DE102022108554A1

DE102022108554A1 - 3T-Tandem-Solarzelle, Tandem-Solarzellenmodul und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102022108554A1
Application number: DE102022108554.6A
Authority: DE
Inventors: Guillermo Antonio Farias Basulto; Tobias Bertram; Rutger Schlatmann
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2022-04-08
Filing date: 2022-04-08
Publication date: 2023-10-12
Also published as: WO2023193848A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine 3T-Tandem-Solarzelle, ein Tandem-Solarzellenmodul und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen. Die erfindungsgemäße 3T-Tandem-Solarzelle umfasst mindestens eine erste Solarzelle (11, 11'), umfassend eine erste Absorberschicht (11-2, 11'-2), die zwischen einer ersten Elektrode (11-1, 11'-1) auf einer Seite der ersten Solarzelle (11, 1 1') eingerichtet ist, die dem einfallenden Licht (100) zugewandt ist, und eine erste transparente leitfähige Schicht (11-3, 11'-3) auf einer Seite der ersten Solarzelle (11, 11'), die von dem einfallenden Licht (100) abgewandt ist, wobei die erste Solarzelle (11, 11') auf einer Solarzelle (12, 12') eingerichtet ist, die eine zweite Absorberschicht (12-2, 12'-2), die zwischen einer zweiten Elektrode (12-1, 12'-1) auf einer Seite der zweiten Solarzelle (12, 12'), die von dem einfallenden Licht (100) abgewandt ist, und einer zweiten transparenten leitfähigen Schicht (12-3, 12'-3) auf einer Seite der zweiten Solarzelle, die dem einfallenden Licht (100) zugewandt ist, eingerichtet ist. Erfindungsgemäß ist eine Verbindungsschicht (13), die zwischen der ersten und der zweiten Solarzelle (11, 11', 12, 12') eingerichtet, wobei die Verbindungsschicht (13) eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Solarzelle (11, 11', 12, 12') bildet und wobei die Verbindungsschicht (13) ein elektrisch leitfähiges, einstückiges Leitungselement (13-3, 13'-3) umfasst, das konfiguriert und eingerichtet ist, um die elektrisch leitfähige Verbindung zu bilden und wobei das Leitungselement (13-3, 13'-3) in einem Einbettungsmittel (13-2) eingebettet ist und mit einer dritten Elektrode (13-1, 13'-1) der mindestens einen Tandem-Solarzelle (10, 10') verbunden ist oder diese integral bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine 3T-Tandem- Solarzelle, insbesondere zur Verschaltung in einem Solarzellenmodul, ein Tandem-Solarzellenmodul und ein Verfahren zum Herstellen der 3T-Tandem-Solarzelle.
Tandem-Solarzellen sind im Stand der Technik bekannt. Eine Tandem-Solarzelle umfasst zwei Solarzellen - eine erste Solarzelle („obere Zelle“) und eine zweite Solarzelle („untere Zelle“), die übereinandergestapelt sind, wobei die erste Solarzelle Licht in einem anderen Wellenlängenbereich absorbiert als die zweite Solarzelle. Auf diese Weise ist die Energieausbeute in dem Wellenlängenbereich, in dem das Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt werden kann, effizienter.
Dünnschicht-Solarzellen sind zu beliebten Kandidaten für Tandem-Solarzellen geworden, da sie in kostengünstigen Prozessen hergestellt werden können.
Die erste Solarzelle ist üblicherweise mit einer ersten Elektrode („obere Elektrode“) und die zweite Solarzelle mit einer zweiten Elektrode („untere Elektrode“) kontaktiert, die als (elektrische) Anschlüsse (engl.: terminals, „T“) dienen, so dass eine sogenannte 2T-Tandem-Solarzelle (2T von engl.: two terminals, deutsch: zwei Anschlüsse) entsteht.
Tandem-Solarzellen liegen in verschiedenen Konfigurationen zur Verschaltung bzw. in Ausstattung mit Anschlüssen zur Verschaltung oder zum Abgreifen von Strom oder Spannung vor. In einer sogenannten 2T-Tandem-Solarzelle sind die Solarzellen in Reihe geschaltet, wobei die erste und die zweite Elektrode die Kontakte sind, welche die elektrische Spannung in jeweils einem Anschluss zum Abgreifen bereitstellen. In einer sogenannten 4T-Tandem-Solarzelle ist jede Solarzelle separat kontaktiert und die elektrische Spannung und der Strom für jede Zelle wird einzeln abgegriffen, d. h. jede Zelle weist eine Komplementärelektrode auf.
Eine dritte Konfiguration wird als 3T-Tandem-Solarzelle bezeichnet, die so aufgebaut ist, dass durch eine, zwischen den beiden Solarzellen eingerichteten Verbindungsschicht eine dritte Elektrode als Anschluss bereitgestellt ist, die sowohl die erste als auch die zweite Solarzelle kontaktiert. 3T-Tandem-Solarzellen sind z.B. in Form von Silizium-Perowskit-Tandem-Solarzellen realisiert, bei denen der Rückkontakt in mehrere Kontakte mit selektiver n- oder p-Dotierung aufgeteilt werden kann, z.B. wie bei sogenannten IBC-Verschaltungen (von engl. interdigitated Back Contact). Den Hauptvorteil der 3T-Konfiguration bildet die Möglichkeit, eine obere und eine untere Solarzelle mechanisch zu verbinden, was ein seitliches Abgreifen des zwischen der oberen und unteren Solarzelle erzeugten Stroms (bzw. Spannung) ermöglicht (ohne die untere Solarzelle selektiv zu dotieren).
Die Herstellung von 3T-Tandem-Solarzellen für ein Tandem-Solarzellenmodul, das eine Vielzahl, mindestens aber zwei solcher 3T-Tandem-Solarzellen umfasst, ist jedoch eine Herausforderung, insbesondere im Hinblick auf die dritte Elektrode bzw. den dritten Anschluss. Darüber hinaus wäre es vorteilhaft, mehrere 3T-Tandem-Solarzellen in Reihe in einem Modul zu verschalten.
Dieses Problem wurde teilweise angegangen von Talysa R Klein et al 2021 J. Phys. D: Appl. Phys. 54, 184002; https://doi.org/10.1088/1361-6463/abe2c4.
Die Autoren dieses Beitrags präsentieren eine Tandem-Solarzelle, die eine erste und eine zweite Solarzelle mit einer zwischen den Zellen eingerichteten Verbindungsschicht umfasst, wobei die Verbindungsschicht eine Vielzahl von silberbeschichteten Kugeln beinhaltet, die konfiguriert und eingerichtet sind, um die erste und die zweite Solarzelle zu kontaktieren. Diese Art der Kontaktierung ermöglicht grundsätzlich eine 3T-Tandem-Solarzelle. Jeder Kontakt einer Kugel mit der ersten oder zweiten Solarzelle umfasst jedoch zwangsläufig einen ohmschen Widerstand. Da zudem ein elektrischer Strom die Kontakte der Kugeln mit den Kontaktierungsschichten der ersten und der zweiten Solarzelle mehrfach durchqueren muss, um zum Rand der Tandem-Solarzelle zu gelangen, an dem der Strom in einem Anschluss abgegriffen werden kann, wird der Wirkungsgrad einer solchen Konfiguration aufgrund ohmscher Verluste an den Kontakten der Kugeln erheblich reduziert. Dieser Ansatz ermöglicht ferner nur das vertikale Abgreifen eines elektrischen Stroms. Ein seitliches Abgreifen ist nicht möglich.
Daher besteht ein Bedarf an einer verbesserten Tandem-Solarzelle, die eine 3T-Konfiguration aufweist.
Das Problem wird durch eine 3T-Tandem-Solarzelle nach Anspruch 1, ein Tandem-Solarzellenmodul nach der erfindungsgemäßen Tandem-Solarzelle gemäß Anspruch 9 und ein Verfahren zur Herstellung eines Tandem-Solarzellenmoduls gemäß Anspruch 13 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Im Sinne der Erfindung und dieser Beschreibung betrifft im Folgenden der Begriff Anschluss, ein Mittel einen Strom oder eine Spannung aus einer Tandem-Solarzelle oder einem Tandem-Solarzellenmodul abzugreifen. Dies betrifft insbesondere von der 3T-Tandem-Solarzelle umfasste Elektroden und andere Mittel zur Leitung von elektrischem Strom.
Der Begriff Elektrode betrifft in der Beschreibung der Erfindung ein Mittel, welches ein Elektronenleiter ist und mit einer Gegenelektrode (Anode - Kathode) zusammenwirkt, wobei die Elektroden mit einem unmittelbar oder mittelbar zwischen Ihnen angeordneten Absorber elektrisch kontaktiert sind. Elektroden können dabei immer als Anschlüsse (engl. terminals, „T“) Verwendung finden.
Ein Absorber im Sinne der Erfindung und dieser Beschreibung betrifft ein Material das Licht absorbiert und in dem durch die Absorption Ladungsträger generiert werden. Zur Komplettierung einer Solarzelle ist hier immer mitgedacht, einen Absorber gegebenenfalls auf geeignete Art zur Stromerzeugung zu komplettieren, z.B. durch einen p-n- oder p-i-n-Übergang, gegebenenfalls durch geeignete Dotierung darzustellen, oder z.B. durch selektive Kontakte.
Leitfähig ist immer im Sinne von elektrisch leitfähig verwendet und betrifft eine elektrische Leitfähigkeit von ≥ 1·10⁵ S/m.
Die erfindungsgemäßen 3T-Tandem-Solarzellen und Tandem-Solarzellenmodule sind durch die folgende Beschreibung und die Patentansprüche nicht beschränkt auf die hier gemachten Ausführungen zu vorgesehenen Schichten. Eine Ausgestaltung mit weiteren funktionalen Schichten steht dem Fachmann frei.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine 3T-Tandem-Solarzelle, welche mindestens die folgenden Komponenten umfasst:

- eine erste Solarzelle, mindestens umfassend eine erste Absorberschicht, die zwischen einer ersten Elektrode, welche auf einer Seite der ersten Solarzelle angeordnet ist, die im Betrieb einem einfallenden Licht zugewandt ist und einer ersten transparenten leitfähigen Schicht, welche auf einer Seite der ersten Solarzelle angeordnet ist, die im Betrieb dem einfallenden Licht abgewandt ist, angeordnet ist,
- eine zweite Solarzelle, die eine zweite Absorberschicht umfasst, die zwischen einer zweiten Elektrode, welche auf einer Seite der zweiten Solarzelle angeordnet ist, die im Betrieb dem einfallenden Licht abgewandt ist und einer zweiten transparenten leitfähigen Schicht, welche auf einer Seite der zweiten Solarzelle angeordnet ist, die im Betrieb dem einfallenden Licht zugewandt ist, angeordnet ist und
- eine zwischen der ersten und der zweiten Solarzelle eingerichtete Verbindungsschicht, wobei die Verbindungsschicht eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der ersten Solarzelle und der zweiten Solarzelle bildet in dem die Verbindungsschicht mindestens ein elektrisch leitfähiges, einstückiges Leitungselement umfasst und wobei das mindestens eine Leitungselement in einem Einbettungsmittel unter Beibehaltung von Kontaktpunkten zu den ersten und zweiten transparenten leitfähigen Schichten eingebettet ist und wobei das mindestens eine Leitungselement eine dritte Elektrode der 3T-Tandem-Solarzelle bildet oder mit dieser verbunden ist.

Die erfindungsgemäße 3T-Tandem-Solarzelle stellt eine robuste Verbesserung der aus dem Stand der Technik bekannten 3T-Tandem-Solarzellen bereit. Die Verwendung mindestens eines, in der Verbindungsschicht eingebetteten Leitungselements, das einerseits die erste und die zweite Solarzelle kontaktiert und andererseits die dritte Elektrode bildet oder mit ihr verbunden ist, ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Herstellung der erfindungsgemäßen 3T-Tandem-Soalrzelle.
Die 3T-Tandem-Solarzelle ist dabei insbesondere eine Dünnschicht-Tandem-Solarzelle, in der die Absorberschichten als Dünnschichten ausgeführt sind. Als Dünnschichten werden üblicherweise Schichten im Bereich von einigen Nanometern (1 nm) bis einigen zig Mikrometern (50 µm) bezeichnet.
Die erste Elektrode kann als eine Schicht ausgebildet sein, welche die erste Absorberschicht bedeckt. In diesem Fall ist die erste Elektrode, die im Betrieb der 3T-Tandem-Solarzelle dem Lichteinfall zugewandt ist, transparent. Zum Beispiel kann die transparente erste Elektrode aus Indiumzinkoxid (IZO) oder einem anderen transparenten leitfähigen Oxid (TCO) bestehen oder dieses umfassen.
Alternativ kann die erste Elektrode nicht transparent sein und z.B. aus einer metallischen Verbindung bestehen, und ist in diesem Fall nicht als Schicht ausgeführt, so dass ein Lichteinfall in die 3T-Tandem-Solarzelle gewährleistet bleibt.
In ähnlicher Weise kann die zweite Elektrode transparent sein, aber auch ein Metall oder eine Metallverbindung, wie Molybdän, umfassen, das auch in Form von Kontaktfingern als Elektrode ausgeführt sein kann. Die zweite Elektrode kann auch als eine Schicht ausgebildet sein, welche die zweite Absorberschicht auf der dem einfallenden Licht abgewandten Seite bedeckt.
Die erste Solarzelle ist so konfiguriert, dass sie Licht in einem ersten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums absorbiert und als Reaktion auf die Absorption des Lichts Ladungsträger erzeugt. Die zweite Solarzelle ist so konfiguriert, dass sie Licht in einem zweiten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums absorbiert und als Reaktion auf die Absorption des Lichts Ladungsträger erzeugt. Der erste und der zweite Wellenlängenbereich sind voneinander verschieden. Insbesondere ist der erste Wellenlängenbereich gegenüber dem zweiten Wellenlängenbereich blauverschoben. Er kann jedoch auch gegenüber dem zweiten Wellenlängenbereich rotverschoben sein.
Das Einbettungsmittel ist zum Beispiel ein elektrisch isolierendes Polymer oder in vorteilhafter Weise ein elektrisch isolierender Thermoplast. Als elektrisch isolierend im Sinne der Erfindung sind alle Materialien anzusehen, die einen spezifischen Widerstand von ≥ 10¹⁰ Ω·cm aufweisen.
Die dritte Elektrode kann durch eine Sammelschiene gebildet werden, die mit einem oder mehreren Enden des mindestens einen Leitungselements oder der Leitungselemente verbunden ist, oder durch das Leitungselement selbst gebildet sein.
Das mindestens eine Leitungselement kann ein metallisches Leitungselement sein, das in einem einzigen Stück ausgebildet ist. Insbesondere kann das Leitungselement als Draht ausgebildet sein, der auch als Litze mit mindestens zwei Einzeldrähten ausgebildet sein kann. Die Anordnung von mehreren Drähten oder Litzen ist von der Erfindung mit umfasst.
Die 3T-Tandem-Solarzelle ist in mehrfacher Ausführung insbesondere zu einem Tandem-Solarmodul verschaltet oder direkt in einem Tandem- Solarmodul ausgeführt, wie es auch einem zweiten Aspekt der Erfindung entspricht.
Insbesondere in einem Tandem-Solarzellenmodul mit mehr als einer 3T-Tandem-Solarzelle ist die dritte Elektrode der letzten 3T-Tandem-Solarzelle in einer Reihe von Tandem-Solarzellen, für die externe Kontaktierung zugänglich und bildet dort die dritte Elektrode oder kann mit einer solchen kontaktiert sein, wodurch ein dritter Anschluss (engl. terminal) im Solarmodul gebildet ist.
Das mindestens eine Leitungselement kontaktiert die erste und die zweite Solarzelle in einer 3T-Tandem-Solarzelle durch mehrere Kontaktpunkte und ermöglicht einen zugänglichen dritten Anschluss (terminal). Die Kontaktpunkte sind bei der Einbettung des mindestens einen Leitungselements beibehalten.
Die Kontaktpunkte können dabei von unterschiedlicher Größe sein und gegebenenfalls unter dem Gesichtspunkt gebildeter Widerstände in Größe und Anzahl optimiert werden.
In dem Fall, dass die dritte Elektrode einer 3T-Tandem-Solarzelle nicht die letzte dritte Elektrode im Tandem-Solarzellenmodul der in Reihe geschalteten 3T-Tandem-Solarzellen ist, kann die dritte Elektrode von außerhalb der Verbindungsschicht oder des Moduls nicht zugänglich sein und bildet somit nicht den dritten Anschluss.
In ähnlicher Weise kann die erste Elektrode der ersten Tandem-Solarzelle den ersten Anschluss bilden und die zweite Elektrode der ersten Tandem-Solarzelle kann den zweiten Anschluss bilden, sodass das Tandem-Solarzellenmodul stets drei Anschlüsse (3T) umfasst.
Die 3T-Tandem-Solarzelle kann monolithisch gebildet sein, d.h. die erste und die zweite Solarzelle sowie die Verbindungsschicht sind in einem Stück hergestellt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Einbettungsmittel Ethylenvinylacetat (EVA, CAS-NR: 24937-78-8) oder ein Poly-Olefin-Elastomer (POE), wobei das Einbettungsmittel der Tandem-Solarzelle insbesondere auch mechanische Stabilität verleiht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die erste Absorberschicht eine erste Perowskitschicht oder eine erste Chalkopyrit-Absorberschicht, insbesondere eine CIGS-Schicht, und/oder wobei die zweite Absorberschicht eine zweite Chalkopyrit-Absorberschicht, insbesondere eine CIGS-Schicht, oder eine zweite Perowskitschicht, umfasst.
Die erste Absorberschicht kann insbesondere eine höhere Bandlücke aufweisen als die zweite Absorberschicht.
Alternativ ist oder umfasst die erste oder die zweite Absorberschicht amorphes oder kristallines Silizium.
Der Begriff „Perowskit“ bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Patentschrift insbesondere auf eine Molekülstruktur mit der allgemeinen Molekülformel ABX3, die in der Struktur des Minerals Perowskit kristallisiert ist, und die zum Beispiel als Bestandteil A Methylammonium (MA), Cäsium (Cs) und/oder Formamidinium (FA) aufweist, während der Bestandteil B häufig durch Blei (Pb) gegeben ist. X steht zum Beispiel für Jod (I), Brom (Br) und/oder Chlor (Cl) oder eine Mischung dieser Elemente.
Die erste oder zweite Absorberschicht, die Perowskit umfasst, kann die Summenformel Cs_0,05(FA_0,83MA_0,17)_0,95Pb(I_0,83Br_0,17)₃ aufweisen. Variationen der relativen Anteile der Bestandteile können ebenso eine funktionelle Absorberschicht bereitstellen.
Es ist zu beachten, dass die Absorberschicht -wie z.B. Chalkopyrit, CIGS oder Perowskit- ferner eine Vielzahl von Schichten aus verschiedenen Materialien und Verbindungen umfassen kann, die auf ein Absorbermaterial aufgebracht sind, so dass die Solarzelle Ladungsträger erzeugt.
Zum Beispiel können in dem Fall, dass die zweite, d. h. die untere Solarzelle Chalkopyrit, z. B. CIGS, in der zweiten Absorberschicht umfasst, zusätzliche Schichten, welche die zweite Absorberschicht umfasst, z. B. CdS, i-ZnO und/oder ZnO:Al sein.
In dem Fall, dass die erste, d. h. die oberste Solarzelle Perowskit in der ersten Absorberschicht umfasst, können die zusätzlichen Schichten in der ersten Absorberschicht eines oder mehreres von z. B. NiO_x, PTAA, C₆₀, SnO₂, IZO (Indiumzinkoxid), LiF sein.
Diese zusätzlichen Schichten können zu einer verbesserten Ladungsträgerextraktion und Leitung beitragen und/oder das sogenannte „Shunting“ der Solarzellen der Tandem-Solarzelle verhindern. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel eine NiO_x-Unterschicht auf die erste Solarzelle aufgebracht werden.
Alle Absorberschichten sind insbesondere als Dünnschichten ausführbar.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die erste Absorberschicht eine selbstorganisierende Monoschicht (engl. self-assembled monolayer, SAM) als lochleitende Schicht umfassen, wobei der SAM z.B. 2PACz (CAS-Nr: 20999-38-6) und/oder MeO-2PACz (Cas-Nr: 2377770-18-6) umfasst.
Die von der 3T-Tandem-Solarzelle umfassten Absorber in den Solarzellen können z.B. in Kombination von Perowskit als erste Absorberschicht und CIGS als zweite Absorberschicht gebildet sein..
Eine weitere mögliche Kombination ist Chalkopyrit, wie CIGS, als erste Absorberschicht und Perowskit als zweite Absorberschicht.
Die Kombination der Absorberschichten in der Tandem-Solarzelle ist auch als Chalkopyrit, wie CIGS, als erste und zweite Absorberschicht möglich oder Perowskit als erste und zweite Absorberschicht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kontaktiert das mindestens eine Leitungselement die erste transparente leitfähige Schicht und die zweite transparente leitfähige Schicht an einem oder mehreren Kontaktpunkten der beiden leitfähigen Schichten, wobei ein elektrischer Strom von Ladungsträgern in dem mindestens einen Leitungselement, der von der ersten Absorberschicht und der zweiten Absorberschicht erzeugt wird, in Richtung der dritten Elektrode fließen kann oder fließt, ohne über den Kontakt zurück zur ersten oder zweiten transparenten leitfähigen Schicht zurückzukehren, insbesondere so, dass ein kumulativer Kontaktwiderstand der Tandem-Solarzelle reduziert oder minimiert wird.
Im Stand der Technik (Talysa R Klein et al 2021), in dem die Verbindungsschicht eine Vielzahl von silberbeschichteten Kugeln umfasst, können die Ladungsträger nicht in Richtung einer dritten Elektrode in den Kugeln fließen, ohne entlang der Kontakte, die durch die Kugeln mit den leitfähigen Schichten gebildet sind, hin und her zu wandern, was dazu führt, dass sie einen vergleichsweise höheren Widerstand und ohmsche Verluste zu aufweist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich das mindestens eine Leitungselement in einer Ebene der Verbindungsschicht, die sich im Wesentlichen parallel zu einer dem einfallenden Licht zugewandten Oberfläche, der mindestens einen Tandem-Solarzelle erstreckt.
Der Begriff „parallel“ im Kontext einer Schicht bezieht sich insbesondere auf eine lokale Parallelität, da die Schichten der Tandem-Solarzelle bei mikroskopischer Betrachtung eine vergleichsweise raue Oberfläche und Schichtstruktur aufweisen können. Aus diesem Grund ist der Begriff „parallel“ in einem weiten Sinne auszulegen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich das mindestens eine Leitungselement innerhalb der Verbindungsschicht, insbesondere so, dass das mindestens eine Leitungselement die erste und die zweite transparente leitfähige Schicht einmal oder mehrmals kontaktiert und dadurch den einen oder die mehreren Kontaktpunkte bildet.
Daher kann sich das mindestens eine Leitungselement mäanderförmig innerhalb der Verbindungsschicht erstrecken, insbesondere so, dass eine Vielzahl von Kontaktpunkten gebildet wird. Diese Ausführungsform ermöglicht eine ausfallsichere Kontaktierung der ersten und der zweiten transparenten leitfähigen Schicht aufgrund der Redundanz, die durch eine Vielzahl von Kontaktepunkten bereitgestellt wird.
Alternativ dazu kann sich das mindestens eine Leitungselement innerhalb der Verbindungsschicht erstrecken, sodass im Wesentlichen nur ein Kontaktpunkt bzw. eine Kontaktstrecke oder Kontaktebene für jede leitfähige Schicht gebildet wird, sodass das mindestens eine Leitungselement im Wesentlichen einen kontinuierlichen Kontakt zwischen der ersten und der zweiten transparenten leitfähigen Schicht bildet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist in Bereichen innerhalb der ersten Solarzelle, in denen die erste Absorberschicht weder mit der ersten leitfähigen Schicht verbunden oder von dieser kontaktiert noch mit der ersten Elektrode verbunden oder von dieser kontaktiert wird, eine erste elektrisch isolierende Schicht um die erste Absorberschicht eingerichtet, sodass in diesen Bereichen die erste Absorberschicht von der Verbindungsschicht elektrisch isoliert ist, und/oder wobei in Bereichen innerhalb der zweiten Solarzelle, in denen die zweite Absorberschicht weder mit der zweiten leitfähigen Schicht verbunden ist oder von dieser kontaktiert wird, noch mit der zweiten Elektrode verbunden ist oder von dieser kontaktiert wird, eine zweite elektrisch isolierende Schicht um die zweite Absorberschicht eingerichtet ist, sodass in diesen Bereichen die zweite Absorberschicht von der Verbindungsschicht elektrisch isoliert ist.
Diese Ausführungsform ermöglicht eine vollständige elektrische Isolierung der ersten und/oder zweiten Absorberschicht von der Verbindungsschicht, sodass das Risiko eines Kurzschlusses zwischen den Komponenten der Tandem-Solarzelle minimiert wird.
Die erste und/oder zweite isolierende Schicht kann intrinsische Materialien wie Siliziumoxid (SiO_x) oder undotiertes ZnO umfassen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die erste isolierende Schicht so eingerichtet, dass die erste Elektrode von dem mindestens einen Leitungselement elektrisch isoliert ist und/oder wobei die zweite Isolierschicht so eingerichtet ist, dass die zweite Elektrode von dem mindestens einen Leitungselement elektrisch isoliert ist. Insbesondere sind bei der Tandem-Solarzelle die erste und/oder die zweite isolierende Schicht so eingerichtet, dass mindestens ein Kontaktierungsbereich für eine dritte Elektrode aus einer anderen Tandem-Solarzelle frei bleibt, insbesondere so, dass diese dritte Elektrode mit der ersten und/oder der zweiten Elektrode der Tandem-Solarzelle kontaktiert werden kann. Auf diese Weise kann eine Reihenschaltung zwischen zwei Tandem-Solarzellen hergestellt werden.
Die 3T-Tandem-Solarzelle ist auch mit einer transparenter oberer Schutzschicht, vom Fachmann auch als Superstrat bezeichnet, die auf der ersten Solarzelle eingerichtet ist ausführbar, wobei die obere Schutzschicht im Betrieb dem einfallenden Licht zugewandt ist oder so konfiguriert ist, dass sie diesem zugewandt ist, und wobei die mindestens eine Tandem-Solarzelle ferner ein unteres Substrat umfasst, das auf der zweiten Solarzelle eingerichtet ist, wobei das untere Substrat im Betrieb von dem einfallenden Licht abgewandt ist oder so konfiguriert ist, dass es von diesem abgewandt ist.
Das obere und das untere Substrat können dabei jeweils als flexible Schicht ausgebildet sein, sodass sich die Tandem-Solarzelle bzw. ein entsprechendes Tandem-Solarzellenmodul an eine gekrümmte oder flexible Oberfläche anpassen kann oder angepasst ist.
Zu diesem Zweck können das erste und das zweite Substrat eine transparente Polymerschicht umfassen.
Das obere und das untere Substrat können aber auch unflexibel sein, sodass eine starre Tandem-Solarzelle bzw. ein starres Tandem-Solarzellenmodul gebildet ist.
Zu diesem Zweck können das obere und das untere Substrat Glas umfassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung bilden mindestens eine erste und eine zweite 3T-Tandem-Solarzelle ein Tandem-Solarzellenmodul, wobei die mindestens eine erste und die eine zweite Tandem-Solarzelle elektrisch in Reihe geschaltet sind und wobei die Elektrode, gebildet oder verbunden mit dem mindestens einen Leitungselement in der Verbindungsschicht der ersten Tandem-Solarzelle elektrisch mit der ersten und/oder der zweiten Elektrode der zweiten Tandem-Solarzelle verbunden ist.
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Tandem-Solarzellenmodul monolithisch gefertigt sein, d. h. die erste und die zweite Tandem-Solarzelle sind monolithisch in jeweils einem Verfahren ausgebildet.
Das Tandem-Solarzellenmodul gemäß diesem zweiten Aspekt der Erfindung lehrt eine verbesserte Art, die beiden Tandem-Solarzellen in Reihe zu schalten, indem es die vergleichsweise geringe Komplexität der Verbindungsschicht mit dem mindestens einen Leitungselement ausnutzt.
Während die mindestens erste und zweite 3T-Tandem-Solarzelle jeweils mindestens ein eigenes Leitungselement umfassen, kontaktiert die dritte Elektrode der ersten 3T-Tandem-Solarzelle die zweite Tandem-Solarzelle, sodass eine Reihenschaltung entsteht.
Insbesondere sind das mindestens eine Leitungselement der mindestens ersten 3T-Tandem-Solarzelle und das mindestens eine Leitungselement der mindestens zweiten 3T-Tandem-Solarzelle nicht direkt elektrisch miteinander verbunden. Insbesondere sind die Leitungselemente durch das elektrisch isolierende Einbettungsmittel voneinander isoliert.
Gemäß einer Ausführungsform sind die dritte Elektrode der ersten 3T-Tandem-Solarzelle und das mindestens eine Leitungselement der zweiten 3T-Tandem-Solarzelle elektrisch voneinander isoliert, wobei das mindestens eine Leitungselement und die dritte Elektrode durch das Einbettungsmittel der Verbindungsschicht der ersten und/oder zweiten 3T-Tandem-Solarzelle isoliert sind, sodass ein Ladungsträgerstrom nicht direkt von der dritten Elektrode der ersten 3T-Tandem-Solarzelle zum mindestens einen Leitungselement der zweiten 3T-Tandem-Solarzelle fließen kann.
Diese Ausführungsform ermöglicht eine Reihenschaltung der mindestens zwei 3T-Tandem-Solarzellen, die dabei einstückig -monolithisch- gebildet sind.
In der monolithischen Ausführung eines erfindungsgemäßen 3T-Tandem-Solarzellenmoduls sind die ersten Elektroden der mindestens ersten und zweiten 3T-Tandem-Solarzelle mittels eines ersten Isolierschnitts, der so zwischen den ersten Elektroden eingerichtet ist, dass die erste Absorberschicht der ersten 3T-Tandem-Solarzelle von der ersten Absorberschicht der zweiten 3T-Tandem-Solarzelle elektrisch isoliert ist, voneinander elektrisch isoliert, und wobei die zweiten Elektroden der ersten und der zweiten 3T-Tandem-Solarzelle mittels eines zweiten Isolierschnitts, der so zwischen den zweiten Elektroden eingerichtet ist, dass die zweite Absorberschicht der ersten 3T-Tandem-Solarzelle von der zweiten Absorberschicht der zweiten 3T-Tandem-Solarzelle elektrisch isoliert ist, elektrisch voneinander isoliert sind.
Insbesondere sind die erste und/oder die zweite Elektrode an dem ersten und/oder dem zweiten Isolierschnitt physisch voneinander getrennt, d. h. mittels einer Rille, die durch ein mechanisches Werkzeug oder ein optisches Ritzen, wie z. B. mit Laserablation zu verwirklichen, hergestellt wurde.
Ein Isolierschnitt, auch als Trennfuge anzusprechen, ist im Sinne der Erfindung so ausgeführt, dass die durch ihn getrennten Schichten, insbesondere die Elektroden, elektrisch voneinander isoliert werden.
Diese Ausführung ermöglicht die Herstellung einer Vielzahl von 3T-Tandem-Solarzellen, die zum Beispiel auf einstückigen Substraten und Schichten hergestellt werden und die in geeigneter Weise elektrisch isoliert sind, sodass die Vielzahl trotz der Bildung in einstückigen Substraten und Schichten vergleichsweise mühelos hergestellt werden kann.
Gemäß einer anderen Ausführung der Erfindung sind die ersten Elektroden der mindestens ersten und der zweiten 3T-Tandem-Solarzelle in ein Solarzellenmodul integriert z. B. als erstes Elektrodensubstrat ausgebildet und mittels eines mechanischen Ritz- oder eines Laserabtragsverfahrens getrennt, wodurch der erste Isolierschnitt erzeugt und insbesondere die mindestens zwei ersten Elektroden gebildet werden, und wobei die zweiten Elektroden zu der mindestens ersten und zweiten 3T-Tandem-Solarzelle integriert z. B. als zweites Elektrodensubstrat ausgebildet und mittels eines mechanischen Ritz- oder eines Laserabtragsverfahrens getrennt sind, wodurch der zweite Isolierschnitt erzeugt und insbesondere die zweiten Elektroden der mindestens zwei 3T-Tandem-Solarzellen gebildet werden.
Diese Ausführungsform spezifiziert die Vorteile und die möglichen Herstellungsoptionen in Bezug auf einstückige Elektrodensubstrate.
Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung umfasst das Tandem-Solarzellenmodul mindestens eine erste und eine zweite 3T-Tandem-Solarzelle, die elektrisch parallelgeschaltet sind.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Tandem-Solarzellenmoduls, umfassend mindestens zwei erfindungsgemäße 3T-Tandem-Solarzellen, offenbart, wobei das Verfahren im Wesentlichen die folgenden Schritte umfasst:

a) Herstellen einer Vielzahl von ersten, d. h. oberen Solarzellen auf einem Superstrat;
b) Herstellen einer Vielzahl von zweiten, d. h. unteren Solarzellen auf einem Substrat;
c) Verbinden der ersten und zweiten Solarzellen über eine Verbindungsschicht, wobei die Verbindungsschicht ein elektrisch isolierendes Einbettungsmittel und für jedes Paar von ersten und zweiten Solarzellen einer 3T-Tandem-Solarzelle mindestens ein Leitungselement umfasst, wobei jedes Leitungselement so ausgeführt und angeordnet ist, dass es eine dritte Elektrode bildet oder mit einer solchen elektrisch kontaktiert ist.

Detaillierte Schritte der Herstellung sind im Folgenden offenbart.
Es wird betont, dass die Herstellung der oberen und unteren Solarzellen einzeln und getrennt erfolgt, z.B. indem ein Substrat-Prozess für die zweiten (unteren) Solarzellen, die z. B. CIGS umfassen, und ein Superstrat-Prozess für die ersten (oberen) Solarzellen, die z. B. Perowskit umfassen, angewendet werden. Sobald die oberen und die unteren Solarzellen gebildet sind, werden die Solarzellen in Sandwichbauweise zusammengefügt, was Vorteile gegenüber Tandem-Solarmodulen aufweist, die in einem monolithischen Prozess Schicht für Schicht gebildet werden.
Die von dem Verfahren umfassten Schritte im Detail sind die folgenden:

i) Schneiden eines ersten Elektrodensubstrats, um die ersten Elektroden der mindestens ersten und zweiten 3T-Tandem-Solarzelle zu bilden, wodurch mindestens ein erster Isolierschnitt zwischen den ersten Elektroden gebildet wird;
ii) Schneiden eines zweiten Elektrodensubstrats, um die zweiten Elektroden der mindestens ersten und zweiten 3T-Tandem-Solarzelle zu bilden, wodurch mindestens ein zweiter Isolierschnitt zwischen den zweiten Elektroden gebildet wird;
iii) Erzeugen, z. B. durch Aufbringen oder Aufwachsen, einer ersten Absorberschicht der mindestens ersten und zweiten 3T-Tandem-Solarzelle in einem Stück auf den ersten Elektroden, wodurch der erste Isolierschnitt mit dem Material der ersten Absorberschicht gefüllt werden kann;
iv) Erzeugen, z. B. durch Aufbringen oder Aufwachsen, einer zweiten Absorberschicht der mindestens ersten und zweiten 3T-Tandem-Solarzelle in einem Stück auf den zweiten Elektroden, wodurch der zweite Isolierschnitt durch das Material der zweiten Absorberschicht gefüllt werden kann;
v) Erzeugen einer ersten transparenten leitfähigen Schicht in einem Stück auf der ersten Absorberschicht;
vi) Erzeugen einer zweiten transparenten leitfähigen Schicht in einem Stück auf der zweiten Absorberschicht;
vii) Schneiden der einstückigen ersten Absorberschicht und der einstückigen ersten transparenten leitfähigen Schicht mittels eines mechanischen Ritzens oder eines Laserablationsverfahrens, sodass mindestens zwei erste Solarzelle erzeugt werden;
viii) Schneiden der einstückigen zweiten Absorberschicht und der einstückigen zweiten transparenten leitfähigen Schicht mittels eines mechanischen Ritzens oder eines Laserablationsverfahrens, sodass mindestens zwei zweite Solarzelle erzeugt werden;
ix) Anordnen und Ausrichten eines mindestens ersten Leitungselements und eines separaten mindestens zweiten Leitungselements, und Einbettung der Leitungselemente mit einem Einbettungsmittels zwischen den ersten und den zweiten Solarzellen, sodass die Solarzellen übereinander angeordnet sind und sodass das mindestens erste Leitungselement einen oder mehrere Kontaktpunkte mit der ersten und zweiten transparenten leitfähigen Schicht einer ersten 3T-Tandem-Solarzelle bilden kann und sodass das mindestens zweite Leitungselement einen oder mehrere Kontaktpunkte mit der ersten und zweiten transparenten leitfähigen Schicht der zweiten 3T-Tandem-Solarzelle bilden kann;
x) Erwärmen der Verbindungsschichten aus Einbettungsmittel und Leitungselementen, sodass das Einbettungsmittel mit der ersten und der zweiten Solarzelle adhäsiv verbunden wird und sodass das mindestens erste und das mindestens zweite Leitungselement einen oder mehrere Kontakte mit der ersten bzw. der zweiten transparenten leitfähigen Schicht bilden.

Es ist zu beachten, dass insbesondere in den Schritten iii) und iv) die Isolierschnitte durch die -potenzielle- Befüllung mit dem Material der Absorberschichten keine elektrische Leitfähigkeit verliehen wird.
Es ist ferner zu beachten, dass der Begriff „die erste Solarzelle“ synonym mit „die obere Solarzelle“ verwendet wird. Ebenso wird der Begriff „die zweite Solarzelle“ synonym mit „die untere Tandem-Solarzelle“ verwendet. Die Adjektive „obere“ und „untere“ beziehen sich dabei auf den Lichteinfall, wobei die Seite des Lichteinfalls die obere Seite bedeutet.
Das Verfahren zur Herstellung des Tandem-Solarzellenmoduls ermöglicht eine schnelle und großtechnische Herstellung, wobei das Modul zwei oder mehr in Reihe geschaltete 3T-Tandem-Solarzellen aufweist, die erfindungsgemäß drei Anschlüsse aufweisen. Insbesondere erfolgt die Herstellung der oberen und unteren Solarzellen einzeln und getrennt, z. B. durch Anwenden eines Substrat-Prozesses für die zweiten (unteren) Solarzellen, z. B. umfassend CIGS, und eines Superstrat-Prozesses für die ersten (oberen) Solarzellen, z. B. umfassend Perowskit. Sobald die oberen und unteren Solarzellen gebildet sind, werden die Solarzellen durch die Verbindungsschicht in Sandwichbauweise zusammengefügt und durch die Leitungselemente kontaktiert.
Zum Schneiden des Isolierschnitts, der die Elektroden trennt, kann zum Beispiel eine Ritzmethode, wie sie üblicherweise für eine P1-Strukturierung verwendet wird, verwendet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfassen das mindestens erste und das mindestens zweite Leitungselement eine dritte Elektrode in dem diese mit einer solchen verbunden sind oder diese integral bilden, wobei die dritte Elektrode einer ersten 3T-Tandem-Solarzelle einen elektrischen Kontakt mit der ersten und/oder der zweiten Elektrode einer zweiten Tandem-Solarzelle in einem Trennungsschnitt zwischen den ersten Absorberschichten und den zweiten Absorberschichten bildet, insbesondere in dem Fall, dass die dritte Elektrode nicht die letzte einer Reihe von Tandem-Solarzellen ist, d. h. nicht die dritte Anschlusselektrode ist. Ein Trennungsschnitt trennt die 3T-Tandem-Solarzellen in einem Tandem-Solarzellenmodul voneinander, so dass diese als einzelne 3T-Tandemsolarzellen im Modul vorliegen, die gleichwohl miteinander zur Bildung des Moduls verschaltet sind. Die Trennungsschnitte reichen üblicherweise von der oberen Elektrode, ohne diese zu umfassen, bis zur unteren Elektrode, ohne diese zu umfassen. Diese letztgenannten Trennungsschnitte können während der Verfahrensschritte vii) und viii) gebildet werden.
Die dritte Elektrode kann eine Sammelschiene oder ein elektrisch leitfähiges Element umfassen, mit dem das mindestens eine Leitungselement verbunden ist.
In ähnlicher Weise kann die dritte Anschlusselektrode eine Sammelschiene umfassen oder sein, mit der das mindestens eine Leitungselement verbunden ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden nach Schritt viii) eine erste und eine zweite isolierende Schicht, z. B. durch ein Druck- oder ein anderes Abscheideverfahren erzeugt, insbesondere nachdem die leitfähigen Schichten und die freiliegenden Elektrodenbereiche durch ein schützendes Maskenmaterial maskiert worden sind.
Ausführungsbeispiel
Es wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel in Verbindung mit einer Figur beschrieben.

Die Figur (1) zeigt: Schematische Querschnittsansicht eines Tandem-Solarzellenmoduls mit zwei in Reihe geschalteten 3T-Tandem-Solarzellen nach der Erfindung

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Tandem-Solarzellenmoduls das eine erste und eine zweite 3T-Tandem-Solarzelle 10, 10', welche in Reihe geschaltet sind, aufweist. Die erste und die zweite 3T-Tandem-Solarzelle 10, 10' umfasst jeweils zwei übereinander angeordnete Solarzellen 11, 11', 12, 12' (Tandemanordnung). Die Begriffe „übereinander“, „Oberseite“, „Unterseite“ usw. beziehen sich insbesondere auf eine Richtung der 3T-Tandem-Solarzellen 10, 10' in Bezug auf das einfallende Licht 100, z. B. Sonnenlicht. Entsprechend diesem Begriff bezieht sich die Oberseite auf eine Seite, die dem einfallenden Licht 100 zugewandt ist oder zumindest näher an dieser Seite liegt, auf der das einfallende Licht 100 auf die 3T-Tandem-Solarzelle bzw. das Modul auftrifft, wenn diese für den Betrieb eingerichtet und ausgerichtet sind.
In ähnlicher Weise bezieht sich der Begriff „Unterseite“ auf die dem Licht abgewandte Seite. Folglich beziehen sich der Begriff „übereinander“ oder ähnliche Begriffe auf die Richtung, auch z-Achse genannt, die von der Unterseite zur Oberseite der 3T-Tandem-Solarzelle 10, 10' oder des Moduls 1 zeigt.
Die 3T-Tandem-Solarzellen 10, 10' und die Tandem-Solarzellenmodule 1 umfassen eine erste Erstreckungsrichtung (z-Achse), die sich von der unteren zur oberen Seite erstreckt.
Entlang dieser Erstreckungsrichtung sind die Schichten und Elektroden 11-1, 11'-1, 12-1, 12'-1 der 3T-Tandem-Solarzellen 10, 10' parallel zu der, von den zur Erstreckungsrichtung orthogonalen x- und y-Achse aufgespannten Ebene, planar ausgebildet.
1 zeigt einen Querschnitt entlang der x- und z-Achse. Die Darstellung ist nicht maßstabsgerecht und dient lediglich zur Orientierung über die allgemeine Anordnung der einzelnen Komponenten der 3T-Tandem-Solarzellen 10, 10' bzw. des Tandem-Solarzellenmoduls 1.
Entlang der y-Achse kann der Querschnitt einfach orthogonal zur x-z-Ebene extrudiert werden, um die 3D-Struktur der Tandem-Solarzellenmoduls 1/der 3T-Tandem-Solarzellen 10, 10' zu erhalten.
Es ist allerdings zu beachten, dass die x-, y- und z-Achse nur ein lokales Koordinatensystem bereitstellen kann, das in dem Fall, dass das Tandem-Solarzellenmodul gekrümmt eingerichtet ist, in der Ausrichtung entsprechend variieren kann.
Die allgemeine Abfolge von Schichten im Tandem-Solarzellenmodul 1 im Ausführungsbeispiel kann ausgehend von der Oberseite wie folgt zusammengefasst werden:

- (optional) eine transparente Schutzschicht 18
- eine erste Solarzelle 11,11', die mindestens Folgendes umfasst:
1. a) erste transparente Elektrode 11-1, 11'-1,
2. b) eine erste Absorberschicht 11-2, 11'-2,
3. c) eine erste transparente leitfähige Schicht 11-3, 11'-3,
- eine Verbindungsschicht 13, die ein elektrisch leitfähiges Leitungselement 13-3, 13'-3 für jede Tandem-Solarzelle 10, 10' des Moduls 1 umfasst, welches in einem Einbettungsmittel 13-2 eingebettet ist;
- eine zweite Solarzelle 12, 12', die mindestens Folgendes umfasst:
1. a) eine zweite transparente leitfähige Schicht 12-3, 12'-3,
2. b) eine zweite Absorberschicht 12-2, 12'-2,
3. c) eine zweite Elektrode 12-1, 2'-1
- ein unteres Substrat 19.

Zu diesem Zweck kann die erste Elektrode 11-1, 11'-1 aus Indiumzinkoxid (IZO) oder Indiumzinnoxid (ITO) oder einem anderen transparenten und elektrisch leitfähigen Material hergestellt werden.
Die erste Absorberschicht 11-2, 11'-2 kann eine Vielzahl verschiedener Schichten umfassen, welche die Absorberschicht 11-2, 11'-2 bilden. Typische Zusammensetzungen, Schichten und Schichtfolgen sind bekannt und nicht von spezifischer Bedeutung für die Erfindung. Zum Beispiel kann die erste Absorberschicht 11-2, 11'-2 eine CIGS- oder eine Perowskitschicht umfassen.
Die erste transparente leitfähige Schicht 11-3, 11'-3 bildet im Wesentlichen eine Elektrode der ersten Solarzelle 11, 11'. Die erste transparente leitfähige Schicht 11-3, 11'-3 kann ZnO:Al umfassen oder daraus bestehen und kann im Allgemeinen ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO) umfassen.
In ähnlicher Weise bildet die zweite transparente leitfähige Schicht 12-3, 12'-3 eine Elektrode der zweiten Solarzelle 12, 12'. Die zweite transparente leitfähige Schicht 12-3, 12'-3 kann ZnO:Al umfassen oder daraus bestehen und kann im Allgemeinen ein transparentes leitfähiges Oxid (TCO) umfassen.
Zur Kontaktierung der ersten und der zweiten Solarzelle 11,11', 12, 12' umfasst die Verbindungsschicht 13 in jeder 3T-Tandem-Solarzelle ein Leitungselement 13-3, 13'-3, insbesondere einen Draht, der die erste und die zweite Solarzelle 11, 12, 11', 12 durch Bildung mindestens eines Kontaktpunktes 13-4, 13-5, 13-6, 13-7, 13-8, 13'-4, 13'-5 auf jeder der transparenten leitenden Schichten 11-3, 11'-3, 12-3, 12'-3 elektrisch kontaktiert. Dadurch wird ermöglicht, dass die von der ersten und zweiten Solarzelle 11,11', 12, 12' erzeugten Ladungsträger zur dritten Elektrode 13-1, 13'-1 geleitet werden. Insbesondere kontaktiert das Leitungselement 13-2, 13'-2 die transparente leitfähige Schicht 11-3, 11'-3, 12-3, 12'-3 jeweils an einer Vielzahl von Kontaktpunkten. Im gezeigten Beispiel sind eine erste und zweite 3T-Tandem-Solarzelle 10, 10' elektrisch in Reihe geschaltet. Daher kontaktiert die dritte Elektrode 13-1 der ersten 3T-Tandem-Solarzelle 10 die erste und die zweite Elektrode 11'-1, 12'-1 der zweiten 3T-Tandem-Solarzelle 10', wobei die dritte Elektrode 13'-1 der zweiten Tandem-Solarzelle 10' eine Anschlusselektrode, d. h. den dritten Anschluss 13'-1, bildet.
Alternativ kann das Leitungselement 13-2, 13'-2 die erste und die zweite Solarzelle 11, 12, 11', 12 kontinuierlich kontaktieren, sodass im Wesentlichen nur ein Kontaktabschnitt gebildet wird. (Diese Ausführungsform ist nicht gezeigt.)
Das Tandem-Solarzellenmodul 1 stellt auch einen ersten und einen zweiten Anschluss bereit, nämlich an der ersten und der zweiten Elektrode der ersten Tandem-Solarzelle oder an einer leitfähigen Verbindung, die an dieser angebracht ist (nicht dargestellt).
Selbstverständlich kann sich dieses Konzept der Verschaltung von erfindungsgemäßen 3T-Tandem-Solarzellen auf drei oder mehr in Reihe verschaltete 3T-Tandem-Solarzellen 10, 10' erstrecken, solange die erste Tandem-Solarzelle 10 den ersten und den zweiten Anschluss 13-4, 13-5 bereitstellt und die dritte Elektrode 13'-1 der 3T-letzten Tandem-Solarzelle in Reihe den dritten Anschluss 13'-1 bildet. Ferner kontaktiert jede dritte Elektrode 13-1, 13'-1 (bis auf die letzte in der Reihe) einer 3T-Tandem-Solarzelle 10, 10' eines solchen Tandem-Solarzellenmoduls 1 die erste und/oder die zweite Elektrode einer nachfolgenden Tandem-Solarzelle, die in Reihe in dem Modul 1 geschaltet ist.
Wichtig ist, dass die Leitungselemente 13-3, 13'-3 in der ersten und zweiten 3T-Tandem-Solarzelle 10, 10' und allgemeiner aller 3T-Tandem-Solarzellen 10, 10' eines solchen Moduls 1 elektrisch nicht direkt miteinander in Kontakt stehen, sodass die Leitungselemente 13-3, 13'-3 durch ein Einbettungsmittel, das von der Verbindungsschicht 13 umfasst ist, voneinander isoliert werden können. Dadurch wird ermöglicht, dass sich die Ladungsträger entlang des vorgesehenen Wegs (
) durch das Tandem-Solarzellenmodul bewegen und ein Kurzschluss verhindert wird.
Das Leitungselement 13-3, 13'-3 kann als Draht ausgebildet sein, wobei die dritte Elektrode 13-1, 13'-1jeder oder der letzten (z. B. zweiten) 3T-Tandem-Solarzelle 10, 10' als Sammelschiene ausgebildet ist, mit der das Leitungselement 13-3, 13'-3, z. B. der Draht, verbunden ist.
Die Sammelschiene ist entweder mit der ersten und/oder der zweiten Elektrode 11-2, 11'-2, 12-2, 12'-2 der jeweiligen nachfolgenden 3T-Tandem-Solarzelle 10, 10' verbunden, wobei die Sammelschiene der letzten Tandem-Solarzelle 10' zumindest teilweise den dritten Anschluss (Elektrode) 13'-1 bildet.
Die Verbindungsschicht 13 umfasst ein Einbettungsmittel 13-2, das elektrisch isolierend ist und die zwei Solarzellen 11, 11', 12, 12' jeder 3T-Tandem-Solarzelle 10, 10' fest verbindet. Das zusammengebaute Tandem-Solarzellenmodul 1 ist also einstückig oder monolithisch gebildet.
Das Zusammenbringen der ersten und der zweiten Solarzelle 11, 11', 12, 12' wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Verbindungsschicht 13 mit dem Einbettungsmittel 13-2 und dem Leitungselement 13-3, 13'-3 erwärmt wird, sodass sie wie ein Isolierkleber wirkt. In der Verbindungsschicht 13 mäandert das Leitungselement 13-3, 13'-3 zum Beispiel zwischen der ersten und der zweiten transparenten leitfähigen Schicht 11-3, 11'-3, 12-3, 12'-3 und bildet die Kontaktpunkte. Alternativ kann das Leitungselement 13-3, 13'-3 in kontinuierlichem Kontakt mit der ersten und der zweiten leitfähigen Schicht 11-3, 11'-3, 12-3, 12'-3 (Ausführungsform nicht dargestellt) stehen.
Jedes Leitungselement 13 jeder 3T-Tandem-Solarzelle 10, 10' ist elektrisch voneinander isoliert.
Die ersten Elektroden 11-1, 11'-1 sowie die zweiten Elektroden 12-1, 12'-1 des Tandem-Solarzellenmoduls 1 sind durch jeweils einen Isolierschnitt 16, 17 (entspricht einer P1-Strukturierung) zwischen der ersten Elektrode 11-1, 11'-1 bzw. der zweiten Elektrode 12-1, 12'-1 elektrisch getrennt. Diese nicht leitfähigen Isolierschnitte 16, 17 können durch ein mechanisches Ritzen oder einen optischen Prozess, wie die Laserablation, gebildet werden. Die Isolierschnitte 16, 17 sind vor, stromaufwärts oder oberhalb der kontaktierenden Abschnitte der dritten Elektrode 13-1, 13'-1 mit der ersten und/oder der zweiten Elektrode 11'-1, 12'-1 der zweiten Tandem-Solarzelle 10' eingerichtet. Auf diese Weise werden die Solarzellen 11, 11', 12, 12' sowie die 3T-Tandem-Solarzellen 10, 10' in einem Tandem-Solarzellenmodul miteinander in Reihe geschaltet.
Um einen Kurzschluss zu verhindern, können die ersten und zweiten Absorberschichten 11-2, 11'-2, 12-2, 12'-2 jeder Tandem-Solarzelle 10, 10' in einem Tandem-Solarzellenmodul durch eine erste isolierende Schicht 14, 14', die um die ersten Absorberschichten 11-2, 11'-2 eingerichtet ist, und eine zweite isolierende Schicht 15, 15', die um die zweite Absorberschicht 12-2, 12'-2 eingerichtet ist, abgedeckt werden, sodass die Absorberschichten 11-2, 11'-2, 12-2, 12'-2 in Bereichen, die nicht mit der ersten, zweiten oder dritten Elektrode 11-1, 11'-1, 12-1, 12'-1, 13-1, 13'-1 sowie mit dem Leitungselement 13-3, 13'-3 verbunden sein sollen, elektrisch isoliert sind. Diese isolierenden Schichten 14, 14', 15, 15' stellen also ein Mittel bereit, um das Tandem-Solarzellenmodul kurzschlussfrei herzustellen. Diese Bereiche befinden oder erstrecken sich beispielsweise entlang der z-Richtung der Absorberschichten 11-2, 11'-2, 12-2, 12'-2 und der Abschnitte der ersten Absorberschichten 11-2, 11'-2, die von der Oberseite der Tandem-Solarzelle 10, 10' abgewandt sind und die nicht von der transparenten leitfähigen Schicht 11-3, 11'-3 bedeckt sind.
In ähnlicher Weise können diese Bereiche weiter weg angeordnet sein oder sich entlang der Abschnitte der zweiten Absorberschichten 12-2, 12'-2 erstrecken, die der Oberseite der Tandem-Solarzelle 10, 10' zugewandt sind und die nicht von der transparenten leitfähigen Schicht 12-3, 12'-3 bedeckt sind.
Eine erste elektrisch isolierende Schicht 14, 14' ist um die erste Absorberschicht 11-2, 1 1'-2 eingerichtet, sodass in diesen Bereichen die erste Absorberschicht 11-2, 11'-2 von der Verbindungsschicht 13 elektrisch isoliert ist, und/oder wobei in Bereichen im Inneren der zweiten Solarzelle 12, 12', in denen die zweite Absorberschicht 12-2, 12'-2 weder mit der zweiten leitfähigen Schicht 12-3, 12'-3 verbunden ist oder von dieser kontaktiert wird noch mit der zweiten Anschlusselektrode 13'-1 verbunden ist oder von dieser kontaktiert wird, eine zweite elektrisch isolierende Schicht 15, 15' um die zweite Absorberschicht 12-2, 12'-2 herum eingerichtet ist, sodass in diesen Bereichen die zweite Absorberschicht 12-2, 12'-2 von der Verbindungsschicht 13 elektrisch isoliert ist.
Die Absorberschichten 11-2, 11'-2, 12-2, 12`2 und die transparenten, leitfähigen Schichten 11-3, 11'-3, 12-3, 12'-3 sind zudem jeweils durch einen Trennungsschnitt voneinander getrennt, wodurch die einzelnen 3T-Tandem-Solarzellen gebildet sind. Der Trennungsschnitt ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt, durch seine Lage und Funktion aber eindeutig auszumachen. Der Trennungsschnitt ist durch ein mechanisches Ritz- oder ein Laserablationsverfahren auszuführen.
Diese Ausführungsform ermöglicht eine vollständige elektrische Isolierung der ersten und/oder zweiten Absorberschicht 11-2, 11'-2, 12-2, 12'-2 von der Verbindungsschicht 13, sodass das Risiko eines Kurzschlusses zwischen den Komponenten der Tandem-Solarzelle 10, 10' minimiert wird.

Claims

3T-Tandem-Solarzelle (10, 10'), mindestens umfassend: - eine erste Solarzelle (11, 11'), mindestens umfassend eine erste Absorberschicht (11-2, 11'-2), die zwischen einer ersten Elektrode (11-1, 1 1'-1) auf einer Seite der ersten Solarzelle (11, 11'), die dem einfallenden Licht (100) zugewandt ist, und einer ersten transparenten leitfähigen Schicht (11-3, 1 1'-3) auf einer Seite der ersten Solarzelle (11, 11'), die von dem einfallenden Licht (100) abgewandt ist, angeordnet ist, - eine zweite Solarzelle (12, 12'), mindestens umfassend eine zweite Absorberschicht (12-2, 12'-2), die zwischen einer zweiten Elektrode (12-1, 12'-1) auf einer Seite der zweiten Solarzelle (12, 12'), die von dem einfallenden Licht (100) abgewandt ist, und einer zweiten transparenten leitfähigen Schicht (12-3, 12'-3) auf einer Seite der zweiten Solarzelle, die dem einfallenden Licht (100) zugewandt ist, eingerichtet ist; - eine Verbindungsschicht (13), die zwischen der ersten und der zweiten Solarzelle (11, 11', 12, 12') angeordnet ist, wobei die Verbindungsschicht (13) eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Solarzelle (11, 11', 12, 12') bildet; dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (13) mindestens ein elektrisch leitfähiges, einstückiges Leitungselement (13-3, 13'-3) umfasst, das in einem Einbettungsmittel (13-2) unter Beibehaltung von Kontaktpunkten zu der ersten und zweiten transparenten, leitfähigen Schicht (11-3, 11'-3, 12-3, 12'-3) eingebettet ist und das Leitungselement (13-3, 13'-3) mit einer dritten Elektrode (13-1, 13'-1) verbunden ist oder diese bildet.
3T-Tandem-Solarzelle (1) nach Anspruch 1, wobei das Einbettungsmittel EthylenVinylacetat (EVA) oder ein Poly-Olefin-Elastomer (POE) umfasst.
3T-Tandem-Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Absorberschicht (11-2, 11'-2) eine erste Dünnschichtmaterialschicht wie eine erste Perowskitschicht oder eine erste Chalkopyrit-Absorberschicht umfasst, und/oder wobei die zweite Absorberschicht (12-2, 12'-2) eine zweite Dünnschichtmaterialschicht wie eine zweite Chalkopyrit-Absorberschicht oder eine zweite Perowskitschicht umfasst.
3T-Tandem-Solarzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Leitungselement (13-3, 13'-3) die erste und die zweite transparente leitfähige Schicht (11-3, 11'-3, 12-3, 12'-3) an einem oder mehreren Kontaktpunkten kontaktiert, wobei ein elektrischer Strom von Ladungsträgern im Leitungselement (13-3, 13'-3) zur dritten Elektrode (13-1, 13'-1) fließen kann, insbesondere ohne zur ersten oder zweiten transparenten leitfähigen Schicht (11-3, 11'-3, 12-3, 12'-3) der mindestens einen Tandem-Solarzelle (10, 10') zurückzukehren.
3T-Tandem-Solarzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich das mindestens eine Leitungselement (13-3, 13'-3) in einer Ebene der Verbindungsschicht (13) erstreckt, die sich im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche der mindestens einen Tandem-Solarzelle (10, 10') erstreckt, die dem einfallenden Licht (100) zugewandt ist.
3T-Tandem-Solarzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich das mindestens eine Leitungselement (13-3, 13'-3) innerhalb der Verbindungsschicht (13) erstreckt, sodass das mindestens eine Leitungselement (13-3, 13'-3) die erste und die zweite transparente leitfähige Schicht (11-3, 11'-3, 12-3, 12'-3) an einem oder mehreren Kontakten (13-4, 13-5, 13-6, 13-7, 13-8, 13'-4, 13'-5) kontaktiert.
3T-Tandem-Solarzelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Bereichen innerhalb der ersten Solarzelle (11, 11`), in denen die erste Absorberschicht (11-2, 11`-2) weder mit der ersten leitfähigen Schicht (11-3, 11`-3) noch mit der ersten Elektrode (11-1, 1 1`-1) verbunden ist, eine erste elektrisch isolierende Schicht (14, 14') um die erste Absorberschicht (11-2, 11`-2) eingerichtet ist, sodass in diesen Bereichen die erste Absorberschicht (11-2, 11'-2) von der Verbindungsschicht (13) elektrisch isoliert ist, und/oder wobei in Bereichen innerhalb der zweiten Solarzelle (12, 12'), in denen die zweite Absorberschicht (12-2, 12'-2) weder mit der zweiten leitfähigen Schicht (12-3, 12'-3) noch mit der zweiten Elektrode (12-1, 12'-1) verbunden ist, eine zweite elektrisch isolierende Schicht (15, 15') um die zweite Absorberschicht (12-2, 12'-2) eingerichtet ist, sodass in diesen Bereichen die zweite Absorberschicht (12-2, 12'-2) elektrisch von der Verbindungsschicht (13) isoliert ist.
3T-Tandem-Solarzelle (1) nach Anspruch 7, wobei die erste isolierende Schicht (14, 14') so eingerichtet ist, dass die erste Elektrode (11-1, 11`-1) von dem Leitungselement (13-3, 13'-3) elektrisch isoliert ist und/oder wobei die zweite isolierende Schicht (15, 15') so eingerichtet ist, dass die zweite Elektrode (12-1, 12'-1) von dem Leitungselement (13-3, 13'-3) elektrisch isoliert ist.
Tandem-Solarzellenmodul (1) umfassend mindestens zwei 3T-Tandem-Solarzellen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ` die erste und die zweite Tandem-Solarzelle (10, 10') elektrisch in Reihe geschaltet sind und wobei die dritte Elektrode (13-1) der ersten Tandem-Solarzelle (10) elektrisch mit der ersten und/oder der zweiten Elektrode (11`-1, 12'-1) der zweiten Tandem-Solarzelle (10') verbunden ist.
Tandem-Solarzellenmodul (1) nach Anspruch 9, wobei die dritte Elektrode (13-1) der ersten Tandem-Solarzelle (10) und das mindestens eine Leitungselement (13'-3) der zweiten Tandem-Solarzelle (10') elektrisch voneinander isoliert sind, sodass ein Ladungsträgerstrom nicht direkt von der dritten Elektrode (13-1) der ersten Tandem-Solarzelle (10) zum mindestens einen Leitungselement (13'-3) der zweiten Tandem-Solarzelle (10') fließen kann.
Tandem-Solarzellenmodul (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die ersten Elektroden (11-1, 11'-1) der ersten und der zweiten Tandem-Solarzelle (10,10') mittels eines ersten Isolierschnitts (16) elektrisch voneinander isoliert sind, der so eingerichtet ist, dass die erste Absorberschicht (11-2) der ersten Tandem-Solarzelle (10) von der ersten Absorberschicht (11'-2) der zweiten Tandem-Solarzelle elektrisch isoliert ist, und wobei die zweiten Elektroden (12-1, 12'-1) der ersten und der zweiten Tandem-Solarzelle (10, 10') mittels eines zweiten Isolierschnitts (17) elektrisch voneinander isoliert sind, der so eingerichtet ist, dass die zweite Absorberschicht (12-2) der ersten Tandem-Solarzelle (10) elektrisch von der zweiten Absorberschicht (12'-2) der zweiten Tandem-Solarzelle (10') isoliert ist.
Tandem-Solarzellenmodul (1) nach Anspruch 11, wobei die ersten Elektroden (11-1, 11'-1) der ersten und der zweiten Tandem-Solarzelle einstückig (als ein erstes Elektrodensubstrat) ausgebildet und mittels eines mechanischen Ritz- oder eines Laserabtragsverfahrens getrennt worden sind, wodurch der erste Isolierschnitt (16) erzeugt wird, und wobei die zweiten Elektroden (12-1,12'-1) der ersten und der zweiten 3T-Tandem-Solarzelle integriert ausgebildet und mittels eines mechanischen Ritz- oder eines Laserabtragsverfahrens getrennt worden sind, wodurch der zweite Isolierschnitt (17) erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Tandem-Solarzellenmodul (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, umfassend die folgenden Schritte: i) Schneiden eines ersten Elektrodensubstrats, um die ersten Elektroden (11-1, 11'-1) der mindestens ersten und zweiten Tandem-Solarzelle (10, 10') zu bilden, wodurch der erste Isolierschnitt (16) zwischen den ersten Elektroden (11-1, 11'-1) gebildet wird; ii) Schneiden eines zweiten Elektrodensubstrats, um die zweiten Elektroden (12-1, 12'-1) der mindestens ersten und zweiten Tandem-Solarzelle (10, 10') zu bilden, wodurch der zweite Isolierschnitt (17) zwischen den zweiten Elektroden (12-1, 12'-1) gebildet wird; iii) Erzeugen der ersten Absorberschicht (11-2, 11'-2) der mindestens ersten und zweiten Tandem-Solarzelle (10, 10') auf den ersten Elektroden (11-1, 11'-1) in einem Stück; iv) Erzeugen der zweiten Absorberschicht (12-2, 12'-2) der mindestens ersten und zweiten Tandem-Solarzelle (10, 10') auf den zweiten Elektroden (12-1, 12'-1) in einem Stück; v) Erzeugen der ersten transparenten leitfähigen Schicht (11-3, 11'-3) in einem Stück auf der ersten Absorberschicht (11-2, 11'-2); vi) Erzeugen der zweiten transparenten leitfähigen Schicht in einem Stück auf der zweiten Absorberschicht (12-2, 12'-2); vii) Schneiden der einstückigen ersten Absorberschicht und der einstückigen ersten transparenten leitfähigen Schicht der ersten und der zweiten 3T-Tandem-Solarzelle (10, 10') mittels eines mechanischen Ritz- oder eines Laserablationsverfahrens, sodass die ersten Absorberschichten (11-2, 11'-2) und die ersten transparenten leitfähigen Schichten (11-3, 11'-3) der ersten und der zweiten Tandem-Solarzelle (10, 10') in Form der ersten Solarzellen (11, 11') erzeugt werden; viii) Schneiden der einstückigen zweiten Absorberschicht und der einstückigen zweiten transparenten leitfähigen Schicht der ersten und der zweiten 3T-Tandem-Solarzelle (10, 10') mittels eines mechanischen oder eines Laserablationsverfahrens, sodass die zweiten Absorberschichten (12-2, 12'-2) und die zweiten transparenten leitfähigen Schichten (12-3, 12'-3) der ersten und der zweiten Tandem-Solarzelle (10, 10') in Form der zweiten Solarzellen (12, 12') erzeugt werden; ix) Anordnen und Ausrichten der Verbindungsschicht (13, 13`), die jeweils mindestens ein Leitungselement und das Einbettungsmittel (13-2) umfasst, zwischen der ersten und der zweiten Solarzelle (11, 11', 12, 12'), sodass die erste und die zweite Solarzelle (11, 11', 12, 12') übereinander liegen und sodass das mindestens eine Leitungselement einen oder mehrere Kontaktpunktee mit der ersten und zweiten transparenten leitfähigen Schicht (11-3, 12-3) bildet; x) Erwärmen der Verbindungsschicht (13), sodass das Einbettungsmittel (13-2) mit der ersten und der zweiten Solarzelle (11, 11', 12, 12') adhäsiv verbunden wird und sodass das mindestens eine Leitungselement (13-3, 13'-3) einen oder mehrere Kontaktpunkte mit der ersten und der zweiten transparenten leitfähigen Schicht (11-3, 11'-3, 12-3, 12'-3) bildet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das mindestens eine Leitungselement (13-3, 13'-3) mit der dritten Elektrode (13-1, 13'-1) verbunden ist oder diese integral bildet, wobei beim Erwärmen die dritte Elektrode (13-1) der ersten Tandem-Solarzelle (10) mit der ersten und/oder der zweiten Elektrode (1 1'-1, 12'-1) der zweiten Tandem-Solarzelle (10') elektrisch kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei nach Schritt viii) die erste und die zweite isolierende Schicht (14, 14', 15, 15') erzeugt werden.