition oder einen nasschemischen Prozess aufgebracht wird oder werden.
  • Alternativ oder kumulativ können der erste Graben, der zweite Graben und/oder der dritte Graben durch Abtragen der Rückkontaktschicht, der photovoltaisch aktiven Lage und/oder der Frontkontaktschicht - jeweils davon abhängig, welche der Schichten oder Lagen für die Ausbildung des jeweiligen Grabens abgetragen werden muss - mittels eines Lasers oder durch mechanisches Abtragen hergestellt werden. Insbesondere durch das Aufdampfen oder das Abtragen mittels des Lasers wird das Photovoltaiksubstrat mindestens lokal hohen Temperaturen ausgesetzt. Für ein solches Herstellungsverfahren eignet sich daher besonders ein Photovoltaiksubstrat, das vergleichsweise temperaturbeständig ist. Dabei kommt es vor allem auf das Grundmaterial an. Wie beschrieben sind für das Grundmaterial Kunststoffe gut geeignet. Insbesondere Polyimid weist eine hohe Temperaturbeständigkeit bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität und geringer Masse auf und ist daher zur Ausbildung des Grundmaterials gut geeignet.
  • Das Aufbringen und/oder das Abtragen kann in verschiedener Weise erfolgen. Beispielsweise kann auf das Photovoltaiksubstrat die Rückkontaktschicht aufgebracht, beispielsweise aufgedampft, durch Sputterdeposition aufgebracht („gesputtert“) oder nasschemisch aufgebracht, werden und anschließend der erste Graben (oder ggf. die ersten Gräben) gebildet werden, beispielsweise durch Abtragen mittels des Lasers oder mechanisch. Anschließend kann die photovoltaisch aktive Lage aufgebracht werden, wobei alle oder einzelne Schichten beispielsweise aufgedampft, gesputtert oder nasschemisch aufgebracht werden oder aufwachsen können. Anschließend oder nach dem Aufbringen einer der mehrerer der Schichten kann die photovoltaisch aktive Lage oder ggf. einzelne ihrer Schichten zur Ausbildung des zweiten Grabens abgetragen werden, ggf. mittels eines Lasers oder mechanisch. Anschließend kann die Frontkontaktschicht aufgebracht, etwa aufgedampft, gesputtert oder nasschemisch aufgebracht, werden. Schließlich kann die Frontkontaktschicht, ggf. auch gemeinsam mit einer oder mehreren Schichten der photovoltaisch aktiven Lage, abgetragen werden, beispielsweise mittels des Lasers oder mechanisch.
  • Es können auch die Rückkontaktschicht, die photovoltaisch aktive Lage und die Frontkontaktschicht auf das Photovoltaiksubstrat aufgebracht werden und erst nach deren Auftragen ein selektives Abtragen erfolgen (Monoscribe-Verfahren). Dabei können bis auf das Photovoltaiksubstrat reichende Gräben erzeugt werden. Diese Gräben können dann ganz oder teilweise mit leitfähigen und/oder nicht leitfähigen Materialien aufgefüllt werden. Beispielsweise können sie teilweise mit einem nicht leitfähigen Material gefüllt werden, sodass eine Unterbrechung der Rückkontaktschicht mit dem nicht leitfähigen Material gefüllt und so die Rückkontaktschicht elektrisch getrennt wird. Beispielsweise auf das nicht leitfähige Material kann ein leitfähiges Material aufgebracht sein, dass die Frontkontaktschicht mit der Rückkontaktschicht verbindet. Jeder Graben enthält dann leitfähiges und nicht leitfähiges Material.
  • Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Gräben nicht nachträglich ausgebildet, sondern die Rückkontaktschicht und/oder die Frontkontaktschicht und/oder mindestens eine der Schichten der photovoltaisch aktiven Lage auf das Photovoltaiksubstrat so aufgebracht wird oder werden, dass die Gräben bereits beim Aufbringen der jeweiligen Schicht oder Lage ausgeformt sind. Dabei können sowohl Gräben nur in einer Schicht oder Lage, die von einer anderen Schicht oder Lage überspannt werden, oder in mehreren Schichten oder Lagen übereinstimmende Gräben (entsprechend dem Monoscribe-Verfahren) vorgesehen werden. Dazu kann beispielsweise lokalisiertes Aufbringen unter Aussparung der Gräben oder eine Maske Einsatz finden.
  • Die Anschlussschicht kann auf das Photovoltaiksubstrat durch Aufdampfen, Sputterdeposition oder einen nasschemischen Prozess aufgebracht werden. Dies kann vor dem Aufbringen der Rückkontaktschicht, der Frontkontaktschicht und der photovoltaisch aktiven Lage, nach diesem oder an jedem Punkt des Aufbringens und ggf. Abtragens der Rückkontaktschicht, der Frontkontaktschicht und der photovoltaisch aktiven Lage geschehen.
  • Das Photovoltaiksubstrat kann direkt oder über die Anschlussschicht elektrisch kontaktiert werden. Das Kontaktieren kann jederzeit in dem Herstellungsverfahren stattfinden. Vorzugsweise erfolgt das Kontaktieren als letzter Schritt in dem Herstellungsverfahren. Das Kontaktieren kann wie vorhergehend beschrieben erfolgen, insbesondere bezogen auf die Art der elektrischen Kontaktierung, die Anordnung der Kontakte und das Anbringen mehrerer Kontakte ggf. auch für verschiedene Anschlussschichtteile. Die Kontaktierung des Photovoltaiksubstrats kann die einzige Kontaktierung des Photovoltaikelements sein. Wie beschrieben kann eine separate Kontaktierung der Frontkontaktschicht entfallen, wenn ausgenutzt wird, dass die Frontkontaktschicht und die Rückkontaktschicht an geeigneter Stelle lokal oder in einer Teilfläche in elektrischem Kontakt stehen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
  • Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einer Zelle die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau eine Zelle, zwei Zellen oder mehr Zellen vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
  • Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
    • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Photovoltaiksubstrat in einem Querschnitt.
    • 2 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Photovoltaikelements mit einem erfindungsgemäßen Photovoltaiksubstrat in einem Querschnitt.
    • 3 zeigt einen Elektronenfluss in dem Ausschnitt aus dem Photovoltaikelement gemäß 2.
    • 4 zeigt einen Ausschnitt eines Photovoltaikelements gemäß 2, auf das rückseitig lokal in einer Teilfläche eine Anschlussschicht aufgebracht ist.
    • 5 zeigt einen Elektronenfluss in dem Ausschnitt aus dem Photovoltaikelement gemäß 4.
    • 6 zeigt einen Ausschnitt eines Photovoltaikelements gemäß 2, auf das eine in mehrere Anschlussschichtteile aufgeteilte Anschlussschicht aufgebracht ist, mit einer elektrischen Kontaktierung, dargestellt als Spannungsmessgeräte.
    • 7 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Photovoltaikelements.
    • 8 zeigt ein Photovoltaikelement gemäß 4, bei dem sowohl eine Rückkontaktschicht als auch eine Frontkontaktschicht über die Anschlussschicht kontaktiert sind.
    • 9 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Photovoltaikelement, bei dem sowohl eine Rückkontaktschicht als auch eine Frontkontaktschicht über eine Anschlussschicht kontaktiert sind.
    • 10 zeigt ein Photovoltaikelement gemäß 9, auf das eine in mehrere Anschlussschichtteile aufgeteilte Anschlussschicht aufgebracht ist, mit einer elektrischen Kontaktierung, dargestellt als Spannungsmessgeräte.
  • FIGURENBESCHREIBUNG
  • 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Photovoltaiksubstrat 1. Das Photovoltaiksubstrat 1 weist ein Grundmaterial 2 auf, in das Partikel 3 eingebettet sind. (Der Begriff „Partikel“ soll im Weiteren auch sonstige Leitelemente umfassen.) Das Grundmaterial 2 ist elektrisch nicht leitfähig. Die Partikel 3 sind dagegen elektrisch leitfähig. Das Photovoltaiksubstrat 1 ist hier nur schematisch vereinfachend dargestellt. Insbesondere ist das Photovoltaiksubstrat 1 hier mit einer größeren senkrecht zu der Erstreckungsebene 4 gemessenen Dicke 5 des Grundmaterials 2 dargestellt als dies u. U. tatsächlich der Fall ist. Das gezeigte Photovoltaiksubstrat 1 kann ein Ausschnitt aus einem sehr viel größeren Photovoltaiksubstrat 1 sein.
  • Im gezeigten Beispiel sind die Partikel 3 kugelförmig. Die Partikel 3 weisen jeweils eine längste Erstreckung 6, hier einen Durchmesser 7, auf, die gleich oder hier größer ist als die Dicke 5. Die Partikel erstrecken sich somit auf beiden Seiten des Grundmaterials 2 leicht über dieses hinaus. Innerhalb des Grundmaterials 2 sind die Partikel 3 unregelmäßig beabstandet angeordnet, berühren sich aber untereinander nicht.
  • Da die Partikel 3 elektrisch leitfähig sind, ist senkrecht zu der Erstreckungsebene 4 das Photovoltaiksubstrat 1 jeweils durch ein Partikel 3 hindurch elektrisch leitfähig. Würden sich zwei oder mehr Partikel 3 berühren, so würden sie eine „Insel der Leitfähigkeit“ mit lokaler Leitfähigkeit parallel zu der Erstreckungsebene bilden, durch die hindurch das Photovoltaiksubstrat 1 ebenfalls senkrecht zu der Erstreckungsebene 4 elektrisch leitfähig wäre. Weil sich aber für das dargestellte Ausführungsbeispiel zwischen den Partikeln 3 jeweils das Grundmaterial 2 erstreckt, das elektrisch nicht leitfähig ist, sind die Partikel 3 gegeneinander elektrisch isoliert. In Richtung der Erstreckungsebene 4 ist das Photovoltaiksubstrat 1 somit elektrisch nicht leitfähig.
  • 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Photovoltaikelement 8, das auf dem Photovoltaiksubstrat 1 gemäß 1 aufgebaut ist. In 2 ist auch zu erkennen, dass zwei Partikel 3a, 3b einander berühren, so dass hier eine „Insel der Leitfähigkeit“ gebildet ist.
  • Auf dem Photovoltaiksubstrat 1 ist eine Rückkontaktschicht 9 angeordnet. Die Rückkontaktschicht 9 ist elektrisch leitfähig und steht in elektrischem Kontakt mit den Partikeln 3 des Photovoltaiksubstrats 1. Auf der Rückkontaktschicht 9 ist wiederum eine photovoltaisch aktive Lage 10 angeordnet. Die photovoltaisch aktive Lage 10 kann in an sich bekannter Weise aus einer oder verschiedenen Schichten bestehen. Auf der photovoltaisch aktiven Lage 10 ist eine Frontkontaktschicht 11 angeordnet. Diese ist zum einen transparent, um Licht zumindest teilweise an die photovoltaisch aktive Lage 10 durchzulassen, und zum anderen elektrisch leitfähig. Es ist zu erkennen, dass das Photovoltaiksubstrat 1, die Rückkontaktschicht 9, die photovoltaisch aktive Lage 10 und die Frontkontaktschicht 11 sich im Wesentlichen in zueinander parallelen Erstreckungsebenen 4, 12, 13, 14 erstrecken.
  • Bereichsweise, insbesondere unregelmäßig oder regelmäßig (bspw. periodisch), wiederkehrend gibt es Abweichungen von der parallelen Erstreckung in den Erstreckungsebenen 4, 12, 13, 14. Dies ist der Fall in einem Verschaltungsbereich 15. In dem Verschaltungsbereich 15 sind drei Gräben 16, 17, 18 angeordnet. Von links nach rechts in 2 sind ein erster Graben 16, ein zweiter Graben 17 und ein dritter Graben 18 gebildet.
  • Der erste Graben 16 ist gebildet, indem die Rückkontaktschicht 9 unterbrochen ist.
  • Der zweite Graben 17 ist gebildet, indem die photovoltaisch aktive Lage 10 unterbrochen ist. Die Frontkontaktschicht 11 weicht im Bereich des zweiten Grabens 17 von der Parallelität der Erstreckungsebenen 4, 12, 13, 14 ab und erstreckt sich durch den Bereich, der eigentlich von der photovoltaisch aktiven Lage 10 eingenommen werden würde, bis hinunter zur Rückkontaktschicht 9. Die Rückkontaktschicht 9 und die Frontkontaktschicht 11 befinden sich somit im Bereich des zweiten Grabens 17 in elektrischem Kontakt. Im Bereich des zweiten Grabens 17 ist die Frontkontaktschicht 11 in dem dargestellten Querschnitt ungefähr V-förmig oder U-förmig, wobei die Spitze des V oder U den Kontakt zu der Rückkontaktschicht 9 herstellt.
  • Schließlich ist der dritte Graben 18 gebildet, indem die Frontkontaktschicht 11 unterbrochen ist. Hierbei kann zusätzlich auch die photovoltaisch aktive Lage 10 unterbrochen sein, wobei die Unterbrechung der photovoltaisch aktiven Lage 10 für die Funktion des Photovoltaikelements 8 nicht zwingend erforderlich ist. Weil eine elektrische Leitfähigkeit der photovoltaisch aktiven Lage 10 gegebenenfalls nicht null, sondern lediglich sehr niedrig ist, kann eine Unterbrechung der photovoltaisch aktiven Lage 10 wie dargestellt aber bevorzugt sein.
  • Wie aus 2 zu erkennen ist, kann sich die Anordnung der Gräben 16, 17, 18 periodisch wiederholen. Jeweils von einem Verschaltungsbereich 15a zum benachbarten Verschaltungsbereich 15b ist eine Zelle 19 gebildet. Dies entspricht einem monolithischen Ansatz der Ausbildung einer Reihenschaltung zwischen den Zellen 19. Grundsätzlich können die Zellen 19 auch ohne Ausbildung der Gräben 16, 17, 18 durch bauliche Trennung geformt werden, so dass dann jedes Photovoltaikelement 8 eine Zelle 19 bildet (nicht dargestellt). Dies entspricht dann einem Einzelzellen-Ansatz. Die Einzelzellen können dann durch externe elektrische Kontaktierung in Reihe geschaltet werden, beispielsweise durch Schindelung, indem jeweils ein Rückkontakt einer Zelle 19 mit einem Frontkontakt einer benachbarten Zelle 19 in elektrischen Kontakt gebracht wird.
  • Ein Elektronenfluss 20 bei der Ausbildung des Photovoltaikelements 8 nach dem monolithischen Ansatz gemäß 2 ist in 3 illustriert. Im Bereich eines hier nicht detailliert dargestellten elektrischen Kontakts 21 tritt der Elektronenfluss 20 in das Photovoltaikelement 8 ein. Kontaktiert ist dabei mindestens ein Partikel 3 des Photovoltaiksubstrats 1. Das Partikel 3 steht in elektrischem Kontakt mit der Rückkontaktschicht 9. Dass die Rückkontaktschicht 9 durch weitere Partikel 3 derselben Zelle 19 kontaktiert wird, ist unerheblich, solange die weiteren Partikel 3 nicht auch anderweitig elektrisch kontaktiert werden. Es kann sogar bevorzugt sein, mehr als ein Partikel zu kontaktieren (bspw. mehr als 5, 10, 50, 100 oder 500 Partikel), weil in dieser Weise die elektrische Leitung über mehrere Partikel, d. h. über eine größere Querschnittsfläche erfolgt. Damit sinkt ein elektrischer Widerstand bzw. steigt eine elektrische Leitfähigkeit der Gesamtheit der kontaktierten Partikel.
  • Im Zuge der ablaufenden photovoltaischen Prozesse erfolgt der Elektronenfluss von der Rückkontaktschicht 9 zu der Frontkontaktschicht 11 durch die photovoltaisch aktive Lage 10 hindurch. Weil im Bereich des ersten Grabens 16 die Rückkontaktschicht 9 unterbrochen ist, im Bereich des dritten Grabens 18 die Frontkontaktschicht 11 unterbrochen ist und im Bereich des zweiten Grabens 17 die Frontkontaktschicht 11 in Kontakt mit der Rückkontaktschicht 9 steht, verläuft im Bereich des zweiten Grabens 17 der Elektronenfluss 20 von der Frontkontaktschicht 11 zurück in die Rückkontaktschicht 10 im Bereich der benachbarten Zelle 19. Von hier erfolgt wiederum durch photovoltaische Prozesse der Elektronenfluss 20 durch die photovoltaisch aktive Lage 10 dieser Zelle 19 zu der Frontkontaktschicht 11 usw. Dies wiederholt sich in gleicher Weise für jede Zelle 19. An einem Kontakt 22 schließlich ist (hier nicht detailliert dargestellt) die Frontkontaktschicht 11 elektrisch kontaktiert, so dass hier der Elektronenfluss 20 wieder aus dem Photovoltaikelement 8 austritt.
  • 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Photovoltaikelement 8 gemäß der 2, wobei auf der der Rückkontaktschicht 9 abgewandten Seite des Photovoltaiksubstrats 1 eine Anschlussschicht 23 aufgebracht ist. Grundsätzlich kann sich die Anschlussschicht 23 über das gesamte Photovoltaiksubstrat 1 erstrecken, wobei sie unterbrochen werden muss, wo die Rückkontaktschicht unterbrochen ist, um keine unerwünschte elektrische Überbrückung zu schaffen. In 4 ist aber nur ein Teilbereich des Photovoltaiksubstrats 1 mit der Anschlussschicht 23 bedeckt. Die Anschlussschicht 23 kann genutzt werden, um den Kontakt 21 mit dem Photovoltaiksubstrat 1 und damit auch mit der Rückkontaktschicht 9 zu erleichtern, indem eine elektrisch kontaktierbare Fläche vergrößert wird.
  • 5 zeigt entsprechend der 3 den Elektronenfluss durch das Photovoltaikelement 8 mit der Anschlussschicht 23 gemäß 4. Dieser entspricht weitgehend dem Elektronenfluss 20 gemäß 3, wobei lediglich der Kontakt 21 an der Anschlussschicht 23 und nicht direkt an einem Partikel 3 ausgebildet ist. Der Kontakt 21 kann somit an der Anschlussschicht 23 frei platziert werden und ist nicht durch die Position des (oder jedenfalls eines) zu kontaktierenden Partikels 3 vorgegeben.
  • 6 zeigt wiederum einen Ausschnitt aus einem Photovoltaikelement 8 gemäß den vorhergehenden Figuren. Gemäß 6 ist die Anschlussschicht 23 aber aufgeteilt in mehrere Anschlussschichtteile 23a, 23b, 23c, wobei jeder Anschlussschichtteil 23a, 23b, 23c einer Zelle 19a, 19b, 19c zugeordnet ist. Weil die Anschlussschichtteile 23a, 23b, 23c untereinander elektrisch nicht verbunden sind und das Photovoltaiksubstrat 1 entlang der Erstreckungsebene 4 ebenfalls nicht leitfähig ist, können somit die Zellen 19a, 19b, 19c jeweils gesondert, aber in einfacher Weise über die Anschlussschichtteile 23a, 23b, 23c kontaktiert werden. Wie zu erkennen ist, ragen aber jeweils im Bereich des zweiten Grabens 17 die Anschlussschichtteile (23a,) 23b, 23c (hier jeweils nach links) in den Bereich der dort benachbarten Zelle 19a, 19b hinein. Da im Bereich des Grabens 17 die Frontkontaktschicht 11 in Kontakt mit der Rückkontaktschicht 9 steht (vgl. 3, 5), fungiert die Rückkontaktschicht 9 im Bereich einer Zelle 19b, 19c in dieser Weise gleichzeitig zum Kontaktieren der Frontkontaktschicht 11 ihrer (hier jeweils links) benachbarten Zelle 19a, 19b. Auf diese Weise können Spannungen an jeder beliebigen Zelle oder zwischen zwei beliebigen Zellen abgegriffen werden. 6 illustriert, dass eine Spannung V1 über die Zelle 19a abgegriffen wird (hier illustriert durch ein erstes, ebenfalls mit V1 bezeichnetes Spannungsmessgerät) und eine Spannung V2 über die Zelle 19b abgegriffen wird (hier illustriert durch ein zweites, ebenfalls mit V2 bezeichnetes Spannungsmessgerät). Dabei ist zu erkennen, dass an der Zelle 19b der Anschlussschichtteil 23b für einen Frontkontakt der Zelle 19a und einen Rückkontakt der Zelle 19b kontaktiert wird. Der Anschlussschichtteil 23b erfüllt somit eine doppelte Funktion. Wie gezeigt können gezielt Teilspannungen über verschiedene Zellen 19 abgegriffen werden, aber auch Messungen über verschiedene Zellen 19 durchgeführt werden. Dabei kann beispielsweise von einer Überwachungselektronik gesteuert werden, ob und ggf. welche mehreren Zellen 19 für die Messung in Reihe geschaltet werden, sodass Teilspannungen über die in Reihe geschalteten Zellen 19 abgegriffen werden können, um beispielsweise Verbraucher mit verschiedenen Spannungen versorgen zu können. Es können aber auch in gleicher Weise zwischen verschiedenen Zellen 19 Bypass-Dioden angebracht werden, die einzelne oder mehrere Zellen 19 überbrücken, sollten diese elektrisch nicht mehr leitfähig sein und somit den Stromkreis durch das Photovoltaikelement 8 unterbrechen.
  • 7 zeigt schematisch einen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines Photovoltaikelements 8. Dabei wird in einem Schritt 24 ein nicht leitfähiges Grundmaterial 2 für ein Photovoltaiksubstrat 1 bereitgestellt. In einem Schritt 25 werden in das nicht leitfähige Grundmaterial 2 leitfähige Partikel 3 eingebracht und es wird ein Photovoltaiksubstrat 1 erzeugt, das entlang seiner Erstreckungsebene 4 und durch das Grundmaterial 2 nicht leitfähig ist, aber durch die Partikel 3 und senkrecht zu der Erstreckungsebene 4 leitfähig ist. Die Partikel 3 können vor, während oder nach einem Ausformen des Grundmaterials 2 in das Grundmaterial 2 eingebracht werden, beispielsweise durch ein Untermischen oder anderweitiges Einbringen in eine flüssige oder viskose Phase des Grundmaterials 2. In einem Schritt 26 wird auf das Photovoltaiksubstrat 1 eine leitfähige Rückkontaktschicht 9 aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch Aufdampfen, Sputterdeposition oder einen nasschemischen Prozess geschehen. In einem Schritt 27 wird ein erster Graben 16 erzeugt, beispielsweise indem ein Teil der Rückkontaktschicht 9 mit einem Laser abgetragen wird. In einem Schritt 28 wird eine photovoltaisch aktive Lage 10 aufgebracht. Dies kann in mehreren Unterschritten erfolgen, in denen die photovoltaisch aktive Lage 10 in verschiedenen Schichten aufgebracht wird. Jede der Schichten kann beispielsweise durch Aufdampfen, Sputterdeposition oder einen nasschemischen Prozess oder Aufwachsen aufgebracht werden. In einem Schritt 29 wird ein zweiter Graben 17 ausgebildet, indem ein Teil der photovoltaisch aktiven Lage 10 entfernt wird, beispielsweise mittels eines Lasers abgetragen. In Schritt 30 wird eine Frontkontaktschicht 11 aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfen, Sputterdeposition oder einen nasschemischen Prozess. In einem Schritt 31 wird ein dritter Graben 18 ausgebildet, indem die Frontkontaktschicht 11 und ggf. auch darunter liegende Teile der photovoltaisch aktiven Lage 10 abgetragen werden, beispielsweise mittels eines Lasers. Die Schritte 27, 29 und 31 sind optional. Werden sie ausgeführt, so findet der monolithische Ansatz an dem gebildeten Photovoltaikelement 8 Einsatz. Werden sie nicht ausgeführt, so kann der Einzelzellen-Ansatz an dem ausgebildeten Photovoltaikelement 8 Einsatz finden.
  • Weiterhin kann in einem optionalen Schritt 32 zusätzlich eine Anschlussschicht 23 auf das Photovoltaiksubstrat 1 aufgebracht werden. Dies kann ebenfalls durch Aufdampfen, Sputterdeposition oder einen nasschemischen Prozess geschehen. Sollen nur Teile des Photovoltaiksubstrats 1 der Anschlussschicht 23 bedeckt werden, so kann die Anschlussschicht 23 gezielt auf einen Teilbereich aufgebracht werden oder in einem ebenfalls optionalen Schritt 33 ein Teil der Anschlussschicht 23 wieder abgetragen werden, beispielsweise mittels eines Lasers.
  • Die Schritte 27, 29 und 31 können auch nachträglich ausgeführt werden, d. h. nachdem die photovoltaisch aktive Lage 10 und die Frontkontaktschicht 11 in den Schritten 28 und 30 aufgebracht wurden und ggf. nachdem Schritt 32 ausgeführt wurde. Dies entspricht einem sogenannten Monoscribe-Verfahren. Weil in diesem Fall nicht gezielt nur eine Schicht oder Lage abgetragen werden kann, sondern jeweils alle darüber liegenden Schichten oder Lagen mit abgetragen werden, müssen dann einzelne Gräben mit leitfähigen und/oder nicht-leitfähigen Materialien gefüllt werden, um eine Funktionalität herzustellen. Wie dies geschehen kann, ist im Zusammenhang mit 9 und 10 beschrieben.
  • 8 zeigt ein Photovoltaikelement 8, das im Wesentlichen den in den 2 bis 6 dargestellten Photovoltaikelementen 8 entspricht. Das in 8 dargestellte Photovoltaiksubstrat 8 ist dahingehend zusätzlich schematisiert, dass nicht ausdrücklich ein Ausschnitt dargestellt ist. Dies ist lediglich durch die Notwendigkeit einer Darstellung beider Enden des Photovoltaiksubstrats 8 bedingt. Das Photovoltaikelement 8 kann entgegen der Darstellung eine größere Zahl von Zellen 19 aufweisen.
  • Die Rückkontaktschicht 9 des in 8 dargestellte Photovoltaiksubstrats 8 ist ebenso über den elektrischen Kontakt 21 an der Anschlussschicht 23 kontaktiert, wie dies in 5 dargestellt ist. Im Gegensatz dazu ist aber der elektrische Kontakt 22 für die Frontkontaktschicht 11 nicht direkt an der Frontkontaktschicht 11 ausgebildet. Stattdessen ist die Frontkontaktschicht 11 elektrisch mit der Rückkontaktschicht 9 verbunden, wie dies auch in dem Verschaltungsbereich 15 regelmäßig der Fall ist. Dadurch kann der elektrische Kontakt 22, mit dem die Frontkontaktschicht 11 kontaktiert werden soll, an der Rückkontaktschicht 9 ausgebildet werden. Dadurch ist für die Rückkontaktschicht 9 und die Frontkontaktschicht 11 gleichermaßen eine mechanisch einfache Kontaktierung möglich. Die Kontaktierung der Frontkontaktschicht 11 über die Rückkontaktschicht 9 muss dabei nicht wie dargestellt über die Anschlussschicht 23 erfolgen, sondern kann auch (entsprechend dem Kontakt 21 nach 3) direkt über das Photovoltaiksubstrat 1 erfolgen.
  • 9 zeigt ein Photovoltaikelement, das in seiner Funktionalität dem in 8 gezeigten Photovoltaikelement 8 entspricht. Wie auch in 8 kann das Photovoltaikelement mehr Zellen 19 aufweisen als dargestellt. Von dem Photovoltaikelement 8 nach 8 (und den weiteren Darstellungen in 2 bis 6) unterscheidet sich das Photovoltaikelement 8 nach 9 durch eine andere Ausbildung des Verschaltungsbereichs 15. Das Photovoltaikelement nach 9 entspricht der Ausbildung in einem sogenannten Monoscribe-Verfahren.
  • Das Photovoltaikelement 8 nach 9 weist ebenfalls den ersten Graben 16, den zweiten Graben 17 und den dritten Graben 18 auf. Die Gräben 16, 17, 18 erfüllen auch dieselbe Funktionalität wie zuvor dargestellt. Sie sind aber anders ausgebildet: Statt dass jeweils nur die zu trennende Schicht oder Lage 9, 10, 11 in jedem Graben 16, 17, 18 eine Lücke aufweist und die anderen Schichten oder Lagen 9, 10, 11 den Graben 16, 17, 18 überspannen, weisen an jedem Graben 16, 17, 18 auch die jeweils darüber angeordneten Schichten oder Lagen 9, 10, 11 Lücken auf. Beispielsweise weist in dem ersten Graben 16 nicht nur die in diesem elektrisch zu unterbrechende Rückkontaktschicht 9 eine Lücke auf, sondern auch die darüber angeordnete photovoltaisch aktive Lage 10 und die Frontkontaktschicht 11. In den gemeinsam ausgebildeten zweiten und dritten Gräben 17, 18 weisen die photovoltaisch aktive Lage 10 und die Frontkontaktschicht 11 jeweils eine Lücke auf. Damit die Funktionalität des zweiten Grabens 17 erreicht wird, dass die Frontkontaktschicht 11 in elektrischen Kontakt mit der Rückkontaktschicht 9 gebracht wird, muss eine leitfähige Verbindung nachträglich wieder hergestellt werden.
  • Dazu ist in die Gräben 16, 17, 18 ein Füllmaterial 34, 35 eingebracht worden. Ein nicht leitfähiges Füllmaterial 34 füllt den ersten Graben 16 in der Rückkontaktschicht 9 auf und bedeckt im Bereich des ersten Grabens 16 auch „Anschnittflächen“ der photovoltaisch aktiven Lage 10 und der Frontkontaktschicht 11, sodass eine elektrische Verbindung vollständig unterbrochen ist. Auf dem nicht leitfähigen Füllmaterial 34 ist ein leitfähiges Füllmaterial 35 angeordnet, das über das nicht leitfähige Füllmaterial 34 hinweg die Frontkontaktschicht 11 (hier links der Gräben 16, 17, 18) mit der Rückkontaktschicht 9 (hier rechts der Gräben 16, 17) elektrisch verbindet. Das leitfähige Füllmaterial 35 kommt dabei aber nicht in Kontakt mit einem dem kontaktierten Bereich der Rückkontaktschicht 9 zugeordneten Bereich der Frontkontaktschicht 11 (hier rechts der Gräben 16, 17, 18). (Anderenfalls wäre ein Kurzschluss die Folge.) Somit ist gleichzeitig die Funktionalität des dritten Grabens 18 erfüllt.
  • Funktional unterscheidet sich das Photovoltaikelement 8 nach 9 somit nicht von den Photovoltaikelementen nach den 2 bis 6 und 8. Ein Unterschied liegt nur in der Herstellungsweise bedingt (vgl. die Beschreibung zu 7): Während für die in 2 bis 6 und 8 dargestellten Photovoltaikelemente 8 die Gräben 16, 17, 18 während eines Prozesses angelegt wurden, in dem die Rückkontaktschicht 9, die photovoltaisch aktive Lage 10 und die Frontkontaktschicht 11 auf das Photovoltaiksubstrat 1 aufgetragen wurden, wurden für das in 9 dargestellte Photovoltaikelement 8 die Gräben 16, 17, 18 erst angelegt, nachdem die Rückkontaktschicht 9, die photovoltaisch aktive Lage 10 und die Frontkontaktschicht 11 auf das Photovoltaiksubstrat 1 aufgetragen wurden.
  • 10 zeigt eine Verschaltung zum Abgriff mehrerer Spannungen entsprechend 6 an einem Photovoltaikelement 8 gemäß 9. Im Unterschied zu 6 ist hier entsprechend 9 (und 8) dargestellt, dass die Frontkontaktschicht 11 und die Rückkontaktschicht 9 über elektrische Kontakte 21, 22 kontaktiert sind. Hier sind drei Spannungsmessgeräte dargestellt, an denen drei Spannungen V1, V2, V3 abgegriffen werden, also eine Spannung V3 mehr als in 6 dargestellt. Bereits im Zusammenhang mit 6 wurde aber beschrieben, dass die gezeigten Spannungsabgriffe exemplarisch für eine Vielzahl von möglichen Kombinationen der Zellen 19 untereinander stehen. Mit dem Photovoltaikelement 8 nach 10 kann dieselbe Funktionalität erreicht werden wie im Zusammenhang mit 6 dargestellt.
  • Für die in den 2 bis 6 und 8 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispiele muss dafür Sorge getragen werden, dass im Bereich eines Grabens 16 keine Überbrückung des Grabens 16 durch ein Partikel 3 derart erfolgt, sodass Teilbereiche der Rückkontaktschicht 9, die an sich durch den Graben 16 voneinander getrennt sein sollen, elektrisch über einen Partikel 3 verbunden sind. Ohne Beschränkung auf die folgenden Ausführungsbeispiele kann dies insbesondere wie folgt erfolgen:
    • - Möglich ist, dass die Dichte der Partikel 3 so gering gewählt wird, dass eine derartige Überbrückung unwahrscheinlich ist oder nur mit einer so kleinen Zahl der Partikel eine derartige Überbrückung erfolgt, womit der Überbrückungswiderstand für eine derartige Überbrückung hinreichend groß ist.
    • - Möglich ist, dass die Breite des Grabens 16 so groß gewählt wird (insbesondere größer ist als die maximale Erstreckung der Partikel 3), dass eine derartige Überbrückung auch nicht erfolgen kann, wenn ein Partikel unterhalb des Grabens 16 angeordnet ist.
    • - Möglich ist, dass auch im Bereich des Photovoltaiksubstrats 1 unmittelbar unterhalb des Grabens 16 ein weiterer Graben erzeugt wird, im Bereich dessen etwaige vorhandene Partikel 3 beseitigt sind.
    • - Möglich ist auch, dass unterhalb des Grabens 16 in dem Photovoltaiksubstrat 1 ein (beispielsweise streifenförmiges, sich parallel zu dem Graben 16 unterhalb desselben erstreckendes) nicht-leitendes Material angeordnet ist, sodass in dem Bereich des nicht leitenden Materials keine Partikel 3 angeordnet sein können.
  • In den Ausführungsbeispielen ist ein Querschnitt durch das Photovoltaiksubstrat 1 in eine erste Erstreckungsrichtung der Erstreckungsebene 4 dargestellt. In eine rechtwinklig zu dieser ersten Erstreckungsrichtung orientierte zweite Erstreckungsrichtung der Erstreckungsebene 4 kann der Querschnitt entsprechend aussehen. In diesem Fall können auch in der zweiten Erstreckungsrichtung mehrere Zellen 19 benachbart zueinander gebildet sein, die dann geeignet kontaktiert werden müssen, und/oder die Partikel 3 können auch in die zweite Erstreckungsrichtung eine entsprechende Querschnittsgeometrie aufweisen. Möglich ist aber auch, dass die Partikel 3 oder Leitelemente in diese andere Erstreckungsrichtung langgestreckt, beispielsweise als parallel orientierte Fasern, Ketten, Stäbe u. ä., ausgebildet sind. Schließlich ist auch möglich, dass in dem Querschnitt in der ersten Erstreckungsrichtung (wie in den Figuren dargestellt) mehrere Zellen nebeneinander angeordnet sind, während die Zellen in dem Querschnitt in die zweite Erstreckungsrichtung durchgehend ausgebildet sein können.
  • Für die dargestellten Ausführungsbeispiele ist in das Grundmaterial 2 eine Einbettung von Partikeln 3 erfolgt. Eine anisotrope Gestaltung des Photovoltaiksubstrats 1 kann aber durch beliebige Leitelemente mit beliebiger Geometrie erfolgen, die elektrisch leitfähig sind, die Leitfähigkeit vertikal zur Erstreckungsebene 4 gewährleisten, in dem Photovoltaiksubstrat 1 verteilt sind und durch das Grundmaterial 2 voneinander getrennt sind. Hierbei können die Leitelemente regelmäßig oder unregelmäßig verteilt sein, solange sich diese bis zu den Oberflächen des Grundmaterials 2 erstrecken oder sogar aus diesen herausstehen. Die Erfindung nicht beschränkende Beispiele für derartige Leitelemente sind die zuvor genannten Fasern, Ketten, Stäbe oder leitende Streifen. Möglich ist beispielsweise auch, dass das Photovoltaiksubstrat 1 aus einer Art Folie besteht, in welcher alternierend zwei Typen von Streifen beliebiger Breite koextrudiert sind, wobei ein erster Typ der Streifen nicht elektrisch leitend ist und ein zweiter Typ der Streifen elektrisch leitend ist. Hierbei können die Streifen des ersten Typs bereits gezielt in den Bereichen der Folie vorgesehen werden, in denen die Gräben vorzusehen sind, während die Streifen des zweiten Typs dann im Bereich der Zellen angeordnet sein können. Möglich ist hierbei auch, dass die Streifen des ersten Typs aus einem beliebigen nicht leitenden Material, beispielsweise Kunststoff, hergestellt sind, während die Streifen des zweiten Typs aus demselben oder einem anderen nicht leitenden Material hergestellt sind und dann in diesem Material leitende Zusätze, Partikel oder Leitelemente eingesetzt oder eingemischt sind.
  • In der vorliegenden Patentanmeldung sind teilweise für gleiche oder sich hinsichtlich der Gestaltung und/oder Funktion entsprechende Bauelemente oder Gestaltungsmerkmale mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei diese dann teilweise mit dem ergänzenden Buchstaben a, b, c voneinander unterschieden sind und dann auf diese in den Patentansprüchen und der Beschreibung entweder ohne den ergänzenden Buchstaben oder mit dem ergänzenden Buchstaben Bezug genommen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Photovoltaiksubstrat
    2
    Grundmaterial
    3
    Partikel
    4
    Erstreckungsebene
    5
    Dicke
    6
    Erstreckung
    7
    Durchmesser
    8
    Photovoltaikelement
    9
    Rückkontaktschicht
    10
    photovoltaisch aktive Lage
    11
    Frontkontaktschicht
    12
    Erstreckungsebene
    13
    Erstreckungsebene
    14
    Erstreckungsebene
    15
    Verschaltungsbereich
    16
    erster Graben
    17
    zweiter Graben
    18
    dritter Graben
    19
    Zelle
    20
    Elektronenfluss
    21
    Kontakt
    22
    Kontakt
    23
    Anschlussschicht
    24
    Schritt
    25
    Schritt
    26
    Schritt
    27
    Schritt
    28
    Schritt
    29
    Schritt
    30
    Schritt
    31
    Schritt
    32
    Schritt
    33
    Schritt
    34
    nicht leitfähiges Füllmaterial
    35
    leitfähiges Füllmaterial

Claims (18)

  1. Photovoltaiksubstrat (1) für ein Photovoltaikelement (8), insbesondere für ein Dünnfilmphotovoltaikelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaiksubstrat (1) - eine Polyimidfolie aufweist, - in Richtung seiner Erstreckungsebene (4) elektrisch nicht leitfähig ist und - senkrecht zu seiner Erstreckungsebene (4) elektrisch leitfähig ist.
  2. Photovoltaiksubstrat (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaiksubstrat (1) ein elektrisch nicht leitfähiges Grundmaterial (2) aufweist, in das elektrisch leitfähige Partikel (3) oder elektrische Leitelemente eingebettet sind, wobei die Partikel oder elektrischen Leitelemente (3) - beabstandet voneinander angeordnet sind, - durch das Grundmaterial (2) elektrisch gegeneinander isoliert sind und - sich zumindest von einer Oberfläche des Grundmaterials (2) zu der anderen Oberfläche des Grundmaterials (2) erstrecken oder in eine Richtung senkrecht zu der Erstreckungsebene (4) des Photovoltaiksubstrats (1) aus dem Grundmaterial (2) heraus erstrecken.
  3. Photovoltaiksubstrat (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) kugelförmig oder plättchenförmig sind oder dendritisch verzweigt sind.
  4. Photovoltaiksubstrat (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine längste Erstreckung von Partikeln (3) gleich oder größer ist als eine senkrecht zu der Erstreckungsebene (4) des Photovoltaiksubstrats (1) gemessene Dicke (5) des Grundmaterials (2).
  5. Photovoltaiksubstrat (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (3) zumindest an ihren Außenflächen Metall aufweisen.
  6. Photovoltaiksubstrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaiksubstrat (1) flexibel ist.
  7. Photovoltaikelement (8), insbesondere Dünnfilmphotovoltaikelement, mit einem Photovoltaiksubstrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Photovoltaikelement (8) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch - eine auf dem Photovoltaiksubstrat (1) angeordnete Rückkontaktschicht (9), - eine Frontkontaktschicht (11) und - eine photovoltaisch aktive Lage (10) zwischen der Frontkontaktschicht (11) und der Rückkontaktschicht (9), wobei das Photovoltaiksubstrat (1), die Rückkontaktschicht (9), die Frontkontaktschicht (11) und die photovoltaisch aktive Lage (10) sich im Wesentlichen in parallelen Erstreckungsebenen (4, 12, 13, 14) erstrecken.
  9. Photovoltaikelement (8) nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkontaktschicht (9) elektrisch kontaktiert ist, indem ein elektrisches Anschlusselement elektrisch mit dem Photovoltaiksubstrat (1) verbunden ist.
  10. Photovoltaikelement (8) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontkontaktschicht (9) elektrisch kontaktiert ist, indem ein elektrisches Anschlusselement elektrisch mit dem Photovoltaiksubstrat (1) verbunden ist.
  11. Photovoltaikelement (8) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Rückkontaktschicht (9) abgewandten Seite des Photovoltaiksubstrats (1) eine elektrisch leitfähige Anschlussschicht (23) aufgebracht ist.
  12. Photovoltaikelement (8) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussschicht (23) nur auf eine Teilfläche des Photovoltaiksubstrats (1) aufgebracht ist.
  13. Photovoltaikelement (8) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaikelement (8) mehrere Zellen (19) aufweist, wobei die Zellen (19) dadurch voneinander getrennt sind, dass jeweils zwischen benachbarten Zellen (19) - ein erster Graben (16) gebildet ist, der die Rückkontaktschicht (9) unterbricht, - ein zweiter Graben (17) gebildet ist, der die photovoltaisch aktive Lage (10) unterbricht und im Bereich dessen die Frontkontaktschicht (11) die Rückkontaktschicht (9) kontaktiert und - ein dritter Graben (18) gebildet ist, indem die Frontkontaktschicht (11) unterbrochen ist.
  14. Photovoltaikelement (8) nach Anspruch 13 in Rückbezug auf Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussschicht (23) im Bereich der Gräben (16, 17, 18) unterbrochen ist, so dass aus der Anschlussschicht (23) mehrere elektrisch voneinander getrennte Anschlussschichtteile (23a, 23b, 23c) gebildet sind, wobei jeder Anschlussschichtteil (23a, 23b, 23c) einer Zelle (19) zugeordnet ist.
  15. Photovoltaikelement (8) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass a) ein erstes elektrisches Anschlusselement eines elektrischen Bauteils über ein erstes Anschlussschichtteil (23a) einer ersten Zelle (19a) elektrisch mit der Rückkontaktschicht (9) verbunden ist und b) ein zweites Anschlusselement des elektrischen Bauteils über ein zweites Anschlussschichtteil (23b) einer zweiten Zelle (19b) elektrisch mit der Frontkontaktschicht (11) verbunden ist.
  16. Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikelements (8), insbesondere eines Dünnfilmphotovoltaikelements, nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine oder mehrere der Rückkontaktschicht (9), der Frontkontaktschicht (11) oder mindestens einer Schicht der photovoltaisch aktiven Lage (10) auf das Photovoltaiksubstrat (1) durch Aufdampfen, Sputterdeposition oder einen nasschemischen Prozess aufgebracht wird oder werden und/oder der erste oder ein erster Graben (16), der zweite oder ein zweiter Graben (17) und/oder der dritte oder ein dritter Graben (18) durch Abtragen der Rückkontaktschicht (9), der photovoltaisch aktiven Lage (10) und/oder der Frontkontaktschicht (9) mittels eines Lasers oder durch mechanisches Abtragen gebildet wird oder werden, und b) das Photovoltaikelement nach einem der Ansprüche 7 bis 15 fertiggestellt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16 in Rückbezug auf Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussschicht (23) auf das Photovoltaiksubstrat (1) durch Aufdampfen, Sputterdeposition oder einen nasschemischen Prozess aufgebracht wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Photovoltaiksubstrat (1) direkt oder über die Anschlussschicht (23) elektrisch kontaktiert wird.
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