DE3317309A1

DE3317309A1 - Duennschicht-solarzellenanordnung

Info

Publication number: DE3317309A1
Application number: DE19833317309
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Phys. 8000 München Ellerich; Herbert Dipl.-Chem. Dr. 8269 Burgkirchen Fitz; Hubert Ing. Fleckenstein (grad.), 8011 Harthausen; Gerhard Dipl.-Phys. Dr. 7031 Magstadt Winterling
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Total Energie Developpement and Messerschmitt-Boelko
Priority date: 1983-05-11
Filing date: 1983-05-11
Publication date: 1984-11-29
Also published as: JPS6037180A; DE3317309C2

Description

Dünnschicht-Solarzellenanordnung
Die Erfindung betrifft eine Dünnschicht-Solarzellenanordnung mit einem als Träger für die Solarzellen dienenden Substrat, in welches Leiterelemente für die elektrische Verschaltung der Solarzellen untereinander eingelagert sind.
Dünnschicht-Solarzellen werden üblicherweise auf einem als Träger dienenden Substrat in mehreren Verfahrensschritten als Schichtenfolge aufgebracht. Diese Schichtenfolge enthält dabei mindestens eine photoempfindliche Halbleiterschicht, in der bei Lichteinfall Ladungsträger erzeugt und räumlich getrennt werden. Die Ladungsträger werden an zwei, bezüglich der Halbleiterschicht einander gegenüberliegenden Elektrodenschichten gesammelt und über zugehörige elektrische Verbindungselemente abgeführt. Die photoempfindlichen Halbleiterschichten können beispielsweise aus amorphem Silizium, aber auch aus Germanium, Cadmiumsulfid oder anderen geeigneten Materialien bestehen Die dem Lichteinfall zugekehrte Elektrodenschicht muß eine genügende Transparenz aufweisen, weshalb häufig leitende, transparente Metalloxide, etwa Indium-Zinn-Oxid (ITO) gewählt werden. Die dem Lichteinfall abgekehrte Elektrodenschicht besteht gewöhnlich aus einem Metall oder einer Metallegierung, die eine höhere elektrische Leitfähigkeit als die Metalloxide aufweisen. Als Substrate, d.h. als Trägerfolien, sind beispielsweise Metall- oder Kunststoffolien gebräuchlich. Bei Verwendung transparenter und witterungsbeständiger Kunststofffolien können diese dem Lichteinfall zugekehrt sein und im Laufe des Herstellungsprozesses mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Metalloxidschicht als erster der aufzubringenden Schichten der Solarzelle beschichtet werden. Bei Verwendung einer Metallfolie oder einer nicht bzw. semitransparenten Kunststoffolie als Substrat wird dieses auf der dem Lichteinfall abgekehrten Seite der Zelle angeordnet sein, wobei im ersteren Falle auf eine metallische Rückseitenelektrode verzichtet werden kann.
Aus der US-PS 4 019 924 ist eine Solarzellenanordnung der eingangs genannten Art bekannt, deren Substrat aus einem dreischichtigen Laminat besteht. Dabei ist zwischen zwei Kunststoffolien eine flächenmäßig strukturierte Metallschicht eingelagert, die der elektrischen Verschaltung der einzelnen, vor dem Aufbringen auf den Träger fertigen Solarzellen untereinander dient. Die Metallschicht wird mit Hilfe von Maskierungstechniken praktisch in Form einer gedruckten Schaltung auf die eine Kunststoffolie aufgebracht. Durch aufwendige Maßnahmen, etwa das Herausstanzen von Laschen sowie das teilweise Abtragen der die Metallschicht bedeckenden Kunststoffolie wird es ermöglicht, die Solarzellen in Reihen- oder Parallelschaltung miteinander elektrisch zu verbinden.
Bei der eben geschilderten, bekannten Solarzellenanordnung stellt der Solarzellenträger zugleich die Möglichkeit der elektrischen Verschaltung bereit. Dies erscheint zwar zunächst als vorteilhaft, erweist sich aber aus verschiedenen Gründen als problematisch. Bei Massenproduktion wird das beispielsweise von einer Rolle abzuwickelnde, bandförmige Substrat durch mehrere Behandlungsstationen geschleust, in denen nacheinander die verschiedenen Schichten der Solarzelle aufgebracht bzw. die gewünschten Dotierstoffe zugesetzt werden. Während bestimmter Behandlungsstufen, etwa der Ablagerung einer amorphen Siliziumschicht durch Glimmentladung aus der Gasphase, ist das Substrat einer nicht unerheblichen thermischen Belastung ausgesetzt, etwa in der Größenordnung von 3000 C. Dies führt dazu, daß das Substrat sich ausdehnt bzw. durchhängt und sich bei der auf die Beschichtung folgenden Abkühlung wieder zusammenzieht. Dies kann die Haftung und Wirkungsweise der aufgebrachten Schichten beeinträchtigen.
Wünschenswert wäre es daher, ein Substrat zur Verfügung zu haben, das auch bei thermischer Belastung eine möglichst hohe Formstabilität aufweist und insbesondere möglichst wenig zum Durchhängen neigt. Dies ist bei dem als Substrat dienenden Laminat der aus der US-PS 4 019 924 bekannten Solarzellen- anordnung ersichtlich nicht der Fall Es handelt sich dabei flexible Kunststoffolien, deren Stabilität durch die eingelagerter dünnschichtige Metallstruktur nicht wesentlich verbessert wird.
Weiter ergibt sich gerade bei der Herstellung von preisgünstigen Panelen mit Dünnschichtzellen die Forderung, daß die als Substrat dienende Folie nach Aufbringung der Schichten der Solarzellen in einen Rahmen einspannbar sein muß. Dies kann sowohl bei terrestrischen als auch bei Satellitenanwendungen der Fall sein. Das Substrat muß also auch in Richtung seiner Oberfläche eingeleitete Zugkräfte aufnehmen können, ohne daß hierdurch eine übermäßige Dehnung verursacht würde, bei der wiederum die Gefahr einer Funktionsbeeinträchtigung und/oder einer Ablösung der Solarzellen bestünde.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Solarzellenanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, deren Substrat eine möglichst hohe Formstabilität bei thermischer Belastung sowie bei Einwirkung von Zugkräften oder Wechsellasten, etwa durch Windbeanspruchung, aufweist. Dabei soll die Möglichkeit der elektrischen Verschaltung aufgrund einer geeigneten Substratstruktur nach wie vor gegeben sein.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Substrat aus einer elektrisch isolierenden, flexiblen Folie besteht, in welche ein Geflecht aus in einer Richtung verlaufenden Verstärkungsfasern und quer dazu orientierten, elektrisch leitfähigen Drähten eingelagert ist, wobei mindestens einige der Drähte jeweils mindestens abschnittsweise mit den Solarzellen elektrisch leitend verbunden sind. Ein solcherart durch ein eingelagertes Geflecht verstärktes Substrat besitzt naturgemäß eine größere Formstabilität gegenüber thermischen und durch Zugkräfte eingeleiteten Belastungen als etwa das oben beschriebene Substrat der aus der US-PS 4 019 924 bekannten Solarzellenanordnung. Die Lasteinleitung erfolgt dann zweckmäßig über das eingelagerte Geflecht.
Als geeignetes Folienmaterial kommen eine Anzahl von hitzebeständigen Kunststoffen, und zwar möglichst solche, die aus der Schmelze ziehbar sind, aber auch dünne, entsprechend flexible Glas schichten in Frage Ohne einschränkende Wirkung seien hier genannt: Polyimid-, Polyamid-, Polyvinylchlorid-oder Epoxidharz-Kunststoffe. Besonders geeignet zur Verwendung für dem Lichteinfall zugekehrte Substrate sind gewisse, auf Fluorbasis aufgebaute Kunststoffe, die wegen ihrer hohen Transparenz, ihrer guten Witterungsbeständigkeit, ihrer guten Haftfähigkeit bezüglich der aufzubringenden Metalloxidschichten, ihrer relativ hohen Temperaturbelastbarkeit und weiterer vorteilhafter Eigenschaften als besonders brauchbar erscheinen. Als Verstärkungsfasern können beispielsweise hochfeste Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern sowie andere aus der Technik der faserverstärkten Kunststoffe bekannte Faserwerkstoffe verwendet werden. Bei Substraten, die dem Lichteinfall direkt ausgesetzt sind, ist selbstverständlich darauf zu achten, daß die eingelagerten Verstärkungsfasern ebenso wie das verwendete Folienmaterial eine hohe Transparenz aufweisen. So bieten sich hier Glasfasern zur Verstärkung an.
Die elektrisch leitfähigen Drähte können aus bekannten metallischen Werkstoffen bestehen, wobei insbesondere auf hohe Zugfestigkeit und fehlende Neigung zur Sprödigkeit zu achten ist.
In Weiterbildung der Erfindung sind auf der den aufzubringenden Solarzellen zugekehrten Seite der Folie die Drähte abschnittsweise freilegende, die elektrische Verbindung mit den Solarzellen ermöglichende öffnungen vorgesehen. Diese in gewissen Abständen von der Folienoberfläche zu den eingelagerten Drähten führenden Öffnungen können beispielsweise durch Einbrennen mit Hilfe eines Lasers oder auch durch chemische Verfahren, etwa durch sätzen, erzeugt werden. Die elektrische Verbindung zu den Solarzellen kann dann durch in die Öffnungen einzubringendes, elektrisch leitendes Verbindungsmittel, beispielsweise ein Lötmittel, Leitkleber etc., hergestellt werden. Als Alternative hierzu wird vorgeschlagen, einen Teil der Drähte an die den aufzubringenden Solarzellen zugekehrte Oberfläche der Folie zu verlagern, wobei das Geflecht im übrigen im Innern der Folie eingebettet bleibt.
Diese an der Folienoberfläche in ihrer ganzen Länge freiliegenden Drähte, die lediglich in gewissen Abständen in Querrichtung mit den Verstärkungsfasern verflochten sind, können dann direkt mit den Solarzellen in innigen elektrischen Kontakt gebracht werden, und zwar dadurch, daß auf die Oberfläche der Folie, entweder mit den dort freiliegenden Drähten oder dem in die Öffnungen eingebrachten Lötmittel etc., als erste Schicht der Solarzelle eine elektrisch leitfähige Elektrodenschicht aufgebracht wird. Mit den freiliegenden Drähten wird hierbei ein direkter elektrischer Kontakt hergestellt, während bei der Verwendung von Lötmittel gegebenenfalls noch zusätzlich Wärme zuzuführen ist.
Zur elektrischen Verschaltung der Solarzellen untereinander dienen die in das Substrat eingelagerten bzw. an dessen Oberfläche verlagerten Drähte des Geflechts. Diese sind einerseits mit den zugehörigen Elektrodenschichten elektrisch verbunden und können andererseits an den Rändern der Solarzellen bzw.
des Substrats auf gewünschte Weise miteinander verschaltet werden. Im allgemeinen wird sich dabei eine Parallelschaltung anbieten. Jedoch ist bei geeigneter Anordnung auch eine Reihenschaltung möglich. So kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die elektrisch leitfähige Elektrodenschicht in mehrere, in Längsrichtung der Drähte verlaufende, mit diesen elektrisch leitend verbundene, untereinander isolierte Streifen unterteilt ist. Dies bezieht sich auf die unmittelbar auf das Substrat aufgebrachte Elektrodenschicht. Wird eine entsprechende Unterteilung in untereinander isolierte Streifen auch bei den auf der anderen Seite der Solarzellen auf gebrachten Elektrodenschicht vorgenommen, dann können die so entstehenden Teilzellen in Reihe geschaltet werden. Dies geschieht durch entsprechende Verbindung der an den Rändern der Solarzellen nach außen geführten Drähte.
Die Erfindung bietet sowohl die Möglichkeit, auf einem großflächigen Substrat in rasterförmiger Anordnung eine Vielzahl von Einzelzellen aufzubringen, als auch ein flächiges Substrat mit einer einzigen, nahezu die gesamte Substratfläche bedeckenden Dünnschicht-Solarzelle zu belegen. Besonders im zuletzt genannten Fall könnte die Einteilung der Elektrodenschichten in untereinander isolierte Streifen, wie oben bereits erwähnt, sowie die Reihenschaltung dieser streifenförmigen Teilzellen von Vorteil sein Um die Formstabilität der Dünnschicht-Solarzellenanordnung gemäß der Erfindung noch weiter zu erhöhen, kann es zweckmäßig sein, die Solarzellen auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite ebenfalls mit einer flexiblen Folie mit eingelagertem Geflecht aus Verstärkungsfasern und Drähten zu bedecken.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Dünnschicht-Solarzellenanordnung mit in das Substrat eingelagertem Geflecht; Figur 2 eine Dünnschicht-Solarzellenanordnung mit teilweise an die Oberfläche des Substrats verlagerten Drähten.
In beiden Ausführungsbeispielen ist auf einer elektrisch isolierenden, flexiblen Folie 1, die als Substrat dient, eine Schichtstruktur aufgebracht, die die eigentliche Solarzelle bildet. Die Schichtstruktur besteht aus einer elektrisch leitenden, vorzugsweise metallischen Elektrodenschicht 2, die im Falle des Lichteinfalls von oben als Rückseitenelektrode dient. Auf dieser befindet sich eine photoempfindliche, beispielsweise aus amorphem Silizium bestehende Halbleiterschicht 3. Schließlich folgt noch eine weitere elektrisch leitfähige Elektrodenschicht, die als transparente Metalloxidschicht, beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxid bestehend, ausgeführt sein kann, insbesondere wenn sie als dem Lichteinfall zugekehrte Frontseitenelektrode fungiert. Die photoempfindliche Halbleiterschicht weist eine Grenzschicht 10 auf, die zwei unterschiedlich dotierte Bereiche gegeneinander abgrenzt.
Im Falle der Figur 1 ist in die als Substrat dienende Folie 1 ein Geflecht aus elektrisch leitfähigen Drähten 5 und quer dazu verlaufenden Verstärkungsfasern 6 eingelagert. Die Drähte und Verstärkungsfasern können auf in der Webtechnik bekannte, hier nicht näher dargestellte Weise miteinander verflochten sein. Das Geflecht dehnt sich im wesentlichen in einer Ebene aus und ist gänzlich in die Folie eingebettet. In letzterer sind öffnungen 7 vorgesehen, die von der Folienoberfläche, auf die im Zuge des Herstellungsverfahrens die Elektrodenschicht 2 aufzubringen ist, bis zu den eingelagerten Drähten 5 reichen. Vor Aufbringung der Elektrodenschicht 2 wird in diese Öffnungen ein Lötmittel 8 eingefüllt, so daß schließlich ein guter elektrischer Kontakt zwischen den Drähten 5 und der Elektrodenschicht 2 zustande kommt.
Gemäß Figur 2 ist das Geflecht aus Verstärkungsfasern 6 und quer dazu verlaufenden Drähten 5 sowie 9 nur teileweise in die als Substrat dienende Folie 1 eingebettet, und zwar insofern, als jeder dritte Draht 9 an die Oberfläche der Folie 1 verlagert ist. Dort stehen die Drähte 9 in unmittelbarem elektrischem Kontakt zu der aufgebrachten Elektrodenschicht 2.
Hier wird also nur ein Teil der Drähte des Geflechts für die elektrische Verschaltung verwendet. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß nicht zusätzlich Öffnungen in die Folie einzubringen sind, wie dies im Falle der Figur 1 erforderlich ist, etwa mit Hilfe punktförmiger Bestrahlung durch Laser.
Die Einlagerung des Geflechts kann beispielsweise dadurch geschehen, daß dieses im Durchlaufverfahren von beiden Seiten her mit geschmolzenem Folienmaterial beschichtet wird. Dabei wird das Geflecht zweckmäßig zwischen zwei gegenläufig rotierenden Rollen hindurchgezogen und das geschmolzene Folienmaterial vor dem Passieren der Rollen beidseitig auf das Geflecht aufgetragen.
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Claims

Dünnschicht-Solarzellenanordnung Patentansprüche Qi. Dünnschicht-Solarzellenanordnung mit einem als Träger für die Solarzellen dienenden Substrat, in welches Leiterelemente für die elektrische Verschaltung der Solarzellen untereinander eingelagert sind, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Substrat aus einer elektrisch isolierenden, flexiblen Folie besteht, in welche ein Geflecht aus in einer Richtung verlaufenden Verstärkungsfasern und quer dazu orientierten, elektrisch leitfähigen Drähten eingelagert ist, wobei mindestens einige der Drähte jeweils mindestens abschnittsweise mit den Solarzellen elektrisch leitend verbunden sind.
2 Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß auf der den aufzubringenden Solarzellen zugekehrten Seite der Folie die Drähte abschnittsweise freilegende, die elektrische Verbindung mit den Solarzellen ermöglichende Öffnungen vorgesehen sind.
3. Solarzellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die elektrische Verbindung durch ein in die Offnungen einzubringendes, elektrisch leitendes Verbindungsmittel, beispielsweise ein Lötmittel, herstellbar ist.
4. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein Teil der Drähte an die den aufzubringenden Solarzellen zugekehrte Oberfläche der Folie verlagert und das Geflecht im übrigen im Innern der Folie eingebettet ist.
5. Solarzellenanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß auf die Oberfläche der Folie mit den dort freiliegenden Drähten oder dem in die Öffnungen eingebrachten Lötmittel als erste Schicht der Solarzelle eine elektrisch leitfähige Elektrodenschicht aufgebracht ist.
6. Solarzellenanordnung nach Anspruch 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die elektrisch leitfähige Elektrodenschicht in mehrere, in Längsrichtung der Drähte verlaufende, mit diesen elektrisch leitend verbundene, untereinander isolierte Streifen unterteilt ist.
7. Solarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Solarzellen auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite ebenfalls mit einer flexiblen Folie mit eingelagertem Geflecht aus Verstärkungsfasern und Drähten bedeckt sind.
8. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Folie aus Kunststoff besteht.
9. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Folie eine biegsame, dünne Glasschicht ist.
10. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß transparente Verstärkungsfasern, beispielsweise Glasfasern, verwendet werden.
11. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Verstärkungsfasern Kohlefasern verwendet werden.
12. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Verstärkungsfasern auf Kunststoffbasis, beispielsweise Aramidfasern, verwendet werden.
13. Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein vorbereitetes Geflecht aus Verstärkungsfasern und Drähten im Durchlaufverfahren von beiden Seiten her mit geschmolzenem Folienmaterial beschichtet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Geflecht zwischen zwei gegenhäufig rotierenden Rollen hindurchgezogen und das geschmolzene Folienmaterial vor dem Passieren der Rollen beidseitig auf das Geflecht aufgetragen wird.