DE19814780A1 - Fotovoltaisches Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein fotovoltaisches Bauelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

In über 80% aller fotovoltaischen Solarmodule werden heute mono- oder multikristalline Siliziumplatten (sog. Wafer) eingesetzt. Zwar beträgt deren Materialpreis allein bis zu zwei Dritteln der Gesamtkosten, jedoch hat man bei ihrer Fertigung einen hohen Auto­ matisierungsgrad erreicht. Als Nachteil dieser kristallinen Solarmodule ist die Anordnung der Elektroden auf Vorder- und Rückseite des Kristalls anzusehen, weil bei der Reihen­ schaltung immer die Rückseite einer Zelle mit der Vorderseite der benachbarten Zellen über eine Leiterbahn verbunden werden muß. Es gibt zwar Bestrebungen, die Rücksei­ ten-Kontaktierung analog zur Mikroelektronik über sogenannte "via-holes" auf die Vor­ derseite zu führen, jedoch gibt es dazu noch keine wirtschaftlich einsetzbaren Lösungen.

Aus EP 0 544 983 B1 sind dünne Solarzehen bekannt, bei denen ein flacher kristalliner Gallium-Arsenid-Halbleiterkörper epitaktisch auf einem später entfernbaren Substrat hergestellt wird. Eine Elektrode befindet sich zwischen einem Deckglas und dem Halb­ ieiterkörper, die andere Elektrode wird nach dem Entfernen des Substrats auf die freie Fläche aufgebracht. Beide Elektroden umfassen jeweils eine Anschlußfläche zum An­ bringen von Verbindern zwischen den einzelnen Zellen, die über kammartig angeordnete Leiterbahnen elektrisch mit der Fläche des Halbleiterkörpers kontaktiert ist. In den Halb­ leiterkörper wird zum äußeren Kontaktieren der zwischen ihm und dem Deckglas liegen­ den Elektrode eine Ausnehmung geätzt. Eine weitere Ausnehmung ermöglicht es, auch die Anschlußfläche der obenliegenden Sammelschiene auf dem Niveau des Deckglases anzuordnen. Die Verschaltungspunkte beider Elektroden können mithin auf ein und der­ selben Seite und auf gleicher Höhe angeordnet werden. Die Ränder des Halbleiterkör­ pers müssen jedoch um laufend - somit auch im Bereich der besagten Ausnehmungen mit einem passivierenden Dielektrikum gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Auch ist es nicht möglich, die äußere Kontaktierung direkt auf die eigentliche Solarzelle aufzubringen.

Zwar werden diese insbesondere für den Einsatz im Weltraum optimierten Solarzellen als dünne Solarzellen bezeichnet, sie unterscheiden sich jedoch technologisch von Dünnschicht-Solarzellen im eigentlichen Sinne, deren Schichten (transparente Frontelek­ trode, fotovoltaische Schicht, Rückelektrode) durch Aufdampfen, durch Niederschlag von Gaspartikeln oder durch Sputtern/Kathodenzerstäubung und ggf. einer thermischen Nachbehandlung zum Verbessern des Kristallwachstums der fotovoltaischen Schicht aufgebracht werden. Diese sind ausschließlich auf einem Substrat, meist Glasplatten, erzeugbar, und man kann das Substrat und die Schicht nicht trennen, ohne letztere zu zerstören.

Allerdings sind diese Dünnschicht-Solarzellen insbesondere auf den großen Flächen, für die sie sich an sich prinzipbedingt besonders empfehlen, problematisch. Die Fertigungs­ ausbeute sinkt wegen der mit der Fläche ansteigenden Wahrscheinlichkeit von Defekten. Der Wirkungsgrad sinkt, weil Abscheide-Inhomogenitäten über der Gesamtfläche nur eine mittlere Qualität zulassen. Beispielsweise können ein oder mehrere lokale Kurz­ schlüsse zwischen Front- und Rückelektrode die Leistung einer großflächigen Zelle stark beeinträchtigen oder die ganze Zeile unbrauchbar machen.

Ferner treten Handhabungsprobleme auf, insbesondere wenn sich das Trägersubstrat während der Fertigung bei hohen Temperaturen verformt. Diese sind umso gravierender je größer die Substratfläche ist (die z. B. 50 × 100 cm² betragen kann). Die erforderliche Handhabungsausstattung bildet einen hohen Festkostenanteil, weil sie auf die verschie­ denen Dünnschicht-Prozesse abgestimmt werden muß.

Hohe Temperaturen nahe der üblichen Biegetemperatur von Glas treten z. B. auf, wenn man nach dem Auftragen des Schichtmaterials durch Sputtern (Kathodenzerstäubung) durch Aufheizen das Kristallwachstum der Schicht beschleunigt.

Aus DE 43 40 402 C2 sind Dünnschichtsolarmodule bekannt, bei denen die fotovolta­ ische Schicht selbst wie die Front- und Rückelektroden streifenförmig strukturiert ist. Leitfähige Verbindungen zwischen Front- und Rückelektroden der jeweils benachbarten, in Reihe zu schaltenden Einzelzellen entstehen jeweils zwischen den Schichtstreifen, wenn die Rückelektrodenschicht auf die fotovoltaische Schicht aufgebracht wird und ihr Material dabei die Unterbrechungen der Schicht ausfüllt. Mit den beiden Endelektroden des Gesamtmoduls werden bei dieser Ausführung metallische Kontaktstreifen durch Auf­ laminieren einer Kunststoffolie lötfrei nur durch den Anpreßdruck kontaktiert. Auch in dieser Anordnung müssen sich die Front- und Rückelektroden-Streifen in Projektion auf das Substrat zumindest im Bereich der Trennlinien zwischen den Schichtstreifen über­ decken.

Zum Strukturieren der Flächenelektroden bzw. zum lokalen Abtragen von deren Material verwendet man z. B. Laserstrahien.

Aus EP 0 195 148 B1 sind Dünnschicht-Solarzellen mit einer flächig durchgängigen fotovoltaischen Schicht und streifenförmigen, sich in der Projektion auf das Substrat teilweise überdeckenden Front- und Rückelektroden bekannt. Die zur Reihenschaltung benachbarter Einzelzellen notwendigen Verbindungen von Front- und Rückelektroden sind durch Elektroden leisten gebildet, welche von der Frontelektrode ausgehend in die fotovoltaische Schicht hineinragen und schon vor deren Aufbringen auf das Substrat aufzubauen sind. Diese Leisten durchdringen die Schicht nicht, vielmehr wird eine kon­ taktlose Leistungsübertragung über die verbleibende äußerst geringe Schichtdicke ange­ strebt.

Zum Verbessern der Stromleitung im Verbindungsbereich soll ein möglichst geringer Übergangswiderstand erhalten werden, indem durch Hitzezufuhr, z. B. Einstechen mit einem Laserstrahl, eine leitfähige Zone aus diffundiertem Material erzeugt werden, welche die Leistenelektrode mit der Rückelektrode verbindet.

Diese Verbindungstechnik zur Reihenschaltung eignet sich ebenfalls nur für eine teil­ überdeckte Anordnung von Front- und Rückelektroden.

Generell wird hier als Frontelektrode die dem einfallenden Licht zugewandte, transparen­ te Elektrodenschicht bezeichnet, während die in der Regel opake Rückelektrode auf der vom Lichteinfall abgewandten Seite der Solarzeilen liegt.

Aus US 5,674,325 sind fotovoltaische Bauelemente in Dünnschicht-Technik bekannt, die auf einem dünnen, flexiblen Hilfssubstrat vorgefertigt werden. Die Halbleiterschicht ist als Komposit aus zwei unterschiedlich dotierten, n- bzw. p-leitenden Materialien und dem zwischenliegenden Heteroübergang aufgebaut. Eines davon, Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder vorzugsweise Cadmium-Tellurid, wird in kristalliner Form mit Partikelgrößen von höchstens 30 µm mechanisch auf das Hilfssubstrat aufgebracht und danach in ein nichtleitendes Matrixmaterial eingebettet. Damit vermeidet man eine thermische Behand­ lung zur Rekristallisation nach dem Schichtauftrag. Das andere Material ist vorzugsweise Cadmiumsulfid des n-Typs.

Von dem Hilfssubstrat werden die Funktionsschichten später als flexibles, aufteilbares Blatt abgehoben. Dann werden sie auf das endgültige (Glas-)Substrat aufgebracht und untereinander elektrisch kontaktiert. Das geschieht mittels eines Streifens aus einer elek­ trisch leitenden Paste, welche z. B. über den Rand einer ersten Zelle und den daran grenzenden Bereich des Substrats aufgetragen wird. Dann legt man auf den Pastenstrei­ fen nahe der ersten Zelle die substratnahe Elektrode der nächsten Zelle auf. Sie wird elektrisch mit dem Pastenstreifen sowie mit der oberen, substratfernen Elektrode der ersten Zelle kontaktiert. Hierbei entsteht also eine Reihenschaltung der beiden Zellen. Mit weiteren Zellen wird analog verfahren.

Eine weitere Option zum Herstellen fotovoltaischer Bauelemente und Reihenschaltung von Einzelzellen geht aus DE 196 51 655 A1 hervor. Dort werden Elektroden und Halb­ leiterschichten großflächig auf ein starres Substrat aufgetragen. Zum Trennen einzelner Zellen werden anstelle eines mechanischen Abtragens durch chemische Umwandlung isolierende Trennzonen geschaffen, welche bis auf das nichtleitende Substrat durch­ dringen. Anschließend wird auf einer Seite der Trennzone ein Bereich der oberen, n-lei­ tenden Schicht entfernt, um sodann die freigelegte untere, p-leitende Schicht mittels einer metallischen Verbindung über die Trennzone hinweg mit der oberen, n-leitenden Schicht der benachbarten Zelle zu verbinden und eine Reihenschaltung herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem dünnen fotovoltai­ schen Bauelement Dünnschicht-Solarzellen mit einer transparenten Frontelektrode, einer fotovoltaischen Schicht und einer Rückelektrode, wobei zum Herstellen einer Reihen­ schaltung mehrerer Solarzeilen jeweils eine Rückelektrode einer Solarzelle an einer Frontelektrode einer benachbarten Solarzelle über eine leitfähige Verbindung anschließ­ bar ist, eine wirtschaftliche Herstellung von Modulen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patent­ anspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildun­ gen dieses Gegenstands an.

Jede Solarzelle wird auf einem eigenen Trägersubstrat mit auf die übliche Wafer-Größe kristalliner Solarzellen begrenzten Abmessungen aufgebaut. Es gibt also keine Über­ deckung von Rück- und Frontelektroden benachbarter Solarzellen. Man kann zu ihrer Herstellung kleinflächige Substrate mit den Abmessungen der fertigen Zelle verwenden oder großflächige Substrate beschichten und später auf die gewünschten Zellenmaße zuschneiden. Die gesamte Dicke der auf das Substrat aufgebrachten Schichten beträgt etwa 5 µm, wogegen die Substratdicke deutlich größer ist und vorzugsweise, je nach Anforderung, zwischen 0,1 und 5 mm beträgt.

Auf der vom Substrat - in der Regel einer Glasplatte - abgewandten Seite werden lokal die obere Elektrode und die fotovoltaische Schicht entfernt (Ätzen, Laserabtrag). Dieser Be­ reich ist möglichst klein zu halten, um die Leistung der einzelnen Zellen zu maximieren. Die Leiterbrücke, welche die Fuge zwischen benachbarten Solarzellen überbrückt, wird dann von dieser Seite her einerseits mit einer (metallischen) Rückelektrode einer ersten Solarzelle als auch mit einer (transparenten) Frontelektrode einer zweiten Solarzelle kontaktiert.

Man erreicht mit diesen Maßnahmen insbesondere den Vorteil, daß man infolge der be­ grenzten Abmessungen der Einzelzellen bei der Herstellung der Reihenschaltung mit den Geräten arbeiten kann, die bei der Verarbeitung der bekannten, relativ kleinen kri­ stallinen Solarzellen verwendet werden und bereits zu relativ geringen Kosten verfügbar sind. Das sind z. B. Siebdruckvorrichtungen zum Aufdrucken von metallischen Elektro­ den auf die transparenten Frontelektroden der Zellen und Verbindevorrichtungen zum Auflöten von Kontaktbändern auf die Kontaktzonen der benachbarten Zellen.

Nach dem Aufteilen großflächig beschichteter Substrate in kleinere Stücke kann man un­ brauchbare Stücke mit erhöhter Auflösung gezielt aussondern, wenn jedes Einzelstück einer (automatisierten) Prüfung unterzogen wird. Man muß beim Auftreten von Fehlern nicht die Gesamtfläche verschrotten und erhöht somit die Fertigungsausbeute.

Von Vorteil ist es, wenn man den hohen Flächenwiderstand der üblichen transparenten Frontelektroden, unabhängig von deren substratnaher oder substratferner Anordnung, durch Auftragen einer an sich bekannten metallischen Gitter- oder Kammstruktur vermin­ dert. Diese kann vorteilhaft durch Siebdrucken aufgebracht werden und wird natürlich der Bereich aussparen, in dem die Frontelektrode und die fotovoltaische Schicht entfernt werden. Ihr Material ist jedoch nicht transparent und hindert somit auffallendes Licht am Eintritt in die fotovoltaische Schicht. Hinsichtlich der Flächenbedeckung muß man somit einen Kompromiß zwischen niedrigem Widerstand und hoher Lichtausbeute finden.

Nach dem elektrischen Verbinden der auf einer Plattform zusammengefaßten Solarzel­ len und Herstellen der Randanschlüsse wird abschließend in bekannter Weise eine der Plattform-Gesamtfläche entsprechende Abdeckung aufgelegt und fest mit dem gebilde­ ten Solarmodul verbunden. Sie wird bevorzugt aus extraweißem Glas mit besonders hoher Transmission für Licht- und Wärmestrahlung bestehen, um das einfallende Licht maximal zu nutzen. Die verbleibenden Zwischenräume werden in an sich bekannter Wei­ se mit einem klaren, aushärtenden Gießharz ausgefüllt, so daß sich ein formbeständiger, stabiler Verbund ergibt.

Das hier beschriebene Produkt, das vollständige, in Dünnschicht-Technologie auf sehr begrenzten Flächenabmessungen hergestellte Solarzellen umfaßt, eignet sich vorzüglich für eine wirtschaftliche vollautomatische Fertigung.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus der Zeich­ nung eines Ausführungsbeispiels und deren sich im folgenden anschließender eingehen­ der Beschreibung hervor.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische, nicht maßstäbliche Seitenansicht einer Verbindung zwischen zwei Solarzellen zu einer Reihenschaltung,

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 um 90° geklappte Ansicht der mit aufgedruckten metallischen Sammelschienen versehenen Solarzellen mit Angabe des Schnittverlaufs in Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 sind zwei benachbarte Dünnschicht-Solarzellen 1 auf je einem Trägersub­ strat 2, z. B. einer Glasplatte von 1 mm Dicke, aufgebaut. Die Trägersubstrate 2 können ihrerseits wieder auf einer gemeinsamen Plattform 3 montiert sein. Jede Solarzelle be­ steht aus einer dem Trägersubstrat zugewandten metallischen Rückelektrode 4 mit ge­ ringem Flächenwiderstand (ca. 0,01 Ω/Quadrateinheit), der fotovoltaischen Schicht 5 mit an sich bekanntem innerem Aufbau aus n- und p-leitenden Schichten aus CIS oder CdTe und deren Heteroübergang, und einer transparenten Frontelektrode 6. Auf letztere ist, wie in Fig. 2 erkennbar, vorzugsweise eine metallische Kammstruktur 7 aufgebracht. Diese besteht aus einem an einem Seitenrand der Frontelektrode 6 liegenden Steg 8 und mehreren davon ausgehenden, sich über die Elektrode erstreckenden dünnen Zin­ ken 9. Das optimale Verhältnis zwischen minimierter Flächenabdeckung und maximierter Leitfähigkeit läßt sich durch Versuche ermitteln. Anstelle der gezeigten Kammstruktur kann man natürlich andere Gestaltungen, z. B. Gitter, verwenden, wenn dies geboten erscheint.

Zur Verschaltung je zweier benachbarter Solarzellen 1 in Reihe ist schließlich eine Leiter­ brücke 10 vorgesehen, hier in Gestalt eines dünnen gekröpften Streifens aus Metall, der vorzugsweise wenigstens auf der den Solarzellen zugewandten Seite vorverzinnt ist. Um die Leiterbrücke elektrisch mit der Rückelektrode der links dargestellten Solarzelle 1 zu verbinden, wurden deren Frontelektrode und fotovoltaische Schicht in einem begrenzten Bereich (vgl. Fig. 2) abgetragen und hernach die Leiterbrücke auf die metallische Rück­ elektrode aufgelegt und mit dieser z. B. durch Löten fest verbunden. Anderseitig ist die Leiterbrücke etwa mittig mit dem Steg 8 der Kammstruktur 7 und so mittelbar mit der Frontelektrode der rechts dargestellten Solarzelle 1 elektrisch verbunden. Beide An­ schlüsse können in einer mechanisierten Fertigung gleichzeitig hergestellt werden. Die beiden benachbarten Zellen sind somit- gleichen Aufbau ihrer fotovoltaischen Schicht vorausgesetzt- elektrisch in Reihe geschaltet.

Man kann sowohl für die Elektroden als auch für die Kammstruktur lötfähige Materialien verwenden und die Leiterbrücken 10 maschinell auflöten. Aus dem Stand der Technik sind jedoch auch andere geeignete Verbindungsmöglichkeiten bekannt, z. B. leitfähige Pasten oder dgl. Im Interesse einer wirtschaftlichen Fertigung wird man solche Brücken verwenden, die für eine vollmechanisierte Montage geeignet sind.

Hier ist nur der prinzipielle Aufbau der Reihenschaltung gezeigt, die sich natürlich über eine größere Anzahl gleichartiger Solarzellen mit kleinen Abmessungen erstrecken kann. Mit der hier dargestellten Verbindungstechnik lassen sich selbstverständlich nicht nur gerade Reihen von Solarzellen bilden, sondern man kann insbesondere zum Belegen großflächiger Plattformen auch Eckverbindungen herstellen, bei denen aufeinander­ folgende Solarzellen einen Winkel ein schließen. Hierbei muß ggf. von der gezeigten Anordnung der Kontaktierungsstellen abgewichen werden.

Wenn sämtliche auf einer Plattform 3 zusammengefaßten Solarzellen 1 miteinander elektrisch verbunden und ggf. die Randanschlüsse des Gesamtmoduls hergestellt sind wird abschließend in bekannter Weise (hier nicht gezeigt) eine der Plattform-Gesamtflä­ che entsprechende Abdeckung aufgelegt und fest mit dem gebildeten Solarmodul ver­ bunden. Sie wird bevorzugt aus extraweißem Glas mit besonders hoher Transmission für Licht- und Wärmestrahlung bestehen, um das einfallende Licht maximal zu nutzen. Die verbleibenden Zwischenräume werden in an sich bekannter Weise mit einem klaren, aushärtenden Gießharz ausgefüllt, so daß sich ein formbeständiger, stabiler Verbund ergibt.

Claims (9)

1. Fotovoltaisches Bauelement aus Dünnschicht-Solarzellen (1) mit einer trans­ parenten Frontelektrode (4), einer fotovoltaischen Schicht (5) und einer Rückelek­ trode (6), wobei zum Herstellen einer Reihenschaltung mehrerer Solarzellen je­ weils eine Rückelektrode einer Solarzelle an eine Frontelektrode einer benach­ barten Solarzelle über eine Leiterbrücke (10) anschließbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - jede Solarzelle (1) in Dünnschicht-Technologie auf einem eigenen Träger­ substrat (2) ohne Überdeckung von Rück- und Frontelektroden benachbarter Solarzellen aufgebaut ist,
• - die die Spalte zwischen benachbarten Solarzellen (1) überbrückende Leiter­ brücke (10) von derselben Flächenseite her sowohl mit der Rückelektrode (4) einer ersten als auch mit einer Frontelektrode (6) einer zweiten Solarzelle kontak­ tiert ist, wobei im Kontaktbereich zur jeweils tieferliegenden Elektrode (4) die obere Elektrode (6) und die fotovoltaische Schicht (5) lokal entfernt sind.

2. Fotovoltaisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Solarzelle bei viereckigem Umriß eine Kantenlänge zwischen 50 und 200 mm hat.

3. Fotovoltaisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Solarzelle bei rundem Umriß einen Durchmesser zwischen 50 und 200 mm hat.

4. Fotovoltaisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die das Trägersubstrat bildenden Platten, insbe­ sondere Glasplatten, eine Dicke zwischen 0,1 und 4 mm haben.

5. Fotovoltaisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die transparente Frontelektrode mit einer metallischen Gitter- oder Kammstruktur (7) versehen und elektrisch leitend verbunden ist, an welche die Leiterbrücke (10) angeschlossen ist.

6. Fotovoltaisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die einzelnen Solarzellen (1) aus einem großflächig beschichteten Vorprodukt zugeschnitten sind.

7. Fotovoltaisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Solarzellen (1) auf einer gemeinsamen Plattform (3) zusammengefaßt und miteinander zu einem Modul mit Außenkontakten ver­ schaltet sind und daß eine gemeinsame Abdeckung fest mit der gemeinsamen Plattform (3) verbunden ist.

8. Fotovoltaisches Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischenräume zwischen der gemeinsamen Abdeckung und der Plattform (3) mittels eines aushärtenden transparenten Gießharzes ausgefüllt sind.

9. Fotovoltaisches Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die fotovoltaische Schicht der Solarzellen aus Kupfer-Indium-Diselenid oder Cadmium-Tellurid besteht.