DE102019129349A1

DE102019129349A1 - Photovoltaisches Element mit verbesserter Effizienz bei Verschattung, und Verfahren zur Herstellung eines solchen photovoltaischen Elements

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Publication number: DE102019129349A1
Application number: DE102019129349.9A
Authority: DE
Inventors: Mickael Lapeyrade; Martin Pfeiffer-Jacob; Christian Uhrich
Original assignee: Heliatek GmbH
Current assignee: Heliatek GmbH
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-05-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Element (1) mit mindestens zwei photovoltaischen Zellen (2), wobei die mindestens zwei photovoltaischen Zellen (2) miteinander in Reihe geschaltet sind, jeweils aufweisend eine Grundelektrode (3), eine Deckelektrode (4), und ein Schichtsystem (5) aus Schichten mit mindestens einer photoaktiven Schicht (6), wobei das Schichtsystem (5) zwischen der Grundelektrode (3) und der Deckelektrode (4) angeordnet ist, und wobei die mindestens eine photovoltaische Zelle (2) unter Beleuchtung eine bestimmte Leerlaufspannung und einen bestimmten Kurzschlussstrom generiert. Das Schichtsystem (5) weist in horizontaler Ausdehnung mindestens einen photoaktiven Bereich (7) und mindestens einen Bypass-Bereich (8) auf, wobei der mindestens eine photoaktive Bereich (7) vollständige Schichten des Schichtsystems (5) aufweist, und wobei der mindestens eine Bypass-Bereich (8) keine Schichten des Schichtsystems (5) oder unvollständige Schichten des Schichtsystems (5) aufweist, wobei der mindestens eine Bypass-Bereich (8) zumindest weitgehend vertikal in dem Schichtsystem (5) der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) angeordnet ist und zumindest mit der Deckelektrode (4) stoffschlüssig verbunden ist, wobei der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs (8) ein linearer Widerstand oder ein nicht-linearer Widerstand ist, und wobei ab einer bestimmten teilweisen Verschattung (12) mindestens einer photovoltaischen Zelle (2), wenn die Leerlaufspannung der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) in entgegengesetzter Richtung des generierten Kurzschlussstroms einer vorhergehenden photovoltaischen Zelle (2) angelegt ist, der Widerstand des mindestens einen photoaktiven Bereichs (7) größer ist als der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs (8), so dass ein elektrischer Strom zumindest weitgehend durch den mindestens einen Bypass-Bereich (8) fließt.

Description

Photovoltaische Elemente, insbesondere photovoltaische Elemente, die in einer Gebäudestruktur integriert sind, werden zeitweise verschattet. Ein photovoltaisches Element besteht aus photovoltaischen Zellen mit jeweils mindestens einer photoaktiven Schicht, die in Reihe oder parallel verschaltet sein können. Ein verschattetes photovoltaisches Element oder eine Zelle davon, die in Reihe geschaltet sind, werden nicht immer alle gleichmäßig verschattet, sondern sind teilweise weiterhin der Einstrahlung von Sonnenlicht ausgesetzt. Verschattete photovoltaische Elemente oder Zellen, die in Reihe mit anderen photovoltaischen Zellen geschaltet sind, erzeugen eine zu den anderen photovoltaischen Zellen entgegengesetzte Spannung, die den Stromfluss von den anderen photovoltaischen Zellen durch diese Zelle hindurch einschränken oder sperren. Wird eine photovoltaische Zelle des photovoltaischen Elements zumindest teilweise verschattet, so erzeugt diese Zelle keine Spannung, und der erzeugte Strom der davor in Reihe geschalteten Zellen kann nicht durchgeleitet werden und beschädigt diese Zelle.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Umgehen der Problematik der teilweisen Verschattung setzen Bypass-Dioden ein, um den Stromfluss der in Reihe geschalteten photovoltaischen Zellen weiterhin zu gewährleisten und eine Beschädigung einer zumindest teilweise verschatteten photovoltaischen Zelle zu verhindern. Eine derartige Lösung ist jedoch sehr aufwendig und erfordert eine hohe Komplexität, die auch zu hohen zusätzlichen Kosten führt.
Die Bypass-Diode übernimmt in einem solchen Fall die Leitung des erzeugten Stroms von davor geschalteten Zellen zu danach geschalteter Zellen durch die Bypass-Diode hindurch, wodurch eine Beschädigung einer verschatteten Zelle verhindert wird. Eine Photovoltaik-Anlage oder ein photovoltaisches Element kann somit bei einer zumindest teilweise verschatteten Zelle weiter funktionieren.
US2012/0118368A1 offenbart eine organische photovoltaische Zelle, die eine oder mehrere Dipolbereiche aufweist, um die Effizienz der photovoltaischen Zelle zu erhöhen. Die photovoltaische Zelle umfasst eine Anode und eine Kathode, zwischen der Kathode und der Anode eine photoaktive Schicht mit einem Elektronenakzeptormaterial und einem Elektronendonormaterial, und einen Dipolbereich an der Anode zwischen der photoaktiven Schicht und der Anode, die permanente Dipol-Partikel aufweist und an einer an der Anode angeordneten Löchertransportschicht verbunden ist, so dass der Dipolbereich eine negative Ladung zu der photoaktiven Schicht trägt.
US20150349164A1 offenbart eine integrierte Bypass-Diode in einer Solarzelle, wobei die Bypass-Diode und die Solarzelle unterschiedliche Bereiche nebeneinander auf dem Substrat umfassen und durch Zwischenräume getrennt sind.
WO2017/051889 offenbart eine Solarzelle mit einer Vielzahl an einzelnen Zellen, wobei jede dieser Zellen eine bestimmte Anordnung an Zwischenräumen aufweist, so dass die dadurch erhaltenen Bereiche der Zellen nur eine maximale festgelegte entgegengesetzte Spannung zulassen, wobei eine Anzahl an Bypass-Dioden reduziert werden kann.
EP 1 920 468 B1 offenbart organische photovoltaische Solarzellen mit einer daneben angeordneten Bypass-Diode.
Nachteilig aus dem Stand der Technik ist jedoch, dass sich die Integration einer Bypass-Diode in photovoltaische Zellen bei der Herstellung als aufwändig erwiesen hat. Für die Bypass-Dioden ist eine größere Fläche erforderlich, die keinen Strom mehr produzieren kann, was zu einem größeren Leistungsverlust der photovoltaischen Elemente führt. Des Weiteren sind die bekannten Verfahren insbesondere nicht für ein Rolle-zu-Rolle Verfahren zur Herstellung von photovoltaischen Elementen geeignet.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein photovoltaisches Element, bevorzugt eine Solarzelle, mit einer besseren Effizienz bei zumindest teilweiser Verschattung einzelner Zellen oder Zellbereiche, und einer Erhöhung der Lebensdauer verschatteter Zellen bereitzustellen, wobei die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile nicht auftreten. Es soll insbesondere möglichst wenig aktiver Flächenverlust und nur minimaler Einfluss auf die ursprüngliche Leistung entstehen. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein photovoltaisches Element mit mindestens zwei photovoltaischen Zellen bereitzustellen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten, und wobei insbesondere bei einer zumindest teilweisen Verschattung einer photovoltaischen Zelle das photovoltaische Element nicht beschädigt wird.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein photovoltaisches Element mit mindestens zwei photovoltaischen Zellen bereitgestellt wird, wobei die mindestens zwei photovoltaischen Zellen miteinander in Reihe geschaltet sind, jeweils aufweisend eine Grundelektrode, eine Deckelektrode, und ein Schichtsystem aus Schichten mit mindestens einer photoaktiven Schicht, wobei das Schichtsystem zwischen der Grundelektrode und der Deckelektrode angeordnet ist, und wobei die mindestens eine photovoltaische Zelle unter Beleuchtung eine bestimmte Leerlaufspannung und einen bestimmten Kurzschlussstrom generiert. Das Schichtsystem weist in horizontaler Ausdehnung mindestens einen photoaktiven Bereich und mindestens einen Bypass-Bereich auf, wobei der mindestens eine photoaktive Bereich vollständige Schichten des Schichtsystems aufweist, und wobei der mindestens eine Bypass-Bereich keine Schichten des Schichtsystems oder unvollständige Schichten des Schichtsystems aufweist,
wobei der mindestens eine Bypass-Bereich zumindest weitgehend vertikal in dem Schichtsystem der mindestens einen photovoltaischen Zelle angeordnet ist und zumindest mit der Deckelektrode stoffschlüssig verbunden ist, wobei der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs ein linearer Widerstand oder ein nicht-linearer Widerstand ist, und wobei ab einer bestimmten teilweisen Verschattung mindestens einer photovoltaischen Zelle, wenn die Leerlaufspannung der mindestens einen photovoltaischen Zelle in entgegengesetzter Richtung des generierten Kurzschlussstroms einer vorhergehenden photovoltaischen Zelle angelegt ist, der Widerstand des mindestens einen photoaktiven Bereichs größer ist als der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs, so dass ein elektrischer Strom zumindest weitgehend durch den mindestens einen Bypass-Bereich fließt. Dadurch wird insbesondere verhindert, dass bei einer zumindest teilweisen Verschattung einer photovoltaischen Zelle ein Kurzschluss entsteht. Vorzugsweise generiert die mindestens eine photovoltaische Zelle unter Beleuchtung eine bestimmte Leerlaufspannung und einen bestimmten Kurzschlussstrom in einer Sperrrichtung der photovoltaischen Zelle.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein photovoltaisches Element mit mindestens einer photovoltaischen Zelle, aufweisend eine Grundelektrode, eine Deckelektrode, und ein Schichtsystem, mit mindestens einer photoaktiven Schicht, wobei das Schichtsystem zwischen der Grundelektrode und der Deckelektrode angeordnet ist, bereitgestellt wird, wobei das Schichtsystem mindestens einen Bypass mit einem bestimmten Widerstand aufweist, wobei der Widerstand des mindestens einen Bypasses ein linearer Widerstand oder ein nicht-linearer Widerstand ist, wobei der mindestens eine Bypass in einer Durchlassrichtung zumindest weitgehend vertikal in dem Schichtsystem der mindestens einen photovoltaischen Zelle angeordnet ist und zumindest mit der Deckelektrode stoffschlüssig verbunden ist, wobei die Grundelektrode und die Deckelektrode mittels des mindestens einen Bypasses in Abhängigkeit einer Leitfähigkeit des Schichtsystems miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei bei einer zumindest teilweisen Verschattung und/oder eines Defekts der mindestens einen photovoltaischen Zelle der Widerstand des Schichtsystems größer ist als der Widerstand des Bypasses, so dass ein elektrischer Strom in der Durchlassrichtung zumindest weitgehend durch den mindestens einen Bypass fließt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Bypass-Bereich um einen Bypass.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs oder des mindestens einen Bypasses ein linearer Widerstand.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs oder des mindestens einen Bypasses ein nicht-linearer Widerstand.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der mindestens eine Bypass keinen direkten Kontakt zu der Grundelektrode auf.
Unter einer Durchlassrichtung wird insbesondere eine Richtung verstanden in der der Strom durch ein Element fliest.
Unter einem Bypass-Bereich oder einem Bypass wird insbesondere ein zusätzlicher Bereich oder ein zusätzliches Element in einem Schichtsystem verstanden, durch den eine fließender Strom alternativ zum restlichen Bereich des Schichtsystems, insbesondere dem photoaktiven Bereich, vorübergehend oder auf Dauer fließen oder umgeleitet werden kann.
Unter einer Verschattung wird insbesondere eine zumindest teilweise Verringerung der Lichteinstrahlung auf ein photovoltaisches Element verstanden, wobei insbesondere ein zumindest im Wesentlichen lichtundurchlässiges Objekt seinen Sonnenschatten auf Bestandteile eines photovoltaischen Elements wirft.
Unter einem Defekt wird insbesondere eine Fehlstelle in einem Schichtsystem und/oder einer Elektrode einer photovoltaischen Zelle oder in der elektrisch leitenden Verbindung des Schichtsystems und/oder der Elektrode verstanden.
Unter einem linearen Widerstand wird insbesondere ein Element verstanden, dessen Strom-Spannungs-Kennlinie linear verläuft, insbesondere der Widerstand des Elements konstant bleibt, unabhängig davon wie sich Strom oder Spannung ändern.
Unter einem nicht-linearen Widerstand wird insbesondere ein Element verstanden, dessen Strom-Spannungs-Kennlinie nicht linear verläuft, insbesondere der Widerstand des Elements nicht konstant bleibt, wenn sich der Stromfluss oder die angelegte Spannung ändern.
Unter einem optoelektronischen Bauelement wird insbesondere ein photovoltaisches Element verstanden.
Unter einem photovoltaischen Element wird insbesondere eine photovoltaische Zelle verstanden, insbesondere eine Solarzelle. Das photovoltaische Element ist bevorzugt aus mehreren photovoltaischen Zellen aufgebaut, die in Reihe oder parallel verschaltet sein können. Die mehreren photovoltaischen Zellen können auf unterschiedliche Weise in dem optoelektronischen Bauelement angeordnet und/oder verschaltet sein.
Ein möglicher Aufbau des Schichtsystems einer photovoltaischen Zelle ist in W02004083958A2 , WO2011013219A1 , WO2011138021A2 , und WO2011161108A1 beschrieben. In den hier genannten Anmeldungen werden vorzugsweise Schichtsysteme verwendet, bei denen die photoaktiven Schichten Absorbermaterialien umfassen, die verdampfbar sind und durch Verdampfung (engl. vapor deposition) aufgebracht werden bzw. aufbringbar sind. Dafür werden Materialien verwendet, die zur Gruppe der „kleinen Moleküle“ gehören, die unter anderem in WO2006092134A1 , W02010133208A1 , WO2014206860A1 , WO2014128278A1 , WO2017114937A1 , und WO2017114938A1 beschrieben sind. Die photoaktiven Schichten bilden Akzeptor-Donor-Systeme, und können aus mehreren Einzelschichten, oder aus Mischschichten, als planar-heterojunction, und bevorzugt als bulkheterojunction aufgebaut sein. Bevorzugt werden die Schichtsysteme zumindest teilweise oder komplett durch Verdampfung aufgetragen.
Das Schichtsystem kann als Single-, Tandem- oder Multizelle ausgeführt sein, die Bezeichnung bestimmt sich durch die Anzahl an Subzellen, wobei jede Subzelle mindestens eine photoaktive Schicht enthält, die bevorzugt durch Transportschichten und optionalen Rekombinationsschichten getrennt sind, und selbst aus mehreren Schichten bestehen können. Die Schichtsysteme weisen p-, n- und/oder i-Schichten auf. Die p- oder n-Schichtsysteme, auch nur p- oder n-Schicht bezeichnet, können aus mehreren Schichten bestehen, wobei mindestens eine der Schichten des p- oder n- Schichtsystems p-dotiert oder n-dotiert ist, vorzugsweise als p- oder n-dotierte wide-gap-Schicht. Das i-Schichtsystem, auch als i-Schicht bezeichnet, ist eine undotierte oder gegenüber den p- bzw. n-Schichten in der Subzelle geringer, also schwächer dotiert, und als photoaktive Schicht ausgeführt. Jede dieser n-, p-, i-Schichten kann aus weiteren Schichten bestehen, wobei die n- bzw. p-Schicht aus mindestens einer dotierten n- bzw. p-Schicht besteht, die durch ihre Dotierung zu einer Erhöhung der Ladungsträger beiträgt. Das bedeutet, dass das Schichtsystem der photovoltaischen Zelle aus einer sinnvollen Kombination von p-, n-, und i-Schichtsystemen besteht, d.h. dass jede Subzelle ein i-Schichtsystem und mindestens ein p- oder n-Schichtsystem umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektrode, das Schichtsystem und die Gegenelektrode laserstrukturiert.
Unter einer horizontalen Ausdehnung, insbesondere des Schichtsystems, wird insbesondere eine im Wesentlichen entlang bzw. parallel zu einem Substrat und/oder einer Schicht verlaufende Richtung verstanden.
Unter einer vertikalen Ausdehnung wird insbesondere eine im Wesentlichen orthogonal zu einem Schichtsystem, also zumindest teilweise durch Schichten des Schichtsystems hindurch, von einer Grundelektrode zu einer Deckelektrode des Schichtsystems gesehen, verlaufende Richtung verstanden.
Unter einer Querschnittsfläche wird insbesondere eine Fläche des Querschnitts eines Bypass-Bereichs und/oder eines Bypasses in horizontaler Ausdehnung verstanden, insbesondere die Querschnittsfläche, die der Grundelektrode zugewandt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das photovoltaische Element ein flexibles photovoltaisches Element, insbesondere ein flexibles organisches photovoltaisches Element. Unter einem flexiblen photovoltaischen Element wird insbesondere ein photovoltaisches Element verstanden, dass in einem bestimmten Bereich biegbar und/oder dehnbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das photovoltaische Element eine Zelle mit mindestens einer photoaktiven Schicht auf, insbesondere eine CIS-, CIGS-, GaAs-, oder Si-Zelle, eine Perovskit-Zelle oder ein organisches photovoltaisches Element (OPV), eine sogenannte organische Solarzelle. Unter einem organischen photovoltaischen Element wird insbesondere ein photovoltaisches Element mit mindestens einer organischen photoaktiven Schicht verstanden, insbesondere ein polymeres organisches photovoltaisches Element oder ein organisches photovoltaisches Element auf Basis kleiner Moleküle. Während Polymere sich dadurch auszeichnen, dass diese nicht verdampfbar sind und daher nur aus Lösungen aufgebracht werden können, sind kleine Moleküle meist verdampfbar und können entweder wie Polymere als Lösung aufgebracht werden, aber auch mittels Verdampfungstechnik, insbesondere durch Verdampfen aus dem Vakuum. Insbesondere bevorzugt ist das photovoltaische Element ein flexibles organisches photovoltaisches Element auf Basis kleiner Moleküle.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die photoaktive Schicht des Schichtsystems kleine Moleküle, welche im Vakuum verdampfbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest die photoaktive Schicht des Schichtsystems im Vakuum aufgedampft.
Unter kleinen Molekülen werden insbesondere nicht-polymere organische Moleküle mit monodispersen molaren Massen zwischen 100 und 2000 g/mol verstanden, die unter Normaldruck (Luftdruck der uns umgebenden Atmosphäre) und bei Raumtemperatur in fester Phase vorliegen. Insbesondere sind die kleinen Moleküle photoaktiv, wobei unter photoaktiv verstanden wird, dass die Moleküle unter Lichteintrag ihren Ladungszustand und/oder ihren Polarisierungszustand ändern.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet die Grundelektrode eine Kathode und die Deckelektrode eine Anode. Vorzugsweise sind die Grundelektrode und/oder die Deckelektrode, insbesondere die Grundelektrode, zumindest teilweise transparent.
In einer Bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Grundelektrode auf einem Substrat angeordnet, insbesondere einer Folie.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der mindestens eine Bypass keinen direkten Kontakt zu der Grundelektrode auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Bypass an und/oder in mindestens einer auf der Grundelektrode angeordneten Transportschicht angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Abstand des mindestens einen Bypasses zur Grundelektrode maximal 100 nm, bevorzugt maximal 60 nm, bevorzugt maximal 30 nm, oder bevorzugt maximal 15 nm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Bypass direkt an und/oder in der Grundelektrode angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Bypass-Bereich zumindest teilweise Schichten des Schichtsystems auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Deckelektrode Silber oder eine Silberlegierung, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, Gold oder eine Goldlegierung, oder eine Kombination dieser Materialien, bevorzugt als Silberlegierung Ag:Mg oder Ag:Ca.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt eine Anzahl der Bypass-Bereiche oder der Bypässe in einem Schichtsystem mindestens einer pro cm², bevorzugt einer pro cm², oder bevorzugt mindestens zwei pro cm², und/oder weisen die Bypass-Bereiche oder die Bypässe einen Abstand von mindestens 100 µm voneinander auf, bevorzugt von mindestens 50 µm, oder bevorzugt von mindestens 10 µm. Dadurch werden Interferenzen mit einer an eine photovoltaische Zelle angrenzenden weiteren photovoltaischen Zelle vermieden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt der mindestens eine Bypass-Bereich ein superlineares Strom-Spannungs-Verhalten, wobei sich bevorzugt bei einer Verdopplung der angelegten Spannung der Strom zumindest verdoppelt. Vorzugsweise wird das superlineare Strom-Spannungs-Verhalten durch einen Tunnelprozess, einen Poole-Frenkel-Effekt, thermionische Injektion verbunden mit einem Bildladungseffekt, oder durch einen raumladungsbegrenzten Stromfluss erreicht.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine technische Lösung um die Beschädigung von organischen Solarzellen durch Hot-Spot-Vorfall zu vermeiden.
Das erfindungsgemäße photovoltaische Element weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Vorteilhafterweise wird eine Beschädigung des photovoltaischen Elements, insbesondere durch einen Hot-Sport, verhindert. Vorteilhafterweise wird ein Schutz des photovoltaischen Elements gegen Hot-Spots durch eine Stromumleitung mit kontrollierter Leitfähigkeit ermöglicht. Vorteilhafterweise wird bei zumindest teilweiser Verschattung einer photovoltaischen Zelle, wenn der Stromfluss in der photovoltaischen Zelle abnimmt, ein höherer Stromfluss des photovoltaischen Elements bei gegebener Spannung ermöglicht. Vorteilhafterweise wird die Effizienz bei Verschattung einzelner photovoltaischer Zellen des photovoltaischen Elements erhöht, und damit einhergehend die Lebensdauer des photovoltaischen Elements erhöht. Vorteilhafterweise ist ein Stromfluss durch Anpassen des Querschnitts eines Bypass-Bereichs oder eines Bypasses und/oder durch eine Anzahl an Bypass-Bereichen oder Bypässen pro Fläche des Schichtsystems einstellbar. Vorteilhafterweise wird zur Verbesserung der Effizienz und der Lebensdauer bei zumindest teilweiser Verschattung die optische Oberfläche des photovoltaischen Elements möglichst wenig beeinträchtigt. Vorteilhafterweise sind derartige Bypass-Bereiche oder Bypässe im Schichtsystem kostengünstiger im Vergleich zu Bypass-Dioden. Vorteilhafterweise ist die Herstellung in einen Rolle-zu-Rolle-Prozess integrierbar. Der Bypass-Bereich oder der Bypass zur Stromumleitung lässt sich direkt bei der Herstellung in das Schichtsystem einbauen ohne Anwendung zusätzlicher externe Bauelemente, insbesondere Dioden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Schichtsystem und der mindestens eine Bypass-Bereich zumindest teilweise die gleichen Schichten auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nimmt die Querschnittsfläche des Bypasses von der der Grundelektrode zugewandten Seite des Bypasses zu der der Deckelektrode zugewandten Seite des Bypasses hinzu.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Deckelektrode mindestens einer photovoltaischen Zelle mit der Grundelektrode einer folgenden photovoltaischen Zelle elektrisch leitend verbunden ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das photovoltaische Element mindestens eine erste photovoltaische Zelle und eine zweite photovoltaische Zelle aufweist, wobei die erste photovoltaische Zelle und die zweite photovoltaische Zelle in Reihe geschaltet sind, und wobei die Deckelektrode der ersten photovoltaischen Zelle mit der Grundelektrode der zweiten photovoltaischen Zelle elektrisch leitend verbunden ist. Vorzugsweise hat dabei jede Zelle eine eigene Elektrode und Gegenelektrode.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Bypass-Bereich oder Bypass in einer unterschiedlichen Form ausgebildet ist, insbesondere eine unterschiedliche Querschnittsfläche aufweist, wobei die Querschnittsfläche bevorzugt rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig, linear oder bogenförmig ausgebildet ist, und/oder die Querschnittsfläche des mindestens einen Bypass-Bereichs oder Bypasses 100 µm² bis 10000 µm² beträgt, bevorzugt 800 µm² bis 3000 µm², wobei bevorzugt die Form, insbesondere die Querschnittsfläche, mehrerer Bypass-Bereiche oder Bypässe in einer photovoltaischen Zelle und/oder in verschiedenen photovoltaischen Zellen unterschiedlich ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Querschnittsfläche des Bypass-Bereichs oder des Bypasses, insbesondere eine Kontaktfläche des Bypass-Bereichs oder Bypasses mit der Grundelektrode, in Abhängigkeit einer in der photovoltaischen Zelle zu erwartenden Stromdichte ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt ein Querschnitt des mindestens einen Bypass-Bereichs oder des mindestens einen Bypasses 5 µm bis 300 µm, bevorzugt 10 µm bis 80 µm, oder bevorzugt 20 µm bis 50 µm in horizontaler Richtung des Schichtsystems.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Bypass-Bereich oder der mindestens eine Bypass in einer unterschiedlichen Form ausgebildet ist, insbesondere eine unterschiedliche Querschnittsfläche aufweist, wobei die Querschnittsfläche bevorzugt linear, rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig oder bogenförmig ausgebildet ist, und/oder wobei bevorzugt die Form, insbesondere die Querschnittsfläche, mehrerer Bypass-Bereiche oder Bypässe in einer photovoltaischen Zelle und/oder in verschiedenen photovoltaischen Zellen unterschiedlich ausgebildet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Bypass-Bereich mindestens eine Schicht des Schichtsystems zumindest teilweise aufweist, bevorzugt eine Ladungsträgertransportschicht, wobei die mindestens eine Schicht des Schichtsystems eine Ausdehnung in vertikaler Richtung des Schichtsystems von weniger als 5 nm aufweist, bevorzugt von weniger als 1 nm, bevorzugt von 5 nm bis 80 µm, oder bevorzugt von 1 nm bis 80 µm.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Grundelektrode und dem mindestens einen Bypass mindestens eine Schicht des Schichtsystems angeordnet ist, bevorzugt eine Ladungsträgertransportschicht, wobei der Abstand des Bypasses von der Grundelektrode bevorzugt 5 nm bis 80 µm beträgt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Durchmesser des mindestens einen Bypasses 5 µm bis 300 µm beträgt, bevorzugt 20 µm bis 80 µm, und/oder eine Querschnittsfläche des mindestens einen Bypasses 100 µm² bis 10000 µm² beträgt, bevorzugt 800 µm² bis 3000 µm², insbesondere auf einer der Grundelektrode zugewandten Seite des Bypasses.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Bypass-Bereich im Wesentlichen Materialien aufweist, bevorzugt aus Materialien besteht, aus denen der mindestens eine photoaktive Bereich ausgebildet ist, wobei bevorzugt zumindest ein Material des mindestens einen Bypass-Bereichs im Vergleich zu dem mindestens einen photoaktiven Bereich in einer modifizierten Morphologie vorliegt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Gesamt-Querschnittsfläche aller Bypass-Bereiche in dem Schichtsystem relativ zur Gesamtfläche des Schichtsystems in einem Bereich von 0,1 10^-5 bis 100 10^-3% liegt, bevorzugt von 0,2 10^-5 bis 10 10^-3%, oder bevorzugt von 0,8 10^-5 bis 1,5 10^-3%, wobei das Schichtsystem bevorzugt mindestens einen Bypass-Bereich pro cm² der Gesamtfläche des Schichtsystems aufweist, bevorzugt mindestens zwei Bypass-Bereiche pro cm².
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt der mindestens eine Bypass-Bereich ein asymmetrisches Strom-Spannungs-Verhalten, so dass bei angelegter Spannung in Richtung der Leerlaufspannung ein geringerer Strom als bei gleicher angelegter Spannung in Gegenrichtung der Leerlaufspannung fließt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Flächenanteil einer Gesamt-Querschnittsfläche aller Bypässe in einem Schichtsystem relativ zur Gesamtfläche des Schichtsystems in einem Bereich von 0,1 10^-5 bis 100 10^-\5% liegt, bevorzugt von 0,2 10^-5 bis 10 10^-\5%, oder bevorzugt von 0,8 10^-5 bis 1,5 10^-5%, wobei bevorzugt eine Anzahl der Bypässe in einem Schichtsystem mindestens einer pro cm² beträgt, bevorzugt mindestens zwei pro cm².
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Abstand des mindestens einen Bypass-Bereichs oder des mindestens einen Bypasses zu einem Randbereich des Schichtsystems in horizontaler Ausdehnung des Schichtsystems mindestens 10 µm bis 2000 µm beträgt, bevorzugt 100 µm bis 1000 µm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist beim Anlegen einer Spannung von bis zu 75% der Leerlaufspannung einer photovoltaischen Zelle an eine verschattete photovoltaische Zelle der Widerstand des mindestens einen photoaktiven Bereichs kleiner als der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs, so dass ein elektrischer Strom zumindest weitgehend durch den mindestens einen photoaktiven Bereich fließt, oder der Stromfluss durch den mindestens einen Bypass-Bereich maximal 50%, bevorzugt maximal 10%, des Stromflusses durch den mindestens einen photoaktiven Bereich beträgt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ohne Verschattung mindestens einer photovoltaischen Zelle, wenn die Leerlaufspannung der mindestens einen photovoltaischen Zelle in Richtung des generierten Kurzschlussstroms einer vorhergehenden photovoltaischen Zelle angelegt ist, der Widerstand des mindestens einen photoaktiven Bereichs kleiner ist als der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs, so dass ein Stromfluss zumindest weitgehend durch den mindestens einen photoaktiven Bereich fließt, und/oder ab einer bestimmten teilweisen Verschattung (12) mindestens einer photovoltaischen Zelle, wenn die Leerlaufspannung der mindestens einen photovoltaischen Zelle in entgegengesetzter Richtung des generierten Kurzschlussstroms einer vorhergehenden photovoltaischen Zelle angelegt ist, der Widerstand des mindestens einen photoaktiven Bereichs größer ist als der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs, so dass ein Stromfluss zumindest weitgehend durch den mindestens einen Bypass-Bereich fließt.
Die durch den mindestens einen Bypass-Bereich oder den mindestens einen Bypass entstehenden Verluste können reduziert werden, indem der mindestens eine Bypass-Bereich und/oder der mindestens eine Bypass einen bestimmten Widerstand im Vergleich zum Widerstand des Schichtsystems aufweist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei einer zumindest teilweisen Verschattung und/oder eines Defekts der mindestens einen photovoltaischen Zelle der nicht-lineare Widerstand des mindestens einen Bypasses kleiner ist als der Widerstand des Schichtsystems, so dass ein elektrischer Strom in der Durchlassrichtung zumindest weitgehend durch den mindestens einen Bypass fließt, und ohne eine zumindest teilweise Verschattung und/oder ohne einen Defekt der mindestens einen photovoltaischen Zelle der Widerstand des Schichtsystems kleiner ist als der nicht-lineare Widerstand des Bypasses, so dass ein elektrischer Strom in der Durchlassrichtung zumindest weitgehend durch das Schichtsystem fließt.
Photovoltaische Zellen werden in Abhängigkeit der Anzahl der photoaktiven Schichtsysteme, die durch Transport- und weitere Schichten im Schichtaufbau zwischen den beiden Grund- und Deckkontakten, in Single-, Tandem- oder Mehrfachzellen unterschieden. Tandem- und Mehrfachzellen bestehen aus mindestens zwei Subzellen, die übereinander zwischen den Elektroden angeordnet sind, wobei jede Subzelle mindestens ein photoaktives Schichtsystem umfasst.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schichtsystem mindestens zwei photoaktive Schichten aufweist, wobei die photovoltaische Zelle eine Tandem-Zelle ist, bevorzugt mindestens drei photoaktive Schichten aufweist, wobei die photovoltaische Zelle eine Triple-Zelle ist, und/oder das Schichtsystem zusätzlich mindestens eine Ladungsträgertransportschicht aufweist, wobei die mindestens eine Ladungsträgertransportschicht zwischen der Grundelektrode oder der Deckelektrode und einer photoaktiven Schicht angeordnet ist, bevorzugt mindestens eine erste Ladungsträgertransportschicht und eine zweite Ladungsträgertransportschicht aufweist, wobei die erste Ladungsträgertransportschicht zwischen der Grundelektrode und der mindestens einen photoaktiven Schicht angeordnet ist, und wobei die zweite Ladungsträgertransportschicht zwischen der mindestens einen photoaktiven Schicht und der Deckelektrode angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die photovoltaische Zelle eine Single-, Tandem- oder Mehrfachzelle. Tandem- und Mehrfachzellen bestehen aus mindestens zwei Zellen, die übereinander zwischen den Elektroden angeordnet sind, wobei jede Zelle mindestens eine photoaktive Schicht aufweist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das photovoltaische Element ein organisches photovoltaisches Element ist, bevorzugt ein flexibles organisches photovoltaisches Element, wobei bevorzugt mindestens eine photoaktive Schicht des organischen photovoltaischen Elements kleine Moleküle als Absorbermaterial aufweist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das photovoltaische Element keine Bypass-Diode aufweist. Vorzugsweise weist zudem der mindestens eine Bypass-Bereich oder der mindestens eine Bypass kein Diodenverhalten mit höherem Stromfluss bei angelegter Spannung in einer Sperrrichtung der photovoltaischen Zelle als bei angelegter umgekehrter Spannung des gleichen Betrags auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem mindestens einen Bypass und der Deckelektrode eine weitere elektrisch leitende Schicht angeordnet, wobei sich die Schicht zumindest weitgehend lediglich über die Ausdehnung der Querschnittsfläche des Bypasses erstreckt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Bypass direkt auf der Grundelektrode aufgebracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Bypass-Bereich oder der mindestens eine Bypass einstückig mit der Deckelektrode ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der mindestens eine Bypass-Bereich oder Bypass in einer an eine in Reihe geschalteten nachfolgenden photovoltaischen Zelle angrenzenden Hälfte des Schichtsystems angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt ein Abstand des mindestens einen Bypass-Bereichs oder des mindestens einen Bypasses zu dem Randbereich des Schichtsystems in horizontaler Ausdehnung des Schichtsystems in einer in Reihe nachfolgend geschalteter Zellen mindestens 10 µm bis 2000 µm beträgt, bevorzugt 100 µm bis 1000 µm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt ein Abstand eines ersten Bypass-Bereichs zu einem zweiten Bypass-Bereichs oder eines ersten Bypasses zu einem zweiten Bypass in horizontaler Ausdehnung des Schichtsystems mindestens 10 µm bis 100 µm.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem eine Photovoltaikanlage mit mindestens zwei photovoltaischen Elementen bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für die Photovoltaikanlage insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem photovoltaischen Element mit mindestens einer photovoltaischen Zelle beschrieben wurden. Die mindestens zwei photovoltaischen Elemente sind dabei in Reihe geschaltet. Die photovoltaischen Elemente bestehen dabei bevorzugt aus in Reihe zueinander verschalteter photovoltaischer Zellen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Zelle eines photovoltaischen Elements, mit einer Grundelektrode, einer Deckelektrode, und einem Schichtsystem aus Schichten mit mindestens einer photoaktiven Schicht, wobei das Schichtsystem zwischen der Grundelektrode und der Deckelektrode angeordnet ist, bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für das Verfahren insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem photovoltaischen Element mit mindestens einer photovoltaischen Zelle und in Zusammenhang mit der Photovoltaikanlage beschrieben wurden. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines Substrats mit der darauf angeordneten Grundelektrode, und dem auf der Grundelektrode angeordneten Schichtsystem,
b) Bilden mindestens einer Öffnung mittels Laserablation mit mindestens einem Laserstrahl zumindest weitgehend vertikal in dem Schichtsystem, wobei das Schichtsystem zumindest teilweise abgetragen wird,
c) Aufbringen mindestens eines Materials in und/oder auf die mindestens eine Öffnung des Schichtsystems, und
d) Bilden der Deckelektrode an dem Schichtsystem, wobei mindestens ein photoaktiver Bereich mit einem vollständigen Schichtsystem und mindestens ein Bypass-Bereich mit einem zumindest teilweise abgetragenen Schichtsystem im Bereich der mindestens einen Öffnung ausgebildet werden, so dass ein elektrischer Strom bei einer zumindest teilweisen Verschattung mindestens einer photovoltaischen Zelle zumindest teilweise über den mindestens einen Bypass-Bereich fließt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Elements mit mindestens einer photovoltaischen Zelle, insbesondere eines flexiblen photovoltaischen Elements, bereitgestellt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen eines Substrats mit einer darauf angeordneten Grundelektrode, und einem auf der Grundelektrode angeordneten Schichtsystem, wobei das Schichtsystem mindestens eine photoaktive Schicht aufweist,
b) Bilden mindestens einer Öffnung mittels Laserablation mit mindestens einem Laserstrahl zumindest weitgehend vertikal in dem Schichtsystem, wobei die unter dem Schichtsystem angeordnete Grundelektrode oder eine auf der Grundelektrode angeordnete Ladungsträgertransportschicht zumindest teilweise freigelegt wird,
c) Einbringen eines ersten Materials in die mindestens eine Öffnung des Schichtsystems und/oder das Schichtsystem,
d) Bilden des mindestens einen Bypasses in der mindestens einen Öffnung, wobei die Grundelektrode mit dem mindestens einen Bypass elektrisch leitend verbunden wird, und
e) Aufbringen eines zweiten Materials auf das in Schritt d) erhaltene Schichtsystem mit dem mindestens einen Bypass, wobei die Deckelektrode gebildet und mit dem mindestens einen Bypass elektrisch leitend verbunden wird, so dass ein elektrischer Strom bei einer zumindest teilweisen Verschattung und/oder eines Defekts der mindestens einer photovoltaischen Zelle über den mindestens einen Bypass fließt. Vorzugweise werden das Bilden des mindestens einen Bypasses in Schritt d) und das Bilden der Deckelektrode in Schritt e) gleichzeitig durchgeführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Schichtsystem mittels einer Laserstrukturierung mit der Grundelektrode und/oder der Deckelektrode elektrisch leitend verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden der Grundkontakt und das Schichtsystem, die einzelnen Schichten des Schichtsystems, und/oder das Schichtsystem und die Deckelektrode durch eine geeignete Strukturierung, insbesondere eine Laserstrukturierung, elektrisch leitend verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Schichten mittels eines Druckverfahrens, bevorzugt einem Inkjet-Verfahren, einem Siebdruckverfahren, und/oder einem Flexoprint-Verfahren, und/oder mittels Verdampfung, also einem Aufdampfen der aufzubringenden Materialen, insbesondere im Vakuum, aufgetragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der mindestens eine Bypass-Bereich oder der mindestens eine Bypass in der mindestens einen Öffnung des Schichtsystems mittels Aufdampfen, Elektroplattieren, induktivem Löten und/oder Schmelzen von Lot gebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Lot in die mindestens eine Öffnung eingebracht.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Schritt c) ein erstes Material und ein zweites Material aufgebracht werden, wobei das erste Material in die mindestens eine Öffnung eingebracht und das zweite Material darauf aufgebracht wird, und/oder das mindestens eine Material bevorzugt Aluminium oder eine Aluminium-Legierung, oder Silber oder eine Silber-Legierung aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste Material zum Bilden des mindestens einen Bypass-Bereichs oder des mindestens einen Bypasses und das zweite Material zum Bilden der mindestens einen Deckelektrode gleich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der mindestens eine Bypass mit dem Schichtsystem stoffschlüssig verbunden, insbesondere zu einem Bypass-Bereich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die unter dem Schichtsystem angeordnete Grundelektrode oder eine auf der Grundelektrode angeordnete Schicht des Schichtsystems, bevorzugt eine Ladungsträgertransportschicht, zumindest teilweise freigelegt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Schichten des Schichtsystems, insbesondere Absorberschichten, vollständig mittels Laserablation abgetragen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Schichtsystem bis zu einer auf der Grundelektrode angeordneten C60-Fulleren-Schicht abgetragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Transportschichten des Schichtsystems zumindest teilweise mittels der Laserablation abgetragen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die mindestens eine Öffnung mittels Laserablation derart in dem Schichtsystem gebildet, dass eine elektrisch leitende Kontaktierung eines in der Öffnung gebildeten mindestens einen Bypass-Bereichs oder mindestens einen Bypasses mit der Grundelektrode möglich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Wellenlängenbereich des Lasers bei der Laserablation in Schritt b) 300 nm bis 1200 nm, bevorzugt 400 nm bis 1000 nm, oder bevorzugt 450 nm bis 800 nm.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bilden des mindestens einen Bypasses in Schritt d) und das Aufbringen der Deckelektrode in Schritt e) gleichzeitig durchgeführt wird, wobei bevorzugt das erste Material zum Bilden des mindestens einen Bypasses und das zweite Material zum Bilden der mindestens einen Deckelektrode gleich ist, bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, oder aus Silber oder einer Silber-Legierung gebildet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren in einem Rolle-zu-Rolle Verfahren eingesetzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zur Bildung der mindestens einen Öffnung mittels Laserablation in Schritt b) Parameter, bevorzugt eine Energiedichte, eine Pulsdauer, eine Pulsform, eine Pulsfrequenz und/oder eine Wellenlänge des mindestens einen Laserstrahls, in Abhängigkeit des Materials und der Schichtdicke der mindestens einen Schutzschicht angepasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein kontinuierlicher Laser eingesetzt. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform wird ein gepulster Laser eingesetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Pulsdauer des Lasers in Schritt b) weniger als 60 µs, bevorzugt weniger als 40 µs, bevorzugt weniger als 20 µs, bevorzugt weniger als 10 µs, bevorzugt weniger als 8 µs, bevorzugt weniger als 6 µs, oder bevorzugt weniger als 4 µs.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Energiedichte des mindestens einen Laserstrahls bei der Laserablation in Schritt b) während der Ablation in Abhängigkeit einer Abtragstiefe des Schichtsystems angepasst.
Erfindungsgemäße photovoltaische Zellen weisen also bevorzugt mindestens einen zusätzlichen Bereich zum Stromfluss auf, der durch Laserstrukturierung des Schichtsystems erhalten wird. Der mindestens eine zusätzliche Bereich ist insbesondere mit einem metallischen Material gefüllt. Der mindestens eine zusätzliche Bereich kann in Abhängigkeit der zu fließenden Stromdichte unterschiedlich groß gezeichnet werden, bevorzugt wird aus dem Durchmesser, der Tiefe und dem Ausfüllungsgrad eine gewünschte Leitfähigkeit erhalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Strukturierung während des Aufbringens der Schichten. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Strukturierung nach dem Aufbringen der Schichten.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines photovoltaischen Elements zur Verdeutlichung des Problems bei zumindest teilweise verschatteten Zellen;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines photovoltaischen Elements mit mindestens einen Bypass-Bereich aufweisenden photovoltaischen Zellen in einer Seitenansicht und einer Draufsicht;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Schichtsystems einer photovoltaischen Zelle mit einem Bypass-Bereich in einer Seitenansicht; und
4 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bypass-Bereichs in einem Schichtsystem in einer Draufsicht (4A) und den Abmessungen des Bypass-Bereichs (4B).

Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine schematische Darstellung eines photovoltaischen Elements zur Verdeutlichung des Problems bei zumindest teilweise verschatteten Zellen.
Ein Problem in Reihe geschalteter photovoltaischer Zellen bei zumindest teilweiser Verschattung 12 ist, dass die verschatteten Zellen in Sperrrichtung geschaltete Dioden bezüglich der dazu in Reihe verschalteten, unverschatteten oder schwächer verschatteten Zellen darstellen. Damit behindern sie den Abfluss des photogenerierten Stroms, was sich negativ auf die Effizienz des photovoltaischen Elements auswirkt. Außerdem besteht die Gefahr, dass in den verschatteten Zellen ein konzentrierter Stromfluss (der Stromfluss ist durch Pfeile gekennzeichnet) durch Defektstellen auftreten kann, welcher zur lokalen Überhitzung und schließlich zu irreversibler Degradation der Zellen und damit zu einem Effizienzverlust des photovoltaischen Elements führen kann.
Ein Beispiel einer durch zumindest teilweise Verschattung 12 hervorgerufenen Degradierung einer photovoltaischen Zelle ist in 1 dargestellt. Die zumindest teilweise Verschattung 12 führt dabei zu einer unerwünschten punktuellen Beschädigung der photovoltaischen Zelle.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines photovoltaischen Elements 1 mit mindestens einen Bypass-Bereich 8 aufweisenden photovoltaischen Zellen 2 in einer Seitenansicht und einer Draufsicht. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Photovoltaische Elemente 1, insbesondere organische photovoltaische Elemente 1, bestehen aus einer Folge dünner Schichten mit mindestens einer photoaktiven Schicht 6, welche bevorzugt im Vakuum aufgedampft oder aus einer Lösung prozessiert werden. Die elektrische Anbindung kann durch Metallschichten, transparente leitfähige Oxide und/oder transparente leitfähige Polymere erfolgen. Das Vakuum-Aufdampfen der organischen Schichten ist insbesondere vorteilhaft bei der Herstellung von mehrschichtigen Solarzellen, insbesondere Tandem- oder Triple-Zellen.
Das photovoltaische Element 1 im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist mindestens zwei photovoltaische Zellen 2 auf, wobei die mindestens zwei photovoltaischen Zellen 2 miteinander in Reihe geschaltet sind. Die photovoltaischen Zellen 2 weisen jeweils eine Grundelektrode 3, eine Deckelektrode 4, und ein Schichtsystem 5 aus Schichten mit mindestens einer photoaktiven Schicht 6 auf, wobei das Schichtsystem 5 zwischen der Grundelektrode 3 und der Deckelektrode 4 angeordnet ist, und wobei die mindestens eine photovoltaische Zelle 2 unter Beleuchtung eine bestimmte Leerlaufspannung und einen bestimmten Kurzschlussstrom generiert. Das Schichtsystem 5 weist in horizontaler Ausdehnung mindestens einen photoaktiven Bereich 7 und mindestens einen Bypass-Bereich 8 auf, wobei der mindestens eine photoaktive Bereich 7 vollständige Schichten des Schichtsystems 5 aufweist, und wobei der mindestens eine Bypass-Bereich 8 keine Schichten des Schichtsystems 5 oder unvollständige Schichten des Schichtsystems 5 aufweist, wobei der mindestens eine Bypass-Bereich 8 zumindest weitgehend vertikal in dem Schichtsystem 5 der mindestens einen photovoltaischen Zelle 2 angeordnet ist und zumindest mit der Deckelektrode 4 stoffschlüssig verbunden ist, wobei der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs 8 ein linearer Widerstand oder ein nicht-linearer Widerstand ist, und wobei ab einer bestimmten teilweisen Verschattung 12 mindestens einer photovoltaischen Zelle 2, wenn die Leerlaufspannung der mindestens einen photovoltaischen Zelle 2 in entgegengesetzter Richtung des generierten Kurzschlussstroms einer vorhergehenden photovoltaischen Zelle 2 angelegt ist, der Widerstand des mindestens einen photoaktiven Bereichs 7 größer ist als der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs 8, so dass ein elektrischer Strom zumindest weitgehend durch den mindestens einen Bypass-Bereich 8 fließt.
Dadurch wird eine Beschädigung des photovoltaischen Elements 1, insbesondere durch einen Hot-Sport, verhindert. Vorteilhafterweise wird ein Schutz des photovoltaischen Elements 1 gegen Hot-Spots durch eine Stromumleitung mit kontrollierter Leitfähigkeit ermöglicht. Vorteilhafterweise wird bei zumindest teilweiser Verschattung 12 einer photovoltaischen Zelle 2, wenn der Stromfluss in der photovoltaischen Zelle 2 abnimmt, ein höherer Stromfluss des photovoltaischen Elements 1 bei gegebener Spannung ermöglicht. Vorteilhafterweise wird die Effizienz bei Verschattung 12 einzelner photovoltaischer Zellen 2 des photovoltaischen Elements 1 erhöht, und damit einhergehend auch die Lebensdauer des photovoltaischen Elements 1.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Deckelektrode 4 mindestens einer photovoltaischen Zelle 2 mit der Grundelektrode 3 einer folgenden photovoltaischen Zelle 2 elektrisch leitend verbunden. Vorzugsweise ist jeweils die Deckelektrode 4 einer vorhergehenden photovoltaischen Zelle 2 mit der Grundelektrode 3 einer folgenden photovoltaischen Zelle 2 elektrisch leitend verbunden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens eine Bypass-Bereich 8 in einer unterschiedlichen Form ausgebildet, weist insbesondere eine unterschiedliche Querschnittsfläche 10 auf, wobei die Querschnittsfläche 10 bevorzugt rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig, linear oder bogenförmig ausgebildet ist, und/oder die Querschnittsfläche 10 des mindestens einen Bypass-Bereichs 8 100 µm² bis 10000 µm² beträgt, bevorzugt 800 µm² bis 3000 µm², wobei bevorzugt die Form, insbesondere die Querschnittsfläche 10, mehrerer Bypass-Bereiche 8 in einer photovoltaischen Zelle 2 und/oder in verschiedenen photovoltaischen Zellen 2 unterschiedlich ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der mindestens eine Bypass-Bereich 8 mindestens eine Schicht des Schichtsystems 5 zumindest teilweise auf, bevorzugt eine Ladungsträgertransportschicht 12, wobei die mindestens eine Schicht des Schichtsystems 5 bevorzugt eine Ausdehnung in vertikaler Richtung des Schichtsystems 5 von weniger als 5 nm aufweist, bevorzugt von weniger als 1 nm, bevorzugt von 5 nm bis 80 µm, oder bevorzugt von 1 nm bis 80 µm.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der mindestens eine Bypass-Bereich 8 im Wesentlichen Materialien auf, bevorzugt besteht aus Materialien, aus denen der mindestens eine photoaktive Bereich 7 ausgebildet ist, wobei bevorzugt zumindest ein Material des mindestens einen Bypass-Bereichs 8 im Vergleich zu dem mindestens einen photoaktiven Bereich 7 in einer modifizierten Morphologie vorliegt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt eine Gesamt-Querschnittsfläche aller Bypass-Bereiche 8 in dem Schichtsystem 5 relativ zur Gesamtfläche des Schichtsystems 5 in einem Bereich von 0,1 10^-5 bis 100 10^-3%, bevorzugt von 0, 2 10^-5 bis 10 10^-3%, oder bevorzugt von 0,8 10^-5 bis 1,5 10^-3%, wobei das Schichtsystem 5 bevorzugt mindestens einen Bypass-Bereich 8 pro cm² der Gesamtfläche des Schichtsystems 5 aufweist, bevorzugt mindestens zwei Bypass-Bereiche 8 pro cm².
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt ein Abstand des mindestens einen Bypass-Bereichs 8 zu einem Randbereich des Schichtsystems 5 in horizontaler Ausdehnung des Schichtsystems 5 mindestens 10 µm bis 2000 µm, bevorzugt 100 µm bis 1000 µm.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ohne Verschattung 12 mindestens einer photovoltaischen Zelle 2, wenn die Leerlaufspannung der mindestens einen photovoltaischen Zelle 2 in Richtung des generierten Kurzschlussstroms einer vorhergehenden photovoltaischen Zelle 2 angelegt ist, der Widerstand des mindestens einen photoaktiven Bereichs 7 kleiner als der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs 8, so dass ein Stromfluss zumindest weitgehend durch den mindestens einen photoaktiven Bereich 7 fließt, und/oder ist ab einer bestimmten teilweisen Verschattung 12 mindestens einer photovoltaischen Zelle 2, wenn die Leerlaufspannung der mindestens einen photovoltaischen Zelle 2 in entgegengesetzter Richtung des generierten Kurzschlussstroms einer vorhergehenden photovoltaischen Zelle angelegt ist, der Widerstand des mindestens einen photoaktiven Bereichs 7 größer als der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs 8, so dass ein Stromfluss zumindest weitgehend durch den mindestens einen Bypass-Bereich 8 fließt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Schichtsystem 5 mindestens zwei photoaktive Schichten 6 auf, wobei die photovoltaische Zelle 2 eine Tandem-Zelle ist, bevorzugt mindestens drei photoaktive Schichten 6, wobei die photovoltaische Zelle 2 eine Triple-Zelle ist, und/oder weist das Schichtsystem 5 zusätzlich mindestens eine Ladungsträgertransportschicht 12 auf, wobei die mindestens eine Ladungsträgertransportschicht 12 zwischen der Grundelektrode 3 oder der Deckelektrode 4 und einer photoaktiven Schicht 6 angeordnet ist, bevorzugt mindestens eine erste Ladungsträgertransportschicht 12 und eine zweite Ladungsträgertransportschicht 12 aufweist, wobei die erste Ladungsträgertransportschicht 12 zwischen der Grundelektrode 3 und der mindestens einen photoaktiven Schicht 6 angeordnet ist, und wobei die zweite Ladungsträgertransportschicht 12 zwischen der mindestens einen photoaktiven Schicht 7 und der Deckelektrode 4 angeordnet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das photovoltaische Element 1 ein organisches photovoltaisches Element 1, bevorzugt ein flexibles organisches photovoltaisches Element 1, wobei bevorzugt mindestens eine photoaktive Schicht 6 des organischen photovoltaischen Elements 1 kleine Moleküle als Absorbermaterial aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das photovoltaische Element 1 keine Bypass-Diode auf.
Eine Photovoltaikanlage umfasst mindestens zwei photovoltaische Elemente 1 in einer Reihenschaltung.
Das Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Zelle 2 eines photovoltaischen Elements 1, mit einer Grundelektrode 3, einer Deckelektrode 4, und einem Schichtsystem 5 mit mindestens einer photoaktiven Schicht 6, wobei das Schichtsystem 5 zwischen der Grundelektrode 3 und der Deckelektrode 4 angeordnet ist, umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines Substrats mit der darauf angeordneten Grundelektrode 3, und dem auf der Grundelektrode 3 angeordneten Schichtsystem 5,
b) Bilden mindestens einer Öffnung mittels Laserablation mit mindestens einem Laserstrahl zumindest weitgehend vertikal in dem Schichtsystem 5, wobei das Schichtsystem 5 zumindest teilweise abgetragen wird,
c) Aufbringen mindestens eines Materials in und/oder auf die mindestens eine Öffnung des Schichtsystems 5 und/oder das Schichtsystem 5, und
d) Bilden der Deckelektrode 4 an dem Schichtsystem 5, wobei mindestens ein photoaktiver Bereich 7 mit einem vollständigen Schichtsystem 5 und mindestens ein Bypass-Bereich 8 mit einem zumindest teilweise abgetragenen Schichtsystem 5 im Bereich der mindestens einen Öffnung ausgebildet werden, so dass ein elektrischer Strom bei einer zumindest teilweisen Verschattung 12 mindestens einer photovoltaischen Zelle 2 zumindest teilweise über den mindestens einen Bypass-Bereich 8 fließt. Das Schichtsystem 5 der photovoltaischen Zellen 2 ist bevorzugt mittels Verdampfen im Vakuum aufgebracht. Das Schichtsystem 5 ist bevorzugt mittels einer Laserstrukturierung mit der Grundelektrode 3 und/oder der Deckelektrode 4 elektrisch leitend verbunden.

Vorteilhafterweise ist das Verfahren in einen Rolle-zu-Rolle-Prozess integrierbar.
Das in Schritt a) bereitgestellte Substrat mit der Grundelektrode 3 und dem auf der Grundelektrode 3 angeordneten Schichtsystem 5 kann in einer Ausführungsform folgendermaßen erhalten werden: Nach der Bereitstellung des Substrats wird auf diesem die Grundelektrode 3 jeder photovoltaischen Zelle 2 aufgebracht und strukturiert (P1). Anschließend wird das Schichtsystem 5 auf die Grundelektroden 3 jeder photovoltaischen Zelle 2 aufgebracht. Das Schichtsystem 5 kann als Single-, Tandem- oder Mehrfachzelle aufgebracht werden, bevorzugt durch Verdampfen von kleinen Molekülen. Anschließend erfolgt die Strukturierung des Schichtsystems 5 der photovoltaischen Zellen 2 (P2), worauf anschließend das Aufbringen der Deckelektrode 4 und die abschließende Strukturierung (P3) erfolgt. Das Aufbringen der Schichten auf einen Bereich der Grundelektrode 3 zum Bilden des Schichtsystems 5 kann zumindest teilweise durch einen Druckprozess, bevorzugt durch einen Injket-, Siebdruck-, Gravuredruck- oder Flexoprintprozess, oder durch Verdampfung der aufzubringenden Materialien, erfolgen. Die Strukturierung der einzelnen Schichten der photovoltaischen Zellen 2 kann beispielsweise mittels Laserablation, Elektronen- oder Ionenstrahlablation, oder Schattenmasken erfolgen.
Eine mögliche Laserstrukturierung der photovoltaischen Zellen 2 ist in 2 gezeigt. Es sind die Strukturierungen P1 / P2 / P3 dargestellt. In dieser Darstellung ist der Bypass-Bereich 8 jeweils vertikal in dem Schichtsystem 5 angeordnet. Der Stromfluss ist durch die Pfeile gekennzeichnet. Der photogenerierte Strom fließt in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere über die Deckelektrode 4 der verschatteten photovoltaischen Zelle 2 über den Bypass-Bereich 8 und kann dort über die zusätzlichen P2 Strukturierung in die Grundelektrode 3 hineinfließen. Der Bypass-Bereich 8 weist bei Verschattung 12 einen im Vergleich zum photoaktiven Bereich 7 des Schichtsystems 5 verringerten Widerstand auf. In einem Ausführungsbeispiel werden für die Strukturierungen P1 / P2 / P3 mittels eines Lasers folgende Parameter verwendet: PI: 1030 nm Wellenlänge und 50 µm Linienbreite; P2: 515 nm Wellenlänge und 50 µm Linienbreite, und P3: 1030 nm Wellenlänge und 80 µm Linienbreite.
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden in Schritt c) ein erstes Material und ein zweites Material aufgebracht, wobei das erste Material in die mindestens eine Öffnung eingebracht und das zweite Material darauf aufgebracht wird, und/oder das mindestens eine Material bevorzugt Aluminium oder eine Aluminium-Legierung, oder Silber oder eine Silber-Legierung aufweist.
Das Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Elements 1 mit mindestens einer photovoltaischen Zelle 2, insbesondere eines flexiblen photovoltaischen Elements 1, umfasst in einer weiteren Ausführungsform die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Substrats mit einer darauf angeordneten Grundelektrode 3, und einem auf der Grundelektrode 3 angeordneten Schichtsystem 5, wobei das Schichtsystem 5 mindestens eine photoaktive Schicht 6 aufweist, b) Bilden mindestens einer Öffnung mittels Laserablation mit mindestens einem Laserstrahl zumindest weitgehend vertikal in dem Schichtsystem 5, wobei die unter dem Schichtsystem 5 angeordnete Grundelektrode 3 oder eine auf der Grundelektrode 3 angeordnete Ladungsträgertransportschicht 12 zumindest teilweise freigelegt wird, c) Einbringen eines ersten Materials in die mindestens eine Öffnung des Schichtsystems 5, d) Bilden des mindestens einen Bypasses 9 in der mindestens einen Öffnung, wobei die Grundelektrode 3 mit dem mindestens einen Bypass 9 elektrisch leitend verbunden wird, und e) Aufbringen eines zweiten Materials auf das in Schritt d) erhaltene Schichtsystem 5 mit dem mindestens einen Bypass 9, wobei die Deckelektrode 4 gebildet und mit dem mindestens einen Bypass 9 elektrisch leitend verbunden wird, so dass ein elektrischer Strom bei einer zumindest teilweisen Verschattung 12 und/oder eines Defekts der mindestens einer photovoltaischen Zelle 2 über den mindestens einen Bypass 9 fließt.
In einem Ausführungsbeispiel werden bei der Laserablation in Schritt b) folgende Parameter verwendet: eine Lasergeschwindigkeit von 4µJ - 385 mm/s, und eine Energie jedes Laserpulses von 25 kHz (25 Pulse pro Sekunde).
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Bilden des mindestens einen Bypasses 9 in Schritt d) und das Aufbringen der Deckelektrode 4 in Schritt e) gleichzeitig durchgeführt, wobei bevorzugt das erste Material zum Bilden des mindestens einen Bypasses 9 und das zweite Material zum Bilden der mindestens einen Deckelektrode 4 gleich ist, bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, oder aus Silber oder einer Silber-Legierung gebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren in einem Rolle-zu-Rolle Verfahren eingesetzt.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Schichtsystems 5 einer photovoltaischen Zelle 2 mit einem Bypass-Bereich 8 in einer Seitenansicht. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Der Bypass-Bereich 9, insbesondere ein Bypass 9, ist in dem Schichtsystem 5 der photovoltaischen Zelle 2 angeordnet. Das Schichtsystem 5 ist zwischen der Grundelektrode 3 und der Deckelektrode 4 angeordnet und weist ausgehend von der Grundelektrode 4 in diesem Ausführungsbeispiel folgende Schichten auf:

eine erste Transportschicht 12, eine Absorberschicht 6, Schichten eines Zwischenkontakts, mit zumindest einer Transportschicht 13, eine Absorberschicht 6, eine zweite Transportschicht 14.

Alternativ kann jeweils zwischen der Grundelektrode 3 und der Transportschicht 12 und zwischen der Deckelektrode 4 und der Transportschicht 14 eine Kontaktschicht angeordnet sein. Das hier dargestellte Schichtsystem 5 ist das Schichtsystem 5 einer beispielhaften Tandem-Zelle. Es kann allerdings auch ein Schichtsystem 5 einer Single-Zelle oder einer Triple-Zelle eingesetzt werden.
4 zeigt eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bypass-Bereichs 8 in einem Schichtsystem 5 in einer Draufsicht (4A) und den Abmessungen des Bypass-Bereichs 8 (4B).
Eine elektronenmikroskopische Aufnahme des Bypass-Bereichs 8 in dem Schichtsystem 5 in einem Ausführungsbeispiel ist in 4A, links, dargestellt, die experimentell bestimmten Abmessungen des Bypass-Bereichs 8, insbesondere eines als Bypass 9 ausgebildeten Bypass-Bereichs 8, sind in 4B, rechts, dargestellt.
Der Bypass-Bereich 8 in diesem Ausführungsbeispiel weist eine horizontale Ausdehnung im Schichtsystem 5 mit einem Durchmesser von ca. 37 µm im Querschnitt 10 des Bypass-Bereichs 8 auf. Im Bypass-Bereich 8 wurden ca. 180 nm des Schichtsystems 5 auf einer einer zu bildenden Deckelektrode 4 zugewandten Seite abgetragen, wobei das restliche Schichtsystem 5 unter dem abgetragenen Bereich Teil des Bypass-Bereichs 8 ist. Dadurch ragt eine Öffnung ca. 180 nm in das Schichtsystem 5 hinein. Die durch das abgetragene Schichtsystem 5 gebildete Öffnung des Schichtsystems 5 ist zum Bilden des Bypass-Bereichs 8 zumindest teilweise mit einem leitfähigen ersten Material gefüllt, wobei insbesondere das erste Material selbst oder eine stoffschlüssige Verbindung mit einem darauf angeordneten zweiten Material die Deckelektrode 4 bildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2012/0118368 A1 [0004]
US 20150349164 A1 [0005]
WO 2017/051889 [0006]
EP 1920468 B1 [0007]
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WO 2011161108 A1 [0025]
WO 2006092134 A1 [0025]
WO 2010133208 A1 [0025]
WO 2014206860 A1 [0025]
WO 2014128278 A1 [0025]
WO 2017114937 A1 [0025]
WO 2017114938 A1 [0025]

Claims

Photovoltaisches Element (1) mit mindestens zwei photovoltaischen Zellen (2), wobei die mindestens zwei photovoltaischen Zellen (2) miteinander in Reihe geschaltet sind, jeweils aufweisend eine Grundelektrode (3), eine Deckelektrode (4), und ein Schichtsystem (5) aus Schichten, mit mindestens einer photoaktiven Schicht (6), wobei das Schichtsystem (5) zwischen der Grundelektrode (3) und der Deckelektrode (4) angeordnet ist, und wobei die mindestens eine photovoltaische Zelle (2) unter Beleuchtung eine bestimmte Leerlaufspannung und einen bestimmten Kurzschlussstrom generiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (5) in horizontaler Ausdehnung mindestens einen photoaktiven Bereich (7) und mindestens einen Bypass-Bereich (8) aufweist, wobei der mindestens eine photoaktive Bereich (7) vollständige Schichten des Schichtsystems (5) aufweist, und wobei der mindestens eine Bypass-Bereich (8) keine Schichten des Schichtsystems (5) oder unvollständige Schichten des Schichtsystems (5) aufweist, wobei der mindestens eine Bypass-Bereich (8) zumindest weitgehend vertikal in dem Schichtsystem (5) der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) angeordnet ist und zumindest mit der Deckelektrode (4) stoffschlüssig verbunden ist, wobei der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs (8) ein linearer Widerstand oder ein nicht-linearer Widerstand ist, und wobei ab einer bestimmten teilweisen Verschattung (12) mindestens einer photovoltaischen Zelle (2), wenn die Leerlaufspannung der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) in entgegengesetzter Richtung des generierten Kurzschlussstroms einer vorhergehenden photovoltaischen Zelle (2) angelegt ist, der Widerstand des mindestens einen photoaktiven Bereichs (7) größer ist als der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs (8), so dass ein elektrischer Strom zumindest weitgehend durch den mindestens einen Bypass-Bereich (8) fließt.
Photovoltaisches Element (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelektrode (4) mindestens einer photovoltaischen Zelle (2) mit der Grundelektrode (3) einer folgenden photovoltaischen Zelle (2) elektrisch leitend verbunden ist.
Photovoltaisches Element (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bypass-Bereich (8) in einer unterschiedlichen Form ausgebildet ist, insbesondere eine unterschiedliche Querschnittsfläche (10) aufweist, wobei die Querschnittsfläche (10) bevorzugt rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig, linear oder bogenförmig ausgebildet ist, und/oder die Querschnittsfläche (10) des mindestens einen Bypass-Bereichs (8) 100 µm² bis 10000 µm² beträgt, bevorzugt 800 µm² bis 3000 µm², wobei bevorzugt die Form, insbesondere die Querschnittsfläche (10), mehrerer Bypass-Bereiche (8) in einer photovoltaischen Zelle (2) und/oder in verschiedenen photovoltaischen Zellen (2) unterschiedlich ausgebildet ist.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bypass-Bereich (8) mindestens eine Schicht des Schichtsystems (5) zumindest teilweise aufweist, bevorzugt eine Ladungsträgertransportschicht (12), wobei die mindestens eine Schicht des Schichtsystems (5) eine Ausdehnung in vertikaler Richtung des Schichtsystems (5) von weniger als 5 nm aufweist, bevorzugt von weniger als 1 nm, bevorzugt von 5 nm bis 80 µm, oder bevorzugt von 1 nm bis 80 µm.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bypass-Bereich (8) im Wesentlichen Materialien aufweist, bevorzugt aus Materialien besteht, aus denen der mindestens eine photoaktive Bereich (7) ausgebildet ist, wobei bevorzugt zumindest ein Material des mindestens einen Bypass-Bereichs (8) im Vergleich zu dem mindestens einen photoaktiven Bereich (7) in einer modifizierten Morphologie vorliegt.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamt-Querschnittsfläche aller Bypass-Bereiche (8) in dem Schichtsystem (5) relativ zur Gesamtfläche des Schichtsystems (5) in einem Bereich von 0,1 10^-5 bis 100 10^-3% liegt, bevorzugt von 0,2 10^-5 bis 10 10^-3%, oder bevorzugt von 0,8 10^-5 bis 1,5 10^-3%, wobei das Schichtsystem (5) bevorzugt mindestens einen Bypass-Bereich (8) pro cm² der Gesamtfläche des Schichtsystems (5) aufweist, bevorzugt mindestens zwei Bypass-Bereiche (8) pro cm².
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand des mindestens einen Bypass-Bereichs (8) zu einem Randbereich des Schichtsystems (5) in horizontaler Ausdehnung des Schichtsystems (5) mindestens 10 µm bis 2000 µm beträgt, bevorzugt 100 µm bis 1000 µm.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ohne Verschattung (12) mindestens einer photovoltaischen Zelle (2), wenn die Leerlaufspannung der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) in Richtung des generierten Kurzschlussstroms einer vorhergehenden photovoltaischen Zelle (2) angelegt ist, der Widerstand des mindestens einen photoaktiven Bereichs (7) kleiner ist als der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs (8), so dass ein Stromfluss zumindest weitgehend durch den mindestens einen photoaktiven Bereich (7) fließt, und/oder ab einer bestimmten teilweisen Verschattung (12) mindestens einer photovoltaischen Zelle (2), wenn die Leerlaufspannung der mindestens einen photovoltaischen Zelle (2) in entgegengesetzter Richtung des generierten Kurzschlussstroms einer vorhergehenden photovoltaischen Zelle angelegt ist, der Widerstand des mindestens einen photoaktiven Bereichs (7) größer ist als der Widerstand des mindestens einen Bypass-Bereichs (8), so dass ein Stromfluss zumindest weitgehend durch den mindestens einen Bypass-Bereich (8) fließt.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (5) mindestens zwei photoaktive Schichten (6) aufweist, wobei die photovoltaische Zelle (2) eine Tandem-Zelle ist, bevorzugt mindestens drei photoaktive Schichten (6) aufweist, wobei die photovoltaische Zelle (2) eine Triple-Zelle ist, und/oder das Schichtsystem (5) zusätzlich mindestens eine Ladungsträgertransportschicht (12) aufweist, wobei die mindestens eine Ladungsträgertransportschicht (12) zwischen der Grundelektrode (3) oder der Deckelektrode (4) und einer photoaktiven Schicht (6) angeordnet ist, bevorzugt mindestens eine erste Ladungsträgertransportschicht (12) und eine zweite Ladungsträgertransportschicht (12) aufweist, wobei die erste Ladungsträgertransportschicht (12) zwischen der Grundelektrode (3) und der mindestens einen photoaktiven Schicht (6) angeordnet ist, und wobei die zweite Ladungsträgertransportschicht (12) zwischen der mindestens einen photoaktiven Schicht (6) und der Deckelektrode (4) angeordnet ist.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Element (1) ein organisches photovoltaisches Element (1) ist, bevorzugt ein flexibles organisches photovoltaisches Element (1), wobei bevorzugt mindestens eine photoaktive Schicht (6) des organischen photovoltaischen Elements (1) kleine Moleküle als Absorbermaterial aufweist.
Photovoltaisches Element (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das photovoltaische Element (1) keine Bypass-Diode aufweist.
Photovoltaikanlage, mit mindestens zwei photovoltaischen Elementen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die mindestens zwei photovoltaischen Elemente (1) in Reihe geschaltet sind.
Verfahren zum Herstellen einer photovoltaischen Zelle (2) eines photovoltaischen Elements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer Grundelektrode (3), einer Deckelektrode (4), und einem Schichtsystem (5) mit mindestens einer photoaktiven Schicht (6), wobei das Schichtsystem (5) zwischen der Grundelektrode (3) und der Deckelektrode (4) angeordnet ist, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Substrats mit der darauf angeordneten Grundelektrode (3), und dem auf der Grundelektrode (3) angeordneten Schichtsystem (5), b) Bilden mindestens einer Öffnung mittels Laserablation mit mindestens einem Laserstrahl zumindest weitgehend vertikal in dem Schichtsystem (5), wobei das Schichtsystem (5) zumindest teilweise abgetragen wird, c) Aufbringen mindestens eines Materials in und/oder auf die mindestens eine Öffnung des Schichtsystems (5) und/oder das Schichtsystem (5), und d) Bilden der Deckelektrode (4) an dem Schichtsystem (5), wobei mindestens ein photoaktiver Bereich (7) mit einem vollständigen Schichtsystem (5) und mindestens ein Bypass-Bereich (8) mit einem zumindest teilweise abgetragenen Schichtsystem (5) im Bereich der mindestens einen Öffnung ausgebildet werden, so dass ein elektrischer Strom bei einer zumindest teilweisen Verschattung (12) mindestens einer photovoltaischen Zelle (2) zumindest teilweise über den mindestens einen Bypass-Bereich (8) fließt.
Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Elements (1) nach Anspruch 13, wobei in Schritt c) ein erstes Material und ein zweites Material aufgebracht werden, wobei das erste Material in die mindestens eine Öffnung eingebracht und das zweite Material darauf aufgebracht wird, und/oder das mindestens eine Material Aluminium oder eine Aluminium-Legierung, oder Silber oder eine Silber-Legierung aufweist.
Verfahren zum Herstellen eines photovoltaischen Elements (1) nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Verfahren in einem Rolle-zu-Rolle Verfahren eingesetzt wird.