DE4328868A1 - Element of a photovoltaic solar cell and method for its production as well as its arrangement in a solar cell - Google Patents

Element of a photovoltaic solar cell and method for its production as well as its arrangement in a solar cell

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Abstract

The invention relates to an element of a photovoltaic solar cell, having at least one electrode which is elongated or is in the form of a rod or wire (or strand) or strip, which has at least one photovoltaically active coating on its surface, and is characterised in that the electrode consists of a material which has high electrical conductivity, in particular impure silicon with polycrystalline, preferably monocrystalline structure and the coating consists of a monocrystalline or polycrystalline photovoltaically active material, in particular silicon with specific doping (p or n doping), on the surface of the electrode.

Description

Die Erfindung betrifft ein Element einer photovoltai­ schen Solarzelle mit mindestens einer langgestreckten bzw. stab- oder draht- (bzw. faden-) oder bandförmigen Elektrode, welche auf ihrer Oberfläche mindestens eine photovoltaisch wirksame Beschichtung aufweist sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie deren Anordnung in einer photovoltaischen Solarzelle.The invention relates to an element of a photovoltaic solar cell with at least one elongated or rod or wire (or thread) or ribbon-shaped Electrode, which has at least one on its surface has photovoltaically effective coating and a Process for its preparation and its arrangement in a photovoltaic solar cell.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine bezüglich seiner Her­ stellungskosten und seines Wirkungsgrades verbessertes Element für photovoltaische Solarzellen sowie eine dementsprechend verbesserte Solarzelle zu schaffen.The object of the invention is one with respect to its Her cost of ownership and its efficiency improved Element for photovoltaic solar cells as well as a accordingly to create improved solar cell.

Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß die Elektrode aus einem elektrisch gut leitenden Material, insbeson­ dere unreinem Silicium mit multi- oder polykristallinem, vorzugsweise monokristallinem Gefüge und die Be­ schichtung aus einem auf der Oberfläche der Elektrode mono- oder multikristallinem photovoltaisch wirksamen Material, insbesondere Silicium mit einer bestimmten Dotierung (p- oder n-Dotierung) besteht.Accordingly, the invention is that the electrode made of an electrically highly conductive material, in particular their impure silicon with multi- or polycrystalline,  preferably monocrystalline structure and the Be layering of one on the surface of the electrode mono- or multicrystalline photovoltaic effective Material, especially silicon with a certain Doping (p- or n-doping) exists.

In bevorzugter Ausführungsform besteht also sowohl die den Strom leitende Elektrode als auch deren Beschichtung aus Silicium, jedoch mit unterschiedlichem Aufbau, näm­ lich der Elektrode aus unreinem, gut Strom leitendem und der Beschichtung aus möglichst reinem, aber zwecks pho­ tovoltaisch optimaler Wirksamkeit gezielt dotiertem Silicium höheren Reinheitsgrades.In a preferred embodiment, there is both the current-conducting electrode and its coating made of silicon, but with different structures, näm Lich the electrode made of impure, good electricity and the coating of the purest possible, but for the purpose of pho optimally doped Silicon of higher purity.

Grundsätzlich würde eine einzige solche Beschichtung auf einer Siliziumelektrode ausreichen, indem das in der Beschichtung gebildete Ladungsfeld (p- oder n) mit den entgegengesetzten Ladungsträgern innerhalb der Elek­ trode das photovoltaische Spannungsfeld bzw. die zwei entgegengesetzten Ladungsfelder bildet, während die demgegenüber überschüssigen, d. h. gegenüber dem quanti­ tativ in der Beschichtung gebildeten Ladungspotential zusätzlich in der Elektrode gegebenen frei beweglichen Ladungsträger der verbesserten elektrischen Leitfähig­ keit der Si-Elektrode dienen.Basically, a single such coating would be on a silicon electrode are sufficient by the in the Coating charge field (p- or n) with the opposite charge carriers within the elec trode the photovoltaic voltage field or the two forms opposite charge fields, while the in contrast, excess, d. H. compared to the quanti charge potential formed in the coating additionally freely movable in the electrode Charge carriers of improved electrical conductivity serve the Si electrode.

Sinngemäß kann der Randbereich in der Elektrode bei entsprechender Zusammensetzung des Siliciums ein posi­ tives oder negatives Ladungsfeld und die Beschichtung entsprechend entgegengesetzt (p- oder n) dotiert sein.The edge area in the electrode can also be used appropriate composition of the silicon a posi tive or negative charge field and the coating be doped accordingly opposite (p- or n).

Bei der Verwendung von Silicium als Elektrodenmaterial kann das Elektrodengefüge multikristallin aufgebaut sein, so daß die Beschichtung aufgrund epitaktischer Wirkung entsprechend grob-kristallin, insbesondere auch monokristallin aufgebaut sein kann.When using silicon as electrode material the structure of the electrodes can be multicrystalline be so that the coating due to epitaxial Effect roughly crystalline, especially can be monocrystalline.

Analoge Effekte können auch mit anderen Materialien zum Einsatz gebracht werden. Analog effects can also be used with other materials Be put into action.  

Die Erfindung ist mit den Merkmalen der Patentansprüche 2 und 3 modifizierbar und besteht in einer Solarzellenanordnung gemäß den Patentansprüchen 4 bis 10 und umfaßt auch das Herstellungsverfahren gemäß den weiteren Patentansprüchen.The invention is with the features of the claims 2 and 3 can be modified and consists of one Solar cell arrangement according to claims 4 to 10 and also includes the manufacturing process according to the further patent claims.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Fig. 1-8 näher erläutert:The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1-8:

Gemäß Fig. 1 und 2 ist im Längsschnitt und im Querschnitt eine aus Silicium gezogene langgestreckte bzw. geformte langgestreckte Elektrode 2 mit einer photovoltaisch wirksamen Beschichtung 3 versehen, welche aus einer radial inneren Lage 5 und einer darauf angebrachten äußeren Lage 6 bestehen kann, wobei die Lagen 5 und 6 entgegengesetzt dotiert sind (p- bzw n).According to Fig. 1 and 2, a solid silicon elongated or shaped elongated electrode 2 which is provided with a photovoltaically active coating 3 in longitudinal section and in cross-section, which may consist of a radially inner layer 5 and mounted thereon outer layer 6, the Layers 5 and 6 are doped in opposite directions (p- or n).

In den Fig. 3 und 4 ist analog eine Elektrode 2 jedoch mit nur einer Beschichtung 3 aus nur einer ein­ zelnen Lage bestimmter Dotierung (p- oder n - hier p) dargestellt. Dabei kann sich beidseits der Beschich­ tungsgrenze auf der Oberfläche der Elektrode eine La­ dungsfeldtrennung aus Elektronen 12 (-) und - in der Beschichtung 3 - aus "Löchern" (p) bzw. + bilden, wäh­ rend ein Elektronenüberschuß 13 einer Erhöhung der elek­ trischen Leitfähigkeit des Siliciums dienen kann.In Figs. 3 and 4 is analogous to an electrode 2, however, only with a coating 3 of only one of an individual situation of certain dopants (p or n - p here) shown. Here, on both sides of the coating limit on the surface of the electrode, a charge field separation of electrons 12 (-) and - in the coating 3 - from "holes" (p) or + can form, while an electron excess 13 increases the electrical Conductivity of the silicon can serve.

Auch kann durch Diffusionseinwirkung eine Dotie­ rungsschicht 14 in die Oberfläche der Elektrode 2 hin­ einverlagert werden, insbesondere nach vorheriger Dif­ fusionsreinigung bzw. Beeinflussung dicht unter der Oberfläche des Elektrodenmaterials.A doping layer 14 can also be displaced into the surface of the electrode 2 by the action of diffusion, in particular after prior diffusion cleaning or influencing directly below the surface of the electrode material.

Beim Aneinanderfügen zweier Elemente aus beschichteten 3 Elektroden 2 gemäß den Fig. 5 und 6 bildet sich zwischen den Elektroden 2 bzw. als Anordnung zweier jeweils als Elektrode 2 und Gegenelektrode 7 mit jeweils entgegenge­ setzter Dotierung ihrer Beschichtungsoberflächen eine photovoltaische Solarzelle, so daß der Strom radial durch die Beschichtungen 3 zwischen den Elektroden 2 und 7 fließt.When joining two elements of coated 3 electrodes 2 as shown in FIGS. 5 and 6 forms between the electrodes 2 or as an arrangement of two respectively as the electrode 2 and counter electrode 7, each entgegenge modifying dopant their coating surfaces of a photovoltaic solar cell, so that the current radial flows through the coatings 3 between the electrodes 2 and 7 .

Gemäß Fig. 7 können jeweils zwei auf der Oberfläche ihrer Beschichtung 3 entgegengesetzt dotierte Elemente 1 auf einer metallischen Fläche (die auch reflektierend ausgeführt sein kann) entweder auf Abstand 8 oder auch aneinander (analog Fig. 5 und 6) elektrisch leitend verbunden angebracht sein.According to FIG. 7, two elements 1 with opposite doping on the surface of their coating 3 can be attached on a metallic surface (which can also be reflective) either at a distance of 8 or also connected to one another (analogously to FIGS. 5 and 6) in an electrically conductive manner.

Gemäß Fig. 8 kann die Fläche 9 als photovoltaisches Element auf der den Elementen 1 zugewandten Seite eben­ falls mit einer photovoltaisch wirksamen Beschichtung 3 versehen sein, auf der die Elemente 1 elektrisch leitend angebracht sind. Dabei wirkt die photovoltaisch beschichtete Fläche 10 als Gegenelektrode, während die Elemente 1 mit zur Oberfläche der photovoltaischen Be­ schichtung entgegengesetzt dotierter Beschichtungsober­ fläche auf lateralen Abstand (8 analog Fig. 7) auf der Oberfläche der photovoltaischen Beschichtung elektrisch leitend verbunden sind.Referring to FIG. 8, the surface 9 may be provided just as if the photovoltaic element on the elements 1 facing side with a photovoltaically active coating 3 on which the elements 1 are mounted electrically conductive. The photovoltaically coated surface 10 acts as a counterelectrode, while the elements 1 are connected to the surface of the photovoltaic coating with the opposite doping coating surface at a lateral distance ( 8 analogous to FIG. 7) on the surface of the photovoltaic coating.

Fig. 9 zeigt ein Auftragungsverfahren mittels Auf­ bringung des Beschichtungsmaterials durch kontinuierli­ ches Hindurchziehen z. B. eines Elektrodendrahtes 2 aus unterschiedlichen Materialien wie Metallen (z. B. Kupfer, Aluminium, Wolfram), auf dem in Laufrichtung 25 vor den Ziehsteinen 24 das Auftragen 26 des Beschichtungsmate­ rials 27 erfolgt, das sich auch vor der Ziehdüse der einzelnen Ziehstationen 21-13 stauen kann. Fig. 9 shows an application method by applying the coating material by continuous pulling z. B. an electrode wire 2 made of different materials such as metals (e.g. copper, aluminum, tungsten), on which in the direction 25 in front of the drawing dies 24 the application 26 of the coating material 27 takes place, which is also in front of the drawing nozzle of the individual drawing stations 21st -13 can jam.

Mit diesem Verfahren kann auch das Gefüge und der Quer­ schnitt des Elektrodendrahtes selbst beeinflußt werden. Jedenfalls läßt sich unter den Druckverhältnissen inner­ halb der Ziehdüse eine gesteuerte Gefügeausbildung, eine optimal enge und verunreinigungsfreie Verbindung mehre­ rer Schichten miteinander bzw. auf der Oberfläche der Elektrode mit optimaler Gleichmäßigkeit und dünnschich­ tiger Schichtdicke erreichen.This procedure can also be used to structure and cross cut of the electrode wire itself can be influenced. In any case, it can be done under the pressure conditions A controlled microstructure formation, half of the drawing nozzle optimally tight and contamination-free connection  rer layers with each other or on the surface of the Electrode with optimal uniformity and thin layer reach the layer thickness.

Unter den Druckverhältnissen innerhalb der Ziehdüse sind auch chemische Veränderungen (z. B. Oxidation bei Kupfer) der Elektrodenoberfläche oder der Auftragsmaterialien wie auch z. B. interkristalline Verbindungen möglich.Under the pressure conditions inside the die are also chemical changes (e.g. oxidation of copper) the electrode surface or the application materials as well as B. intercrystalline compounds possible.

Claims (21)

1. Element einer photovoltaischen Solarzelle mit mindestens einer langgestreckten bzw. stab- oder draht- (bzw. faden-) oder bandförmigen Elektrode, welche auf ihrer Oberfläche mindestens eine photovoltaisch wirksame Beschichtung aufweist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektrode (2) aus einem elektrisch gut leitenden Material, insbesondere unreinem Silicium mit multikristallinem, vorzugsweise monokristallinem Gefüge und die Beschichtung (3) aus einem auf der Oberfläche (4) der Elektrode mono- oder multi-bzw. polykristallinen photovoltaisch wirksamen Material, insbesondere Silizium mit einer bestimmten Dotierung (p- oder n-Dotierung) besteht.1. Element of a photovoltaic solar cell with at least one elongated or rod or wire (or thread) or ribbon-shaped electrode, which has at least one photovoltaically effective coating on its surface, characterized in that the electrode ( 2 ) from one electrically highly conductive material, especially impure silicon polycrystalline, preferably monocrystalline structure and the coating (3) from a mono- on the surface (4) of the electrode or multi-resp. polycrystalline photovoltaically active material, in particular silicon with a certain doping (p- or n-doping). 2. Element einer photovoltaischen Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Beschichtung (3) aus zwei koaxialen Lagen (5, 6) von entgegengesetzt dotiertem Material besteht.2. Element of a photovoltaic solar cell according to claim 1, characterized in that the coating ( 3 ) consists of two coaxial layers ( 5, 6 ) of oppositely doped material. 3. Element einer photovoltaischen Solarzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die äußere photovoltaisch wirksame Lage (6) der Beschichtung (3) ein poly- bzw. mikrokristallines oder amorphes Gefüge aufweist.3. Element of a photovoltaic solar cell according to one of claims 1 or 2, characterized in that at least the outer photovoltaically effective layer ( 6 ) of the coating ( 3 ) has a poly- or microcrystalline or amorphous structure. 4. Solarzellenanordnung mit mindestens einem der Elemente nach den Ansprüchen 1-3 und einer Gegen­ elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß eine andere langgestreckte bzw. stab- oder draht- oder bandförmige Elektrode (7) als Gegenelektrode mit mindestens einer photovoltaisch wirksamen Beschichtung (3) mit auf ihrer Oberfläche entgegengesetzt zur Elek­ trode (2) gegebener Dotierung elektrisch leitend ver­ bunden ist.4. Solar cell arrangement with at least one of the elements according to claims 1-3 and a counter electrode, characterized in that another elongated or rod or wire or ribbon-shaped electrode ( 7 ) as a counter electrode with at least one photovoltaically active coating ( 3 ) with on its surface opposite to the electrode ( 2 ) given doping is electrically connected. 5. Solarzellenanordnung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die auf ihrer Oberfläche n- oder p-beschichtete Elektrode (2) und die Gegenelektrode (7) mit ihren Oberflächen elek­ trisch leitend aneinander angeordnet sind.5. Solar cell arrangement according to claim 4, characterized in that the surface n- or p-coated electrode ( 2 ) and the counter electrode ( 7 ) are arranged with their surfaces electrically conductive together. 6. Solarzellenanordnung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß Elektrode (2) und Gegenelektrode (7) parallel auf Abstand zueinan­ der auf einer elektrisch leitenden Fläche (9) angeordnet und mit ihren Oberflächen über diese elektrisch leitend verbunden sind.6. Solar cell arrangement according to claim 4, characterized in that the electrode ( 2 ) and counter-electrode ( 7 ) are arranged in parallel at a distance from one another on an electrically conductive surface ( 9 ) and are electrically conductively connected to their surfaces by this. 7. Solarzellenanordnung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß eine flächige Gegenelektrode (7) mit mindestens einer photovoltaisch wirksamen Beschichtung (10) von zur Beschichtung (3) der Elektroden (2) entgegengesetzter Dotierung (p- oder n) versehen ist, auf deren Oberfläche die Beschichtung der Elektroden elektrisch leitend angebracht ist.7. Solar cell arrangement according to claim 6, characterized in that a flat counter electrode ( 7 ) with at least one photovoltaically effective coating ( 10 ) of the coating ( 3 ) of the electrodes ( 2 ) of opposite doping (p- or n) is provided whose surface the coating of the electrodes is attached in an electrically conductive manner. 8. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeich­ net, daß als Verbindung der Oberflächen der Be­ schichtung (3) der Elektroden (2) mit der Gegenelektrode (7) ein elektrisch leitender Klebstoff verwendet ist.8. Solar cell arrangement according to one of claims 4-7, characterized in that an electrically conductive adhesive is used as the connection of the surfaces of the loading coating ( 3 ) of the electrodes ( 2 ) with the counter electrode ( 7 ). 9. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Beschichtung (3) der Elektroden (2) und der Gegenelektroden (7) bzw. Gegenelektroden mitei­ nander elektronenstrahl- oder laserverschweißt sind.9. Solar cell arrangement according to one of claims 4-7, characterized in that the surfaces of the coating ( 3 ) of the electrodes ( 2 ) and the counter electrodes ( 7 ) or counter electrodes are electron-welded or laser-welded to one another. 10. Solarzellenanordnung nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der photovoltaischen Schichten (3) in die Oberfläche der Elektrode (2) chemisch oder gefügemäßig eingearbeitet ist bzw. aus einer Umwandlung der Oberfläche der Elektrode (2) besteht.10. Solar cell arrangement according to one of claims 4-7, characterized in that at least one of the photovoltaic layers ( 3 ) in the surface of the electrode ( 2 ) is chemically or structurally incorporated or consists of a conversion of the surface of the electrode ( 2 ). 11. Solarzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 und 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberflächen der elektrisch leitenden Flächen (9) reflektierend bzw. verspiegelt ausgebildet sind.11. Solar cell arrangement according to one of the preceding claims 6 and 7, characterized in that the surfaces of the electrically conductive surfaces ( 9 ) are reflective or mirrored. 12. Verfahren zur Herstellung eines Elements für eine photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die insbesondere aus unreinem Silicium bestehende Elektrode nach ihrer Ausbildung zu langgestreckter bzw. stab- oder draht- (bzw. faden-) oder bandförmiger Form zur Bildung einer multi- oder polykristallinen, vorzugsweise monokristallinen Be­ schichtung durch eine Schmelze aus n- oder p-dotiertem Beschichtungsmaterial, vorzugsweise reinem Silicium be­ wegt wird.12. Method of making an element for a photovoltaic cell according to one of the preceding claims 1-11, characterized in that especially from impure Silicon existing electrode after their training too elongated or rod or wire (or thread) or band-shaped form to form a multi- or polycrystalline, preferably monocrystalline Be stratification by a melt of n- or p-doped Coating material, preferably pure silicon is moved. 13. Verfahren zur Herstellung eines Elements für eine photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mittels Elektronenstrahlverfahren, insbesondere ionengestütztem Elektronenstrahlverfahren, erfolgt (Dotierung n = Antimon oder Phosphor; Dotierung p = Gallium).13. Method of making an element for a photovoltaic cell according to one of the preceding claims 1-12, characterized in that the coating by means of Electron beam process, especially ion-based Electron beam process, is carried out (doping n = antimony or phosphorus; Doping p = gallium). 14. Verfahren zur Herstellung eines Elements für eine photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung elektrolytisch aufgetragen wird.14. Method of making an element for a photovoltaic cell according to one of the preceding claims 1-13, characterized in  that the coating is electrolytic is applied. 15. Verfahren zur Herstellung eines Elements für eine photovoltaische Zelle nach einem der vorherge­ henden Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus der Gasphase (z. B. Silan) erfolgt.15. Method of making an element for a photovoltaic cell according to one of the preceding existing claims 1-14, characterized in that the coating from the gas phase (e.g. Silane). 16. Verfahren zur Herstellung eines Elements für eine photovoltaische Zelle nach einem der vorherge­ henden Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung elektrophoretisch aufge­ tragen wird.16. Method of making an element for a photovoltaic cell according to one of the preceding existing claims 1-15, characterized in that the coating electrophoretically will wear. 17. Verfahren zur Herstellung eines Elements für eine photovoltaische Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Oberfläche der Elektrode chemisch umgewandelt wird.17. Method of making an element for a photovoltaic cell according to one of the preceding claims 1-10, characterized in that the material of the surface of the Electrode is chemically converted. 18. Verfahren zur Herstellung eines Elements für eine photovoltaische Zelle nach einem der vorherge­ henden Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mittels Auftragen des photovoltaischen Materials wie z. B. Sputtern, Besprühen, Laserbeschichten, elektrostatisch Beschichten, Elektro­ denstrahlbeschichten, Aufdampfen oder oder Aufsintern erfolgt und das aufgetragene Material mittels Ziehen durch Ziehdüsen bzw. Ziehsteine auf oder in die Oberflä­ che des Materials der Elektrode auf- bzw. eingearbeitet wird.18. Method of making an element for a photovoltaic cell according to one of the preceding existing claims 1-10, characterized in that the coating by applying the photovoltaic materials such. B. sputtering, spraying, Laser coating, electrostatic coating, electro jet coating, vapor deposition or sintering and the applied material by pulling through drawing nozzles or drawing dies on or into the surface surface of the material of the electrode worked up or incorporated becomes. 19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung in mehreren Auftrag- und Ziehstationen im kontinuierlichen Durchzug angebracht wird. 19. The method according to claim 17, characterized characterized in that the coating in several application and drawing stations in continuous Thread is attached.   20. Verfahren nach Anspruch 17 und/oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere photovoltaische Schichten nacheinander aufgetragen wer­ den.20. The method according to claim 17 and / or 18, characterized in that several who applied photovoltaic layers one after the other the. 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-20, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag der Beschichtung unter gleichzeitiger Anwendung von Mikrowellen erfolgt.21. The method according to any one of claims 11-20, characterized in that the Application of the coating with simultaneous use by microwaves.
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