DE3317309C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dünnschicht-Solarzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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 Halb­ leiterschicht 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 be­ steht gewöhnlich aus einem Metall oder einer Metallegierung, die eine höhere elektrische Leitfähigkeit als die Metalloxide aufweisen. Als Substrate, d. h. als Trägerfolien, sind bei­ spielsweise Metall- oder Kunststoffolien gebräuchlich. Bei Verwendung transparenter und witterungsbeständiger Kunststoff­ folien können diese dem Lichteinfall zugekehrt sein und im Laufe des Herstellungsprozesses mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Metalloxidschicht als erster der auf­ zubringenden Schichten der Solarzelle beschichtet werden. Bei Verwendung einer Metallfolie oder einer nicht bzw. semitrans­ parenten Kunststoffolie als Substrat wird dieses auf der dem Lichteinfall abgekehrten Seite der Zelle angeordnet sein, wo­ bei im ersteren Falle auf eine metallische Rückseitenelektrode verzichtet werden kann.

Aus der US-PS 40 19 924 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 unter­ einander dient. Die Metallschicht wird mit Hilfe von Mas­ kierungstechniken praktisch in Form einer gedruckten Schal­ tung auf die eine Kunststoffolie aufgebracht. Durch aufwen­ dige Maßnahmen, etwa das Herausstanzen von Laschen sowie das teilweise Abtragen der die Metallschicht bedeckenden Kunst­ stoffolie 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 zu­ nächst als vorteilhaft, erweist sich aber aus verschiedenen Gründen als problematisch. Bei Massenproduktion wird das von einer Rolle abzuwickelnde, bandförmige Substrat durch mehrere Behandlungsstationen geschleust, in denen nacheinander die verschiedenen Schichten der Solarzelle aufgebracht bzw. die gewünschten Dotierstoffe zugesetzt wer­ den. Während bestimmter Behandlungsstufen, etwa der Ab­ lagerung einer amorphen Siliziumschicht durch Glimmentladung aus der Gasphase, ist das Substrat einer nicht unerheblichen thermischen Belastung ausgesetzt, etwa in der Größenordnung von 300°C. Dies führt dazu, daß das Substrat sich ausdehnt bzw. durchhängt und sich bei der auf die Beschichtung fol­ genden 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 40 19 924 bekannten Solarzellen­ anordnung ersichtlich nicht der Fall. Es handelt sich dabei um flexible Kunststoffolien, deren Stabilität durch die ein­ gelagerte, dünnschichtige Metallstruktur nicht wesentlich ver­ bessert wird.

Weiter ergibt sich gerade bei der Herstellung von preisgünsti­ gen Paneelen 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 Solar­ zellenanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, deren Substrat eine möglichst hohe Formstabilität bei ther­ mischer 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 durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Ein solcherart durch ein eingelagertes Geflecht verstärktes Sub­ strat besitzt naturgemäß eine größere Formstabilität gegen­ über thermischen und durch Zugkräfte eingeleiteten Belastun­ gen als etwa das oben beschriebene Substrat der aus der US-PS 40 19 924 bekannten Solarzellenanordnung. Die Lastein­ leitung erfolgt dann zweckmäßig über das eingelagerte Geflecht.

Aus der US-PS 32 55 047 ist eine Solarzellenanordnung bekannt, die ein als Träger für die Solarzellen dienendes Substrat aufweist, in welches Leiterelemente für die elektrische Verschaltung der Solarzellen unter­ einander eingelagert sind. Das Substrat besteht dabei aus einem elek­ trisch isolierenden, flexiblen Material, nämlich einem Glasfasergewebe, in das in einer Richtung verlaufende, elektrisch leitfähige Drähte ein­ gelagert sind. Mindestens einige dieser Drähte sind jeweils mindestens abschnittsweise mit den Solarzellen elektrisch leitend verbunden. Jedoch bezieht sich dieser Stand der Technik nicht auf Dünnschicht-Solarzellen, und auch von einer isolierenden Folie, in welche sowohl die Verstär­ kungsfasern als auch die elektrisch leitenden Drähte einzubetten sind, ist nicht die Rede. Die gemäß der Erfindung zu verwendende Folie bietet eine glatte Oberfläche, auf welche die Dünnschicht-Solarzellen problemlos im Abscheideverfahren aufgebracht werden können. Dies ist bei dem Glasfasergewebe der US-PS 32 55 047, in welches Metalldrähte eingenäht sind, nicht der Fall.

Als geeignetes Folienmaterial kommen eine Anzahl von hitze­ beständigen Kunststoffen, und zwar möglichst solche, die aus der Schmelze ziehbar sind, aber auch dünne, entsprechend flexible Glasschichten in Frage; beispielhaft seien hier genannt: Polyimid-, Polyamid-, Polyvinylchlorid- oder Epoxidharz-Kunststoffe. Besonders geeignet zur Ver­ wendung 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 Metalloxid­ schichten, 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 aufzubringen­ den Solarzellen zugekehrten Seite der Folie die Drähte ab­ schnittsweise freilegende, die elektrische Verbindung mit den Solarzellen ermöglichende Öffnungen vorgesehen. Diese in gewissen Abständen von der Folienoberfläche zu den einge­ lagerten Drähten führenden Öffnungen können beispielsweise durch Einbrennen mit Hilfe eines Lasers oder auch durch chemische Verfahren, etwa durch Ätzen, erzeugt werden. Die elektrische Verbindung zu den Solarzellen kann dann durch in die Öffnungen einzubringendes, elektrisch leitendes Ver­ bindungsmittel, beispielsweise ein Lötmittel, Leitkleber etc., hergestellt werden. Als Alternative hierzu wird vorgeschlagen, einen Teil der Drähte an die den aufzubringenden Solarzellen zugehrte Oberfläche der Folie zu verlagern, wobei das Ge­ flecht im übrigen im Innern der Folie eingebettet bleibt. Diese an der Folienoberfläche in ihrer ganzen Länge frei­ liegenden 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 Ober­ fläche 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 her­ gestellt, während bei der Verwendung von Lötmittel gegebenen­ falls noch zusätzlich Wärme zuzuführen ist.

Zur elektrischen Verschaltung der Solarzellen untereinander dienen die in das Substrat eingelagerten bzw. an dessen Ober­ fläche 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 Strei­ fen unterteilt ist. Dies bezieht sich auf die unmittelbar auf das Substrat aufgebrachte Elektrodenschicht. Wird eine ent­ sprechende Unterteilung in untereinander isolierte Streifen auch bei den auf der anderen Seite der Solarzellen aufge­ brachten Elektrodenschicht vorgenommen, dann können die so entstehenden Teilzellen in Reihe geschaltet werden. Dies ge­ schieht durch entsprechende Verbindung der an den Rändern der Solarzellen nach außen geführten Drähte.

Die Erfindung bietet sowohl die Möglichkeit, auf einem groß­ flächigen Substrat in rasterförmiger Anordnung eine Vielzahl von Einzelzellen aufzubringen, als auch ein flächiges Sub­ strat mit einer einzigen, nahezu die gesamte Substratfläche bedeckenden Dünnschicht-Solarzelle zu belegen. Besonders im zuletzt genannten Fall könnte die Einteilung der Elektroden­ schichten in untereinander isolierte Streifen, wie oben bereits erwähnt, sowie die Reihenschaltung dieser streifen­ förmigen Teilzellen von Vorteil sein.

Um die Formstabilität der Dünnschicht-Solarzellenanordnung gemäß der Erfindung noch weiter zu erhöhen, kann es zweck­ mäßig sein, die Solarzellen auf der dem Substrat gegenüber­ liegenden Seite ebenfalls mit einer flexiblen Folie mit ein­ gelagertem Geflecht aus Verstärkungsfasern und Drähten zu bedecken.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Dünnschicht-Solarzellenanordnung mit in das Substrat eingelagertem Geflecht;

Fig. 2 eine Dünnschicht-Solarzellenanordnung mit teilweise an die Oberfläche des Substrats ver­ lagerten 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, im Ausführungsbeispiel aus amorphem Silizium bestehende Halbleiter­ schicht 3. Schießlich folgt noch eine weitere elektrisch leitfähige Elektrodenschicht, die als transparente Metall­ oxidschicht, im Ausführungsbeispiel aus Indium-Zinn-Oxid bestehend, ausgeführt sein kann, insbesondere wenn sie als dem Lichtein­ fall zugekehrte Frontseitenelektrode fungiert. Die photo­ empfindliche Halbleiterschicht weist eine Grenzschicht 10 auf, die zwei unterschiedlich dotierte Bereiche gegeneinander ab­ grenzt.

Im Falle der Fig. 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 ver­ flochten 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 Folien­ oberfläche, 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 Dräh­ ten 5 und der Elektrodenschicht 2 zustande kommt.

Gemäß Fig. 2 ist das Geflecht aus Verstärkungsfasern 6 und quer dazu verlaufenden Drähten 5 sowie 9 nur teilweise in die als Substrat dienende Folie 1 eingebettet, und zwar inso­ fern, 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 einzu­ bringen sind, wie dies im Falle der Fig. 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 ro­ tierenden Rollen hindurchgezogen und das geschmolzene Folien­ material vor dem Passieren der Rollen beidseitig auf das Geflecht aufgetragen.

Claims (12)

1. Dünnschicht-Solarzellenanordnung mit einem als Träger für die So­ larzellen dienenden Substrat aus einer elektrisch isolierenden, flexib­ len Folie, in welches Leiterelemente für die elektrische Verschaltung der Solarzellen untereinander eingelagert sind, dadurch gekennzeich­ net, daß in die Folie (1) ein Geflecht aus in einer Richtung verlaufen­ den Verstärkungsfasern (6) und quer dazu orientierten, elektrisch leit­ fähigen Drähten (5, 9) eingelagert ist, wobei mindestens einige der Drähte (5, 9) jeweils mindestens abschnittsweise mit den Solarzellen (2, 3) elektrisch leitend verbunden sind.

2. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den aufzubringenden Solarzellen (2, 3) zugekehrten Seite der Folie (1) die Drähte (5, 9) abschnittsweise freilegende, die elek­ trische Verbindung mit den Solarzellen (2, 3) ermöglichende Öffnungen (7) vorgesehen sind.

3. Solarzellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung durch ein in die Öffnungen (7) einzubrin­ gendes, elektrisch leitendes Verbindungsmittel (8), beispielsweise ein Lötmittel, herstellbar ist.

4. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Drähte (9) an die den aufzubringenden Solarzellen (2, 3) zugekehrte Oberfläche der Folie (1) verlagert und das Geflecht im übrigen im Innern der Folie (1) eingebettet ist.

5. Solarzellenanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf die Oberfläche der Folie (1) mit den dort freiliegen­ den Drähten (9) oder dem in die Öffnungen (7) eingebrachten Lötmittel (8) als erste Schicht der Solarzelle eine elektrisch leitfä­ hige Elektrodenschicht (2) aufgebracht ist.

6. Solarzellenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Elektrodenschicht (2) in mehrere, in Längsrichtung der Drähte (5, 9) verlaufende, mit diesen elektrisch lei­ tend verbundene, untereinander isolierte Streifen unterteilt ist.

7. Solarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellen (2, 3) auf der dem Sub­ strat 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 gekennzeichnet, daß die Folie (1) aus Kunststoff besteht.

9. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (1) eine biegsame, dünne Glasschicht ist.

10. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß transparente Verstärkungsfasern (6), beispielsweise Glasfasern, verwendet werden.

11. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungsfasern (6) Kohlefasern verwendet werden.

12. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Verstärkungsfasern (6) auf Kunststoffbasis, bei­ spielsweise Aramidfasern, verwendet werden.