DE202011103261U1

DE202011103261U1 - Fotovoltaikmodul und Anordnung zur Herstellung eines Fotovoltaikmoduls

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Publication number: DE202011103261U1
Application number: DE201120103261
Authority: DE
Original assignee: BUERKLE LASER TECHNOLOGY GmbH
Current assignee: Stein Wilhelm Dr De
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2011-08-30
Anticipated expiration: 2021-07-16

Abstract

Fotovoltaikmodul, umfassend: – mindestens ein erstes (5) und ein zweites (7) Segment, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, – eine erste elektrisch leitfähige Schicht (2), – eine fotoaktive Schichtfolge (3), – eine zweite elektrisch leitfähige Schicht (4), – eine elektrische Isolierung (30), die zwischen dem ersten (5) und dem zweiten (7) Segment angeordnet ist und die zumindest die zweite elektrisch leitfähige Schicht (4) unterbricht, – eine Kontaktierung (31), über die die zweite elektrisch leitfähige Schicht (4) mit der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (2) zur Reihenschaltung des ersten (5) und des zweiten (7) Segments elektrisch gekoppelt ist, und – bei dem die Kontaktierung (31) an die elektrische Isolierung (30) angrenzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fotovoltaikmodul sowie eine Anordnung zur Herstellung eines Fotovoltaikmoduls.
Dünnschichtsolarzellen-Module, auch Dünnschichtfotovoltaikmodule genannt, weisen fotoaktive Schichten mit Schichtdicken in der Größenordnung von Mikrometern auf. Das in der oder den fotoaktiven Schichten eingesetzte Halbleitermaterial kann dabei amorph oder mikrokristallin sein. Auch eine Kombination von Schichten aus amorphen und Schichten aus mikrokristallinem Halbleitermaterial innerhalb einer Zelle ist möglich, zum Beispiel bei den so genannten Tandemzellen und den so genannten Tripelzellen. Als Halbleitermaterialien kommen Si, Ge und Verbindungshalbleiter wie CdTe oder Cu(In, Ga)Se2 (kurz CIS oder CIGS genannt) zum Einsatz.
Um wirtschaftliche Module mit möglichst großer Fläche einsetzen zu können, ohne dass der in den Elektroden der Solarzellen lateral abgeführte Strom so groß wird, dass hohe ohmsche Verluste auftreten, werden Dünnschichtfotovoltaikmodule üblicherweise in eine Vielzahl von Segmenten unterteilt. Die streifenförmigen und in der Regel einige Millimeter bis Zentimeter breiten Segmente verlaufen dabei meist parallel zu einer Kante des Moduls. Die Segmente werden gebildet, indem bei durchgehendem Substrat einzelne Schichten des Schichtaufbaus der Solarzelle durch dünne Trennlinien unterbrochen werden. Die Trennlinien führen zum einen dazu, dass gleiche Schichten benachbarter Segmente gegeneinander elektrisch isoliert sind und zum anderen dazu, dass nachfolgend aufgebrachte Schichten entlang einer Kontaktierung mit darunter liegenden Schichten elektrisch verbunden werden können. Bei geeigneter Anordnung der Trennlinien lässt sich auf diese Weise eine Reihenschaltung der einzelnen Segmente erreichen. In dem Bereich der Trennlinien wird kein elektrischer Strom erzeugt.
Es ist wünschenswert, ein Fotovoltaikmodul anzugeben, das möglichst effizient ist. Es ist weiterhin wünschenswert, eine Anordnung zur Herstellung eines Fotovaltaikmoduls anzugeben.
In einer Ausführungsform umfasst ein Fotovoltaikmodul mindestens ein erstes und ein zweites Segment, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Das Fotovoltaikmodul umfasst eine erste elektrisch leitfähige Schicht, eine fotoaktive Schichtfolge und eine zweite elektrisch leitfähige Schicht. Weiterhin umfasst das Fotovoltaikmodul eine elektrische Isolierung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Segment angeordnet ist und die zumindest die zweite elektrisch leitfähige Schicht unterbricht. Das Fotovoltaikmodul weist eine Kontaktierung auf, über die die zweite elektrisch leitfähige Schicht mit der ersten elektrisch leitfähigen Schicht zur Reihenschaltung des ersten und des zweiten Segments elektrisch gekoppelt ist. Die Kontaktierung grenzt an die Isolierung an.
Dadurch, dass die Kontaktierung an die Isolierung angrenzt ist der Kontaktierungsbereich, der nicht zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie beiträgt, zwischen dem ersten und dem zweiten Segment möglichst schmal ausgebildet. Damit wird bezogen auf das Fotovoltaikmodul möglichst wenig Fläche für die Kontaktierung benötigt und entsprechend steht mehr Fläche zur Verfügung, die zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie beiträgt. Bei gleichbleibender Modulgröße wird somit die Effizienz des Fotovoltaikmoduls gesteigert.
Die elektrische Isolierung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Segment angeordnet ist, unterbricht in einer Ausführungsform die zweite elektrisch leitfähige Schicht und die fotoaktive Schichtfolge.
In einer Ausführungsform enthält die Kontaktierung im Bereich der fotoaktiven Schichtfolge eine leitfähige Materialverbindung und/oder eine leitfähige Legierung aus Elementen der fotoaktiven Schichtfolge und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht. So kann die Kontaktierung möglichst einfach hergestellt sein und relativ dünn ausgebildet werden.
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Kontaktierung im Bereich der fotoaktiven Schichtfolge eine leitfähige Materialverbindung und/oder eine leitfähige Legierung aus Elementen der fotoaktiven Schichtfolge und der ersten elektrisch leitfähigen Schicht. So kann die Kontaktierung möglichst einfach hergestellt sein und relativ dünn ausgebildet werden.
In einer Ausführungsform ist die elektrische Isolierung als Ausnehmung zumindest in der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht ausgebildet. In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Isolierung als Ausnehmung in der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht und in der fotoaktiven Schichtfolge ausgebildet. Durch eine Unterbrechung zumindest der ersten elektrisch leitfähigen Schicht durch die Ausnehmung sind die jeweiligen Bereiche auf den gegenüberliegenden Seiten der Ausnehmung voneinander elektrisch isoliert.
In einer Ausführungsform begrenzt die Kontaktierung die Ausnehmung in Richtung der Hauptausbreitung des Fotovoltaikmoduls. Die Kontaktierung weist in einer Ausführungsform in Hauptausbreitungsrichtung des Fotovoltaikmoduls eine Breite von weniger als 50 Mikrometern auf, insbesondere eine Breite von weniger als 25 Mikrometern auf, beispielsweise eine Breite von zehn Mikrometer plus/minus ein Mikrometer auf. Dadurch, dass die Kontaktierung die Ausnehmung in Hauptausbreitungsrichtung des Fotovoltaikmoduls begrenzt ist es möglich, die Kontaktierung in Hauptausbreitungsrichtung mit einer Breite von lediglich zehn Mikrometern plus/minus einem Mikrometer auszubilden.
In einer Ausführungsform wird zur Herstellung eines Fotovoltaikmoduls ein Substrat bereitgestellt. Auf das Substrat werden Schichten aufgebracht zur Bildung mindestens einer elektrisch leitfähigen Schicht und einer fotoaktiven Schichtfolge. Eine elektrische Isolierung wird ausgebildet, die zwischen einem ersten und einem zweiten Segment angeordnet ist. Die elektrische Isolierung unterbricht die zweite elektrisch leitfähige Schicht. Ein Laserstrahl wird derart eingestrahlt, dass sich in einem an die elektrische Isolierung angrenzenden Bereich der zweite elektrisch leitfähige Schicht und der fotoaktive Schichtfolge eine elektrisch leitfähige Kontaktierung ausbildet, zur Kopplung der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht mit der ersten elektrisch leitfähige Schicht zur Reihenschaltung des ersten und des zweiten Segments. Der Laserstrahl wird so eingestrahlt, dass er zumindest zum Teil in einen Bereich eingestrahlt wird, der mit der elektrischen Isolierung korrespondiert. In einer Ausführungsform wird der Laser zumindest zum Teil in die Isolierung eingestrahlt. In einer weiteren Ausführungsform wird der Laser zumindest zum Teil in einen Bereich eingestrahlt, in dem nachfolgend die Isolierung ausgebildet wird.
Dadurch, dass zumindest ein Teil des Laserstrahls in die elektrische Isolierung eingestrahlt wird, kann der Bereich, in dem sich die elektrisch leitfähige Materialverbindung ausbildet, möglichst schmal ausgebildet werden. So kann ein Fotovoltaikmodul hergestellt werden, bei dem ein möglichst großer Anteil der Modulfläche zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie beiträgt und ein möglichst kleiner Anteil zur Kontaktierung benötigt wird.
In einer Ausführungsform unterbricht die elektrische Isolierung die zweite elektrisch leitfähige Schicht und die fotoaktive Schichtfolge.
In einer Ausführungsform wird der Laserstrahl so eingestrahlt, dass die zweite elektrisch leitfähige Schicht und die fotoaktive Schichtfolge in einem Bereich aufgeheizt werden und sich eine Materialverbindung aus der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht und der fotoaktiven Schichtfolge ausbildet, die von den ursprünglichen Materialien der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht und der fotoaktiven Schichtfolge abweichende physikalische Eigenschaften hat und elektrisch leitfähig ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Laserstrahl so eingestrahlt, dass die erste elektrisch leitfähige Schicht und die fotoaktive Schichtfolge in einem Bereich aufgeheizt werden und sich eine Materialverbindung aus der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der fotoaktiven Schichtfolge ausbildet, die von den ursprünglichen Materialien der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der fotoaktiven Schichtfolge abweichende physikalische Eigenschaften hat und elektrisch leitfähig ist.
In einer Ausführungsform weist der Bereich eine Breite in Hauptausbreitungsrichtung des Fotovoltaikmoduls auf, die geringer ist als eine Breite des Laserstrahls. Die Breite des Bereichs und damit der Kontaktierung ist von der Breite des Laserstrahls unabhängig.
In einer Ausführungsform umfasst das Ausbilden der elektrischen Isolierung ein Einbringen einer Ausnehmung zumindest in die zweite elektrisch leitfähige Schicht. Ein Laserstrahl wird derart eingestrahlt, dass der Bereich der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht und der fotoaktiven Schichtfolge, der die Ausnehmung in eine Richtung begrenzt, aufgeheizt wird, und sich in dem Bereich die Materialverbindung ausbildet.
In einer Ausführungsform wird der Laserstrahl derart eingestrahlt, dass der Bereich der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der fotoaktiven Schichtfolge, der die Ausnehmung in eine Richtung begrenzt, aufgeheizt wird, und sich in dem Bereich die Materialverbindung ausbildet.
Eine Anordnung zur Herstellung eines Fotovoltaikmoduls ist eingerichtet, ein solches Verfahren durchzuführen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden in Verbindung mit den 1 bis 4 erläuterten Beispiele.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Fotovoltaikmoduls gemäß einer Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus eines Fotovoltaikmoduls gemäß einer Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus eines Fotovoltaikmoduls gemäß einer Ausführungsform,
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung von Fotovoltaikmodulen.
Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente können in den Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse zueinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Fotovoltaikmoduls 10, das eingerichtet ist, in betriebsfertigem Zustand Strahlungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Das Fotovoltaikmodul 10 vom Typ eines Dünnschichtfotovoltaikmoduls. Das Fotovoltaikmodul 10 weist eine Mehrzahl von Segmenten 5, 7 auf, die auf einem gemeinsamen Substrat 1 (2) angeordnet sind. Jeweils zwei unmittelbar nebeneinander angeordnete Segmente, beispielsweise die Segmente 5 und 7, sind durch eine Trennlinie beziehungsweise durch einen Kontaktierungsbereich getrennt, beispielsweise ist zwischen den Segmenten 5 und 7 ein Kontaktierungsbereich 6 angeordnet.
2 zeigt schematisch eine Schnittansicht entlang der Linie A-A' der 1.
In Z-Richtung, also quer zur Hauptausbreitungsrichtung des Fotovoltaikmoduls, ist auf dem Substrat 1 eine erste elektrisch leitfähige Schicht 2 angeordnet. Auf der elektrisch leitfähigen Schicht 2 ist eine fotoaktiver Schichtfolge 3 angeordnet. Auf der fotoaktiven Schichtfolge 3 ist eine zweite elektrisch leitfähige Schicht 4 angeordnet.
Beispielhaft handelt es sich bei dem Substrat 1 um Flachglas, bei der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2 um eine Frontseitenelektrode aus TCO (TCO = Transparent Conductive Oxide Lagers; Transparente leitfähige Oxidschicht) und bei der fotoaktiven Schichtenfolge 3 um eine Abfolge von p-dotiertem, intrinsischem und n-dotiertem amorphen oder mikrokristallinen Silizium. Die erste elektrisch leitfähige Schicht 2 und die fotoaktive Schichtenfolge 3 können in aufeinander folgenden Vakuumbeschichtungsprozessen aufgebracht sein, ohne dass das Substrat 1 dazu aus dem Vakuum geschleust werden muss. Ebenso ist es möglich mit einem Substrat 1 zu starten, das bereits mit einer TCO-Schicht als erste elektrisch leitfähige Schicht 2 versehen ist. In dem Fall ist nur die fotoaktive Schichtenfolge 3 aufzubringen.
Die im Betrieb der Sonne zugewandte erste elektrisch leitfähige Schicht 2, die eine Frontseitenelektrode ausbildet, umfasst transparente leitfähige Oxide (TCO), wie zum Beispiel SNO₂, ZNO oder ITO. Die im Betrieb der Sonne abgewandte zweite elektrisch leitfähige Schicht, die eine Rückseitenelektrode ausbildet, kann ebenfalls eine TCO-Schicht aufweisen oder auch durch Metalle wie Ag, Al, Mo oder aus Kombination von TCO und einer Metallschicht ausgebildet sein. Die erste elektrisch leitfähige Schicht 2 weist eine Trennlinie 32 auf. Die Trennlinie 32 wirkt elektrisch isolierend.
Die fotoaktive Schichtfolge 3 und die zweite elektrisch leitfähige Schicht 4 weisen eine Kontaktierung 31 und eine elektrische Isolierung 30 auf. Die Trennlinie 32, die Kontaktierung 31 und die elektrische Isolierung 30 sind in X-Richtung versetzt angeordnet und teilen den dargestellten Ausschnitt des Fotovoltaikmoduls in das erste Segment 5 links der Trennlinie 32, das zweite Segment 7 rechts der elektrischen Isolierung 30 sowie den zwischen den Segmenten 5 und 7 liegenden Kontaktierungsbereich 6. Die X-Richtung entspricht der Hauptausbreitungsrichtung des Fotovoltaikmoduls 10.
Die fotoaktive Schichtfolge 3 umfasst typischerweise zumindest eine p- und eine n-dotierte Halbleiterschicht. Im Falle von Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Silizium werden die p- und die n-dotierten Schichten üblicherweise noch durch eine ausgedehnte im Wesentlichen intrinsische (also undotierte) Schicht (i-Schicht) getrennt. Zur besseren Ausnutzung des Wellenlängenspektrums können mehrere pin-Schichtfolgen mit unterschiedlichen Absorptionsspektren übereinander in der fotoaktiven Schichtfolge 3 vorgesehen sein. Eine solche Siliziumtandemzelle weist beispielsweise eine pin-Schichtfolge aus amorphem Silizium und eine pin-Schichtfolge aus mikrokristallinem Silizium auf. Es kann auch eine weitere pin-Schichtfolge aus amorphem Silizium-Germanium vorgesehen sein. In diesem Fall spricht man von Tripelzellen.
Typischerweise ist die p-dotierte Schicht in Betrieb des Fotovoltaikmoduls der Sonne zugewandt. Es ist auch möglich, dass die n-dotierte Schicht der Sonne zugewandt ist. Als Aufwachssubstrat wird Glas oder auch eine (Metall-)Folie eingesetzt. Das Trägersubstrat, durch das im Betrieb das Sonnenlicht einfällt, wird bei Verwendung einer (Metall-)Folie erst am Ende des Herstellungsprozesses auf das Modul auflaminiert. Der Schichtenstapel bleibt dabei mit dem Aufwachssubstrat verbunden.
Als aktives Halbleitermaterial für die fotoaktive Schichtenfolge 3 können amorphe oder mikrokristalline Halbleiter der Gruppe IV, zum Beispiel a-Si, a-SiGe, μC-Si, oder Verbindungshalbleiter wie zum Beispiel CdTe oder Cu(In, Ga)Se2 (kurz CIS oder CIGS genannt) eingesetzt werden. Weiterhin kann die fotoaktive Schichtfolge organisches Material umfassen, das eingereichtet ist, Strahlungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Dabei können in der fotoaktiven Schichtenfolge 3 auch Schichten verschiedener der genannten Materialen kombiniert werden. Weiterhin können in der fotoaktiven Schichtenfolge 3 teilweise spiegelnde Schichten (intermediate reflectors) aus einem leitfähigen Oxid und/oder einer leitfähigen Halbleiterschicht vorgesehen sein.
Das erste Segment 5 und das zweite Segment 7 sind über die Kontaktierung 31 im Kontaktierungsbereich 6 elektrisch in Reihe gekoppelt. Zur elektrischen Unterbrechung der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2 zwischen dem Segment 5 und dem Segment 7 ist die Trennlinie 32 in die elektrisch leitfähige Schicht 2 eingebracht, die die elektrisch leitfähige Schicht 2 links von der Trennlinie von der elektrisch leitfähigen Schicht 2 rechts von der Trennlinie 32 elektrisch isoliert. Die elektrische Isolierung 30 isoliert die fotoaktiven Schichtfolge 3 und die zweite elektrisch leitfähige Schicht 4 links von der elektrischen Isolierung 30 elektrisch von der fotoaktiven Schichtfolge 3 und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4 rechts von der elektrischen Isolierung 30.
Die Isolierung 30 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Ausnehmung in der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4 und der fotoaktiven Schichtfolge 3.
In einer Ausführungsform isoliert die elektrische Isolierung 30 lediglich die zweite elektrisch leitfähige Schicht 4 links von der elektrischen Isolierung 30 elektrisch von der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4 rechts von der elektrischen Isolierung 30. Der fotoaktive Schichtstapel ist in dieser Ausführungsform nicht von der Isolierung 30 unterbrochen.
Durch die Kontaktierung 31 besteht ein ohmscher Kontakt zwischen der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4 und der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2. Die Kontaktierung 31 reicht von einer dem Substrat abgewandten Oberfläche der leitfähigen Schicht 4 bis zur Schicht 2. Die eingezeichneten Pfeile in der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2, der fotoaktiven Schichtfolge 3 und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4 symbolisieren den Stromfluss und die Reihenschaltung der Segmente 5 und 7.
Die Kontaktierung 31 begrenzt in negativer X-Richtung die Ausnehmung 30, die zur elektrischen Isolierung der fotoaktiven Schichtfolge 3 und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4 zwischen dem ersten Segment 5 und dem zweiten Segment 7 dient. Die Kontaktierung 31 begrenzt die Ausnehmung 30 auf der Seite, die stromflussaufwärts gelegen ist. Die elektrische Isolierung 30 und die Kontaktierung 31 grenzen unmittelbar aneinander an. Die Kontaktierung 31 und die elektrische Isolierung 30 weisen keinen Abstand zueinander auf. Eine Seitenfläche 34, die in Z-Richtung (also quer zur Hauptausbreitungsrichtung) verläuft, schließt die Ausnehmung 30 in Richtung des Segments 5 ab. Insbesondere ist in X-Richtung zwischen der Kontaktierung 31 und der Ausnehmung 30 weder eine unveränderte zweite elektrisch leitfähige Schicht 4 noch eine unveränderte fotoaktive Schichtfolge 3, der zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie eingerichtet ist.
Beispielsweise weist die Kontaktierung 31 in X-Richtung eine Breite 33 von weniger als 50 Mikrometern auf. In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Kontaktierung 31 in X-Richtung eine Breite von weniger als 40 Mikrometern auf, insbesondere weist die Kontaktierung 31 in X-Richtung eine Breite von weniger als 25 Mikrometern auf, beispielsweise weist Kontaktierung 31 in X-Richtung eine Breite von 10 Mikrometern plus/minus 1 Mikrometer auf. Die Kontaktierung 31 kann auch schmäler sein und beispielsweise eine Breite von 8 Mikrometern plus/minus 1 Mikrometer aufweisen.
Dadurch, dass die Breite 33 so gering gewählt ist und die Kontaktierung 31 und die elektrische Isolierung 30 direkt aneinander angrenzen, weist der Kontaktierungsbereich 6 eine Breite von weniger als 300 Mikrometer, insbesondere weniger als 200 Mikrometer, insbesondere weniger als 80 Mikrometer, auf. Die Breite 33 kann so gering gewählt werden, dass gerade noch ein ausreichender ohmscher Kontakt zwischen der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4 und der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2 realisiert ist.
Die Kontaktierung 31 ist beispielsweise durch ein Aufschmelzen der Schichten 3 und 4 in einem Bereich 8 gebildet. In einer Ausführungsform wird ein Laserstrahl 11 eingestrahlt, der die Schichten 3 und 4 lokal im Bereich 8 erwärmt und aufschmilzt. Zur besseren Darstellbarkeit ist der Laserstrahl 11 in Z-Richtung abgeschnitten gezeigt. Tatsächlich dringt der Laserstrahl während der Herstellung der Kontaktierung 31 natürlich in den Schichtaufbau ein. Der Laserstrahl 11 dringt beginnend mit der Schicht 4 in den Schichtaufbau ein. In einer weiteren Ausführungsform dringt der Laserstrahl 11 durch das Substrat 1 in Z-Richtung beginnend mit Schicht 2 in den Schichtaufbau ein.
Die Kontaktierung 31 ist in einer weiteren Ausführungsform beispielsweise durch ein zumindest teilweises Aufschmelzen der Schichten 2, 3 und 4 in einem Bereich 8 gebildet. In einer Ausführungsform wird der Laserstrahl 11 eingestrahlt, der die Schichten 2, 3 und 4 lokal im Bereich 8 erwärmt und aufschmilzt.
Die Kontaktierung 31 ist in einer weiteren Ausführungsform beispielsweise durch ein Aufschmelzen der Schichten 2 und 3 in dem Bereich 8 gebildet, wie in Zusammenhang mit 3 erläutert.
Die Kontaktierung 31 kann entweder ein Silizid aufweisen, zum Beispiel AgAlSi mit einer quasi metallischen Leitfähigkeit oder auch ein Eutektikum aus Si und Ag, das ebenfalls eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Dadurch kann an dieser Stelle Strom von der Schicht 4 in die Schicht 2 fließen. Bevorzugt besteht dabei im Bereich 9 der Kontaktierung 31 ein ohmscher Kontakt zur Schicht 2.
Üblicherweise werden die elektrisch leitfähigen Schichten 2 und 4 und die fotoaktive Schichtenfolge 3 bei Dünnschichtsolarmodulen in Vakuumprozessen aufgebracht. Hierfür eignen sich PVD-Prozesse (physical vapour deposition) wie zum Beispiel Plasma-Sputtern oder Elektronenstrahlverdampfen oder auch CVD-Prozesse (chemical vapor deposition) wie zum Beispiel LPCVD (low Pressure CVD) oder PECVD (Plasma enhanced CVD).
3 zeigt schematisch eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der 1 wie in Zusammenhang mit 2 erläutert.
Im Unterschied zu 2 weist die Trennlinie 32 im Ausführungsbeispiel gemäß der 3 Material der fotoaktiven Schichtfolge 3 auf. Zur elektrischen Isolierung der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2 links und rechts von der Trennlinie 32 wird eine Ausnehmung im Bereich der Trennlinie 32 in die erste elektrisch leitfähige Schicht 2 eingebracht, bevor die fotoaktive Schichtfolge 3 auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2 angeordnet wird. Während des Aufbringens der fotoaktiven Schichtfolge 3 auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2 setzt sich dann das Material der fotoaktiven Schichtfolge 3 in dieser Ausnehmung ab und wirkt elektrisch isolierend. Die Trennlinie 32 ist aus Material der fotoaktiven Schichtfolge 3 gebildet.
Weiterhin ist im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 2 die Kontaktierung 31 durch ein Aufschmelzen der Schichten 2 und 3 in dem Bereich 8 gebildet. Die Kontaktierung 31 reicht in Z-Richtung beginnend an dem Substrat 1 bis zur zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4.
Weiterhin dringt der Laserstrahl 11 im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 2 durch das Substrat 1 hindurch in die erste elektrisch leitfähige Schicht 2 und die fotoaktive Schichtfolge 3 ein.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Fotovoltaikmoduls, wie im Zusammenhang mit 1 bis 3 erläutert.
In Schritt 101 wird das Substrat 1 bereitgestellt. In Schritt 102 werden die erste elektrisch leitfähige Schicht 2, die fotoaktive Schichtfolge 3 sowie die zweite elektrisch leitfähige Schicht 4 auf das Substrat aufgebracht.
In einer Ausführungsform wird eine Ausnehmung im Bereich der Trennlinie 32 in die erste elektrisch leitfähige Schicht 2 eingebracht, bevor die elektrisch leitfähige Schichtfolge 3 aufgebracht wird.
In Schritt 110 wird die Strukturierung der aufgebrachten Schichten zur elektrischen Reihenschaltung der Segmente 5 und 7 durchgeführt. Der Schritt 110 umfasst die Schritte 103 bis 105. Die Schritte 103 werden in einer Ausführungsform hintereinander durchgeführt. In einer weiteren Ausführungsform werden zwei Schritte zusammengefasst und gleichzeitig durchgeführt. In einer weiteren Ausführungsform werden die Schritte 103 bis 105 zusammengefasst und gleichzeitig durchgeführt oder nahezu gleichzeitig durchgeführt. Zudem ist die Reihenfolge der Schritte 103 bis 105 beliebig. Insbesondere wird in einer Ausführungsform der Laserstrahl 11 eingestrahlt, bevor die Isolierung 30 ausgebildet ist. Beim Ausbilden der Isolierung 30 wird dann ein Teil der gebildeten Schmelze beziehungsweise Materialverbindung abgetragen, so dass die Kontaktierung 31 mit der Breite 33 gebildet wird.
In Schritt 103 wird die elektrische Isolierung 30 zwischen dem ersten Segment 5 und dem zweiten Segment 7 in die zweite elektrisch leitfähige Schicht 4 und die fotoaktive Schichtfolge 3 eingebracht. Beispielsweise wird die Ausnehmung 30 durch Einbringen von Laserstrahlung einer Wellenlänge von 532 Nanometer erzeugt.
Nachfolgend wird in Schritt 104 die Kontaktierung 31 ausgebildet. Dazu wird ebenfalls Laserstrahlung einer geeigneten Wellenlänge, beispielsweise aus einem Bereich von 200 Nanometer bis 10 Mikrometer, in den an die Isolierung 30 angrenzenden Bereich 8 der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4 und der fotoaktiven Schichtfolge 3 eingebracht und dabei die zweite elektrisch leitfähige Schicht 4 und die fotoaktive Schichtfolge 3 in dem Bereich 8 lokal begrenzt aufgeschmolzen, aber nicht verdampft.
In einer weiteren Ausführungsform wird dazu Laserstrahlung einer geeigneten Wellenlänge, beispielsweise aus einem Bereich von 200 Nanometer bis 10 Mikrometer, in den an die Isolierung 30 angrenzenden Bereich 8 der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2 und der fotoaktiven Schichtfolge 3 eingebracht und dabei die erste elektrisch leitfähige Schicht 2 und die fotoaktive Schichtfolge 3 in dem Bereich 8 lokal begrenzt aufgeschmolzen, aber nicht verdampft.
In einer weiteren Ausführungsform wird dazu Laserstrahlung einer geeigneten Wellenlänge, beispielsweise aus einem Bereich von 200 Nanometer bis 10 Mikrometer, in den an die Isolierung 30 angrenzenden Bereich 8 der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2, der fotoaktiven Schichtfolge 3 und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4 eingebracht und dabei die erste elektrisch leitfähige Schicht 2, die fotoaktive Schichtfolge 3 und die zweite elektrisch leitfähigen Schicht 4 in dem Bereich 8 lokal begrenzt aufgeschmolzen, aber nicht verdampft.
Bei dem Aufschmelzen und den dabei entstehenden Diffusionsprozessen bilden sich entweder ein Silizid, zum Beispiel AgAlSi mit einer quasi metallischen Leitfähigkeit oder auch ein Eutektikum aus Si und Ag, das ebenfalls eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Dadurch kann an dieser Stelle Strom von der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4 in die erste elektrisch leitfähige Schicht 2 fließen. Die Mischung von Elementen aus der fotoaktiven Schicht 3 und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4 beziehungsweise der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2 in der lokal im Bereich 8 ausgebildeten Schmelze kann auch bei anderen Systemen als den oben beschriebenen Materialkombinationen zur Ausbildung einer leitfähigen Materialverbindung oder Legierung eingesetzt werden.
In Schritt 105 wird die Trennlinie 32 zur Unterbrechung der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2 ausgebildet. Dazu wird Laserstrahlung einer Wellenlänge, die in der ersten elektrisch leitfähigen Schicht absorbiert wird, zum Beispiel 1064 Nanometer, durch das Substrat 1 eingebracht. Die Leistung der Laserstrahlung und die Bearbeitungszeit werden so gewählt, dass die Frontseitenelektrode 2 lokal erwärmt und zu Rekristallisationsprozessen angeregt wird. Die dadurch hervorgerufene Veränderung der Mikrostruktur des TCO-Materials der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 2 führt zu einer deutlichen Herabsetzung ihrer Leitfähigkeit. Grund ist, dass für die Leitfähigkeit von TCO-Schichten im Wesentlichen die Dotierstoffe verantwortlich sind, die als Folge des Rekristallisationsprozesses nicht mehr im Kristall eingebaut sind.
In der Ausführungsform, in der die Ausnehmung im Bereich der Trennlinie 32 in die erste elektrisch leitfähige Schicht 2 eingebracht wurde, bevor die elektrisch leitfähige Schichtfolge 3 aufgebracht wird, wird die elektrisch isolierende Trennlinie 32 dadurch ausgebildet, dass sich Material der fotoaktiven Schichtfolge 3 in der Ausnehmung absetzt.
Zumindest die Strukturierungsmaßnahmen zur Ausbildung der elektrischen Isolierung 30 und zur Ausbildung der Kontaktierung 31 sind in einem Ausführungsbeispiel von einem einzigen Prozesskopf aus ausgeführt. So kommt es zwischen der elektrischen Isolierung 30 und der Kontaktierung 31 bei der Herstellung zu keinen Toleranzschwankungen, die Berücksichtigt werden müssten, und die elektrische Isolierung 30 und die Kontaktierung 31 können wie in 2 dargestellt direkt aneinander angrenzend ausgebildet werden. Zudem ist die Breite 33 unabhängig von einer Breite 9 in X-Richtung des Laserstrahls zum Aufschmelzen der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 4 und der fotoaktiven Schichtfolge 3 zum Ausbilden der Kontaktierung 31. Beispielsweise weist der Laserstrahl eine Breite von 40 Mikrometern auf. In einer weiteren Ausführungsform weist der Laserstrahl eine andere Breite auf, beispielsweise eine Breite von 20 Mikrometern. Insbesondere ist die Breite 9 des Laserstrahls 11 größer als die Breite 33 der Kontaktierung 31 beziehungsweise ist die Breite 33 kleiner als die Breite 9. Der Laserstrahl 11 zum Ausbilden der Kontaktierung 31 dringt zum Teil in den Bereich 8, der an die Ausnehmung 30 angrenzt, ein und der andere Teil des Laserstrahls ist in der Ausnehmung 30. Dadurch, dass ein Teil des Laserstrahls in die Ausnehmung 30 geführt wird, kann die Kontaktierung 31 die Breite 33 aufweisen, die geringer ist als die Breite 9 des Laserstrahls.
Bei dem Fotovoltaikmodul wie in Zusammenhang mit 1 bis 3 erläutert sowie dem Verfahren zur Herstellung von Fotovoltaikmodulen wie in Verbindung mit 4 erläutert sind die elektrisch leitfähigen Schichten und fotoaktiven Schichtfolgen derart strukturiert, dass eine Reihenverschaltung ausgeführt werden kann, nachdem bereits mindestens zwei der Schichten auf das Substrat aufgebracht sind. Die Zusammenfassung der Prozessschritte zum Aufbringen der Schichten resultiert insbesondere bei Dünnschichtfotovoltaikmodulen in geringeren Verunreinigungen, zum Beispiel durch häufige Ein- und Ausschleuseprozesse in und aus Vakuumkammern, und somit in einer besseren Schichtqualität, aus der sich eine höhere Effizienz der Zelle ergibt.
Darüber hinaus können bei den vorgestellten Fotovoltaikmodulen die Prozessschritte zum Strukturieren von Schichten zusammengefasst werden, was eine bessere Positionierung der Strukturierungsmaßnahme in den verschiedenen Schichten zueinander führt. Dadurch ergibt sich ein in X-Richtung kleinerer Kontaktbereich 6 für die Reihenverschaltung und folglich ein höherer Flächenertrag des Fotovoltaikmoduls. Zudem ist der Herstellungsprozess zeitlich effektiver, wenn weniger Ein- und Ausschleuseprozesse durchgeführt werden müssen und Strukturierungsmaßnahmen in einem Prozesskopf zusammengeführt werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist. Insbesondere ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Trennlinie 32 des Ausführungsbeispiels der 3 in Kombination mit der Kontaktlinie 31, wie in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der 2 erläutert, angeordnet. Weiterhin ist in einer Ausführungsform die Trennlinie 32, wie in Verbindung mit 2 erläutert, zusammen mit der Kontaktierung 31, wie in 3 erläutert, angeordnet. Zudem kann der Laserstrahl 11 in jeder Ausführungsform sowohl von der der Schicht 4 zugewandten Seite als auch von der dem Substrat 1 zugewandten Seite eingestrahlt werden.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: erste elektrisch leitfähige Schicht
3: fotoaktive Schichtfolge
4: zweite elektrisch leitfähige Schicht
5, 7: Segment
6: Kontaktierungsbereich
8: Bereich
9: Breite
10: Fotovoltaikmodul
11: Laserstrahl
30: elektrische Isolierung
31: Kontaktierung
32: Trennlinie
33: Breite
34: Seitenfläche
101, 102, 103, 104, 105, 110: Verfahrensschritte

Claims

Fotovoltaikmodul, umfassend: – mindestens ein erstes (5) und ein zweites (7) Segment, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, – eine erste elektrisch leitfähige Schicht (2), – eine fotoaktive Schichtfolge (3), – eine zweite elektrisch leitfähige Schicht (4), – eine elektrische Isolierung (30), die zwischen dem ersten (5) und dem zweiten (7) Segment angeordnet ist und die zumindest die zweite elektrisch leitfähige Schicht (4) unterbricht, – eine Kontaktierung (31), über die die zweite elektrisch leitfähige Schicht (4) mit der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (2) zur Reihenschaltung des ersten (5) und des zweiten (7) Segments elektrisch gekoppelt ist, und – bei dem die Kontaktierung (31) an die elektrische Isolierung (30) angrenzt.
Fotovoltaikmodul nach Anspruch 1, bei dem die Kontaktierung (31) im Bereich der photoaktiven Schichtfolge (3) eine leitfähige Materialverbindung und/oder eine leitfähige Legierung aus Elementen der photoaktiven Schichtfolge (3) und der zweiten elektrisch leitfähige Schicht (4) enthält.
Fotovoltaikmodul nach Anspruch 1, bei dem die Kontaktierung (31) im Bereich der photoaktiven Schichtfolge (3) eine leitfähige Materialverbindung und/oder eine leitfähige Legierung aus Elementen der photoaktiven Schichtfolge (3) und der ersten elektrisch leitfähige Schicht (2) enthält.
Fotovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die elektrische Isolierung (30) als Ausnehmung zumindest in der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (4) ausgebildet ist.
Fotovoltaikmodul nach Anspruch 4, bei dem die Kontaktierung (31) die Ausnehmung in Hauptausbreitungsrichtung des Fotovoltaikmoduls begrenzt.
Fotovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Kontaktierung (31) in Hauptausbreitungsrichtung des Fotovoltaikmoduls eine Breite (33) von weniger als 50 Mikrometern, insbesondere weniger als 25 Mikrometern, aufweist.
Fotovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die photoaktive Schichtfolge (3) Silizium aufweist und bei dem die Kontaktierung (31) ein Silizid enthält.
Anordnung zur Herstellung eines Fotovoltaikmoduls, die ausgebildet ist, – zum Bereitstellen eines Substrats (1); – zum Aufbringen von Schichten auf das Substrat (1) zur Bildung mindestens einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht (2), einer fotoaktiven Schichtfolge (3) und einer zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (4), und – zum Ausbilden einer elektrische Isolierung (30), die zwischen einem ersten (5) und einem zweiten (7) Segment angeordnet ist und die zumindest die zweite elektrisch leitfähige Schicht (4) unterbricht, – zum Einstrahlen eines Laserstrahls (11) derart, dass sich in einem an die elektrische Isolierung angrenzenden Bereich (8) der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (4) und der fotoaktiven Schichtfolge (3) eine elektrisch leitfähige Kontaktierung (31) ausbildet, zur Kopplung der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht (4) mit der ersten elektrisch leitfähigen Schicht (2) zur Reihenschaltung des ersten (5) und des zweiten (7) Segments, – wobei der Laserstrahl (11) so eingestrahlt wird, dass er zu mindest zum Teil des Laserstrahls (11) in einen Bereich eingestrahlt wird, der mit der elektrischen Isolierung (30 korrespondiert.