DE4039945A1 - Solarzellenmodul - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Solarzellenmodul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Solarzellenmodul ist aus der US 44 81 378 bekannt. Gemäß der dortigen Fig. 3 sind mehrere einzelne Solarzellen in Reihe geschal­ tet, und eine dazu parallelgeschaltete Spannungsbegrenzungseinrichtung sorgt dafür, daß die dem Verbraucher zugeführte Spannung einen vorwähl­ baren Grenzwert nicht überschreitet.

Dieses bekannte Solarzellenmodul besteht aus separaten Solarzellen, die durch separate Kontaktverbinder miteinander verschaltet sind. Als Span­ nungsbegrenzungseinrichtung ist ein separates Bauteil vorgesehen, über dessen nähere Ausbildung nichts gesagt ist. Insgesamt stellt dies eine sperrige und hinsichtlich des Herstellungsaufwandes ungünstige Anordnung dar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Solarzellenmodul der eingangs genannten Art bereitzustellen, das sich durch eine möglichst einheitliche und raumsparende Anordnung der Elemente auszeichnet, ver­ bunden mit einem möglichst reduzierten Herstellungsaufwand.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Demnach ist das So­ larzellenmodul unter Verwendung eines gemeinsamen Substrats ausgeführt, auf dem die Solarzellen in Dünnschichttechnik aufgebracht sind. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung ist durch eine Reihenschaltung von Span­ nungsbegrenzungsdioden gebildet, welche ebenfalls in Dünnschichttechnik auf dem gemeinsamen Substrat ausgeführt sind. Dabei haben die Solarzel­ len und die Dioden dieselbe innere Struktur, denn sie weisen alle eine Schichtenfolge auf, welche eine bezüglich des Lichteinfalls vorderseiti­ ge und eine rückseitige Elektrodenschicht und eine dazwischenliegende photoempfindliche Schicht enthält. Solarzellen und Spannungsbegrenzungs­ dioden sind lediglich durch einen Graben getrennt, welcher die Schich­ tenfolge durchschneidet. Dieses in integrierter Dünnschichttechnik aus­ führbare Solarzellenmodul stellt daher eine einheitliche, raumsparende Anordnung dar, welche auf einem gemeinsamen Substrat durch eine Abfolge gemeinsamer Schichtaufbringungs- und Strukturierungsschritte herstellbar ist. Die Herstellung läßt sich somit leicht vereinheitlichen und automa­ tisieren.

Anschließend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Ab­ bildungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Solar­ zellenmoduls,

Fig. 2 ein Schaltbild des in Fig. 1 abgebildeten Solarzellenmoduls,

Fig. 3 das Solarzellenmodul der Fig. 1 vor der Fertigstellung nach ei­ nem ersten Herstellungsschritt in Draufsicht,

Fig. 4 das Solarzellenmodul der Fig. 3 nach einem zweiten Herstellungs­ schritt und

Fig. 5 das Solarzellenmodul der Fig. 4 nach einem weiteren, ab­ schließenden Herstellungsschritt.

In Fig. 1 ist ein Solarzellenmodul 1 dargestellt, bei dem ein einziges gemeinsames Substrat 2, beispielsweise aus Glas bestehend, verwendet ist. Auf dem Substrat 2 sind in Dünnschichttechnik Solarzellen 11 bis 15, durch einen Leiterstreifen 4 elektrisch miteinander verbundene Schutzdioden 5 und 6 sowie weitere Dioden 21 bis 25 aufgebracht. Die So­ larzellen 11 bis 15 sowie sämtliche Dioden 5, 6 sowie 21 bis 25 haben dieselbe innere Struktur, gekennzeichnet durch eine Schichtenfolge aus einer bezüglich des Lichteinfalls vorderseitigen, dem Substrat 2 zuge­ wandten transparenten Elektrodenschicht 7, einer photoempfindlichen Schicht 8, und einer rückseitigen, dem Substrat 2 abgewandten Elektro­ denschicht 9. Die vorderseitige Elektrodenschicht 7 kann beispielsweise aus einem leitenden transparenten Oxid, etwa Indiumzinnoxid, und die rückseitige Elektrodenschicht 9 aus einem Metall, beispielsweise Alumi­ nium, bestehen. Die photoempfindliche Schicht 8 muß einen Diodenübergang aufweisen, und zwar sowohl im Falle der Dioden 5, 6 und 21 bis 25 als auch im Falle der Solarzellen 11 bis 15. Demnach kann die photoempfind­ liche Schicht 8 beispielsweise aus amorphem Silizium bestehen, wobei un­ terschiedlich dotierte Unterschichten derart vorgesehen sind, daß eine pn- oder pin-Struktur resultiert. Die photoempfindliche Schicht 8 kann jedoch auch eine Schottky-Sperrschicht besitzen, und zwar im Bereich des Übergangs zwischen einer Halbleiter- und einer Metallschicht. Zweck­ mäßig, aber nicht notwendigerweise, ist die p-dotierte Schicht im Falle einer pn- oder pin-Struktur der transparenten vorderseitigen Elektroden­ schicht 7 und damit dem Lichteinfall zugekehrt.

Auf dem den Dioden 5, 6 und 21 bis 25 gegenüberliegenden Oberflächenbe­ reich des transparenten Substrats 2 ist eine Deckschicht 3 aufgebracht, welche lichtundurchlässig ist und somit die Dioden vom Lichteinfall ab­ schirmt. Die Deckschicht 3 kann beispielsweise aus Metall bestehen. Es ist aber auch möglich, die Deckschicht 3 als für Licht teildurchlässige Schicht auszuführen, beispielsweise als semitransparente Oxidschicht.

Im Falle eines nicht transparenten Substrats 2 ist die Deckschicht auf der dem Substrat abgewandten Oberfläche der Dioden aufzubringen. Dann sind natürlich die direkt darunterliegenden, dem Substrat abgewandten Elektrodenschichten transparent auszubilden.

Bei dem Solarzellenmodul der Fig. 1 sind zwei Schutzdioden 5 und 6 vor­ gesehen. Diese sind durch den Leiterstreifen 4, welcher um die Solarzel­ len 11 bis 15 herumgeführt ist, leitend miteinander verbunden. Hierzu kontaktiert der Leiterstreifen 4 einmal die vorderseitige Elektroden­ schicht 7c der ersten, in Fig. 1 linken Schutzdiode 5, und gleichzeitig geht der Leiterstreifen 4 direkt in die rückseitige Elektrodenschicht 9b der zweiten, in Fig. 1 rechts dargestellten Schutzdiode 6 über. Dieser Leiterstreifen 4 kann aus Metall, beispielsweise Aluminium, bestehen und, wie in Fig. 5 dargestellt, in einem Herstellungsschritt zusammen mit den rückseitigen Elektrodenschichten 9 aufgebracht und strukturiert werden.

Die untereinander in Reihe geschalteten Solarzellen 11 bis 15 sind mit den ebenfalls untereinander in Reihe geschalteten Dioden 21 bis 25 pa­ rallelgeschaltet. Dazu ist auf dem Substrat 2 einmal auf der einen, in Fig. 1 links dargestellten Seite der beiden Reihen ein erster durchge­ hender Elektrodenbereich 7a vorgesehen, welcher für die äußerste Solar­ zelle 11 und die äußerste Diode 21 der jeweiligen Reihe die gemeinsame vorderseitige Elektrodenschicht bildet. Zum anderen ist, wie rechts in der Fig. 1 dargestellt, auf dem Substrat 2 ein zweiter durchgehender Elektrodenschichtbereich 7b vorgesehen, welcher von der rückseitigen Elektrodenschicht 9b′ bzw. 9b′′ der an dieser Seite der jeweiligen Reihe äußersten Diode 25 bzw. Solarzelle 15 kontaktiert wird. Ein Teil dieses zweiten durchgehenden Elektrodenschichtbereiches 7b bildet gleichzeitig die vorderseitige Elektrodenschicht der zweiten Schutzdiode 6.

Die Solarzellen 11 bis 15 sind von den Dioden 21 bis 25 durch einen die jeweilige Schichtenfolge durchschneidenden Graben 10 getrennt. Dieser Graben 10 reicht zwischen den Solarzellen 12 bis 15 und den Dioden 22 bis 25 auf die Oberfläche des Substrats 2 herab, während er zwischen der Diode 21 und der Solarzelle 11 nur die jeweilige photoempfindliche Schicht 8 und die auf dieser befindliche rückseitige Elektrodenschicht 9 durchschneidet und somit auf der Oberfläche des darunterliegenden ersten durchgehenden Elektrodenschichtbereiches 7a endet.

In Fig. 2 ist das Schaltbild für das in Fig. 1 abgebildete Solarzellen­ modul wiedergegeben. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen gleiche Elemente. Als eine Alternative für die Art und Weise, wie das Solarzellenmodul nach außen hin elektrisch angeschlossen werden kann, sind zwei Anschlüs­ se 16 und 17 durch gestrichelte Linien angedeutet. In diesem Falle haben die Dioden 21 und 25 die Funktion von Parallelverschaltungsdioden, die Dioden 22, 23 und 24 wirken indessen als Spannungsbegrenzungsdioden. Es ist auch möglich, nur eine Parallelverschaltungsdiode vorzusehen, es sollte aber darauf geachtet werden, daß die durch die Spannungsbegren­ zungsdioden maximal nach außen hin zur Verfügung gestellte Spannung un­ ter derjenigen liegt, die von den Solarzellen 11 bis 15 insgesamt er­ zeugt werden kann.

Es ist auch möglich, mit nur einer Schutzdiode 5 oder 6 auszukommen. Entfällt die Schutzdiode 6, so kann der Leiterstreifen 4 unmittelbar in den zweiten durchgehenden Elektrodenschichtbereich 7b übergehen. Ent­ fällt die Schutzdiode 5, so ist der Leiterstreifen 4 direkt mit dem er­ sten durchgehenden Elektrodenschichtbereich 7a zu verbinden.

In den Fig. 3 bis 5 sind in Draufsicht auf das Substrat 2 drei verschie­ dene Stadien des Herstellungsprozesses des Solarmoduls gemäß der Erfin­ dung dargestellt. Die jeweils zuletzt aufgebrachten und strukturierten Schichten sind durch Flächenschraffur gekennzeichnet. Die verdeckten Kanten der direkt zuvor aufgebrachten und strukturierten Schichten sind gestrichelt gezeichnet. Gemäß Fig. 3 werden auf der einen Oberfläche des transparenten Substrats 2 zunächst in der dort dargestellten Anordnung vorderseitige Elektrodenschichten 7, 7a, 7b und 7c aufgebracht. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Schichten aus einem transparenten lei­ tenden Oxid (TCO), etwa Indiumzinnoxid. Dabei kann zunächst die ganze Oberfläche des Substrats 2 mit einer durchgehenden Oxidschicht bedeckt werden, etwa durch Niederschlag aus der Dampfphase, und anschließend kann die Strukturierung in der dargestellten Weise mit üblichen Verfah­ ren vorgenommen werden. Hierzu eignen sich Maskierungs- und Ätzverfah­ ren, aber auch Laser- und Ultraschallverfahren. Die bereits in Fig. 1 angedeuteten ersten und zweiten durchgehenden Elektrodenschichten 7a und 7b sind deutlich erkennbar.

Als nächster Herstellungsschritt folgt die Aufbringung der photoempfind­ lichen Schichten 8, 8b und 8c gemäß der in Fig. 4 dargestellten Anord­ nung. Die darunterliegenden vorderseitigen Elektrodenschichten 7 usw. sind noch deutlich sichtbar. Zur Aufbringung und Strukturierung der pho­ toempfindlichen Schichten können ebenfalls die bereits oben erwähnten Verfahren benutzt werden. Nach der endgültigen Strukturierung reicht der Graben 10 nahezu über seine gesamte Länge bis auf die Oberfläche des Substrats 2 hinab, mit Ausnahme der in der Fig. 4 links dargestellten Seite, wo die erste durchgehende Elektrodenschicht 7a so belassen wird, wie in Fig. 3 dargestellt. Als Materialien für die photoempfindlichen Schichten können die bekannten, zur Erzeugung von Diodenübergängen in geeigneter Weise dotierbaren Halbleitersubstanzen verwendet werden, wo­ bei diejenigen bevorzugt sind, welche sich durch ökonomische Verfahren aus der Gasphase abscheiden lassen. So kommen beispielsweise amorphes oder polykristallines Silizium oder Germanium in Frage. Es können aber auch Halbleiterschichten gewählt werden, welche mit darauf abgeschiede­ nen Metallschichten Schottky-Übergänge bilden.

Schließlich werden in einem letzten Herstellungsschritt rückseitige Elektrodenschichten 9, 9b, 9b′, 9b′′ und 9c sowie der Leiterstreifen 4 aufgebracht und in der in Fig. 5 dargestellten Weise strukturiert. Hier­ bei kann es sich beispielsweise um nichttransparente Metallschichten, etwa aus Aluminium, handeln, welche auf übliche Weise bevorzugt aus der Dampfphase abgeschieden werden. Es ergeben sich also gemäß Fig. 5 auf dem oberen Teil der abgebildeten Oberfläche des Substrats 2 die fünf re­ lativ großflächigen, in Reihe geschalteten Solarzellen 11 bis 15. Durch den Graben 10 davon getrennt sind die ebenfalls in Reihe geschalteten fünf Dioden 21 bis 25. Schließlich entstehen als Folge des letzten Her­ stellungsschrittes die zwei Schutzdioden 5 und 6, wobei die rückseitige Elektrodenschicht 9b der Schutzdiode 6 sich direkt in dem Leiterstreifen 4 fortsetzt, welcher um die Solarzellen 11 bis 15 herumgeführt ist und schließlich die vorderseitige Elektrodenschicht 7c der Schutzdiode 5 kontaktiert.

Für das Schaltbild gemäß Fig. 2 ist vorausgesetzt, daß die photoempfind­ lichen Schichten 8 usw. ihre p-leitenden Seiten dem transparenten Sub­ strat und damit der Seite des Lichteinfalls zukehren. Dies muß jedoch nicht notwendig so sein, vielmehr können auch die n-leitenden Seiten der photoempfindlichen Schichten 8 dem Substrat 2 zugekehrt sein, wobei sich das Schaltbild gemäß Fig. 2 dann entsprechend ändert.

Claims (16)

1. Solarzellenmodul mit einer Anzahl in Reihe geschalteter Solarzel­ len sowie einer dazu parallelgeschalteten Spannungsbegrenzungseinrich­ tung, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungsbegrenzungseinrichtung durch mehrere untereinander in Reihe geschaltete, in Durchlaßrichtung gepolte Spannungsbegrenzungsdio­ den (22, 23, 24) gebildet ist,
daß die Solarzellen (11 bis 15) und Spannungsbegrenzungsdioden in Dünn­ schichttechnik auf einem gemeinsamen Substrat (2) ausgeführt sind und sämtlich dieselbe Schichtenfolge mit je einer bezüglich des Lichtein­ falls vorderseitigen, transparenten und einer rückseitigen Elektroden­ schicht (7, 9) und einer dazwischenliegenden photoempfindlichen Schicht (8) aufweisen,
und daß die Solarzellen von den Spannungsbegrenzungsdioden durch einen die Schichtenfolge durchschneidenden Graben (10) getrennt sind.

2. Solarzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den in Reihe geschalteten Spannungsbegrenzungsdioden (22, 23, 24) minde­ stens eine, ebenfalls in Dünnschichttechnik ausgeführte und parallel zu den Solarzellen geschaltete Parallelverschaltungsdiode (21, 25) vor- und/oder nachgeschaltet ist.

3. Solarzellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den jeweils benachbarten Parallelverschaltungsdioden (21; 25) und Spannungsbegrenzungsdioden (22; 24) elektrische Anschlüsse (16, 17) herausgeführt sind.

4. Solarzellenmodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Parallelverschaltungsdioden (21, 25) und Spannungsbegren­ zungsdioden (22, 23, 24) mit Hilfe einer Deckschicht (3) vom Lichtein­ fall abgeschirmt sind.

5. Solarzellenmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (3) für Licht teildurchlässig ist.

6. Solarzellenmodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß im Falle eines transparenten Substrats (2) die Deckschicht (3) auf dem den Dioden (21 bis 25) gegenüberliegenden Oberflächenbereich des transparenten Substrats (2) aufgebracht ist.

7. Solarzellenmodul nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ met, daß im Falle eines nicht transparenten Substrats die Deckschicht auf der dem Substrat abgewandten Oberfläche der Dioden aufgebracht ist.

8. Solarzellenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Parallelverschaltung der untereinander in Reihe geschalteten Solarzellen (11 bis 15) mit den untereinander in Rei­ he geschalteten Parallelverschaltungs- und Spannungsbegrenzungsdioden (21; 22, 23, 24; 25) auf dem Substrat (2) einerseits ein erster durchge­ hender Elektrodenschichtbereich (7a), der der äußersten Solarzelle (11) und der äußersten Diode (21) an der einen Seite der jeweiligen Reihe ge­ meinsam ist, und andererseits ein zweiter durchgehender Elektroden­ schichtbereich (7b), der die dem Substrat (2) abgewandten Elektroden­ schichten (9b′, 9b′′) der äußersten Solarzelle (15) und der äußersten Diode (25) an der anderen Seite der jeweiligen Reihe miteinander verbin­ det, vorgesehen sind.

9. Solarzellenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine, ebenfalls in Dünnschichttechnik ausgeführte, zu den Solarzellen (11 bis 15) parallelgeschaltete und de­ ren Schichtenfolge aufweisende sowie in Sperrichtung gepolte Schutzdiode (5; 6) auf dem gemeinsamen Substrat (2) vorhanden ist.

10. Solarzellenmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzdiode (5) über ihre dem Substrat (2) abgewandte Elektroden­ schicht (9c) direkt mit dem ersten durchgehenden Elektrodenschichtbe­ reich (7a) verbunden ist.

11. Solarzellenmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzdiode (6) mit ihrer photoempfindlichen Schicht (8b) den zwei­ ten durchgehenden Elektrodenschichtbereich (7b) kontaktiert.

12. Solarzellenmodul nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schutzdiode (5; 6) mittels eines auf der die So­ larzellen (11 bis 15) und die Dioden (21 bis 25) tragenden Oberfläche des Substrats (2) aufgebrachten, um die Solarzellen herumgeführten Lei­ terstreifens (4) zu diesen parallel geschaltet ist.

13. Solarzellenmodul nach den Ansprüchen 12 und 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Leiterstreifen (4) die dem Substrat (2) zugewandte Elektrodenschicht (7c) der Schutzdiode (5) und den zweiten durchgehenden Elektrodenschichtbereich (7b) kontaktiert.

14. Solarzellenmodul nach den Ansprüchen 12 und 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Leiterstreifen (4) die dem Substrat (2) abgewandte Elektrodenschicht (9b) der Schutzdiode (6) und den ersten durchgehenden Elektrodenschichtbereich (7a) kontaktiert.

15. Solarzellenmodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schutzdioden (5, 6) vorhanden sind, die dem Substrat (2) abgewandte Elektrodenschicht (9c) der ersten Schutzdiode (5) mit dem ersten durch­ gehenden Elektrodenschichtbereich (7a) verbunden ist und ein Teil des zweiten durchgehenden Elektrodenschichtbereichs (7b) die dem Substrat (2) zugewandte Elektrodenschicht der zweiten Schutzdiode (6) bildet.

16. Solarzellenmodul nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Substrat (2) zugewandte Elektrodenschicht (7c) der ersten Schutzdiode (5) durch einen auf der die Solarzellen (11 bis 15) und die Dioden (21 bis 25) tragenden Oberfläche des Substrats (2) aufgebrachten, um die Solarzellen herumgeführten Leiterstreifen (4) mit der dem Sub­ strat (2) abgewandten Elektrodenschicht (9b) der zweiten Schutzdiode (6) verbunden ist.