DE3727823A1

DE3727823A1 - Tandem-solarmodul

Info

Publication number: DE3727823A1
Application number: DE19873727823
Authority: DE
Inventors: Arthur Endroes; Wolfgang Dr Rer Nat Kruehler; Josef Dr Rer Nat Grabmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-08-20
Filing date: 1987-08-20
Publication date: 1989-03-02
Also published as: US4914044A; JPS6468977A

Description

Die Erfindung betrifft ein Tandem-Solarmodul sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Zur photovoltaischen Energieerzeugung im Leistungsbereich sind hocheffiziente, großflächige, stabile und zugleich kostengünsti ge Solarzellen bzw. -module notwendig.

Bekannte Solarmodule aus kristallinem Silizium (c-Si) erreichen heute bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie effektive Wirkungsgrade zwischen 10 und 14%. Doch werden dabei an die Reinheit und die Kristallgüte des Siliziums sehr hohe An forderungen gestellt, so daß allein dadurch hohe Siliziumaterial kosten entstehen und die Solarmodule nicht mit herkömmlichen Energiequellen konkurrieren können.

Solarmodule aus amorphem hydrogenisiertem Silizium (a-Si:H) sind zwar relativ dazu billig herzustellen, doch erreichen heutige Solarmodule aus a-Si : H nur Wirkungsgrade von etwa 5 bis 6%. Außerdem neigen diese Module bei Lichteinfall zu Langzeitinsta bilitäten. Nach einiger Betriebszeit ist ein deutlicher Lei stungsabfall bis zu ca. 20% zu beobachten.

Außerdem wird das vorhandene Sonnenspektrum durch die gängigen Solarmodule nicht optimal ausgenutzt. Solche aus amorphem Sili zium weisen wegen des gegen c-Si höheren Bandabstands von a-Si : H überwiegend Absorption im blauen Teil des sichtbaren Spektrums auf, während die kristallinen Zellen mehr im roten, langwelligeren Bereich absorbieren. Dieser Nachteil kann durch den Einsatz qualitativ hochwertiger einkristalliner Silizium wafer und aufwendiger Zellenstrukturen zwar umgangen werden, doch sind die Kosten derartiger Solarzellen daher auch extrem hoch.

Auch die Verwendung des dem natürlichen Sonnenspektrum besser angepaßten Galliumarsenid für photovoltaische Elemente führte bisher nicht zum gewünschten Erfolg und kann keine preisgünsti ge und hocheffiziente Solarzelle liefern.

Eine andere Lösung zur besseren Anpassung von Solarzellen an das Sonnenspektrum bieten Tandem-Solarzellen. Dies sind direkt über einander abgeschiedene bzw. erzeugte Dünnschicht-Solarzel len aus amorphem hydrogenisiertem Silizium und andere Materia lien, wie es zum Beispiel einem Beitrag von J. Yang, R. Mohr und R. Ross in Proceedings of the First International Photovoltaic Science and Engineering Conference, Kobe, Japan, 1984, A-IIa-L6 zu entnehmen ist. Diese Zellen, deren aktive Zonen pn- oder pin- Struktur haben können, nützen die Transparenz des a-Si : H-Mate rials, um auch noch die in der oberen Zelle nicht absorbierten Photonen in der unteren Zelle zur Erzeugung von Ladungsträgerpaa ren heranzuziehen. Durch diese Bauart sind Tandemzellen "serien verschaltet" und werden bei der elektrischen Kontaktierung wie eine einzige Zelle behandelt. Mit Hilfe von Zusätzen der a-Si:H- Schichten ist es möglich, den Bandabstand der Einzelzellen zu modifizieren, so daß die Tandemzelle in einem größeren Spektral bereich absorbiert, als dies eine einzelne Zelle vermag.

Doch auch für diese Tandem-Solarzellen gelten die genannten Nachteile wie Langzeitinstabilität und schlechter Wirkungsgrad. Außerdem müssen die Schichtdicken der Einzelzellen exakt auf einander abgestimmt werden, damit die Forderung nach konstanten Strömen durch beide Einzelzellen erfüllt wird und die Doppel zelle überhaupt zufriedenstellend arbeiten kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Solarmodul anzugeben, welches kostengünstig herzustellen ist, hohe Effi zienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie zeigt und dabei stabil und großflächig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Tandem-Solarmodul der eingangs genannten Art gelöst, welches aufweist

a) ein erstes, großflächiges unteres Solarsubmodul aus poly kristallinem Silizium,
b) eine als optischer Koppler fungierende, elektrisch isolie rende transparente Zwischenschicht,
c) ein zweites großflächiges, transparentes oberes Solarsubmo dul aus amorphem hydrogenisiertem Silizium und
d) voneinander unabhängige elektrische Kontaktierungen der bei den Submodule.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird ein kostengünstiges Solarmodul angegeben, da keine teueren Ausgangsstoffe verwendet werden. Die vorteilhafte Kombination zweier Materialien mit optimalem Bandabstand erhöht den Gesamtwirkungsgrad der Tandem- Solarzelle, da dadurch das Sonnenspektrum besser ausgenutzt wird, als in bekannten Solarzellen. Die beiden Solarsubmodule stellen dabei unabhängige und für sich allein bereits voll funktionsfähige Solarmodule dar, die sich im Verbund als Tan demmodul vorteilhaft ergänzen. Während das obere Submodul mit einem Bandabstand des a-Si : H von 1,75 eV mehr blaues Licht (bis ca. 750 nm Wellenlänge) absorbiert, hat polykristallines Sili zium einen Bandabstand von 1,1 eV und absorbiert bis 900 nm, mit schwächerer Absorption sogar bis 1100 nm. Bei entsprechen der Optimierung des Tandem-Solarmoduls sind daher Wirkungsgrade von 20 bis 25% erreichbar.

Durch die Verwendung sehr dünner und damit transparenter a-Si : H- Schichten im zweiten Submodul wird die Langzeitstabilität der amorphen Solarzelle wesentlich erhöht. Weiterhin entfällt durch die getrennte Kontaktierung (vier Zuleitungen gegenüber nur zweien bei bekannten Tandemzellen) die aufwendige Abstimmung der einzelnen Submodule. Letztere können daher einzeln und unabhängig voneinander optimiert werden, weil die Forderung nach konstanten Strömen durch beide Einzelzellen nicht mehr er füllt sein muß.

In einer Ausführungsform wird die Verwendung von bandförmig ge zogenem polykristallinem Silizium (zum Beispiel aus der DE-OS 35 20 067 bekanntes "S-Web-Silizium") vorgeschlagen und damit eine großflächige Anordnung der Solarzellen auf kleinstmöglichem Raum ermöglicht.

In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden auf einem großflächigen Substrat in bestimmten Abständen von ca. 1 bis 2 cm zueinander parallele Stege vorgesehen. Zwischen diesen Stegen ist eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht und darauf dünne Streifen aus polykristallinem Siliziummaterial (zum Beispiel S-Web-Si) eingelegt und leitend mit der leitfähi gen Schicht, zum Beispiel einer Metallpaste, verbunden. Jeder Streifen stellt für sich eine Solarzelle dar und weist einen pn-Übergang auf. Länge und Breite der Streifen sind dabei so bemessen, daß sich für jeden Streifen eine Fläche von ca. 100 cm² ergibt. Größere Flächen sind nicht geeignet, da sonst bei der fertigen Solarzelle Probleme bei der Stromableitung auftre ten. Durch Überbelastung der ableitenden Kontakte verschlechtert sich deren Haftung auf dem Siliziummaterial. Dicke und Breite der Streifen sind außerdem so bemessen, daß die zwischen den Stegen liegenden Vertiefungen die Siliziumstreifen exakt aufneh men können, und somit Stege und Siliziumstreifen eine plane Oberfläche bilden.

Eine den Frontkontakt bildende aufgedruckte metallische Gitter struktur stellt gleichzeitig eine elektrisch leitende Verbindung der Frontkontakte mit der in Kontaktlöchern freigelegten, den Rückkontakt bildenden leitfähigen Schicht der jeweils benachbar ten Streifensolarzelle her und bewirkt somit eine Serienverschal tung der einzelnen Streifensolarzellen.

Doch ist die Erfindung nicht auf Submodule mit bandförmigen ein gelegten Siliziumstreifen beschränkt. Vielmehr können auch in tegriert auf großflächigen Substraten hergestellte Dünnschicht solarzellen eingesetzt werden, die ebenfalls streifenförmig strukturiert sein können. Es eignen sich zum Beispiel Dünn schichtsolarmodule, deren Siliziummaterial nach Abscheidung bzw. Aufbringung auf dem Substrat durch ein Rekristallisations verfahren (zum Beispiel ein Anneal-Prozeß) eine polykristalline Struktur erhält.

Zwischen dem fertigen ersten Submodul und dem zweiten ist ein optischer Koppler vorgesehen, der das einfallende Licht weder absorbiert noch reflektiert und elektrisch isolierend ist. Ge eignete Materialien hierfür sind zum Beispiel Glas oder Kunst stoff. Das zweite obere Submodul aus amorphem hydrogenisiertem Silizium ist wegen der erforderlichen Transparenz in Dünn schichtbauweise ausgeführt und vorteilhafterweise ebenfalls streifenförmig strukturiert, um die durch die elektrische Ver schaltung hervorgerufenen Lichtabschattungen möglichst gering zu halten. Das Substrat des zweiten Submoduls weist nach oben und bildet somit gleichzeitig die Abdeckung des Tandemsolarmo duls. Dadurch werden weitere Materialkosten eingespart.

Schließlich sind die beiden Submodule in einem gemeinsamem Rah men eingebaut und mit getrennten Zuleitungen (vier Kontakte) versehen, so daß jedes Submodul für sich allein voll funktions fähig ist.

Bei der Berechnung des Gesamtwirkungsgrads des erfindungsgemäßen Tandem-Solarmoduls geht der Wirkungsgrad des amorphen oberen Submoduls verständlicherweise zu 100% in die Summierung mit ein. In Abhängigkeit von der Dicke dieses Submoduls, und damit von dessen Lichtdurchlässigkeit trägt das untere Submodul noch mit ca. 50% des Wirkungsgrades zum Gesamtwirkungsgrad bei, der für dieses Submodul allein ermittelt wird.

Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung eines Tandem-So larmoduls anhand eines Ausführungsbeispiels und der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigen die Fig. 1 bis 3 im Schnittbild verschiedene Fertigungs stufen des polykristallinen ersten Submoduls.

Fig. 4 zeigt in einer Aufrißzeichnung die beiden Submodule und den optischen Koppler vor dem Zusammenbau zum Ge samtmodul.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 Ein großflächiges Substrat 1 aus einem preisgünstigen Material (zum Beispiel Glas, Keramik, Kunststoff) enthält in definierten Abständen von ca. 1 bis 2 cm parallel zueinander verlaufende schmale Stege 2 mit einer Breite von ca. 0,5 mm. Die Zwischenräume zwischen den Stegen werden mit einer elek trisch leitfähigen Schicht 3 bis zu einer Höhe von ca. 0,1 mm ausgefüllt.

Fig. 2 Auf diese Schichten 3 werden schmale und ca. 500 µm dünne Streifen 4 aus polykristallinem p-dotiertem Silizium ein gelegt und mit der Schicht 3 kontaktiert. Diese Streifen 4 soll ten eine Korngröße von ca. 500 µm besitzen und können zum Bei spiel in einem aus der DE-OS 35 20 067 bekannten Bandziehver fahren nach der sogenannten S-Web-Technik hergestellt werden. Vorteilhafterweise stimmen die Dimensionen der Siliziumstreifen 4 mit den Vertiefungen zwischen den Stegen 2 genau überein, daß nach dem Einlegen die Siliziumstreifen 4 mit den Stegen 2 zusam men eine plane Oberfläche bilden.

In den Streifen 4 wird nun durch Einbringen von n-Dotierstoffen ein pn-Übergang erzeugt (in der Figur als gestrichelte Linie dargestellt). Dies kann zum Beispiel durch Phosphorionenimplan tation oder durch Eindiffusion von Phosphor in das Silizium aus zuvor auf den Streifen 4 aufgebrachten phosphorhaltigen Schich ten in einem Temperschritt erfolgen. In einer weiteren Ausfüh rungsform der Erfindung wird der pn-Übergang der Siliziumstrei fen 4 bereits vor dem Einlegen der Streifen 4 zwischen die Stege 2 erzeugt.

Fig. 3 zeigt unmittelbar neben den Stegen 2 Aussparungen 5 in den Siliziumstreifen 4. Diese können bereits vor dem Einlegen der Streifen 4 vorgesehen sein, oder nachträglich, zum Beispiel durch Fräsen von bis auf die Oberfläche der leitfähigen Schicht 3 reichenden Kontaktlöchern 5 an den Enden der Streifen 4 er zeugt werden.

In einem Siebdruckverfahren wird mit einer Paste der Frontkon takt 6 als Gitterstruktur auf die Oberfläche der Siliziumstrei fen 4 aufgebracht und mit der den Rückkontakt der Solarzellen bildenden leitfähigen Schicht 3 in den Kontaktlöchern 5 kontak tiert.

Fig. 4c zeigt das fertige erste Submodul nochmals in einer Draufsicht und gibt die Anordnung des Streifenmusters 6, 7 (Frontkontakt) sowie die Lage der Kontaktlöcher auf dem Sub modul wieder.

In Fig. 4a ist ein in bekannter Weise hergestelltes zweites Sub modul aus amorphem hydrogenisiertem Silizium dargestellt. Die ses Solarmodul ist in Dünnschichtbauweise mit transparenten Mate rialien, zum Beispiel Glassubstrat 8, TLO-Elektroden 9, 11, aus geführt. Es ist ebenfalls streifenförmig strukturiert und weist die gleiche Zellenbreite auf wie das erste Submodul. Der innere Aufbau der amorphen Solarzelle ist derartig ausgeführt, daß die Rückkontakte 11 aus TLO (= transparentes leitfähiges Oxid, zum Beispiel dotiertes Zinnoxid) gleichzeitig Teile der Frontkontak te 9 der jeweils benachbarten Steifenzellen überlappen und somit elektrisch kontaktieren. Dadurch wird eine Serienschaltung der Streifenzellen des zweiten Submoduls erreicht. Die aktive Schicht 10 besteht aus amorphem hydrogenisiertem Silizium und hat vorteilhafterweise eine pin-Zellenstruktur.

Der in Fig. 4b dargestellte optische Koppler kann zum Beispiel aus einer dünnen Scheibe 12 aus nicht reflektierendem Glas oder einer ebenfalls nicht reflektierenden Kunststoffolie (zum Bei spiel Polyethylen) bestehen. Er hat die Aufgabe, das vom amor phen oberen Submodul nicht absorbierte Licht mit hohem Rotanteil in das untere Submodul durchzulassen und dabei gleichzeitig die beiden Submodule elektrisch voneinander zu isolieren.

In der in der Fig. 4 angegebenen Reihenfolge werden die Teile a, b und c schließlich zusammengefügt, die Submodule mit ge trennten elektrischen Zuleitungen versehen und in einem gemein samen Rahmen eingebaut (in der Figur nicht dargestellt). Das Substrat 8 des zweiten Submoduls bildet dabei die Abdeckung des nun fertiggestellten Tandem-Solarmoduls.

Claims

1. Tandem-Solarmodul, dadurch gekennzeich net, daß es aufweist

a) ein erstes, großflächiges unteres Solar-Submodul aus poly kristallinem Silizium,
b) eine als optischer Koppler fungierende, elektrisch isolie rende transparente Zwischenschicht (12),
c) ein zweites, großflächiges, transparentes oberes Submo dul aus amorphem hydrogenisiertem Silizium und
d) voneinander unabhängige elektrische Kontaktierungen der beiden Submodule.

2. Tandem-Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das erste Submodul aus auf einem gemeinsamen Substrat (1) angeordneten, in Serie geschal teten streifenförmigen Einzelsolarzellen (4) besteht.

3. Tandem-Solarmodul nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Einzel solarzellen (4) des ersten Submoduls eine Breite von ca. 1 bis 2 cm bei einer Fläche von ca. 100 cm² aufweisen.

4. Tandem-Solarmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Submodul ein direkt auf einem großflächigen Substrat (1) erzeugtes Dünnschichtsolarmodul ist.

5. Tandem-Solarmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziummaterial des ersten Submoduls nach einem Bandziehver fahren hergestelltes streifenförmiges Silizium ist.

6. Tandem-Solarmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Koppler (12) Lichtstrahlung weder absorbiert noch re flektiert und aus Glas oder Kunststoff besteht.

7. Tandem-Solarmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zwei te Submodul aus amorphem hydrogenisiertem Silizium eine strei fenförmige Struktur aufweist mit der gleichen Zellenbreite wie das erste Submodul.

8. Tandem-Solarmodul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (8) des zweiten Submoduls die Abdeckung des Gesamtmo duls bildet.

9. Verfahren zum Herstellen eines Tandem-Solarmoduls nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) auf einem Substrat (1) aus elektrisch isolierendem Material, das in definierten Abständen zueinander parallel verlaufende Stege (2) aufweist, zwischen diesen Stegen (2) eine elek trisch leitfähige Schicht (3) aufgebracht wird,
b) zwischen den Stegen (2) über der leitfähigen Schicht (3) passende Streifen (4) aus p-dotiertem polykristallinem Sili zium eingelegt werden und elektrisch leitend mit der leit fähigen Schicht (3) verbunden werden,
c) in dem Siliziumstreifen (4) ein pn-Übergang erzeugt wird,
d) an den Enden der Streifen (4) bis auf die Oberfläche der leitfähigen Schicht (3) reichende Kontaktlöcher (5) in den Siliziumstreifen (4) vorgesehen werden,
e) mit einem Siebdruckverfahren ein den Frontkontakt der strei fenförmigen Einzelsolarzellen bildendes Streifenmuster (6, 7) aus einer elektrisch leitfähigen Paste aufgebracht wird,
f) zwischen Frontkontakt (6, 7) und dem in den Kontaktlöchern (5) freigelegten, den Rückkontakt der Einzelsolarzellen bil denden leitfähigen Schicht (3) der jeweils benachbarten Ein zelzelle eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird,
g) die dadurch zum ersten Submodul serienverschalteten streifen förmigen Solarzellen (4) mit einer Antireflexschicht verse hen werden,
h) das erste Submodul über einen optischen Koppler (12) mit einem bereits fertiggestellten gleichgroßen zweiten Submodul aus amorphem hydrogenisiertem Silizium zusammengebaut wird, so daß das Substrat (8) des zweiten Submoduls die Abdeckung des Gesamtmoduls bildet und
i) das Gesamtmodul in einen Rahmen eingebaut wird, wobei über insgesamt mindestens vier elektrische Kontakte eine unabhän gige Abführung des von den einzelnen Submodulen erzeugten Photostroms vorgesehen ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß Höhe und Abstand der Stege (2) zueinan der derart ausgebildet sind, daß die Vertiefungen zwischen den Stegen genau der Größe der aufzunehmenden Siliziumstreifen (4) entsprechen.

11. Verfahren nach Anspruch 9 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-Übergang in den Zel len des ersten Submoduls durch Phosphorionenimplantation oder durch Eindiffusion von Phosphor in das Siliziummaterial erzeugt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Erzeugung des pn Übergangs in den Siliziumstreifen (4) des ersten Submoduls nach Verfahrensschritt c) vor dem Einlegen der Streifen (4) zwischen die Stege (2) vor genommen wird.