DE102020135145A1

DE102020135145A1 - Solarzellenmodul und photovoltaische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102020135145A1
Application number: DE102020135145.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Uhrich
Original assignee: Heliatek GmbH
Current assignee: Heliatek GmbH
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2022-06-30

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Solarzellenmodul (151), aufweisend: eine oder mehr als eine Solarzelle, wovon jede Solarzelle aufweist: einen Schichtstapel (331), der eine erste Transportschicht (606a), eine zweite Transportschicht (606b) und zwischen diesen eine photoaktive Schicht (604) aufweist; zwei Elektrodenschichten (608a, 608b), zwischen denen der Schichtstapel (331) angeordnet ist; wobei der Schichtstapel (331) eingerichtet ist, bei Beleuchtung eine zwischen den zwei Elektrodenschichten anliegende Ausgabespannung (608a, 608b) zu erzeugen; wobei der Schichtstapel (331) ferner derart eingerichtet ist, dass im unbeleuchteten Fall ein Stromfluss in Sperrrichtung durch den Schichtstapel (331) hindurch im Wesentlichen räumlich homogen verteilt ist;wobei der Stromfluss in Sperrrichtung durch den Schichtstapel im unbeleuchteten Fall hindurch bei einer angelegten Spannung in Sperrrichtung im Bereich von der dreifachen Leerlaufspannung (3·UL) bis zu der zehnfachen Leerlaufspannung (10·UL) größer ist als der Kurzschlussstrom der Solarzelle.

Description

Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen ein Solarzellenmodul und eine photovoltaische Vorrichtung.
Solarzellenmodule (z.B. Dünnschichtsolarzellenmodule) können mehrere (z.B. streifenförmige) Solarzellen aufweisen, die in Serie miteinander verschaltet sind. Im Fall einer Teilverschattung des Solarzellenmoduls kann in einem Abschnitt des Solarzellenmoduls (dem beleuchteten Abschnitt des Solarzellenmoduls, z.B. den beleuchteten Streifen/Solarzellen) elektrische Leistung produziert werden, die durch den verschatteten Abschnitt des Solarzellenmoduls nicht ungehindert zu den Kontakten transportiert werden kann. Dies führt einerseits zu einem Leistungsverlust bei Teilverschattung und andererseits zu einer Belastung des verschatteten Abschnitts und im ungünstigsten Fall der Bildung sogenannter „Hotspots“, durch die die Leistung des beleuchteten Abschnitts zum Teil abfließen kann. Diese Hotspots können irreversible Schädigungen des Solarzellenmoduls nach sich ziehen, die zu einer langfristigen Leistungsminderung führen.
Herkömmlich werden zusätzliche Schutzbauelemente (z.B. Dioden) außerhalb der Solarzellen angeordnet, welche die elektrische Leistung vermitteln. Dabei handelt es sich immer um eine Anlagerung des Schutzbauelements an die eigentliche Solarzelle, was eine kompliziertere Herstellung, größere Fehleranfälligkeit und größere Kosten nach sich zieht. Beispielsweise wird pro Solarzelle eines dieser Schutzbauelemente nachträglich auf die Solarzelle gedruckt oder es werden Teile der Solarzellen thermisch geschädigt, so dass deren Sperrwirkung an den geschädigten Stellen zusammenbricht. Alternativ wird das Solarzellenmodul feingliedrig segmentiert zur Verminderung der lokal auftretenden Leistungsbelastungen. In jedem Fall sind diese Schutzmaßnahmen nicht an der photovoltaischen Leistungserzeugung und dem dazu nötigen Stromtransport beteiligt. Diese herkömmlichen Schutzmaßnahmen sind teilweise schwer auf industriellem Maßstab umzusetzen oder nicht für alle möglichen Geometrien/Typen der Solarzellenmodule anwendbar. Ferner wird aufgrund der zusätzlichen Schutzbauelemente die Fläche, die der photovoltaischen Leistungserzeugung zur Verfügung steht, verringert (auch als Flächenverlust bezeichnet).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen werden ein Solarzellenmodul und eine photovoltaische Vorrichtung bereitgestellt, welche besser umsetzbar sind, weniger Flächenverlust bewirken, besser zu reproduzieren sind, und weniger Leistungsverlust nach sich ziehen. Beispielsweise benötigen das Solarzellenmodul und die photovoltaische Vorrichtung weniger Prozessschritte und sind für eine größere Vielfalt an Geometrien/Typen von Solarzellenmodulen anwendbar. Anschaulich werden chemisch und/oder elektrisch homogene Schichten eines Schichtstapels derart bereitgestellt, dass oberhalb einer Grenzspannung ein Stromfluss in Sperrrichtung durch den Schichtstapel hindurch erfolgen kann. Dies erreicht, dass keine externe Bypassdiode benötigt wird, die an das Solarzellenmodul angelagert sein muss, sondern der Schichtstapel des Solarzellenmoduls weist anschaulich eine integrierte Überbrückung (z.B. Bypassdiode) auf, welche über die gesamte Solarzellenfläche homogen verteilt ist. Genauer gesagt, wird die Schichtfolge, die Schichtdicke und/oder die Dotierung einer oder mehr als einer Schicht des Schichtstapels derart bereitgestellt, dass im Verschattungsfall dennoch ein Strom durch den Schichtstapel fließt, ohne dass die Leistung im Beleuchtungsfall signifikant beeinträchtigt ist. Da es sich bei einer Solarzelle um ein großflächiges Bauelement handelt kann die gesamte Fläche der Solarzelle dementsprechend ausgeführt sein oder ggf. nur Teilflächen der Solarzelle.
Es zeigen

1 ein Solarzellenmodul gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht;
2 ein Solarzellenmodul gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht;
3 ein Solarzellenmodul gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht;
4 die Funktionsweise einer Solarzelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Diagramm;
5 die Funktionsweise einer Solarzelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Diagramm;
6 verschiedene Spannung-Stromstärke-Kennlinien gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Diagramm;
7A bis 7C jeweils eine Solarzelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Aufbaudiagramm;
8A bis 8C jeweils eine Solarzelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Aufbaudiagramm;
9A bis 9C jeweils eine Solarzelle verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Aufbaudiagramm;
10 eine Solarzelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen in einem schematischen Aufbaudiagramm und einem Ersatzschaltbild.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
1 veranschaulicht ein Solarzellenmodul 151 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 100 in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht. Das Solarzellenmodul 151 weist eine oder mehr als eine Solarzelle 155 auf, wovon jede Solarzelle 155 einen Schichtstapel 331 und zwei Elektrodenschichten 608a, 608b aufweist, zwischen denen der Schichtstapel 331 angeordnet ist. Der Schichtstapel 331 weist eine erste Transportschicht 606a, eine zweite Transportschicht 606b und zwischen diesen eine photoaktive Schicht 604 auf.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist der Schichtstapel 331 derart eingerichtet, dass ein Stromfluss 181 in Sperrrichtung (im Fall des sogenannten Umkehrbetriebs), der mittels Schichtstapels 331 zwischen den zwei Elektrodenschichten 608a, 608b vermittelt wird, durch den Schichtstapel 331 hindurch im Wesentlichen räumlich homogen verteilt ist. Beispielsweise kann die räumliche Verteilung des Stromflusses in Sperrrichtung (dessen Stromstärke bzw. dessen Stromdichte) in der ersten Transportschicht 606a einen Mittelwert aufweisen und weniger als ungefähr 25% (oder 10% oder 5%) um den Mittelwert schwanken. Beispielsweise kann die räumliche Verteilung des Stromflusses in Sperrrichtung (dessen Stromstärke bzw. dessen Stromdichte) in der zweiten Transportschicht 606b einen Mittelwert aufweisen und weniger als ungefähr 25% (oder 10% oder 5%) um den Mittelwert schwanken.
Dies wird durch einen geeigneten Schichtaufbau und/oder geeignete Materialien des Schichtstapels 331 erreicht, z.B. ohne zusätzliche Bauelemente, z.B. ohne eine Bypassdiode, neben oder in der Solarzelle zu benötigen. Ein Beispiel für ein zusätzliches Bauelement in der Solarzelle 1500 kann einen Bereich des Schichtstapels 331 aufweisen, an denen die elektrische Leitfähigkeit, optische Lichtdurchlässigkeit und/oder die chemische Zusammensetzung des Schichtstapels 331 lokal verändert ist, z.B. derart, dass diese von deren Umgebung innerhalb des Schichtstapels 331 abweichen. Solche zusätzlichen Bauelemente lassen sich beispielsweise bei genauerer Betrachtung der Solarzelle leicht identifizieren.
Die Richtungen 101, 103 sind anschaulich laterale Richtungen, welche die Stromdurchfluss-Fläche aufspannen, wobei der Strom im Wesentlichen quer zu den lateralen Richtungen 101, 103 fließt (entlang der Dickenrichtung 105).
Die besondere Ausgestaltung des Schichtstapels 331 wird nachfolgend genauer erläutert, wobei zunächst genauer auf die Funktionsweise der Solarzelle eingegangen wird, insbesondere für den Fall, wenn zumindest eine Solarzelle 155 verschattet ist.
2 veranschaulicht das Solarzellenmodul 151 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 200 in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, welche zwei in Reihe geschaltete Solarzellen 155 aufweist, die an einen Verbraucher 202 angeschlossen sind und von denen eine Solarzelle 155 aktiv und eine Solarzelle 155 inaktiv ist. Das hierin für die inaktive Solarzelle 155 kann in Analogie gelten für den Fall, dass die Solarzelle 155 nur teilverschattet ist.
Werden beide Solarzellen 155 bestrahlt (nicht dargestellt), erzeugt das Solarzellenmodul 151 eine Spannung U_G (auch als Gesamtspannung bezeichnet), welche dem Doppelten der Ausgabespannung U_A entspricht. Die Gesamtspannung U_G bewirkt einen Stromfluss mit der Stromstärke I durch den Verbraucher 202 hindurch, so dass diesem eine elektrische Leistung von P= I·U_G zugeführt wird. Verallgemeinert auf N Solarzellen pro Solarzellenmodul 151 ist die Gesamtspannung U_G=N·U_A.
Im Betrieb ist die sich einstellende Stromstärke I eine Funktion des Innenwiderstands des Solarzellenmoduls 151, des Innenwiderstands des Verbrauchers 202 und der sich einstellenden Gesamtspannung U_G (dann als Arbeitsspannung bezeichnet).
Werden beide Solarzellen 155 unterschiedlich bestrahlt, z.B. zumindest eine Solarzelle 155 zumindest teilverschattet (z.B. im sogenannten unbeleuchteten Fall), kann der Fall auftreten, dass eine Solarzelle 155 aktiv und eine Solarzelle 155 inaktiv ist. In dem Fall liegt die Ausgabespannung U_A der aktiven Solarzelle 155 als Umkehrbetriebsspannung an der inaktiven Solarzelle 155 an, was somit im Umkehrbetrieb ist und keinen Stromfluss vermittelt (z.B. durchlässt). Im Resultat ist die dem Verbraucher 202 zugeführte Leistung im Wesentlichen null.
Die hierin bereitgestellte Solarzelle 155 (z.B. die besondere Ausgestaltung des Schichtstapels 331) implementiert einen Bypass 302 (anschaulich eine Überbrückung), optional mit gleichrichtendem Charakter, was hier symbolisch mittels des Schaltzeichens einer parallel geschalteten Diode (auch als Bypassdiode bezeichnet) repräsentiert ist. Anschaulich bewirkt der Bypass 302, dass die Solarzelle 155 im Umkehrbetrieb stromdurchlässig (z.B. elektrisch leitfähig) ist. Beispielsweise fällt über dem Bypass 302 die Schleusenspannung U_D (auch als Durchlassspannung bezeichnet) der Bypassdiode ab, beispielsweise mit 0<U_D<U_G, so dass U_G>0 ist. Im Resultat ist die dem Verbraucher 202 zugeführte Leistung größer als null.
Verallgemeinert auf N Solarzellen pro Solarzellenmodul 151 ist die Gesamtspannung beispielsweise U_G = (N-N_v) ·U_A - N_v·U_D, wobei N_v die Anzahl der inaktiven Solarzellen ist (1≤N_v≤N), und 0≤U_D<U_G ist. Beispielsweise kann 1 V≤U_D≤5 V (Volt) sein.
Der gleichrichtende Charakter kann aufweisen, dass der Bypass 302 den Stromfluss im Umkehrbetrieb (d.h. Stromfluss in Sperrrichtung) passieren lässt und im Vorwärtsbetrieb den Stromfluss sperrt. Dies hemmt, dass das Solarzellenmodul kurzgeschlossen wird. Hierin und im Folgenden wird auf verschiedene exemplarische Implementierungen des Bypasses 302 Bezug genommen, wobei hinsichtlich des gleichrichtenden Charakters auf die leicht zu verstehende Bypassdiode Bezug genommen wird. Es kann verstanden werden, dass der Bypass 302 nicht notwendigerweise eine Bypassdiode bzw. den gleichrichtenden Charakter aufweisen muss, dies aber grundsätzlich kann.
Der gemäß verschiedenen Ausführungsformen bereitgestellte räumlich homogen verteilte Stromfluss in Sperrrichtung durch den Schichtstapel 311 hindurch erreicht, dass die dissipative Umwandlung von elektrischer Leistung in Wärmeleistung räumlich im Wesentlichen homogen über den Schichtstapel (z.B. über eine oder mehr als eine der Transportschichten 608a, 608b) verteilt ist, und/oder im Umkehrbetrieb (d.h. bei Stromfluss in Sperrrichtung) und im Vorwärtsbetrieb (z.B. bei Erzeugung von Energie mittels der Solarzelle 155) im Wesentlichen räumlich gleich verteilt ist. Dies bewirkt, dass kaum oder keine lokal wärmeren Stellen (Hotspots) entstehen. Dies schont die Solarzelle und lässt sich beispielsweise mittels einer thermografischen Messung der Solarzelle im Umkehrbetrieb und/oder im Vorwärtsbetrieb nachvollziehen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Messung der Kennlinie mit/ohne Bypass 302 und/oder eine Analyse des Schichtaufbaus der Solarzelle erfolgen.
Der Bypass 302 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen flächenförmig und/oder zusammenhängend sein, z.B. eine Querschnittsfläche aufweisend, die größer ist als ungefähr 50% einer Querschnittsfläche des Schichtstapels, z.B. als ungefähr 75% der Querschnittsfläche des Schichtstapels, z.B. als ungefähr 90% der Querschnittsfläche des Schichtstapels.
3 veranschaulicht das Solarzellenmodul 151 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 300 in einer schematischen Seitenansicht oder Querschnittsansicht, welches mehrere in Reihe (mittels einer Reihenverschaltung 642) verschaltete Solarzellen 155 aufweist. Die mehreren Solarzellen 155 können über einem Substrat 602 des Solarzellenmoduls 151 angeordnet sein. Das Substrat 602 kann beispielsweise optisch durchlässig sein und/oder ein Dielektrikum aufweisen. Das Dielektrikum kann beispielsweise organisch sein und/oder ein Polymer aufweisen. Ein Beispiel für das Polymer weist Polyethylenterephthalat (PET) auf.
Jede Solarzelle 155 weist einen (z.B. organischen) Schichtstapel 331 auf. Der Schichtstapel 331 weist zwei Transportschichten 606a, 606b (auch als erste Transportschicht 606a und zweite Transportschicht 606b bezeichnet) auf. Der Schichtstapel 331 weist ferner eine Absorberschicht 604 (stellt die photoaktive Schicht bereit) auf, die zwischen den zwei Transportschichten 606a, 606b angeordnet ist und/oder diese körperlich kontaktiert.
Jede Solarzelle 155 weist ferner zwei Elektrodenschichten 608a, 608b (vereinfacht auch als Elektrode bezeichnet) auf, zwischen denen der Schichtstapel 331 angeordnet ist. Die zwei Elektrodenschichten 608a, 608b (auch als erste Elektrode 608a und zweite Elektrode 608b bezeichnet) können sich voneinander unterscheiden, z.B. in ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrem optischen Transmissionsgrad und/oder ihrer elektrischen Leitfähigkeit. Beispielsweise kann die, dem Substrat 602 zugewandte, erste Elektrode 608a optisch durchlässig und/oder oxydisch sein, z.B. ein elektrisch leitfähiges Oxid aufweisend oder daraus gebildet. Beispielsweise kann die erste Elektrode 608a Indium-Titaniumoxid (ITO) oder ein anderes optisch durchlässiges leitfähiges Oxid (TCO) aufweisen oder daraus gebildet sein.
Beispielsweise kann die, dem Substrat 602 abgewandte, zweite Elektrode 608b intransparent und/oder metallisch sein, z.B. ein Metall aufweisend oder daraus gebildet.
Wird der Schichtstapel 331 mittels optischer Strahlung 601 bestrahlt (auch als Einstrahlung 601 oder Beleuchtung bezeichnet), kann dieser die Ausgabespannung U_A an die zwei Elektrodenschichten 608a, 608b vermitteln.
Die optische Strahlung (z.B. Licht) kann hierin elektromagnetische Strahlung aufweisen im Ultraviolettbereich (auch als UV-Bereich bezeichnet), im sichtbaren Bereich und/oder im Infrarotbereich (auch als IR-Bereich bezeichnet), z.B. im Nah-Infrarotbereich. Licht kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung im Nah-Infrarotbereich, sichtbaren Bereich und/oder UV-Bereich aufweisen. Hierin wird zum einfacheren Verständnis auf Licht als optische Strahlung Bezug genommen, wobei verstanden werden kann, dass das für Licht Beschriebene auch für eine optische Strahlung anderer Wellenlänge gelten kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird der Bypass 302 nicht notwendigerweise mittels einer Bypassdiode bereitgestellt, welche an die Solarzelle 155 angelagert ist, sondern der Schichtstapel 331 der Solarzelle 155 kann derart eingerichtet (z.B. zusammengesetzt) sein, dass ein Stromfluss in Sperrrichtung bei ausreichender Umkehrbetriebsspannung erfolgen kann. Die so bereitgestellte Bypassdiode ist beispielsweise über die gesamte Fläche der Solarzelle 155 (z.B. die Stromdurchfluss-Fläche) homogen und/oder zusammenhängend verteilt und/oder weist eine Querschnittsfläche auf, die im Wesentlichen der Stromdurchfluss-Fläche 333 der Solarzelle 155 entspricht.
Ist eine der Solarzellen 155 abgeschattet, was ein realistisches Szenario ist, und wird dadurch inaktiv (z.B. im unbeleuchteten Fall), kann die Gesamtspannung U_G zusammenbrechen, z.B. auf weniger als (N-1)·U_A (N ist die Anzahl Solarzellen 155 pro Solarzellenmodul 151).
Nachfolgend wird hinsichtlich der Implementierung des Bypasses 302 auf Konfigurationen der zweiten Transportschicht 606b Bezug genommen. Es kann verstanden werden, dass das bezüglich der zweiten Transportschicht 606b Beschriebene in Analogie alternativ oder zusätzlich für die erste Transportschicht 606a gelten kann.
4 veranschaulicht die Funktionsweise einer Solarzelle gemäß verschiedenen Ausführungsformen 400 in einem schematischen Diagramm, in welchem die Energie E verschiedener Materialien der Solarzelle (z.B. deren Schichtstapels) dargestellt sind. Der Schichtstapel weist ein sogenanntes Absorbermaterial (auch als Absorber bezeichnet) auf, beispielsweise in Form einer Schicht (auch als Absorberschicht bezeichnet). Der Absorber kann beispielsweise nur intrinsisch leitend sein.
Die erste Transportschicht 606a und die zweite Transportschicht 606b können sich in ihrem Leitungstyp voneinander unterscheiden oder sich zumindest unterscheiden in dem Leitungstyp eines Materials, welche diese jeweils aufweisen oder daraus bestehen. Der Schichtstapel weist dazu zwei sogenannte Transportmaterialien auf, beispielsweise jedes in Form einer entsprechenden Schicht (auch als Transportschicht bezeichnet) bereitgestellt. Jede der Transportmaterialien kann selektiv leitend eingerichtet sein, d.h. dass diese einen entsprechenden Leitungstyp aufweist, z.B. einen elektronenleitenden Leitungstyp oder löcherleitenden Leitungstyp. Eines der Transportmaterialien (auch als ETL oder als Elektronenleiter bezeichnet) ist von dem elektronenleitenden Leitungstyp, d.h. eingerichtet, Elektronen 251 zu leiten, und ist optional n-dotiert (dann auch als n-ETL bezeichnet). Beispielsweise kann eine Elektronen-Transportschicht den Elektronenleiter aufweisen oder daraus gebildet sein. Das andere der Transportmaterialien (auch als HTL oder als Löcherleiter bezeichnet) ist von einem löcherleitenden Leitungstyp, d.h. ist eingerichtet, Löcher 253 (z.B. positiv geladene Quasiteilchen) zu leiten, und ist optional p-dotiert (dann auch als p-HTL bezeichnet). Beispielsweise kann eine Löcher-Transportschicht den Löcherleiter aufweisen oder daraus gebildet sein.
Bevorzugt weist eine der zwei Transportschichten (auch als Vermittlungsschichten bezeichnet) das Material ersten Leitungstyps (z.B. ETL) und die andere der zwei Transportschichten das Material zweiten Leitungstyps (z.B. HTL) auf.
Das Absorbermaterial ist eingerichtet, mittels Absorption der optischen Strahlung (z.B. deren Photonen) Elektronen 251 aus dem Grundzustand in einen angeregten Zustand zu bringen, so dass ein Elektronen-Loch-Paar entsteht. Durch die Absorption eines Photons kann ein Elektron vom höchstbesetzten Orbital (HOMO-Don) in das niedrigste unbesetzte Orbital (LUMO-Acc) gelangen.
Ist die Energie des Photons größer als die Differenz der Energie des niedrigsten unbesetzten Orbitals des Elektronenleiters (LUMO, „lowest unoccupied molecular orbital“) und der des höchsten besetzten Orbitals (HOMO, „highest occupied molecular orbital“) des Löcherleiters, kann die elektrische Ladung des Elektronen-Loch-Paar getrennt werden, so dass die Ausgabespannung entsteht.
Grundsätzlich kann eine der zwei Transportschichten, welche das löcherleitende Material aufweist oder daraus gebildet ist, derart eingerichtet sein, dass den Elektronen, bzw. dem darauf basierenden Stromfluss, eine erste energetische Barriere ΔE₁ zum Akzeptor bzw. dessen niedrigstes unbesetztes Orbital (LUMO-Acc) bereitgestellt wird. Die andere der zwei Transportschichten, welche das elektronenleitende Material aufweist oder daraus gebildet ist, kann derart eingerichtet sein, dass den Löchern, bzw. dem darauf basierenden Stromfluss, eine zweite energetische Barriere ΔE₂ zum Donor bzw. dessen höchstbesetztes Orbital (HOMO-Don) bereitgestellt wird.
In einer exemplarischen Ausgestaltung des Schichtstapels 331 gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die jeweilige Transportschicht derart eingerichtet sein, dass die erste energetische Barriere ΔE₁ und/oder zweite energetische Barriere ΔE₂ einen Stromfluss im Umkehrbetrieb erlauben, d.h. stromdurchlässig sind, wie nachfolgend genauer beschrieben wird. Beispielsweise können sich die erste energetische Barriere ΔE₁ und die zweite energetische Barriere ΔE₂ voneinander unterscheiden.
Der Löcherleiter und/oder der Elektronenleiter können beispielsweise derart eingerichtet sein, dass die erste energetische Barriere ΔE₁ kleiner ist als die zweite energetische Barriere ΔE₂ und/oder kleiner ist als ungefähr -0,5 eV (z.B. -0,4 eV). Alternativ oder zusätzlich können der Löcherleiter und/oder der Elektronenleiter beispielsweise derart eingerichtet sein, dass eine Summe aus der ersten energetischen Barriere ΔE₁ und der zweiten energetischen Barriere ΔE₂ kleiner ist als ungefähr -1 eV (z.B. -0,8 eV), z.B. in einem Bereich ist von ungefähr 0,2 eV bis ungefähr -1 eV, z.B. in einem Bereich von ungefähr 0,4 eV bis ungefähr -0,8 eV.
Der Löcherleiter kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass die erste energetische Barriere ΔE₁ in einem Bereich ist von ungefähr 0,1 eV bis ungefähr -0,5 eV, z.B. in einem Bereich von ungefähr 0,2 eV bis ungefähr -0,4 eV. Alternativ oder zusätzlich kann der Elektronenleiter beispielsweise derart eingerichtet sein, dass die zweite energetische Barriere ΔE₂ kleiner ist als die erste energetische Barriere ΔE₁ und/oder kleiner ist als ungefähr -0,5 eV (z.B. -0,4 eV). Der Elektronenleiter kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass die zweite energetische Barriere ΔE₂ in einem Bereich ist von ungefähr 0,1 eV bis ungefähr -0,5 eV, z.B. in einem Bereich von ungefähr 0,2 eV bis ungefähr -0,4 eV.
Dies erreicht, dass die Stromstärke im Umkehrbetrieb im Wesentlichen räumlich gleichmäßig (z.B. homogen) auf die gesamte zweite Transportschicht 606b aufgeteilt wird, so dass die Entstehung von Heizpunkten (sogenannten Hotspots) gehemmt wird. Beispielsweise kann die gesamte zweite Transportschicht 606b am elektrischen Stromtransport beteiligt sein, im Umkehrbetrieb und/oder im Vorwärtsbetrieb. Dies erreicht, dass die räumliche Verteilung der Stromstärke (z.B. die Varianz der Stromdichte) in den zwei Transportschichten 606a, 606b im Wesentlichen gleich ist. Die räumliche Verteilung der Stromstärke kann beispielsweise flächenbezogen als Stromdichte angegeben sein, wobei verstanden werden kann, dass das für die Stromstärke beschriebene in Analogie für die Stromdichte gelten kann. Die Stromdichte ist definiert als das Verhältnis der Stromstärke I zu einer vom Strom durchdrungenen Querschnittsfläche A. Die Stromdichte an einem Ort der zweiten Transportschicht 606b kann gleich der Stromstärke I durch ein Flächenelement an dem Ort dividiert durch die Querschnittsfläche des Flächenelements sein.
Beispielsweise kann die räumliche Verteilung der Stromstärke bzw. der Stromdichte in der zweiten Transportschicht 606b einen Mittelwert aufweisen und weniger als ungefähr 25% (oder 10% oder 5%) um den Mittelwert schwanken.
5 veranschaulicht die Funktionsweise einer Solarzelle 155 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 500 in einem schematischen Diagramm, in welchem die Energie E verschiedener Schichten der Solarzelle 155 dargestellt sind. Die zweite Transportschicht 606b kann zwei Teilschichten 702, 704 (auch als erste Teilschicht 702 und zweite Teilschicht 704 bezeichnet) aufweisen oder daraus gebildet sein. Die erste Teilschicht 702 ist zwischen der zweiten Teilschicht 704 und der Absorberschicht 604 angeordnet sein, z.B. in körperlichem Kontakt mit beiden. Die zwei Teilschichten 702, 704 können sich voneinander unterscheiden, z.B. in ihrem Leitungstyp, ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrer Dicke (auch als Schichtdicke bezeichnet) und/oder ihrem Dotierungstyp (z.B. p-dotiert oder n-dotiert). Ist die Schichtdicke zumindest einer der zwei Teilschichten in einem Bereich von ungefähr 1 Nanometer bis ungefähr 20 Nanometer (oder 15 Nanometer oder 10 Nanometer) kann anschaulich ein Tunneln des Stromflusses in Sperrrichtung begünstigt werden (auch als Tunnelbarriere bezeichnet).
Die erste Teilschicht 702 kann beispielsweise den Löcherleiter aufweisen oder daraus gebildet sein und/oder sich in ihrem Leitungstyp (z.B. löcherleitender Leitungstyp) von der ersten Transportschicht 606a unterscheiden. Die zweite Teilschicht 704 kann den Elektronenleiter aufweisen oder daraus gebildet sein und/oder den gleichen Leitungstyp aufweisen wie die erste Transportschicht 606a (z.B. elektronenleitender Leitungstyp).
Die zwei Teilschichten 702, 704 können beispielsweise einen Halbleiterübergang (z.B. pn-Übergang) innerhalb der zweiten Transportschicht 606b bereitstellen, welcher einen gleichrichtenden Charakter der zweiten Transportschicht 606b bewirkt. Mit anderen Worten kann der Bypass 302 mittels der gesamten zweiten Transportschicht 606b bereitgestellt sein.
Dies erreicht ebenso, dass die Stromstärke im Umkehrbetrieb im Wesentlichen räumlich gleichmäßig (z.B. homogen) auf die gesamte zweite Transportschicht 606b aufgeteilt wird, so dass die Entstehung von Heizpunkten (sogenannten Hotspots) gehemmt wird.
Diese hierin offenbarte Schichtfolge implementiert beispielsweise eine n-i-p(n) Solarzelle mit integriertem Bypass. Allgemeiner gesprochen kann der Schichtstapel eine Dreischichtdiode (z.B. n-p-n oder p-n-p) oder eine pin-Dreischichtdiode (z.B. n-p-i-n oder p-n-i-p) implementieren, welche sowohl an der Erzeugung elektrischer Leistung basierend auf der Einstrahlung 601 beteiligt ist als auch die Stromdurchlässigkeit im Umkehrbetrieb bereitstellt.
Optional kann zwischen der zweiten Transportschicht 606b und der Absorberschicht 604 eine Elektronenblockerschicht (z.B. dünn) angeordnet sein, z.B. aus HTL. Die zweite Transportschicht 606b kann dann eine p-HTL-Teilschicht und eine ETL-Teilschicht aufweisen. Ist die Schichtdicke der Elektronenblockerschicht in einem Bereich von ungefähr 1 Nanometer bis ungefähr 20 Nanometer (oder 15 Nanometer oder 10 Nanometer) kann anschaulich ein Tunneln des Stromflusses in Sperrrichtung begünstigt werden (auch als Tunnelbarriere bezeichnet).
6 veranschaulicht eine Spannung-Stromstärke-Kennlinie (auch als U-I-Kennlinie bezeichnet) gemäß verschiedenen Ausführungsformen 600 in einem schematischen Diagramm analog zu 1, in welchem die Stromstärke (in mA) bzw. die elektrische Stromdichte J über der Spannung (in Volt) aufgetragen ist. Die U-I-Kennlinie 171 repräsentiert den photovoltaischen Halbleiterübergang einer Solarzelle, wenn diese keiner Einstrahlung ausgesetzt ist (dann auch als inaktive Solarzelle bezeichnet); und U-I-Kennlinie 173 repräsentiert den photovoltaischen Halbleiterübergang, wenn diese Solarzelle optischer Strahlung ausgesetzt ist (vereinfacht auch als aktive Solarzelle oder als bestrahlte Solarzelle bezeichnet).
Beispiele für einen Halbleiterübergang (auch als Heteroübergang bezeichnet) weisen auf: ein p-n-Übergang, bei dem n-dotiertes Material und p-dotiertes Material aneinandergrenzen (so dass zwischen diesen ein Verarmungsbereich gebildet wird); ein p-i-n Übergang (auch als pin-Übergang bezeichnet), bei dem das n-dotierte Material und das p-dotierte Material von einem Material geringerer elektrischer Leitfähigkeit (das z.B. nur intrinsisch leitend und/oder elektrisch isolierend ist) räumlich und elektrisch voneinander separiert sind.
Im sogenannten Umkehrbetrieb weist die Spannung (dann auch als Umkehrbetriebsspannung bezeichnet) eine Polung in Sperrrichtung des photovoltaischen Halbleiterübergangs auf (auch als Sperrbereich 111 bezeichnet), was hierin zum besseren Verständnis mit negativem Vorzeichen angegeben ist, so dass der Stromfluss durch den photovoltaischen Halbleiterübergang im Wesentlichen blockiert wird. Im sogenannten Vorwärtsbetrieb weist die Spannung (dann auch als Vorwärtsbetriebsspannung bezeichnet) eine Polung in Durchlassrichtung des photovoltaischen Halbleiterübergangs auf (auch als Durchlassbereich 113 bezeichnet), was hierin zum besseren Verständnis mit positiven Vorzeichen angegeben ist, so dass oberhalb eines sogenannten Schwellenwertes U_S (auch als Schleusenspannung bezeichnet) die Stromstärke stark ansteigt.
Der aktiven Solarzelle wird mittels des Bestrahlens mit optischer Strahlung (auch als Beleuchten bezeichnet) eine Strahlungsleistung der Strahlung zugeführt. Die Solarzelle ist eingerichtet, basierend auf der aufgenommenen Strahlungsleistung elektrische Leistung zu erzeugen, welche das Produkt aus abgegebener Spannung U und abgegebener Stromstärke I ist. Die aktive Solarzelle erzeugt dann eine Spannung U_A (auch als Ausgabespannung bezeichnet) welche eine Funktion der abgegebenen Stromstärke I ist. Die Ausgabespannung U_A kann gleich der sogenannten Leerlaufspannung U_L sein, wenn die aktive Solarzelle keinen Strom abgibt (d.h. I=0). Wird die aktive Solarzelle kurzgeschlossen, sinkt die Ausgabespannung U_A auf null, wobei die dabei abgegebene Stromstärke die sogenannte Kurzschlussstromstärke I_A ist. Die Arbeitsspannung ist diejenige Ausgabespannung, die sich im Betrieb an einem Verbraucher einstellt, oder diejenige Ausgabespannung, bei der ein Gradient dP/dI=0, wenn P=U(I)·I.
Ferner sind in dem Diagramm die U-I-Kennlinie 171a der inaktiven Solarzelle 155 und die U-I-Kennlinie 173a der aktiven Solarzelle 155 den U-I-Kennlinien 171, 173 der Solarzelle 155 gegenübergestellt, wenn der Bypass 302 blockiert ist (d.h. wenn nur der photovoltaische Halbleiterübergang den Stromfluss vermittelt).
Wie zu sehen ist, lässt die Solarzelle 155 im Umkehrbetrieb gemäß verschiedenen Ausführungsformen eine größere Stromstärke passieren als wenn der Bypass 302 blockiert ist. Beispielsweise kann die Stromstärke bei einer Umkehrbetriebsspannung im Bereich von der dreifachen Leerlaufspannung (3·U_L) bis zu der zehnfachen Leerlaufspannung (10·U_L) größer sein als der Kurzschlussstrom der Solarzelle.
Dies lässt sich am Verhalten der einfach verständlichen Bypassdiode erläutern. Anschaulich überlagert der Durchlassbereich 115 der Bypassdiode den Sperrbereich 111 des photovoltaischen Halbleiterübergangs der Solarzelle 155, der beispielsweise von der zweiten Teilschicht 704 und der ersten Transportschicht 606a bereitgestellt wird. Somit wird auch im Umkehrbetrieb eine Schleusenspannung 801 (auch als Durchlassspannung U_D oder verallgemeinert als Grenzspannung 801 bezeichnet) bereitgestellt, ab welcher die hindurchgelassene Stromstärke (z.B. exponentiell) ansteigt.
Exemplarische Eigenschaften der Solarzellen bzw. des Solarzellenmoduls werden nachfolgend erläutert, wobei auf die Referenzspannung Bezug genommen wird. Die Referenzspannung U_R kann beispielsweise einen Betrag aufweisen, der weniger als das k-fache des Betrags der Leerlaufspannung der Solarzelle 155 ist, d. h. |U_R| < k · |U_L|, beispielsweise |U_L| < |U_R| < k · |U_L|. Beispielsweise kann k=10 sein oder weniger, z.B. kann k=5 sein oder weniger, z.B. kann k=3 sein oder weniger (wobei k beispielsweise eine natürliche Zahl sein kann). Beispielsweise kann k≥2 sein oder mehr, z.B. kann k≥3 oder k≥4 sein. Beispielsweise kann |U_L| < |U_R| < 5 · |U_L| sein, oder es kann |U_L| < |U_R| < 4 · |U_L| sein, oder es kann |U_L| < |U_R| < 3 · |U_L| sein. Die Referenzspannung U_R kann beispielsweise eine zur Leerlaufspannung entgegengesetzte Polung aufweisen, d.h. sgn(U_R) = -sgn(U_L). Die exemplarischen Eigenschaften der Solarzelle können gelten, wenn diese inaktiv und/oder aktiv ist.
In einem ersten Beispiel kann eine Stromstärke, welche die Solarzelle durchfließt, bei einer Umkehrbetriebsspannung, die gleich der Referenzspannung ist, größer sein als die doppelte Kurzschlussstromstärke der Solarzelle.
In einem zweiten Beispiel kann eine elektrische Leitfähigkeit der Solarzelle bei einer ersten Umkehrbetriebsspannung, größer sein als die zehnfache elektrische Leitfähigkeit des Solarzellenmoduls bei einer zweiten Umkehrbetriebsspannung, wobei die erste Umkehrbetriebsspannung weniger als das Fünffache der zweiten Umkehrbetriebsspannung ist und/oder gleich der Referenzspannung ist.
In einem dritten Beispiel kann eine mittlere Stromdichte in der zweiten Transportschicht 606b bei einer Umkehrbetriebsspannung, die gleich der Referenzspannung ist, größer sein als 20 mA/cm² (Milliampere pro Quadratzentimeter).
In einem vierten Beispiel kann eine Veränderung der Umkehrbetriebsspannung (z.B. ohne die Referenzspannung zu übersteigen), die eine Verdopplung der Stromstärke durch die Solarzelle hindurch bewirkt, kleiner sein als ungefähr 3 Volt (z.B. als ungefähr 2 Volt, z.B. als ungefähr 1 Volt) und/oder als die Leerlaufspannung der Solarzelle.
In einem fünften Beispiel kann die Grenzspannung 801 im Umkehrbetrieb keiner sein als die Referenzspannung und/oder deren Betrag größer sein als der (z.B. doppelte) Betrag der Leerlaufspannung.
In einem sechsten Beispiel kann eine Stromstärke, die zwischen den Elektroden 608a, 608b ausgetauscht wird, wenn an diesen eine Umkehrbetriebsspannung zwischen U_L und der Grenzspannung 801 anliegt, kleiner sein als ungefähr 10 mA, z.B. als ungefähr 1 mA, z.B. als ungefähr 0,1 mA.
In einem siebten Beispiel kann eine (maximale) Schwankung der räumlich verteilten Stromdichte in der zweiten Transportschicht 606b bei einer Umkehrbetriebsspannung, die beispielsweise gleich der Referenzspannung ist, weniger als ungefähr 25% (z.B. um die mittlere Stromdichte) sein, z.B. weniger als ungefähr 10%, z.B. weniger als ungefähr 5%.
In einem achten Beispiel kann eine Stromstärke, die zwischen den Elektroden 608a, 608b ausgetauscht wird, wenn an diesen eine Umkehrbetriebsspannung von mehr als der Grenzspannung 801 und/oder von weniger als der Referenzspannung anliegt, größer sein als ungefähr 0,1 mA, z.B. als ungefähr 1 mA, z.B. als ungefähr 10 mA.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Stromdichte (z.B. in der ersten Transportschicht und/oder der zweiten Transportschicht) im Umkehrbetrieb einen ersten Mittelwert 131a und/oder im Vorwärtsbetrieb einen zweiten Mittelwert 131b aufweisen. Beispielsweise kann die Stromdichte in der ersten Transportschicht weniger als 25% (z.B. weniger als 10% oder 5%) im Umkehrbetrieb um den ersten Mittelwert 131a und/oder im Vorwärtsbetrieb um den zweiten Mittelwert 131b schwanken. Beispielsweise kann Stromdichte in der zweiten Transportschicht weniger als 25% (z.B. weniger als 10% oder 5%) im Umkehrbetrieb um den ersten Mittelwert 131a und/oder im Vorwärtsbetrieb um den zweiten Mittelwert 131b schwanken.
7A bis 7C veranschaulichen jeweils eine Solarzelle 155 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 700a bis 700c in einem schematischen Aufbaudiagramm, in denen die zweite Transportschicht 606b ein heterogenes Gemisch mehreren Materialien (auch als heterogenes Stoffgemisch bezeichnet) aufweist, die sich in ihrem Leitungstyp voneinander unterscheiden. Beispielsweise kann die zweite Transportschicht 606b den Löcherleiter aufweisen und ferner den Elektronenleiter aufweisen, der in dem Löcherleiter eingebracht (z.B. eingebettet und/oder beigemischt) ist. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Transportschicht 606b aus einem HTL (z.B. n-HTL) hergestellt werden, in dem ein ETL (z.B. p-ETL) eingebracht (z.B. eingebettet und/oder beigemischt) ist. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Transportschicht 606a aus einem ETL (z.B. p-ETL) hergestellt werden, in dem ein HTL (z.B. n-HTL) eingebracht (z.B. eingebettet und/oder beigemischt) ist. Die jeweilige Beimischung kann in einem Bereich von ungefähr 10% bis ungefähr 20% sein.
Das heterogene Gemisch kann derart eingerichtet sein, dass die energetische Barriere zum Akzeptor (bzw. Donor-Material) in einem Bereich ist von ungefähr 0,1 eV (Elektronenvolt) bis ungefähr -0,5 eV, bevorzugt in einem Bereich von ungefähr 0,2 eV bis ungefähr -0,4 eV ist.
Das heterogene Stoffgemisch kann derart eingerichtet sein, dass die räumliche Verteilung der chemischen Zusammensetzung der zweiten Transportschicht 606b, projiziert auf die Ebene 101, 103 bzw. auf die Stromdurchfluss-Ebene, im Wesentlichen homogen ist. Optional kann das heterogene Stoffgemisch in ein homogenes Stoffgemisch überführt (auch als Homogenisieren bezeichnet) werden, z.B. mittels Erwärmens des Schichtstapels.
8A bis 8C veranschaulichen jeweils ein Solarzellenmodul 151 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 800a bis 800c in einem schematischen Aufbaudiagramm, in denen die zweite Transportschicht 606b ein homogenes Gemisch mehreren Materialien (auch als homogenes Stoffgemisch bezeichnet) aufweist, die sich in ihrem Leitungstyp voneinander unterscheiden.
Das homogene Stoffgemisch lässt sich beispielsweise erhalten, indem der Schichtstapel oder zumindest die zweite Transportschicht 606b aus der Flüssigphase (z.B. aus einem Lösungsmittel) oder aus der Gasphase (z.B. mittels thermischen Aufdampfens im Vakuum) hergestellt wird, z.B. ohne einen zusätzlichen Verfahrensschritt zum Homogenisieren zu benötigen.
Beispielsweise kann die zweite Transportschicht 606b den Löcherleiter und den Elektronenleiter aufweisen, die homogen miteinander vermischt sind. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Transportschicht 606b den HTL (z.B. n-HTL) und den ETL (z.B. p-ETL) aufweisen, die homogen miteinander vermischt sind. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Transportschicht 606a den ETL (z.B. p-ETL) und dem HTL (z.B. n-HTL) aufweisen, die homogen miteinander vermischt sind.
9A bis 9C veranschaulichen jeweils ein Solarzellenmodul 151 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 900a bis 900c in einem schematischen Aufbaudiagramm, in denen die zweite Transportschicht 606b ein heterogenes, aber geschichtetes, Gemisch der mehreren Materialien aufweist, die sich in ihrem Leitungstyp voneinander unterscheiden.
Beispielsweise kann die zweite Transportschicht 606b den Löcherleiter und den Elektronenleiter aufweisen, die übereinander geschichtet sind. Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Transportschicht 606b den HTL (z.B. n-HTL) und den ETL (z.B. p-ETL) aufweisen, die übereinander geschichtet vermischt sind. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Transportschicht 606a den ETL (z.B. p-ETL) und dem HTL (z.B. n-HTL) aufweisen, die übereinander geschichtet vermischt sind.
10 veranschaulicht eine Solarzelle 155 gemäß verschiedenen Ausführungsformen 1000 in einem schematischen Aufbaudiagramm und in einem Ersatzschaltbild 1000a. Der oder jeder Schichtstapel implementiert (z.B. genau) einen photovoltaischen Halbleiterübergang 1502, welcher an der Erzeugung elektrischer Leistung basierend auf der Einstrahlung 601 beteiligt ist (z.B. deren Umwandlung ineinander). Der photovoltaische Halbleiterübergang 1502 (z.B. eine Photodiode) kann beispielsweise die erste Transportschicht 606a (oder eine Teilschicht dieser), die Absorberschicht 604, und die zweite Transportschicht 606b (oder eine Teilschicht dieser) aufweisen. Der oder jeder Schichtstapel 331 implementiert ferner (z.B. genau) einen Bypass 302 (z.B. eine Bypassdiode), der nicht als zusätzliches Bauelement bereitgestellt ist, sondern in dem Schichtstapel 331 (z.B. über dessen laterale Ausdehnung) gleichmäßig räumlich verteilt bereitgestellt ist. Der Bypass 302 kann zwischen die Absorberschicht und eine der zwei Elektroden 608a, 608b geschaltet sein und/oder eingerichtet sein, im Umkehrbetrieb einen Stromfluss zwischen der Absorberschicht 604 und einer der zwei Elektroden 608a, 608b zu vermitteln. Der photovoltaische Halbleiterübergang 1502 (im Vorwärtsbetrieb) und der Bypass (im Umkehrbetrieb) können im Wesentlichen dieselbe stromdurchflossene Querschnittsfläche und/oder Schwankung (z.B. <25%) in der Stromdichte aufweisen.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, die sich auf vorangehend Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.
Beispiel 1 ist ein Solarzellenmodul, aufweisend: eine oder mehr als eine Solarzelle, wovon jede Solarzelle aufweist: einen Schichtstapel, der zwei Transportschichten und zwischen diesen eine Absorberschicht (auch als photoaktive Schicht bezeichnet) aufweist; zwei Elektrodenschichten, zwischen denen der Schichtstapel angeordnet ist; wobei der Schichtstapel eingerichtet ist, bei Beleuchtung (z.B. Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung aufweisend) eine zwischen den zwei Elektrodenschichten anliegende Ausgabespannung (z.B. im Vorwärtsbetrieb) zu erzeugen.
Beispiel 2 ist das Solarzellenmodul gemäß Beispiel 1, wobei der Schichtstapel ferner derart eingerichtet ist, dass (z.B. im unbeleuchteten Fall) ein Stromfluss (z.B. in Sperrrichtung) durch den Schichtstapel hindurch: im Wesentlichen räumlich homogen, im Wesentlichen gleich und/oder in jeder dieser räumlich homogen verteilt ist.
Beispiel 3 ist das Solarzellenmodul gemäß Beispiel 1 oder 2, wobei der Stromfluss in Sperrrichtung durch den Schichtstapel im unbeleuchteten Fall hindurch bei einer (an die Solarzelle) angelegten (z.B. externen) Spannung in Sperrrichtung (auch als Umkehrbetriebsspannung bezeichnet) im Bereich von der dreifachen Leerlaufspannung (3·U_L) bis zu der zehnfachen Leerlaufspannung (10·U_L), bevorzugt bis zu der achtfachen Leerlaufspannung (8·U_L), weiter bevorzugt bis zu der sechsfachen Leerlaufspannung (6·U_L), größer ist als der Kurzschlussstrom der Solarzelle.
Beispiel 4 ist ein Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 3, wobei durch den Schichtstapel im unbeleuchteten Fall bei einer angelegten Spannung (z.B. einer externen Umkehrbetriebsspannung) von VMPP ein (anschaulich geringer) Stromfluss in Durchlassrichtung von dem 0,1-fachen (bevorzugt 0,05-fachen, weiter bevorzugt 0,01-fachen) des Kurzschlussstroms oder weniger fließt.
Beispiel 5 ist ein Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 4, wobei der Schichtstapel derart eingerichtet ist, dass ein Stromfluss in Sperrrichtung (z.B. wenn eine externe Umkehrbetriebsspannung zwischen den zwei Elektrodenschichten anliegt) durch den Schichtstapel hindurch im Wesentlichen räumlich homogen verteilt ist.
Beispiel 6 ist ein Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 5, wobei der Schichtstapel stromdurchlässig ist, wenn eine externe Umkehrbetriebsspannung zwischen den zwei Elektrodenschichten anliegt, welche eine zu der Ausgabespannung entgegengesetzte Polung aufweist, so dass der Schichtstapel den elektrischen Stromfluss (z.B. in Sperrrichtung) zwischen den zwei Elektrodenschichten vermittelt.
Beispiel 7 ist ein Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 6, wobei der Schichtstapel eingerichtet ist, bei Beleuchtung (z.B. Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung aufweisend) die zwischen den zwei Elektrodenschichten anliegende Ausgabespannung als Funktion einer Strahlungsleistung der Strahlung und/oder mit Polung entgegen der Sperrrichtung zu erzeugen.
Beispiel 8 ist ein Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 7,wobei eine oder mehr als eine (z.B. jede) Transportschicht der zwei Transportschichten derart (z.B. homogen) eingerichtet ist, dass eine räumliche Verteilung der (z.B. flächenbezogenen) Stromstärke (bzw. der zugrundeliegenden elektrischen Leitfähigkeit) bzw. der Stromfluss in den zwei Transportschichten im Wesentlichen gleich ist.
Beispiel 9 ist ein Solarzellenmodul (z.B. gemäß einem der Beispiele 1 bis 8), wobei die mehr als eine Solarzelle mehrere in Reihe geschaltete Solarzellen aufweist; wobei beispielsweise die externe Umkehrbetriebsspannung kleiner ist als eine Anzahl Solarzellen der in Reihe geschalteten Solarzellen multipliziert mit der Ausgabespannung; und/oder wobei beispielsweise die externe Umkehrbetriebsspannung gleich ist zu einem Produkt aus der um 1 verminderten Anzahl Solarzellen der in Reihe geschalteten Solarzellen und der Ausgabespannung; wobei beispielsweise von den mehreren Solarzelle zumindest einige Solarzellen bei Beleuchtung die Umkehrbetriebsspannung erzeugen.
Beispiel 10 ist ein Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 9, wobei eine oder mehr als eine (z.B. jede) Transportschicht der zwei Transportschichten chemisch und/oder elektrisch homogen (z.B. auf die Stromdurchfluss-Fläche projiziert) eingerichtet ist, z.B. derart dass eine räumliche Verteilung der chemischen Zusammensetzung und/oder der elektrischen Leitfähigkeit in der einen oder mehr als einen Transportschicht im Wesentlichen homogen und/oder in den zwei Transportschichten im Wesentlichen gleich ist.
Beispiel 11 ist ein Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 10, aufweisend: wobei beispielsweise eine Transportschicht der zwei Transportschichten ein erstes Material eines ersten Leitungstyps und ein zweites Material eines zweiten Leitungstyps aufweist, so dass der Schichtstapel stromdurchlässig ist, wenn zwischen den zwei Elektrodenschichten eine externe Umkehrbetriebsspannung anliegt, welche eine zu der Ausgabespannung entgegengesetzte Polung aufweist.
Beispiel 12 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 11, wobei das Solarzellenmodul frei ist von einem zusätzlichen Bauelement, das neben oder in dem Schichtstapel angeordnet ist und den Stromfluss in Sperrrichtung vermittelt, wobei das Bauelement bevorzugt eine Bypassdiode ist.
Beispiel 13 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 12, wobei die mehr als eine Solarzelle eine Anzahl von N Solarzellen aufweist, wobei der Stromfluss in Sperrrichtung ein Kurzschluss-Stromfluss von (N-1) mal einer Leerlaufspannung jeder Solarzelle der N Solarzellen, wobei beispielsweise N in einem Bereich von ungefähr 2 bis ungefähr 100 ist, z.B. in einem Bereich von ungefähr 3 bis ungefähr 11 ist.
Beispiel 14 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 13, wobei eine Anzahl von Halbleiterübergängen, die von dem Schichtstapel bereitgestellt sind, größer ist als eine Anzahl von Halbleiterübergängen pro Schichtstapel des Solarzellenmoduls, die außerhalb des Schichtstapels angeordnet sind.
Beispiel 15 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 14, wobei jede Transportschicht der zwei Transportschichten eine (z.B. flächig und/oder lateral) homogene chemische Zusammensetzung, Dicke, Stromdurchlässigkeit und/oder elektrischen Leitfähigkeit aufweist (z.B. projiziert auf die Stromdurchlass-Fläche).
Beispiel 16 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 15, wobei die zwei Transportschichten in einem Grad der Homogenität (entspricht dem Inversen der Schwankung) ihrer chemischen Zusammensetzung, Dicke, Stromdurchlässigkeit und/oder elektrischen Leitfähigkeit im Wesentlichen gleich eingerichtet sind (z.B. projiziert auf die Stromdurchlass-Fläche).
Beispiel 17 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 16, wobei jede Transportschicht der zwei Transportschichten entlang einer Stromdurchfluss-Fläche erstreckt ist und/oder quer dazu eine Dicke (z.B. von weniger als 1 Millimeter, z.B. als 1 Mikrometer, z.B. als 100 Nanometer, z.B. als 50 Nanometer) aufweist.
Beispiel 18 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 17, wobei jede Transportschicht eine der zwei Elektrodenschichten und/oder die Absorberschicht berührt (d.h. physisch kontaktiert).
Beispiel 19 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 18, wobei die Ausgabespannung eine Leerlaufspannung oder eine Arbeitsspannung des Schichtstapels ist.
Beispiel 20 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 19, wobei ein Betrag der Umkehrbetriebsspannung größer ist als ein (oder der zweifache) Betrag: der Ausgabespannung, z.B. als der Betrag der doppelten Ausgabespannung, z.B. der dreifachen Ausgabespannung, z.B. der vierfachen Ausgabespannung, z.B. der fünffachen Ausgabespannung.
Beispiel 21 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 20, wobei ein Betrag der Umkehrbetriebsspannung kleiner ist als ein (oder der zweifache) Betrag: der zwanzigfachen Ausgabespannung, z.B. der zehnfachen Ausgabespannung, z.B. der fünffachen Ausgabespannung.
Beispiel 22 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 21, wobei der Schichtstapel derart eingerichtet ist, dass dieser der Stromstärke (z.B. beim Anliegen der Umkehrbetriebsspannung) bzw. dem Stromfluss eine energetische Barriere bereitstellt in einem Bereich von ungefähr 0,1 Elektronenvolt (z.B. 0,2 Elektronenvolt) bis ungefähr 0,5 Elektronenvolt (z.B. 0,4 Elektronenvolt), bevorzugt in einem Bereich von ungefähr 0,1 Elektronenvolt bis ungefähr 0,2 Elektronenvolt.
Beispiel 23 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 22, wobei zumindest eine Transportschicht der zwei Transportschichten beim Anliegen der externen Umkehrbetriebsspannung eine elektrische Überbrückung (des photoaktiven Halbeiterübergangs) derart bereitstellt, dass der Schichtstapel stromdurchlässig ist, wobei beispielsweise eine Querschnittsfläche der elektrischen Überbrückung, welche von der elektrischen Stromstärke bzw. von dem Stromfluss durchdrungen wird, größer ist als ungefähr 75% (z.B. 80%, 90%, 95%, oder 99%) der Querschnittfläche der Transportschicht, wobei z.B. die Querschnittsfläche der elektrischen Überbrückung und der Transportschicht gleich ist.
Beispiel 24 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 23, wobei eine Querschnittsfläche jeder Transportschicht, welche beim Anliegen der Umkehrbetriebsspannung von der elektrischen Stromstärke bzw. von dem Stromfluss durchdrungen wird, größer ist als ungefähr 75% (z.B. 80%, 90%, 95%, oder 99%) der Querschnittfläche der Absorberschicht.
Beispiel 25 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 24, wobei eine Querschnittsfläche jeder Transportschicht, welche beim Anliegen der Umkehrbetriebsspannung von der elektrischen Stromstärke bzw. von dem Stromfluss durchdrungen wird, im gleich ist.
Beispiel 26 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 25, wobei zumindest eine (d.h. eine oder mehr als eine) Transportschicht der zwei Transportschichten (z.B. entweder die erste Transportschicht oder die zweite Transportschicht oder jede der zwei Transportschichten) ein erstes Material eines ersten Leitungstyps und ein zweites Material eines zweiten Leitungstyps aufweist.
Beispiel 27 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 26, wobei der erste Leitungstyp löcherleitend und der zweite Leitungstyp elektronenleitend ist; oder wobei der zweite Leitungstyp löcherleitend und der erste Leitungstyp elektronenleitend ist; und/oder wobei der erste Leitungstyp und der zweite Leitungstyp sich voneinander unterscheiden.
Beispiel 28 ist das Solarzellenmodul gemäß Beispiel 26 oder 27, wobei das erste Material in dem zweiten Material eingebracht (z.B. eingebettet) ist; oder wobei das zweite Material in dem ersten Material eingebracht (z.B. eingebettet) ist; oder wobei das erste Material und das zweite Material übereinandergeschichtet sind, wobei bevorzugt ein Stoffmengenverhältnis (V) zwischen dem ersten Material (M1) und dem zweiten Material (M2) in einem Bereich ist von ungefähr 5 bis ungefähr 10 (korrespondiert beispielsweise zu einer Beimischung in einem Bereich von ungefähr 10% bis ungefähr 20%), beispielsweise kann 5≤V=M1/M2≤10 oder 5≤V=M2/M1≤10 sein.
Beispiel 29 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 26 bis 28, wobei die zumindest eine Transportschicht eine erste Teilschicht aus dem ersten Material und eine zweite Teilschicht aus dem zweiten Material aufweist, welche beispielsweise übereinander angeordnet sind und/oder zusammen einen Halbleiterübergang (z.B. p-n-Übergang) bilden; wobei bevorzugt sich die erste Teilschicht und die zweite Teilschicht in ihrer Schichtdicke voneinander unterscheiden, wobei weiter bevorzugt die entweder der ersten Teilschicht oder der zweiten Teilschicht in einem Bereich ist von ungefähr 1 Nanometer bis ungefähr 20 Nanometer (oder 15 Nanometer), z.B. weniger als 10 Nanometer. Dies begünstigt anschaulich ein Tunneln des Stromflusses in Sperrrichtung.
Beispiel 30 ist das Solarzellenmodul gemäß Beispiel 29, wobei die erste Teilschicht dünner ist oder dicker ist als die zweite Teilschicht; und/oder wobei die zwei Transportschichten eine Dreischichtdiode bereitstellen.
Beispiel 31 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 30, wobei der Schichtstapel ein organischer Schichtstapel ist; und/oder wobei eine oder mehr als eine Transportschicht der zwei Transportschichten eine organische Transportschicht ist.
Beispiel 32 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 31, wobei sich die zwei Transportschichten (z.B. abschnittsweise) in ihrem Leitungstyp voneinander unterscheiden; und/oder wobei eine Transportschicht der zwei Transportschichten ein erstes Material eines ersten Leitungstyps aufweist und wobei die andere Transportschicht der zwei Transportschichten ein zweites Material eines zweiten Leitungstyps (verschieden von dem ersten Leitungstyp) aufweist.
Beispiel 33 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 32, wobei die zwei Elektrodenschichten eine erste Elektrodenschicht aufweisen, welche optisch durchlässig (z.B. transparent oder opak) ist; und/oder wobei die zwei Elektrodenschichten eine zweite metallische Elektrodenschicht aufweisen.
Beispiel 34 ist das Solarzellenmodul gemäß Beispiel 33, ferner aufweisend: ein optisch durchlässiges Substrat, wobei eine der Elektrodenschichten (z.B. die erste Elektrodenschicht) und/oder eine der Transportschichten (z.B. die erste Transportschicht) zwischen dem Substrat und der Absorberschicht angeordnet sind.
Beispiel 35 ist das Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 34, wobei der Schichtstapel Teil einer ersten Solarzelle des Solarzellenmoduls ist und das Solarzellenmodul mehrere Solarzellen aufweist, welche seriell (d.h. in Reihe) miteinander und mit der ersten Solarzelle verschaltet sind und welche bei Beleuchtung die Umkehrbetriebsspannung erzeugen.
Beispiel 36 ist eine photovoltaische Vorrichtung, aufweisend: einen ersten Nutzleistungsanschluss und einen zweiten Nutzleistungsanschluss; ein oder mehr als ein Solarzellenmodul gemäß einem der Beispiele 1 bis 35, wovon jedes Solarzellenmodul seriell (d.h. in Reihe) mit dem ersten Nutzleistungsanschluss und dem zweiten Nutzleistungsanschluss verschaltet ist.
Beispiel 37 ist die photovoltaische Vorrichtung gemäß Beispiel 36, das eine oder mehr als eine Solarzellenmodul aufweisend: mehrere Solarzellenmodule, welche parallel zueinander verschaltet sind.
Beispiel 38 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Solarzellenmoduls gemäß einem der Beispiele 1 bis 35, bei welchem die erste Transportschicht und/oder die zweite Transportschicht (z.B. innerhalb des Schichtstapels) nur mittels eines Beschichtungsprozesses hergestellt sind und/oder (z.B. innerhalb des Schichtstapels) frei von einer Strukturierung sind.
Beispiel 39 ist das Verfahren gemäß Beispiel 38, wobei der Beschichtungsprozess nur eine (z.B. physikalischen oder chemischen) Gasphasenabscheidung oder nur eine Flüssigphasenabscheidung aufweist.
Beispiel 40 ist das Verfahren gemäß Beispiel 39, wobei die Flüssigphasenabscheidung nur einen additiven Fertigungsprozess (z.B. Druck) aufweist.
Beispiel 41 ist eine Verwendung einer (z.B. innerhalb des Schichtstapels) homogenen (z.B. unstrukturierten) Transportschicht einer Solarzelle als Teil einer elektrischen Überbrückung der Solarzelle im Umkehrbetrieb.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung (z.B. ohmsch und/oder elektrisch leitfähig, z.B. einer elektrisch leitfähigen Verbindung), eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Der Begriff „über“, der in Bezug auf die räumliche Positionsbeziehung eines Objekts (z.B. einer Schicht oder eines Materials) relativ zu einer Referenz (z.B. eine Seite, eine Oberfläche oder einem anderen Objekt) verwendet wird, um anzugeben, dass das Objekt „über“ der Referenz gebildet ist oder wird, kann hierin verwendet werden, um anzugeben, dass das Objekt „direkt auf“, z.B. in direktem Kontakt mit der Referenz, gebildet ist oder wird, oder dass das Objekt „indirekt auf“ der Referenz gebildet ist oder wird, wobei dann ein oder mehr als ein optionales zusätzliches Objekt (z.B. eine Schicht) zwischen der Referenz und dem Objekt angeordnet sein kann. In Analogie kann der Begriff „zwischen“, der in Bezug auf die räumliche Position eines Objekts (z.B. einer Schicht oder eines Materials) relativ zu zwei Referenzen (z.B. Seiten, Oberflächen oder Objekten) verwendet wird, hier verwendet werden, um anzugeben, dass das Objekt „direkt zwischen“, z.B. in direktem Kontakt mit den zwei Referenzen, gebildet ist oder wird, oder dass das Objekt „indirekt zwischen“ den Referenzen gebildet ist oder wird, wobei dann ein oder mehr als ein optionales zusätzliches Objekt (z.B. eine Schicht) zwischen den zwei Referenzen angeordnet sein kann, welche das Objekt räumlich von einer oder mehr als einer der zwei Referenzen separiert.
Der Begriff „lateral“ (anschaulicher auch als horizontal bezeichnet), der unter anderem in Bezug auf die Ausdehnung eines Objekts (z.B. eines Substrats oder einer Schicht), auf eine Richtung oder auf eine räumliche Positionsbeziehung verwendet wird, kann hier verwendet werden, um eine Geometrie (z.B. Ausdehnung, Richtung eines Abstands oder der Richtung) entlang einer Referenzfläche anzugeben. Beispiele für die Referenzoberfläche weisen auf: die Oberfläche eines Substrats (z.B. eines Wafers oder eines Trägers), die obere Oberfläche einer Schicht, eine Querschnittsfläche, eine Stromdurchfluss-Fläche (d.h. eine Fläche die quer zu der Richtung des Stromflusses ausgerichtet ist). Das bedeutet, dass die Referenzfläche als Bezugsgröße dienen kann, welche von lateralen Richtungen aufgespannt wird. Der in Bezug auf die Ausdehnung einer Schicht verwendete Begriff „Dicke“ kann hier verwendet werden, um die räumliche Ausdehnung der Schicht entlang einer Richtung (auch als Dickenrichtung bezeichnet) senkrecht zur der Referenzfläche, auf der die Schicht beispielsweise abgeschieden ist oder wird, anzugeben.
Hierin wird unter anderem auf einen Schichtstapel Bezug genommen, z.B. bezüglich einer Solarzelle. Der Schichtstapel weist mehrere, entlang der Dickenrichtung betrachtet, übereinander gestapelte Schichten auf und ist Bestandteil einer einzelnen Zelle (auch als Solarzelle bezeichnet) eines Solarzellenmoduls. In diesem Kontext kann verstanden werden, dass die Dicke der Schichten entlang der Dickenrichtung ist, und dass die Schichten quer zu der Dickenrichtung (d.h. in eine laterale Richtung) ausgedehnt sein können. Die einzelnen Schichten des Schichtstapels, hier insbesondere die Transportschichten, können beispielsweise über die gesamte Fläche des Schichtstapels einer Solarzelle gleich ausgebildet, bevorzugt homogen, ausgebildet sein. Der Schichtstapel (auch als Zellenstapel bezeichnet) kann an der Erzeugung elektrischer Leistung basierend auf Strahlungsleistung beteiligt sein und daran, diese elektrische Leistung an sogenannte Elektroden abzugeben.
Geometrische und/oder elektrische Größen, die hierin bezugnehmend auf den Schichtstapel oder dessen Schichten beschrieben werden, können auf die Absorberschicht, z.B. deren Abmessung und/oder Querschnittsfläche bezogen sein. Beispielsweise kann der Rand des Schichtstapels mit dem Rand der Absorberschicht zusammenfallen. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche des Schichtstapels im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Absorberschicht entsprechen. Beispielsweise kann die Stromstärke, welche den Schichtstapel durchdringt, im Wesentlichen der Stromstärke entsprechen, welche die Absorberschicht durchdringt.
Der Begriff „im Wesentlichen“ bezüglich einer Angabe (z.B. einer Relation zwischen zwei Größen) kann verstanden werden als dass eine Abweichung von der Angabe kleiner ist als ungefähr 25%, z.B. als ungefähr 10%, z.B. als ungefähr 5%, z.B. als ungefähr 2%, z.B. als ungefähr 1%, z.B. als ungefähr 0,5%. Beispielsweise können zwei Größen, die im Wesentlichen gleich sind, eine relative Abweichung voneinander aufweisen von kleiner als ungefähr 25%, z.B. als ungefähr 10%, z.B. als ungefähr 5%, z.B. als ungefähr 2%, z.B. als ungefähr 1%, z.B. als ungefähr 0,5%. Die relative Abweichung zweier Größen a, b kann hierin verstanden werden als Verhältnis (d/s) der Differenz der zwei Werte (d = a-b) zu der halben Summe der zwei Werte (s = 0,5·a + 0,5·b). Die relative Abweichung zwischen a und b kann beispielsweise gemäß der Relation (a-b) / (0,5-a + 0,5·b) sein.
Der Begriff „homogen“ bezogen auf eine Größe kann hierin verstanden werden als eine Schwankung aufweisend (z.B. um einen Mittelwert der Größe) von weniger als 25%, z.B. weniger als 10%, z.B. weniger als 5%, z.B. weniger als 1%, z.B. weniger als 0,5%. Die Schwankung einer Größe X kann analog zur Varianz (Var(X)=E((X-µ)², mit dem Erwartungswert E(X)=µ) verstanden werden, mit dem Unterschied, dass die zugrundeliegende Größe X nicht notwendigerweise normalverteilt sein muss. Der Begriff „homogen“ bezogen auf eine räumliche Verteilung der Größe kann hierin verstanden werden als dass die räumliche Schwankung auf eine Referenzfläche (z.B. die Stromdurchfluss-Fläche) projiziert wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Halbleiter (z.B. ein Halbleitermaterial) oder „elektrisch halbleitend“ (z.B. bezogen auf einen Körper, eine Schicht, ein Material oder einen Bereich) verstanden werden als einen negativen Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstandes und/oder eine mittelmäßige elektrische Leitfähigkeit aufweisend, z.B. eine elektrische Leitfähigkeit (z.B. bei Raumtemperatur und gleichbleibendem elektrischen Feld gemessen) in einem Bereich von ungefähr 10^-9 Siemens/m (S/m) bis ungefähr 10⁴ S/m. Ein elektrischer Leiter oder „elektrisch leitfähig“ (z.B. bezogen auf einen Körper, eine Schicht, ein Material oder einen Bereich) kann verstanden werden als eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisend, z.B. eine elektrische Leitfähigkeit (z.B. bei Raumtemperatur und gleichbleibendem elektrischen Feld gemessen) von mehr als ungefähr 10⁴ S/m, z.B. mehr als ungefähr 10⁵ S/m, z.B. mehr als ungefähr 10⁶ S/m, z.B. mehr als ungefähr 10⁷ S/m. Ein elektrischer Isolator oder „elektrisch isolierend“ (z.B. bezogen auf einen Körper, eine Schicht, ein Material oder einen Bereich) kann verstanden werden als eine schlechte elektrische Leitfähigkeit aufweisend, z.B. eine elektrische Leitfähigkeit (z.B. bei Raumtemperatur und gleichbleibendem elektrischen Feld gemessen) von weniger als ungefähr 10^-9 S/m, z.B. weniger als ungefähr 10^-12 S/m.
Der Ausdruck „stromdurchlässig“ bezogen auf einen Festkörper (z.B. ein Schichtstapel oder zumindest eine Schicht) kann in diesem Zusammenhang verstanden werden, als dass der Festkörper dem elektrischen Strom einen elektrischen Widerstand bezogen auf die Querschnittsfläche des Festkörpers, welche von dem Strom durchdrungen wird (auch als Stromdurchfluss-Fläche bezeichnet), entgegengesetzt von weniger als ungefähr 1000 Ω/cm², z.B. als ungefähr 500 Ω/cm², z.B. als ungefähr 100 Ω/cm². Der elektrische Widerstand kann beispielsweise auf eine Referenzspannung bzw. eine Referenzstromstärke bezogen sein. Die Referenzspannung kann beispielsweise eine Kleinspannung sein oder in einem Bereich von ungefähr 1 Volt bis ungefähr 10 Volt sein, z.B. in einem Bereich von ungefähr 1 Volt bis ungefähr 5 Volt. Die Referenzstromstärke kann beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 mA (Milliampere) bis ungefähr 100 mA sein, in einem Bereich von ungefähr 10 mA bis ungefähr 50 mA.
Hierin wird auf verschiedene (z.B. sensorisch erfasste und/oder elektrische) Größen eines Solarzellenmoduls oder einer einzelnen Solarzelle Bezug genommen. Es kann verstanden werden, dass diese Größen auf Standardbedingungen bezogen sind. Die Standardbedingungen weisen auf, dass das Solarzellenmodul bzw. die Solarzelle mit einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² (Watt pro Quadratmeter) bestrahlt bzw. beleuchtet wird, insofern dieses bestrahlt bzw. beleuchtet wird. Die Standardbedingungen weisen auf, dass das Solarzellenmodul bzw. die Solarzelle bei 25 °C sensorisch erfasst wird. Die Standardbedingungen weisen auf, dass das Solarzellenmodul bzw. die Solarzelle bei einer Luftmasse (AM) von 1,5 sensorisch erfasst wird, insofern dieses bestrahlt bzw. beleuchtet wird. Die Standardbedingungen weisen auf, dass das Solarzellenmodul bzw. die Solarzelle mit einem Spektrum gemäß der Norm IEC 904-3 (1989) Teil III bestrahlt bzw. beleuchtet wird, insofern dieses bestrahlt bzw. beleuchtet wird. Im sogenannten beleuchteten Fall kann im Wesentlichen das gesamte Solarzellenmodul bzw. im Wesentlichen die gesamte Solarzelle mit der Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² bestrahlt bzw. beleuchtet werden, so dass die über die Fläche des Solarzellenmodul bzw. der Solarzelle gemittelte Bestrahlungsstärke ungefähr 1000 W/m² ist. Im sogenannten unbeleuchteten Fall die über die Fläche des Solarzellenmodul bzw. der Solarzelle gemittelte Bestrahlungsstärke kleiner sein als 1000 W/m² (z.B. als 500 W/m², z.B. als 100 W/m², z.B. als 50 W/m², z.B. als 10 W/m²). Im unbeleuchteten Fall kann zumindest eine Solarzelle des Solarzellenmoduls zumindest teilweise (d.h. teilweise oder vollständig) verschattet oder deren Bestrahlung bzw. Beleuchtung zumindest teilweise blockiert sein. Mit anderen Worten muss der unbeleuchtete Fall nicht notwendigerweise die Solarzelle frei von Bestrahlung bzw. Beleuchtung machen, sondern diese kann durchaus geringfügig bestrahlt bzw. beleuchtet werden bzw. kann nur teilweise unbeleuchtet sein. Im unbeleuchteten Fall kann beispielsweise die gemittelte Bestrahlungsstärke der Solarzelle kleiner sein als 50% (z.B. als 25% oder als 10% oder als 5% oder als 1%) der gemittelten Bestrahlungsstärke einer dieser unmittelbar benachbarten Solarzelle.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat plattenförmig oder bandförmig sein. Ein bandförmiges Substrat (auch als Bandsubstrat bezeichnet) kann eine Folie, ein Vlies, ein Band und/oder ein Gewebe aufweisen oder daraus gebildet sein. Beispiele für ein bandförmiges Substrat weisen auf: ein Kunststoffband (Polymerband), ein Glasband und/oder eine Kunststofffolie (Polymerfolie).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird auf eine Fläche (z.B. Stromdurchfluss-Fläche) Bezug genommen, die von einem Stromfluss durchdrungen und/oder durchflossen wird (auch als flächiger Stromfluss bezeichnet). Der flächige Stromfluss kann beispielsweise homogen sein und/oder aufweisen, dass im Wesentlichen die gesamte Fläche den Stromfluss vermittelt. Der flächige (z.B. homogene) Stromfluss kann beispielsweise aufweisen, dass eine räumliche Schwankung der Stromstärke bzw. Stromdichte des Stromflusses innerhalb der gesamten Fläche im Wesentlichen konstant ist, d.h. um weniger als 25% (z.B. 10% oder 5%) schwankt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird mit VMPP die Ausgabespannung der Solarzelle am Punkt maximaler Leistung, Pmax, d.h. die Ausgabespannung am MPP, bezeichnet (MPP = Punkt größter Leistung, engl.: „Maximum Power Point“).

Claims

Solarzellenmodul (151), aufweisend eine oder mehr als eine Solarzelle, wovon jede Solarzelle aufweist: • einen Schichtstapel (331), der eine erste Transportschicht (606a), eine zweite Transportschicht (606b) und zwischen diesen eine photoaktive Schicht (604) aufweist; und • zwei Elektrodenschichten (608a, 608b), zwischen denen der Schichtstapel (331) angeordnet ist; • wobei der Schichtstapel (331) eingerichtet ist, bei Beleuchtung eine zwischen den zwei Elektrodenschichten anliegende Ausgabespannung (608a, 608b) zu erzeugen; • wobei der Schichtstapel (331) ferner derart eingerichtet ist, dass im unbeleuchteten Fall ein Stromfluss in Sperrrichtung durch den Schichtstapel (331) hindurch im Wesentlichen räumlich homogen verteilt ist; und • wobei der Stromfluss in Sperrrichtung durch den Schichtstapel im unbeleuchteten Fall hindurch bei einer angelegten Spannung in Sperrrichtung im Bereich von der dreifachen Leerlaufspannung (3·U_L) bis zu der zehnfachen Leerlaufspannung (10·U_L) größer ist als der Kurzschlussstrom der Solarzelle.
Solarzellenmodul (151) gemäß Anspruch 1, wobei durch den Schichtstapel hindurch im unbeleuchteten Fall bei einer angelegten Spannung von VMPP ein Stromfluss in Durchlassrichtung von dem 0,1-fachem des Kurzschlussstroms fließt.
Solarzellenmodul (151) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Solarzellenmodul (151) frei ist von einem zusätzlichen Bauelement, das neben oder in dem Schichtstapel angeordnet ist und den Stromfluss in Sperrrichtung vermittelt, wobei das Bauelement bevorzugt eine Bypassdiode ist.
Solarzellenmodul (151) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Transportschicht (606a) und die zweite Transportschicht (606b) eine horizontal homogene chemische Zusammensetzung und/oder elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Solarzellenmodul (151) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Transportschicht (606a) und die zweite Transportschicht (606b) in einem Grad der Homogenität ihrer elektrischen Leitfähigkeit im Wesentlichen gleich eingerichtet sind.
Solarzellenmodul (151) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schichtstapel (331) derart eingerichtet ist, dass dieser dem Stromfluss, wenn die Spannung in Sperrrichtung anliegt, eine energetische Barriere bereitstellt in einem Bereich von ungefähr 0,1 Elektronenvolt bis ungefähr 0,5 Elektronenvolt, bevorzugt in einem Bereich von ungefähr 0,1 Elektronenvolt bis ungefähr 0,2 Elektronenvolt.
Solarzellenmodul (151) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Transportschicht (606a) und/oder die zweite Transportschicht (606b) jeweils aufweisen: • ein erstes Material (ETL, HTL) eines ersten Leitungstyps; und • ein zweites Material (ETL, HTL) eines zweiten Leitungstyps; • wobei bevorzugt der erste Leitungstyp löcherleitend und der zweite Leitungstyp elektronenleitend ist; oder der zweite Leitungstyp löcherleitend und der erste Leitungstyp elektronenleitend ist.
Solarzellenmodul (151) gemäß Anspruch 7, • wobei das erste Material (ETL, HTL) in das zweite Material (ETL, HTL) eingebracht ist; oder • wobei das zweite Material (ETL, HTL) in das erste Material (ETL, HTL) eingebracht ist; • wobei bevorzugt ein Stoffmengenverhältnis zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material in einem Bereich ist von ungefähr 5 bis ungefähr 10.
Solarzellenmodul (151) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die erste Transportschicht (606a) und/oder die zweite Transportschicht (606b) jeweils aufweisen: • eine erste Teilschicht (702) aus dem ersten Material (ETL, HTL); und • eine zweite Teilschicht (704) aus dem zweiten Material (ETL, HTL), • wobei die erste Teilschicht (702) und die zweite Teilschicht (704) bevorzugt einen Halbleiterübergang bilden.
Solarzellenmodul (151) gemäß Anspruch 9, wobei sich die erste Teilschicht (702) und die zweite Teilschicht (704) in ihrer Schichtdicke voneinander unterscheiden, wobei bevorzugt die Schichtdicke der ersten Teilschicht (702) oder der zweiten Teilschicht (704) in einem Bereich ist von ungefähr 1 Nanometer bis ungefähr 20 Nanometer.