DE3709153A1

DE3709153A1 - Mehrlagige duennfilmsolarzelle

Info

Publication number: DE3709153A1
Application number: DE19873709153
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Sakai; Seiji Wakamatsu; Shigeru Ikeda
Original assignee: Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1986-03-24
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1987-10-15
Also published as: JPH0577308B2; JPS62221167A; US4784701A; DE3709153C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mehrlagige Dünnfilmsolarzelle, in der Sonnenlicht nacheinander in photoelektrische Wandlerschichten unterschiedlicher Lichtempfindlichkeiten eintritt.

Zur Verbesserung der Wirksamkeit einer Dünnfilmsolarzelle, wie beispielsweise einer Solarzelle aus amorphem Silicium, ist eine wirksame Ausnutzung des Sonnenlichtspektrums unverzichtbar. Da der Umwandlungswirkungsgrad in einer Dünnfilmsolarzelle, die eine einzige photoelektronische Umwandlungsschicht verwendet, begrenzt ist, muß man zwei oder mehr photoelektrische Umwandlungsschichten übereinander laminieren, wie in Fig. 3 dargestellt ist, um die Ausnutzung des Sonnenlichts durch Aufteilung des Empfindlichkeitsbereiches auf das Sonnenlichtspektrum zu steigern. In Fig. 3 wird in dem Licht 10, das durch ein lichtdurchlässiges Substrat 1 und eine transparente Elektrode 2 fällt, der Anteil kürzerer Wellenlänge durch die erste photoelektrische Umwandlungsschicht 31 mit größerer optischer Bandbreite (Eg) absorbiert, während der Anteil größerer Wellenlänge von einer dritten photoelektrischen Umwandlungsschicht 33 kleinerer optischer Bandbreite (Eg) absorbiert wird. Der Bereich mittlerer Wellenlänge wird von einer zweiten photoelektrischen Wandlerschicht 32 mit mittlerer optischer Bandbreite (Eg) absorbiert.

Die Leistung der Solarzelle mit einem laminierten Aufbau aus photoelektrischen Wandlerschichten unterschiedlicher Empfindlichkeitsbereiche wird an der transparenten Elektrode 2 und der Rückseitenelektrode 4 abgenommen. Durch theoretische Berechnungen läßt sich zeigen, daß man einen Umwandlungswirkungsgrad von etwa 20% für eine Solarzelle aus amorphem Silicium erzielen kann, und viele Untersuchungen sind gemacht worden, um eine mehrlagige Dünnfilmsolarzelle zu erhalten.

Unter praktischen Gesichtspunkten wirft der Aufbau nach Fig. 3, in welchem mehrere photoelektrische Wandlerschichten nacheinander auf ein Substrat laminiert sind, verschiedene Probleme auf. Zunächst, da jede der photoelektrischen Wandlerschichten nacheinander aufgebracht wird, muß der Aufbau so gestaltet sein, daß elektrischer Strom, der in jeder der photoelektrischen Wandlerschichten erzeugt wird, gleich dem der anderen Schichten ist. Da das Sonnenlichtspektrum in Abhängigkeit von der Jahreszeit und vom Standort wechselt, läßt sich eine entsprechende Anpassung der Anordnung an die Lichtverhältnisse nicht mehr erzielen und der durch den mehrlagigen Aufbau erzielte Vorteil wird durch die Ungleichförmigkeit des Stromes bei unpassenden Lichtverhältnissen vermindert. Zweitens, da ein n-p-Übergang oder ein p-n-Übergang an der Grenzfläche zwischen den photoelektrischen Wandlerschichten gebildet wird, ergeben sich Rekombinationsverluste von Trägern oder Rückspannungen am Übergang, was eine Verminderung der Zellenleistung zur Folge hat.

Als Gegenmaßnahme ist ein Dünnfilmsolarzellenmodul gemäß Fig. 4 in der JP-OS 60-30 163 vorgeschlagen worden. Dieses Modul besteht aus einer Gruppe von Solarzelleneinheiten, die jeweils aus einem Laminat aus einer transparenten Elektrode 2, einer photoelektrischen Wandlerschicht 31 und einer transparenten Elektrode 51 bestehen, die in Serie mit einem transparenten isolierten Substrat 1 verbunden sind, während die Solarzelleneinheiten jeweils eine Metallelektrode 4, eine photoelektrische Wandlerschicht 32 und eine transparente Elektrode 52 umfassen, die in Serie auf einem Substrat 11 angeordnet sind. Diese Zellengruppen liegen einander gegenüber, wobei die Substrate nach außen weisen, und sind mittels Rahmen 61 miteinander verbunden und mit transparenten Harzen 62 versiegelt.

Vergleichbar zum Fall nach Fig. 3 ist die optische Bandbreite Eg der photoelektrischen Wandlerschicht 31 größer als die der photoelektrischen Wandlerschicht 32. Beide der in Serie geschalteten Solarzellen sind weiterhin einander parallelgeschaltet durch Verbinden der Anschlüsse 63 und 64 bzw. 65 und 66 miteinander. Ein solches Modul weist jedoch den Nachteil auf, daß Solarzellen auf zwei Substraten getrennt herzustellen sind und daß der Aufbau kompliziert und auch teuer ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrlagige Dünnfilmsolarzelle anzugeben, die die vorgenannten Probleme nicht aufweist, von Beschränkungen hinsichtlich einer Angleichung der in jeder der photoelektrischen Wandlerschichten erzeugten Ströme frei ist und auf einem einzigen Substrat aufgebaut werden kann.

Diese Aufgabe läßt sich gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine mehrlagige Dünnfilmsolarzelle erfüllen, in der Gruppen photoelektrischer Wandlerelemente, die photoelektrische Wandlerschichten aus Halbleitern aufweisen, deren optische Bandbreiten aufeinanderfolgend von der Seite des Lichteinfalls ausgehend abnehmen, um die Wellenlänge des Sonnenlichtspektrums in der Laminierungsrichtung zur wirksamen Ausnutzung zu zerlegen, auf das Substrat laminiert sind, wobei ein photoelektrisches Wandlerelement, das zu einer der Gruppen gehört, mit einem Wandlerelement parallelverbunden ist, wobei solche parallelverbundenen Elemente weiterhin in Serie miteinander geschaltet sind. Entsprechend diesem Aufbau ist die Solarzelle frei von der Forderung, daß die erzeugten Ströme gleich sind, weil die Elemente, die aus demselben Halbleiter bestehen und denselben Strom erzeugen, in Serie geschaltet sind.

In der Dünnfilmsolarzelle nach der vorliegenden Erfindung sind entsprechende Gruppen von photoelektrischen Wandlerelementen aufeinanderfolgend derart laminiert, daß eine Gruppe gegenüber der darunterliegenden Gruppe um ein Element am einen Ende verschoben ist, wobei eine transparente Elektrode zwischen vertikal benachbarte photoelektrische Wandlerschichten eingefügt ist, die Elektrode der Substratseite eines jeden Elementes mit der Elektrode auf der Gegensubstratseite des benachbarten Elements, das an der anderen Endseite liegt, verbunden ist und die photoelektrische Wandlerschicht des Elements am anderen Ende in einer der Gruppen auf der Verlängerung der transparenten Elektrode auf der Substratseite des Elements am anderen Ende in der darunterliegenden Elementengruppe ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform kann eine Parallel-Serien-Matrixanordnung und -verbindung auf einem einzigen Substrat leicht erzielt werden.

Diese und andere Ziele sowie Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor. Es zeigt:

Fig. 1(a) bis 1(g) Querschnittsdarstellungen, die die Herstellungsschritte einer mehrlagigen Solarzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 2 eine Äquivalenzschaltung für die Solarzelle gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung, die den Aufbau einer konventionellen mehrlagigen Dünnfilmsolarzelle zeigt, und

Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung eines anderen bekannten Ausführungsbeispiels.

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die in den Fig. 1(a) bis 1(g) dargestellte bevorzugte Ausführungsform näher erläutert. Die vorgenannten Figuren beschreiben die Herstellungsschritte dieser Ausführungsform, bei denen solche Elemente, die mit jenen nach den Fig. 3 und 4 vergleichbar sind, die gleichen Bezugszeichen tragen.

In Fig. 1(a) wird ein transparenter leitfähiger Film aus SnO₂ oder ITO/SnO₂ mit einer Dicke von 0,2 µm bis 0,4 µm durch Elektronenstrahl-Dampfniederschlag auf der gesamten Oberfläche eines quadratischen Glassubstrats von 10 cm Kantenlänge aufgebracht und in sieben Bereiche von jeweils 7 bis 8 mm Breite, die voneinander durch einen Spalt von 100 µm bis 2 mm Breite getrennt sind, mittels eines photolithographischen Verfahrens unterteilt, um transparente Elektroden 2 auszubilden. Nur die transparente Elektrode 21 am einen Ende hat eine Breite, die das Dreifache oder mehr der Breite der anderen Elektroden beträgt.

Gemäß Fig. 1(b) wird eine erste photoelektronische Wandlerschicht 31 durch kombinierte Anwendung eines Glimmentladungsverfahrens, eines Photo-CVD-Verfahrens usw. erzeugt, wobei der Spalt zwischen jeder der transparenten Elektroden 2 durch Bemusterung mittels eines photolithographischen Verfahrens gefüllt wird, und die Schicht wird in sechs photoelektrische Wandlerbereiche unterteilt, die jeweils voneinander durch Spalte von 100 µm bis 2 mm Breite auf der zur Elektrode entgegengesetzten Seite getrennt sind. Die erste photoelektrische Wandlerschicht 31 ist ein Film aus p i namorphem Silicium, in welchem a-SiC : H als p-Film mit einem Eg von 1,9 eV verwendet wird.

In Fig. 1(c) wird ein ITO-Film oder ZnO-Film von 0,4 bis 0,6 µm Dicke über der gesamten Oberfläche ausgebildet und durch einen photolithographischen Vorgang in sechs zwischenliegende transparente Elektroden 71 unterteilt, die an ihren Enden die transparenten Elektroden 2 berühren. Diese transparenten Zwischenelektroden mit einer solchen größeren Dicke können den elektrischen Leistungsabfall vermindern und dessen Auswirkungen auf die Eigenschaften herabsetzen. Auf diese Weise werden sechs photoelektronische Wandlerelemente der ersten photoelektrischen Wandlerschicht 31 miteinander in Serie geschaltet.

Sodann wird, wie Fig. 1(d) zeigt, eine zweite photoelektrische Wandlerschicht 32, die einen p i n-amorphen Siliciumfilm mit einem Eg von 1,7 eV verwendet, über die gesamte Oberfläche aufgebracht und so gestaltet, daß sechs photoelektronische Wandlerbereiche ausgebildet werden, mit Ausnahme des oberen Abschnitts der ersten photoelektrischen Wandlerschicht 31 am linken Ende in der Zeichnung. Die zweite photoelektrische Wandlerschicht 32 am rechten Ende wird auf der transparenten Elektrode 21 benachbart zur ersten photoelektrischen Wandlerschicht 31 am rechten Ende ausgebildet.

Wie weiterhin in Fig. 1(e) dargestellt ist, werden transparente Zwischenelektroden 72 ähnlich den transparenten Zwischenelektroden 71 auf der zweiten Schicht ausgebildet und in Kontakt mit den transparenten Zwischenelektroden 71 gebracht.

Gemäß Fig. 1(f) wird eine dritte photoelektrische Wandlerschicht 33, die einen amorphen Silicium/Germanium-Legierungsfilm mit einem Eg von 1,5 eV verwendet, in gleicher Weise wie die zweite photoelektrische Wandlerschicht 32 ausgebildet, und zwar um ein Element nach rechts versetzt.

Schließlich werden, wie Fig. 1(g) zeigt, rückseitige Elektroden 4 durch Metallabscheidung und Musterbildung hergestellt. Es ergibt sich, wie durch die Äquivalentschaltung in Fig. 2 gezeigt, eine Dünnfilmsolarzelle, die sechs photoelektrische Wandlerelemente A enthält, die die erste photoelektrische Wandlerschicht 31 verwenden, weiterhin sechs photoelektrische Wandlerelemente B enthält, die die zweite photoelektrische Wandlerschicht 32 verwenden, und ferner sechs photoelektrische Wandlerelemente C enthält, die die dritte photoelektrische Wandlerschicht 33 verwenden und parallel zu und in Serie miteinander geschaltet sind. Diese Serienparallelschaltung geht aus Fig. 2 hervor.

Es wird nun das Ergebnis des Vergleichs zwischen dem Wirkungsgrad der Dünnfilmsolarzelle vom Mehrschichttyp nach der vorliegenden Erfindung mit dem Wirkungsgrad der Solarzelle des Aufbaus nach Fig. 3 erläutert.

Im Falle, daß die Anordnung bekannter Art, wie in Fig. 3 gezeigt, aus zwei Schichten besteht, d. h. der ersten photoelektrischen Wandlerschicht mit Eg = 1,9 eV und der zweiten photoelektrischen Wandlerschicht mit Eg = 1,7 eV, dann erhält man bei einer Dicke der ersten Schicht von 0,23 µm und einer Dicke der zweiten Schicht von 0,7 µm eine elektrische Kurzschlußstromdichte I _sc von 8 mA/cm², eine offene Spannung V _oc von 1,65 V und einen Wirkungsgrad h von 8,58%. Bei dem Aufbau nach der vorliegenden Erfindung, in welchem die dritte photoelektrische Wandlerschicht 33 weggelassen ist, beträgt I _sc = 10 mA/cm², V _oc = 0,85 V und η = 5,95% in der ersten Schicht, I _sc = 6 mA/cm², V _oc = 0,8 V und η = 3,26% in der zweiten Schicht, wobei die Filmdicke relativ frei gewählt ist, und es ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von 8,84%. Man sieht, daß der Wirkungsgrad für alle Elemente nicht als eine einfache Summe ausgedrückt werden kann, wenn die Spannungen zwischen den zwei Schichten nicht einheitlich sind. Wenn eine Spannungsdifferenz von mehr als 0,2 V vorhanden ist, dann ergibt sich auch eine Verminderung des durch den Mehrschichtenaufbau erzielbaren Erfolges. Jedoch ist bei einem Zweischichtenaufbau aus amorphem Silicium die Wirkung der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung bemerkenswert, und die Gestaltungsfreiheit für die Vorrichtung ist vergrößert. Da ein p-n-Übergang an der Grenzfläche zwischen den zwei photoelektrischen Wandlerschichten außerhalb des wirksamen photoelektrischen Wandlerbereiches liegt, beeinflußt er nicht die Leistung.

Ein Vergleich mit dem konventionellen Aufbau wurde dann für die Dreischichtenanordnung der oben beschriebenen Art ausgeführt. Die entsprechenden Charakteristika von der ersten Schicht bis zur dritten Schicht waren: V _oc = 0,85 V, I _sc = 8 mA/cm², η = 4,76% für die erste Schicht, V _oc = 0,8 V, I _sc = 5 mA/cm², η = 2,72% für die zweite Schicht und V _oc = 0,76 V, I _sc = 5 mA/cm² und η = 2,62% für die dritte Schicht. Der Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung war η = 9,09%. Diese Eigenschaften sind besser als die Eigenschaften einer konventionellen Dreischichtenanordnung, in der V _oc = 2,31 V, I _sc = 6 mA/cm² und η = 8,73% sind. Wenn die Gesamtleistungen an einem sonnigen Tag, die die zwei verglichenen Vorrichtungen ergaben, miteinander verglichen wurden, dann erbrachte die Dreischichtenanordnung nach der vorliegenden Erfindung ein um 12% besseres Ergebnis.

Obgleich bei dieser Ausführungsform ein Glassubstrat verwendet wird, ist es doch selbstverständlich auch möglich, die Vorrichtung unter Verwendung eines Substrats aus Edelstahl oder einem flexiblen Polymerfilm herzustellen, indem man die Laminierungsreihenfolge umkehrt, um vergleichbare Wirkungen zu erzielen. Obgleich das obige Beispiel weiterhin den Fall der Verwendung von amorphem Siliciummaterial als Material zur Herstellung der Mehrschichtanordnung zeigt, ist es auch möglich, polykristallines und einkristallines Silicium als auch Elemente der III-V-Gruppe, wie GaAs, InP und AlP und der II-VI-Gruppe, wie CdS, CdTe und ZnSe und CuInSe₂ usw. zu verwenden, die kombiniert werden können, um vergleichbare Wirkungen hervorzubringen.

Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Gruppen photoelektrischer Wandlerelemente photoelektrische Wandlerschichten enthalten, deren optische Bandbreite von der Seite des Lichteinfalls ausgehend aufeinanderfolgend abnimmt, in dieser Reihenfolge auf dem Substrat auflaminiert sind und in einer Matrixanordnung miteinander verbunden sind, ist die Gestaltung der Anordnung frei von den Beschränkungen der Gleichmachung des optisch erzeugten Stromes in der Laminierungsrichtung, und daher können photoelektrische Wandlerschichten, die photoelektrische Bereiche unterschiedlicher Bandbreiten haben, unter optisch optimalen Bedingungen hergestellt werden, um dadurch eine mehrlagige Dünnfilmsolarzelle hohen Wirkungsgrades zu ergeben. In einer solchen Matrixanordnung und -verbindung haben selbst Fehler, beispielsweise Kurzschlüsse aufgrund kleiner Löcher in den photoelektrischen Wandlerschichten in einem Teil der Elemente keinen wesentlichen Einfluß auf die Ausgangsleistung der Solarzelle, was die Erfindung vom Stand der Technik erheblich unterscheidet.

Man erhält große Vorteile mit einer mehrlagigen Dünnfilmvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, da jedes der Elemente leicht in einer Matrixanordnung durch Laminieren photoelektrischer Wandlerelemente verbunden werden können, die derart in Serie geschaltet sind, daß jede der Schichten gegenüber der darunterliegenden Schicht um ein Element versetzt ist, und man erhält einen zusätzlichen Vorteil dadurch, daß die elektrische Leistung abgenommen werden kann, selbst wenn die vertikal übereinanderliegenden Elemente in jeder der Schichten gleichzeitig aufgrund eines Schatteneinfalls oder dergleichen in den isolierenden Zustand gebracht werden.

Claims

1. Mehrlagige Dünnfilmsolarzelle, enthaltend:
ein Substrat (1);
transparente Elektroden (2); und
Gruppen von photoelektrischen Wandlerelementen mit photoelektrischen Wandlerschichten (31, 32, 33), die aus Halbleitern bestehen, deren optische Bandbreiten aufeinanderfolgend von der Seite des Lichteinfalls ausgehend abnehmen, wobei die Elemente auf das Substrat (1) laminiert sind und ein photoelektrisches Wandlerelement, das zu einer der Gruppen gehört, mit einem Wandlerelement parallelverbunden ist, das zu einer anderen Gruppe gehört, und daß solche parallelgeschalteten Elemente (A, B, C) in Serie miteinander geschaltet sind.

2. Mehrlagige Dünnfilmsolarzelle nach Anspruch 1, bei der die Gruppen von photoelektrischen Wandlerelementen aufeinanderfolgend so aufgebracht sind, daß eine der Gruppen gegenüber der darunterliegenden Gruppe um ein Element am einen Ende verschoben ist, wobei die transparente Elektrode (71, 72) zwischen vertikal benachbarte photoelektronische Wandlerschichten (31, 32, 33) eingefügt ist und wobei eine Elektrode auf der Substratseite eines jeden Elementes mit einer Elektrode auf der vom Substrat abgewandten Seite des benachbarten Elements, das auf der Seite des anderen Endes liegt, verbunden ist, wobei die photoelektrische Wandlerschicht des Elementes auf dem anderen Ende in einer der Gruppen in Verlängerung der Elektrode auf der Substratseite des Elementes am anderen Ende in der darunterliegenden Gruppe ausgebildet ist.

3. Mehrlagige Dünnfilmsolarzelle nach Anspruch 1, bei der das Substrat aus Glas, Edelstahl oder einem flexiblen Polymerfilm besteht.