DE4039945C2 - Solarzellenmodul - Google Patents
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Solarzellenmodul gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Solarzellenmodul ist aus der GB 2 128 017 A bekannt. Gemäß
der dortigen Fig. 8 ist zunächst eine Anzahl untereinander in Reihe
geschalteter Solarzellen in integrierter Weise in Dünnschichttechnik auf
einem gemeinsamen Substrat aufgebracht. Weiterhin ist auf demselben Substrat
an der einen Seite dieser Reihenschaltung von Solarzellen eine Diode
aufgebracht, die einen gleichen Schichtaufbau aufweist und mit der
äußersten Solarzelle einen durchgehenden Elektrodenschichtbereich gemeinsam
hat. Die Schichtenfolge sowohl der Diode als auch der Solarzellen
besteht jeweils aus einer bezüglich des Lichteinfalls vorderseitigen,
transparenten Elektrodenschicht, einer darunterliegenden, photoempfindlichen
Schicht sowie einer unter letzterer liegenden weiteren Elektrodenschicht.
Der genannte durchgehende Elektrodenschichtbereich, welcher
der Diode sowie der äußersten Solarzelle gemeinsam ist, bildet jeweils
deren der Lichteinfallsseite abgewandte Elektrodenschicht.
Gemäß Seite 2, Zeile 130 bis Seite 3, Zeile 3 der GB 2 128 017
A kann das oben beschriebene Solarzellenmodul dahingehend erweitert werden,
daß die genannte Diode durch eine Anzahl untereinander in Reihe geschalteter
Dioden ersetzt wird, wobei das dort in Fig. 8 abgebildete Solarzellenmodul
flächenmäßig dann entsprechend vergrößert werden müßte.
Dies hätte zur Folge, daß ein erheblicher Teil der gesamten Oberfläche
des Solarzellenmoduls von den Dioden eingenommen wird und somit zur
Energieerzeugung nicht zur Verfügung steht. Bei einer gleichen Anzahl
von Dioden und Solarzellen beträfe dies ungefähr die Hälfte der gesamten
Oberfläche. Ist zudem eine Parallelschaltung zweier Reihenschaltungen
von Solarzellen und Dioden beabsichtigt, so ist dieser Druckschrift in
der dortigen Fig. 3 lediglich die Möglichkeit zu entnehmen, eine Parallelschaltung
durch äußere Verdrahtung vorzunehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Solarzellenmodul der eingangs
genannten Art bereitzustellen, bei dem auf möglichst kompakte Weise
eine Parallelschaltung der beiden Reihen von Solarzellen und Dioden
verwirklicht ist. Dabei soll die von den Dioden beanspruchte Oberfläche
einen möglichst geringen Anteil der Oberfläche des gesamten Solarmoduls
ausmachen, und der Herstellungsaufwand für die Parallelverschaltung soll
möglichst gering sein.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 genannten Merkmale gelöst. Demnach sind die untereinander in Reihe geschalteten
Dioden jetzt nicht mehr sozusagen als Fortsetzung der Reihenschaltung
von Solarzellen auf dem gemeinsamen Substrat angeordnet, sondern
vielmehr ist die Reihe der Dioden zur Reihe der Solarzellen unmittelbar
benachbart und parallelverlaufend angeordnet und von ihr durch
einen die Schichtenfolge durchschneidenden Graben getrennt. Dies bietet
die Möglichkeit, auf dem gemeinsamen Substrat zunächst eine strukturierte
Schichtenfolge herzustellen, bei der noch keine Trennung zwischen Solarzellen
und Dioden vorliegt. Diese Trennung erfolgt erst durch Einbringung
des bis auf die Substratoberfläche hinabreichenden Grabens, der
je nach den speziellen Anforderungen so positioniert werden kann, daß
ein möglichst großer Teil der Oberfläche des Solarmoduls für die Solarzellen
zur Verfügung steht. Die auf der einen Seite durch den erwähnten,
ersten durchgehenden Elektrodenschichtbereich bestehende Verbindung zwischen
den beiden Reihenschaltungen wird im Sinne einer Parallelschaltung
auf der anderen Seite dadurch vervollständigt, daß ein zweiter durchgehender
Elektrodenschichtbereich, der ebenfalls nicht von dem Graben
durchtrennt ist, belassen wird, der die dem Substrat abgewandten Elektrodenschichten
der äußersten Solarzelle und der äußersten Diode auf
dieser Seite miteinander verbindet. Durch die Erfindung ist demnach eine
insgesamt kompakte Anordnung gegeben, welche hinsichtlich der Oberflächenaufteilung
zwischen Dioden und Solarzellen anpassungsfähig und im
Rahmen des integrierten Dünnschichtverfahrens mit minimalem Aufwand günstig
herstellbar ist.
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, im Ausführungsbeispiel 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 besteht im Ausführungsbeispiel
aus einem leitenden transparenten Oxid, etwa Indiumzinnoxid, und die
rückseitige Elektrodenschicht 9 aus einem Metall, beispielsweise Alumi
nium. 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 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 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 Elektrodenschichtbereich 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
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 die
vorderseitige Elektrodenschichten 7, 7a, 7b und 7c aufgebracht. Hierbei
handelt es sich 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 um nichttransparente Metallschichten,
etwa aus Aluminium, handeln, welche auf übliche Weise 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 (9)
1. Solarzellenmodul mit einer Anzahl untereinander in Reihe geschalteter Solarzellen
sowie einer Anzahl untereinander in Reihe geschalteter
Dioden, wobei sowohl die Solarzellen als auch die Dioden in
Dünnschichttechnik auf einem gemeinsamen Substrat ausgeführt sind und
sämtlich dieselbe Schichtenfolge mit je einer bezüglich des Lichteinfalls
vorderseitigen, transparenten und einer rückseitigen Elektrodenschicht
und einer dazwischenliegenden, photoempfindlichen Schicht aufweisen,
und wobei ein erster durchgehender Elektrodenschichtbereich vorgesehen
ist, der der äußersten Solarzelle und der äußersten Diode an der
einen Seite der jeweiligen Reihen gemeinsam ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Reihe der Dioden (21 bis 5) zur Reihe der Solarzellen (11
bis 15) unmittelbar benachbart und parallel verlaufend angeordnet und
von ihr durch einen die Schichtenfolge durchschneidenden Graben (10)
getrennt ist, und daß auf dem Substrat (2) ein zweiter durchgehender
Elektrodenschichtbereich (7b) vorgesehen ist, der die dem Substrat (2)
abgewandten Elektrodenschichten (9b′, 9b′′) der äußersten Solarzelle
(15) und der äußersten Diode (25) an der anderen Seite der jeweiligen
Reihen miteinander verbindet.
2. Solarzellenmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens eine, ebenfalls in Dünnschichttechnik ausgeführte, zu den Solarzellen
(11 bis 15) parallelgeschaltete und deren Schichtenfolge aufweisende
sowie in Sperrichtung gepolte Schutzdiode (5; 6) auf dem gemeinsamen
Substrat (2) vorhanden ist.
3. Solarzellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schutzdiode (5) über ihre dem Substrat (2) abgewandte Elektrodenschicht
(9c) direkt mit dem ersten durchgehenden Elektrodenschichtbereich
(7a) verbunden ist.
4. Solarzellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schutzdiode (6) mit ihrer photoempfindlichen Schicht (8b) den zweiten
durchgehenden Elektrodenschichtbereich (7b) kontaktiert.
5. Solarzellenmodul nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzdiode (5; 6) mittels eines auf der die Solarzellen
(11 bis 15) und die Dioden (21 bis 25) tragenden Oberfläche
des Substrats (2) aufgebrachten, um die Solarzellen herumgeführten Leiterstreifens
(4) zu diesen parallel geschaltet ist.
6. Solarzellenmodul nach den Ansprüchen 5 und 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Leiterstreifen (4) die dem Substrat (2) zugewandte
Elektrodenschicht (7c) der Schutzdiode (5) und den zweiten durchgehenden
Elektrodenschichtbereich (7b) kontaktiert.
7. Solarzellenmodul nach den Ansprüchen 5 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Leiterstreifen (4) die dem Substrat (2) abgewandte
Elektrodenschicht (9b) der Schutzdiode (6) und den ersten durchgehenden
Elektrodenschichtbereich (7a) kontaktiert.
8. Solarzellenmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Schutzdioden (5, 6) vorhanden sind, die dem Substrat (2) abgewandte
Elektrodenschicht (9c) der ersten Schutzdiode (5) mit dem ersten durchgehenden
Elektrodenschichtbereich (7a) verbunden ist und ein Teil des
zweiten durchgehenden Elektrodenschichtbereichs (7b) die dem Substrat
(2) zugewandte Elektrodenschicht der zweiten Schutzdiode (6) bildet.
9. Solarzellenmodul nach Anspruch 8, 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 Substrat
(2) abgewandten Elektrodenschicht (9b) der zweiten Schutzdiode (6)
verbunden ist.
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