DE202009006941U1 - Solarzelle - Google Patents

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Abstract

Solarzelle umfassend mindestens ein transparentes Substrat (11) und eine Abdeckung (19) sowie ein Zwischensubstrat (11) und Abdeckung (19) angeordnetes Schichtsystem (20), welches mit einer Laminierschicht (18) abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laminierschicht (18) und der Abdeckung (19) oder integriert mit der Laminierschicht (18) oder der Abdeckung (19) eine Reflektorschicht (17) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Solarzelle bzw. ein Photovoltaik-Modul und ist anwendbar in der Solarindustrie sowie bei der Nutzung der Solarenergie.
  • Der bekannte Stand der Technik zu Aufbau und Fertigung einer Solarzelle ist z. B. im EP 0 871 979 B1 für Si-Dünnschichtsolarzellen vom Start mit dem Substrat bis hin zum Aufbringen der Reflektorschicht exemplarisch beschrieben. Aus der DE 34 28 775 A1 , DE 40 26 165 C2 , DE 42 278 60 C1 und der DE 35 389 86 C2 ist bekannt, dass für den Aufbau von Solarmodulen zwischen der rückseitigen Reflektorschicht und der rückseitigen Modulabdeckung Laminationsfolien auf Basis von Co-Polymere wie Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA), Poly-Vinyl-Butyral (PVB) usw. Verwendung finden.
  • Der derzeitige Stand der Technik ist gekennzeichnet durch folgende Nachteile und Mängel:
    • – Undefinierte Wechselwirkung zwischen der beim Aushärten der Rückkontaktschicht frei werdenden flüchtigen Substanzen mit z. B. der Siebdruckfarbe und den Materialien des Schichtsystems der Solarzelle, insbesondere mit der Rückkontaktschicht;
    • – undefinierte Wechselwirkung zwischen der Reflektorschicht und der Laminationsfolie beim Laminationsprozess;
    • – Hoher Aufwand an Kosten, Material und Arbeitszeit für das Aufbringen der Reflektorschicht mittels Siebdruckverfahren;
    • – schwierige Automatisierbarkeit,
    • – eingeschränkte Materialauswahl für Reflektorschicht wegen enger Randbedingungen und damit geringe Möglichkeiten für die Optimierung des Zusammenspiels zwischen der Reflektorschicht und dem Schichtsystem.
  • Hieraus erwachsen folgende Bedürfnisse:
    • – Mögliche Ablösung des derzeitigen Verfahrens zum Aufbringen der Reflektorschicht durch ein kostengünstigeres Verfahren;
    • – Kostensenkung durch möglichen Wegfall von Prozessschritten und damit Verkürzung der Herstellungszeit;
    • – Mögliche Kostensenkung durch Auslagerung des Prozesses zum Aufbringen der Reflektorschicht zum Zulieferer (z. B. Glas- oder Folienlieferant);
    • – Erzielung einer höheren Prozessstabilität durch Vereinfachung des Herstellungsprozesses;
    • – Optimierung des Herstellungsprozesses durch eine höhere technologische Variabilität;
    • – Optimierung der Solarzelle 1 durch eine größere mögliche Materialauswahl für die Reflektorschicht.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Solarzelle mit guten optischen Eigenschaften und einer hohen Energieausbeute zu schaffen, welche einfach, effektiv, preiswert und reproduzierbar herstellbar ist und eine hohe Prozessstabilität und Verfahrensflexibilität gewährleistet.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht neben Kosteneinsparungen und Erhöhung der Prozessstabilität in der Vermeidung oder Reduzierung von Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Schichten der Solarzelle, indem zwischen der Laminierschicht und der Abdeckung oder integriert mit der Laminierschicht oder der Abdeckung eine Reflektorschicht angeordnet ist.
  • Eine höhere Flexibilität hinsichtlich des Verfahrens zur Optimierung des Produktionsprozesses resultiert daraus, dass bei der Herstellung der Solarzelle direkt auf das Schichtsystem eine Laminierschicht und darauf oder auf die Außenfläche der Abdeckung eine Reflektorschicht aufgebracht wird. Die Erfindung soll nachstehend an Hand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
  • 1 und 2 den Aufbau einer Solarzelle gemäß dem bekannten Stand der Technik,
  • 3 eine Ausführungsform, in der die Reflektorschicht zwischen der Laminierschicht und der Abdeckung angeordnet ist,
  • 4 und 5 eine Ausführungsform, in der die Reflektorschicht auf der Abdeckung angeordnet ist,
  • 6 eine Ausführungsform, in der die Laminierschicht aus einem reflektierenden Material besteht,
  • 7 eine Ausführungsform, in der die Abdeckung aus einem reflektierenden Material besteht,
  • 8 eine Ausführungsform, in der ein vorgefertigtes Verbundbauteil eingesetzt wird.
  • Der Aufbau einer wie in 1 dargestellten bekannten Solarzelle 1 besteht aus mindestens einem transparenten Substrat 11 (z. B. Glas) durch das die Solarstrahlung E einfällt, einem photovoltaischen Element 110, bestehend aus einer Frontkontaktschicht 12 (z. B. aus einem leitfähigen transparenten Oxid, insbesondere z. B. bestehend aus ITO oder ZnO) sowie einer Schicht aus hydrogenisiertem Silizium 13 (z. B. amorphes, mikrokristallines oder nanokristallines Silizium). Die Siliziumschicht 13 wiederum besteht gemäß 1 aus einer ersten äußeren Teilschicht 131 aus positiv dotiertem Silizium, einer zweiten mittleren Schicht 132 aus eigenleitendem Silizium und einer dritten äußeren Schicht 133 aus negativ dotiertem Silizium und einer Rückkontaktschicht 16 (z. B. aus einem leitfähigen transparenten Oxid, insbesondere z. B. bestehend aus ITO oder ZnO), gefolgt von einer Reflektorschicht 17 aus einem organischen oder anorganischen Material, einer Laminierschicht 18 aus einem organischen oder anorganischen Material (z. B. PVB oder EVA) und einer rückseitigen Abdeckung 19 (z. B. Glas).
  • Die Schicht aus hydrogenisiertem Silizium 13 nach 1 kann auch aus zwei oder mehr Teil-Schichtsystemen bestehen, z. B. wie in 2 für eine Tandem-Struktur, dargestellt aus den zwei Teil-Schichtsystemen 14 und 15, welche dann ihrerseits wieder aus positiv dotierten Randschichten 141 und 151, eigenleitenden Schichten 142 und 152 sowie negativ dotierten Randschichten 143 und 153 bestehen. Die Reflektorschicht 17 befindet sich bei diesem bekannten Aufbau standardmäßig zwischen der hinteren Kontaktschicht 16 und der Laminierschicht 18 (z. B. aus PVB, EVA). Die Reflektorschicht 17 dient der Verminderung der Verluste des nicht im photo voltaischen Element 110 absorbierten Anteils der einfallenden Solarstrahlung E, indem dieser reflektiert wird und das photovoltaische Element nochmals durchläuft.
  • Die bekannte Technologie zur Herstellung einer Solarzelle 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens in folgenden Schritten abläuft:
  • Beispiel I (Stand der Technik)
    • a) Reinigung des Substrates 11,
    • b) Aufbringen der Frontkontaktschicht 12 (z. B. CVD); dieser Schritt kann entfallen, wenn das Substrat 11 breits mit einer Frontkontaktschicht 12 versehen ist; nachfolgende Strukturierung der Frontkontaktschicht 12 (z. B. mittels Laser),
    • c) Aufbringen der Silizium-Schicht 13 (z. B. mittels PECVD) in einem Silan-haltigen Gasgemisch (z. B. vorzugsweise Silan, Wasserstoff, Argon); nachfolgende Strukturierung der Silizium-Schicht 13 (z. B. mittels Laser),
    • d) Aufbringen der hinteren Kontaktschicht 16 (z. B. PECVD, CVD oder PVD); Strukturierung der hinteren Kontaktschicht 16 (z. B. mittels Laser),
    • e) Aufbringen der Reflektorschicht 17, vorzugsweise z. B. mittels Siebdruckverfahren in den Teilschritten Aufbringen der Farbe und mehrminütiges, vorzugsweise ca. 5 ... 10 min, Aushärten der Farbe bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise im Bereich von ca. 150 ... 200°C, wobei die Lösungsmittel ausgetrieben werden,
    • f) Auflegen der als Laminierfolie ausgebildeten Laminierschicht 18 (z. B. PVB)
    • g) Auflegen der hinteren Abdeckung 19 (z. B. Glas),
    • h) Lamination (z. B. in einem zweistufigen Verfahren mit einem ersten Schritt zur Vorlaminierung in einem Rollenlaminator und einem zweiten Schritt zur finalen Lamination bei erhöhtem Druck (ca. 10 ... 15 bar) und erhöhter Temperatur (ca. 135 ... 165°C)).
  • Bei den Schritten f) bis g) handelt es sich um ein seit Jahrzehnten im industriellen Massstab bewährtes und hocheffizientes Verfahren aus der Verbundglasfertigung, das auch für beschichtete Gläser (z. B. Dünnschichtsolarzellen) geeignet ist.
  • Die Realisierung der Erfindung führt zu einer Struktur für eine Solarzelle 1, die es gestattet, die Reflektorschicht 17 so herzustellen, dass folgende Ziele erreicht werden:
    • – die Reflektorschicht 17 ist nicht mehr zwischen der Rückkontaktschicht 16 und der Laminierfolie 18 angeordnet,
    • – die Laminierschicht 18 wird direkt auf das Schichtsystem 20, insbesondere auf die Rückkontaktschicht 16 aufgebracht.
  • 3 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, in der die Reflektorschicht 17 zwischen der Laminierschicht 18 und der Abdeckung 19 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, dass die Reflektorschicht 17 und die Laminierschicht 18 ein gemeinsames Vorprodukt 310 bilden.
  • Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wie in 4 gezeigt, bilden die Reflektorschicht 17 und die Abdeckung 19 ein gemeinsames Vorprodukt 410. Für diese Ausführungsform ist es unerheblich, ob die Reflektorschicht 17 gemäß 3 zwischen der Laminierschicht 18 und der Abdeckung 19 oder gemäß 4 auf der Außenseite der rückseitigen Abdeckung 19 angeordnet ist.
  • Die Reflektorschicht 17 kann sowohl als Einzelschicht als auch als Mehrschichtsystem ausgeführt sein. Hinsichtlich der Technologie zum Aufbringen der Reflektorschicht 17 werden keine Einschränkungen gemacht.
  • 5 zeigt eine dritte Ausführungsform, in der eine zusätzliche optische Schicht 51 zwischen der Laminierschicht 18 und der Abdeckung 19 angeordnet ist, um die optischen Verluste an der Grenzfläche zu vermindern. Diese kann sowohl als Einzelschicht als auch als Mehrschichtsystem ausgeführt sein. Die Reflektorschicht 17, die rückseitige Abdeckung 19 und die optische Schicht 51 können auch ein gemeinsames Vorprodukt 510 bilden.
  • Eine vierte mögliche Ausführungsform zeigt 6, in der die Laninierschicht 18 aus einem reflektierenden Material besteht. Damit entfällt die Reflektorschicht 17.
  • 7 zeigt eine fünfte mögliche Ausführungsform, in der die rückseitige Abdeckung 19 aus einem reflektierenden Material besteht. Damit entfällt ebenfalls die Reflektorschicht 17.
  • 8 zeigt eine sechste mögliche Ausführungsform, in der ein vorgefertigtes Verbundbauteil 810 eingesetzt wird, das aus einer Kombination der Laminierschicht 18, der Reflektorschicht 17, der rückseitigen Abdeckung 19 und einer optischen Schicht 51 besteht, aber nicht notwendigerweise alle Teilschichten enthalten muss.
  • Die erfindungsgemäße Technologie zur Herstellung der Solarzelle 1 ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
  • Beispiel II
    • a) Reinigung des Substrates 11,
    • b) Aufbringen der Frontkontaktschicht 12 (z. B. CVD); dieser Schritt kann entfallen, wenn das Substrat 11 breits mit einer Frontkontaktschicht 12 versehen ist; nachfolgende Strukturierung der Frontkontaktschicht 12 (z. B. mittels Laser),
    • c) Aufbringen der Silizium-Schicht 13 (z. B. mittels PECVD) in einem Silan-haltigen Gasgemisch (z. B. vorzugsweise Silan, Wasserstoff, Argon); nachfolgende Strukturierung der Silizium-Schicht 13 (z. B. mittels Laser),
    • d) Aufbringen der hinteren Kontaktschicht 16 (z. B. PECVD, CVD oder PVD); Strukturierung der hinteren Kontaktschicht 16 (z. B. mittels Laser),
    • e) entfällt,
    • f1) Auflegen der als Laminierfolie ausgebildeten Laminierschicht 18 (z. B. PVB),
    • g1) Auflegen des in 4 gezeigten als reflektierend beschichtetes Verkapselungsmaterial ausgebildetes Vorprodukt 410, bestehend aus Abdeckung 19 und Reflektorschicht 17, wobei es unerheblich ist, auf welcher Seite der Abdeckung 19 die Reflektorschicht 17 vorhanden ist,
    • h) Lamination bei erhöhtem Druck (ca. 10 ... 15 bar) und erhöhter Temperatur (ca. 135 ... 165°C).
  • oder Beispiel III
    • a) Reinigung des Substrates 11,
    • b) Aufbringen der Frontkontaktschicht 12 (z. B. CVD); dieser Schritt kann entfallen, wenn das Substrat 11 breits mit einer Frontkontaktschicht 12 versehen ist; nachfolgende Strukturierung der Frontkontaktschicht 12 (z. B. mittels Laser),
    • c) Aufbringen der Silizium-Schicht 13 (z. B. mittels PECVD) in einem Silan-haltigen Gasgemisch (z. B. vorzugsweise Silan, Wasserstoff, Argon); nachfolgende Strukturierung der Silizium-Schicht 13 (z. B. mittels Laser),
    • d) Aufbringen der hinteren Kontaktschicht 16 (z. B. PECVD, CVD oder PVD); Strukturierung der hinteren Kontaktschicht 16 (z. B. mittels Laser),
    • e) entfällt,
    • f2) Auflegen der als Laminierfolie ausgebildeten Laminierschicht 18 (z. B. PVB),
    • g2) Auflegen des in 5 gezeigten als reflektierend beschichtetes Verkapselungsmaterial ausgebildetes Vorprodukt 510, bestehend aus optisch transparenter Abdeckung 19, Reflektorschicht 17 und optischer Schicht 51,
    • h) Lamination bei erhöhtem Druck (ca. 10 ... 15 bar) und erhöhter Temperatur (ca. 135 ... 165°C).
  • oder Beispiel IV
    • a) Reinigung des Substrates 11,
    • b) Aufbringen der Frontkontaktschicht 12 (z. B. CVD); dieser Schritt kann entfallen, wenn das Substrat 11 breits mit einer Frontkontaktschicht 12 versehen ist; nachfolgende Strukturierung der Frontkontaktschicht 12 (z. B. mittels Laser)
    • c) Aufbringen der Silizium-Schicht 13 (z. B. mittels PECVD) in einem Silan-haltigen Gasgemisch (z. B. vorzugsweise Silan, Wasserstoff, Argon); nachfolgende Strukturierung der Silizium-Schicht 13 (z. B. mittels Laser),
    • d) Aufbringen der hinteren Kontaktschicht 16 (z. B. PECVD, CVD oder PVD); Strukturierung der hinteren Kontaktschicht 16 (z. B. mittels Laser)
    • e) entfällt,
    • f3) Auflegen der als Laminierfolie ausgebildeten Laminierfolie 18 (z. B. PVB),
    • g3) Auflegen der in 7 gezeigten Abdeckung 19, bestehend aus einem reflektierenden Material,
    • h) Lamination bei erhöhtem Druck (ca. 10 ... 15 bar) und erhöhter Temperatur (ca. 135 ... 165°C).
  • Oder Beispiel V
    • a) Reinigung des Substrates 11,
    • b) Aufbringen der Frontkontaktschicht 12 (z. B. CVD); dieser Schritt kann entfallen, wenn das Substrat 11 bereits mit einer Frontkontaktschicht 12 versehen ist; nachfolgende Strukturierung der Frontkontaktschicht 12 (z. B. mittels Laser),
    • c) Aufbringen der Silizium-Schicht 13 (z. B. mittels PECVD) in einem Silan-haltigen Gasgemisch (z. B. vorzugsweise Silan, Wasserstoff, Argon); nachfolgende Strukturierung der Silizium-Schicht 13 (z. B. mittels Laser),
    • d) Aufbringen der hinteren Kontaktschicht 16 (z. B. PECVD, CVD oder PVD); Strukturierung der hinteren Kontaktschicht 16 (z. B. mittels Laser),
    • e) entfällt,
    • f4) Auflegen der als Laminierfolie ausgebildeten Laminierfolie 18, gem. 6 aus reflektierendem Material,
    • g4) Auflegen der hinteren Abdeckung 19 (z. B. Glas, Kunststoff, Metall)
    • h) Lamination bei erhöhtem Druck (ca. 10 ... 15 bar) und erhöhter Temperatur (ca. 135 ... 165°C).
  • Die Vorteile der erfindungsgemäßen Struktur der Solarzelle 1 bestehen darin, dass eine unkontrollierte Beeinflussung des Schichtaufbaus durch das Aufbringen des Reflektors vermieden werden kann und eine bessere Optimierung der optischen Eigenschaften möglich ist.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen technologischen Ablaufes bestehen darin, dass in der Herstellungstechnologie der Schritt des Aufbringens der Reflektorschicht 17 eingespart und die Herstellung der Reflektorschicht 17 auf die Zulieferindustrie verlagert werden kann, indem reflektierende Laminierschichten gem. 6, reflektierende Modulabdeckungen gem. 7, reflektierend beschichtete, als Laminationsfolien ausgebildete Vorprodukte 310 gem. 3, reflektierend beschichtete Modulabdeckungen mit zusätzlicher optischer Schicht 510 gem. 5 oder Kombinationen aus diesen als Zulieferteile eingesetzt werden.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführungsform nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.
    • 1
    Solarzelle
    11
    Substrat
    12
    Frontkontaktschicht
    13
    Siliziumschicht
    14
    Teilschichtsystem
    15
    Teilschichtsystem
    16
    Kontaktschicht
    17
    Reflektorschicht
    18
    Laminierschicht
    19
    Abdeckung
    20
    Schichtsystem
    51
    optische Schicht
    110
    photovoltaisches Element
    131
    Silizium-Teilschicht
    132
    Silizium-Teilschicht
    133
    Silizium-Teilschicht
    141
    Randschicht
    142
    eigenleitende Schicht
    143
    Randschicht
    151
    Randschicht
    152
    eigenleitende Schicht
    153
    Randschicht
    310
    Vorprodukt
    410
    Vorprodukt
    510
    Vorprodukt
    810
    Vorprodukt
    E
    Solarstrahlung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0871979 B1 [0002]
    • - DE 3428775 A1 [0002]
    • - DE 4026165 C2 [0002]
    • - DE 4227860 C1 [0002]
    • - DE 3538986 C2 [0002]

Claims (9)

  1. Solarzelle umfassend mindestens ein transparentes Substrat (11) und eine Abdeckung (19) sowie ein Zwischensubstrat (11) und Abdeckung (19) angeordnetes Schichtsystem (20), welches mit einer Laminierschicht (18) abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laminierschicht (18) und der Abdeckung (19) oder integriert mit der Laminierschicht (18) oder der Abdeckung (19) eine Reflektorschicht (17) angeordnet ist.
  2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (20) aus einer Frontkontaktschicht (12), einer Schicht aus hydrogenisiertem Silizium (13) aus amorphem oder mikrokristallinem oder nanokristallinem Silizium und einer Rückkontaktschicht (16) besteht.
  3. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontkontaktschicht (12) aus einem leitfähigen, transparenten Oxid, insbesondere aus ITO oder ZnO besteht.
  4. Solarzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (13) aus einer ersten äußeren Teilschicht (131) aus positiv dotiertem Silizium, einer zweiten mittleren Teilschicht (132) aus eigenleitendem Silizium und einer dritten äußeren Schicht (133) aus negativ dotiertem Silizium besteht.
  5. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laminierschicht (18) aus einem reflektierenden Material besteht.
  6. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (19) aus einem reflektierenden Material besteht.
  7. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Laminierschicht (18) und der Abdeckung (19) eine optische Schicht (51) angeordnet ist.
  8. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorschicht (17) und die Laminierschicht (18) ein gemeinsames Vorprodukt (310) bilden.
  9. Solarzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Vorprodukt (410, 510, 810) durch mindestens zwei der Bestandteile Laminierschicht (18), Reflektorschicht (17), Abdeckung (19) und optische Schicht (51) gebildet ist.
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