DE4336582A1 - Solarzellenanordnung aus Solarzelleneinzelelementen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzellenanordnung aus mehreren miteinander in Kontakt stehenden Solarzellenelementen, bei welchen die zu einer Solarzelle gehörenden aktiven Schichten eine langgestreckte Elektrode nur teilweise bedecken, eine zugehörige Elektrodenanordnung sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzellenanordnung.

Ein großes Problem bei der Herstellung von Solarzellen und Modulen in der bisher üblichen Art und Weise ist die Realisierung einer möglichst verlustarmen Abführung des in der Solarzelle generierten Stromes. Zur Vermeidung größerer Leistungsverluste werden die einzelnen Solarzellen ausnahmslos über kostenintensive Strukturierungs- und Metallisierungsteilschritte in Serie miteinander zum Modul verschaltet. Durch die Verschaltung zum Modul selbst treten in der Regel erhebliche Verluste an aktiver Fläche auf, die den flächenbezogenen Modulwirkungsgrad gegenüber dem flächenbezogenen Wirkungsgrad einer einzelnen Solarzelle erheblich reduzieren. Darüber hinaus sind die Herstellungskosten für photovoltaische Generatoren derzeit generell zu hoch, so daß ihr Einsatz zur Energiegewinnung trotz der nachgewiesenen ökologischen Effekte stark eingeschränkt ist.

Während bei Modulen aus poly- und einkristallinem Si die Herstellungskosten wesentlich durch das verwendete Material und die Modulmontage bestimmt werden, sind die Ursache der hohen Kosten für Dünnschichtmodule die aufwendigen technologischen Ausrüstungen, die zur homogenen Beschichtung und Strukturierung großer Modulflächen benötigt werden.

Ein interessanter Weg zur Verbesserung der Stromableitung bei gleichzeitiger Vergrößerung der aktiven Fläche wird im Patent DE 37 00 792 A1 beschrieben. Die Erfinder gehen hierbei von einer vollständig mit photovoltaischem Material ummantelten langgestreckten Draht- oder Faserelektrode aus, die entweder mit einer gleichartigen invers beschichteten Gegenelektrode oder einer einfachen gut leitenden Gegenelektrode in Kontakt gebracht wird (Fig. 1a und 1b). Diese Anordnung weist jedoch einige entscheidende Nachteile auf, die eine technische Nutzung trotz der enormen technologischen Potentiale zur Reduzierung der Herstellungskosten bisher wenig aussichtsreich erscheinen lassen:

1. Die ökonomischste Variante, die Verknüpfung zweier invers beschichteter Drähte, ist praktisch nur für Materialien der Dünnschichttechnologie (aSi, CIS, CdTe u. ä.) sinnvoll. Bei der dem Funktionsprinzip zugrundeliegenden Serienschaltung (Fig. 1a) wird die Effektivität stets durch die leistungsschwächste Zelle bestimmt, so daß möglichst Schichtkombinationen gleicher Ausgangsleistung verwendet werden sollten. Diese sind mit Einschränkungen allerdings nur für die pin-Strukturen des aSi bekannt. Gerade das aSi bietet jedoch aufgrund der nichtbeherrschten Degradationsprobleme derzeit keine ökonomische Alternative zur konventionellen Solarzellentechnologie.

2. Bei der anderen Möglichkeit, der Verknüpfung einer vollständig ummantelten Fasersolarzelle mit einer gut leitenden Gegenelektrode (Fig. 1b), ist der Materialeinsatz wesentlich größer, wobei nur ein Teil des Solarzellenmantels zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Außerdem liefern derartige Solarzellen bei der einfachen Zellspannung einen sehr hohen Strom, so daß die Zellgröße durch die Verlustleistung stark beschränkt wird.

3. Eine für die meisten Anwendungsfälle notwendige Serienverschaltung zur Erzeugung höherer Betriebsspannungen ist durch die Verknüpfung vollständig ummantelter Fasersolarzellen praktisch nicht erreichbar. Eine derartige Spannungserhöhung läßt sich analog zur kompakten Si- Scheibentechnologie durch eine kostenaufwendige externe Verschaltung der verknüpften Grundzellen realisieren.

Interessante Möglichkeiten zur Herstellung von serienverschalteten Modulen mit einer sehr hohen aktiven Oberfläche werden auch in den Patenten DE 40 39 390 A1 und DE 37 08 548 A1 beschrieben. Während im Patent DE 40 39 390 die Verschaltung integrierter Bestandteil der selektiven Schichtabscheidung auf mit Halbleitermaterial bekeimten Leitbahnen ist, erfolgt im Falle des Patentes DE 37 08 548 A1 die Verschaltung durch eine überlappende Montage von bereits fertigen Solarzellen aus Si, Poly-Si o. ä. In beiden Fällen werden die gewünschten Effekte jedoch nur durch erhebliche technologische Aufwendungen und teurem Materialeinsatz erreicht, so daß die Potentiale zur Reduzierung der leistungsbezogenen Herstellungskosten gering sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Lösung zu finden, die die Anwendung faser-, draht- oder bandförmiger Solarzellen gestatten, ohne daß die vorgenannten Nachteile auftreten und die Herstellung serienverschalteter Anordnungen ohne die Verwendung von inversen Strukturen ermöglicht wird. Gleichzeitig soll diese Lösung die Möglichkeit der Anwendung der derzeit aus der Dünnschichttechnologie bekannten Solarzellenmaterialien wie aSi, CdTe und CIS (CuInSe₂) sowie auch die Anwendung alternativer Dünnschichtmaterialien, wie z. B. organische photosensible Halbleiter, Nanopartikelhalbleiter, farbstoff- oder halbleitersensibilisierter TiO₂-Schichten sowie anderer photosensibler Selenide, Telluride oder Silicide, beinhalten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Erfindung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches 1 gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet.

Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, daß mit dieser an sich bekannte faser-, draht- oder bandförmige Elektroden teilweise so beschichtet werden, daß die zur Solarzelle gehörenden Schichten an mindestens einer Stelle des Elektrodenumfangs so unterbrochen sind, daß die innere Elektrode freiliegt. Durch die aus der Fasertechnologie bekannten hochproduktiven Verarbeitungsverfahren, wie Weben, Wickeln usw., werden in einem zweiten Schritt derartige Solarzelleneinzelelemente zu flächenhaften, serienverschalteten Anordnungen miteinander verbunden.

Zur gezielten teilweisen Beschichtung der Fasern, Drähte oder Bänder werden die aus der Beschichtungstechnologie bekannten Verfahren mit hoher Richtwirkung wie Sputtern, HV-Bedampfen, Sprayen u. ä. angewendet, wobei die Beschichtung selbst kontinuierlich erfolgt und mit den erforderlichen Reinigungs- und Temperschritten kombiniert wird. Aber auch der Einsatz von hochproduktiven isotropen Beschichtungsverfahren wie z. B. Tauchen, Gasphasenabscheidung u. ä. unter Verwendung maskierender Elemente bzw. die vollständige Ummantelung der Faser mit nachträglichem, teilweisem Abschleifen sind möglich. Dabei kann die Faserbeschichtung auch in den Faserherstellungsprozeß integriert werden.

Mit der erfindungsgemäßen Beschichtungstechnologie der Solarzelleneinzelelemente lassen sich die hohen Homogenitätsanforderungen der Dünnschichtsolarzellen wesentlich einfacher und besser realisieren, als bei der großflächigen Schichtabscheidung für die Herstellung konventioneller Dünnschichtsolarmodule.

Die Auswahl des Elektrodenmaterials selbst erfolgt in Abhängigkeit vom verwendeten Solarzellenmaterial und vom verwendeten Beschichtungsverfahren. Damit sind zur Herstellung der Solarzelleneinzelelemente alle derzeit bekannten Materialien für Dünnschichtsolarzellen wie aSi, CdTe und CIS (SuInSe₂) sowie die davon abgeleiteten Mischverbindungen mit S und Ga einsetzbar.

Aber auch andere Dünnschichtmaterialien, die sich derzeit noch im Forschungsstadium befinden, wie organische photosensible Halbleiter, Nanopartikelhalbleiter, farbstoff- oder halbleitersensibilisierte TiO₂-Schichten oder andere photosensible Sulfide, Selenide, Telluride oder Silizide sind perspektivisch, beim Erreichen der notwendigen Wirkungsgrade, für die erfindungsgemäße Anwendung geeignet.

Verfahrenstechnisch hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß für eine durch Webtechnik herstellbare 3fach serienverschaltete Solarzellenanordnung Faserprofile zum Einsatz kommen, die eine exakte Führung der Faser gestatten. Besonders vorteilhaft sind in dieser Hinsicht Querschnittsprofile, die makroskopisch mindestens eine gerade Begrenzungslinie aufweisen. Aber auch Profile mit elliptischem Querschnitt sind hierfür durchaus geeignet.

Der aus Fig. 3 ersichtliche Nachteil des Flächenverlustes durch eine inaktive, teilweise isolierte Abzugselektrode 7 wird bei der verwebten Fasersolarzelle dadurch reduziert, daß der Durchmesser der Kettfäden größer sein muß als der Durchmesser der Schußfäden. Das Verhältnis der Durchmesser wird dabei so gewählt, daß die aktiven Flächenanteile der drei serienverschalteten Faserabschnitte möglichst gleich sind.

Wird keine teilweise isolierte Abzugselektrode verwendet, so bilden die einzelnen Maschen der verwebten Fasersolarzelle einen Kurzschluß. Eine derartige Anordnung kann aber durchaus sinnvoll sein, wenn als Fasermaterial ein Widerstandsdraht verwendet wird. In diesem Fall bewirkt jede Bestrahlung des Netzes mit sichtbarem Licht eine Aufheizung des Drahtgeflechtes. Integriert in einen Solarkollektor oder in einen Scheibenverbund bieten diese Anordnungen vielfältige Nutzungsmöglichkeiten, die weit über die konventioneller Solarzellen hinausgehen.

Besonders effektive Serienverschaltungen ergeben sich bei der Verknüpfung von teilweise beschichteten Fasern mit rechteckigem Querschnitt. Der einfachste Fall, die überlappende Verknüpfung einseitig mit Solarzellenmaterial beschichteter Metallbänder wird in Fig. 4a-c dargestellt.

Zur Erhöhung der Effektivität derartiger Module ist die Anwendung aller aus der normalen Solarzellentechnologie bekannten Maßnahmen, wie z. B. der Einsatz von Tandemanordnungen und texturierten Oberflächen ohne Einschränkungen möglich. Eine derartige Technik erlaubt im Gegensatz zur normalen Dünnschichttechnologie praktisch problemlos die wahlweise Herstellung von hinsichtlich der Größe fast beliebig dimensionierbaren Modulen sowohl auf starren als auch auf flexiblen Unterlagen auf der Basis einer einzigen bänder- oder faserförmigen Grundzelle. Aufgrund des Prinzipes ist dabei die Herstellung von Modulen mit einer 100%ig aktiven Oberfläche möglich. Im Gegensatz zum Patent DE 37 00 729 A1 können mit einem derartigen Wickelmodul praktisch beliebige Spannungen über die Anzahl der in Serie geschalteten Windungen erzeugt werden.

Günstige Konstellationen ergeben sich auch bei der Verknüpfung von Fasern mit dreieckigem Querschnittsprofil. Fig. 5a zeigt den Querschnitt einer zweiseitig mit verschiedenem Solarzellenmaterial beschichteten Glasfaser 16 und Fig. 5b eine mögliche Verknüpfung dieser Fasern mit Hilfe von dreieckigem Profildraht 17. Eine derartige Struktur ermöglicht beim Einsatz geeigneter Solarzellenmaterialien den Aufbau optischer Tandemstrukturen, die elektrisch parallel geschaltet sind. Die vielfältigen Probleme der Dimensionierung, die bei der Herstellung der gebräuchlichen Tandemzellen mit Serienverschaltung gelöst werden müssen, spielen bei einer Parallelschaltung, wie sie in Fig. 5a zu sehen ist, eine untergeordnete Rolle.

Eine großflächige Anordnung läßt sich in analoger Art und Weise wie bei bandförmigen Solarzellen in hocheffektiver Wickeltechnik realisieren, wobei der Kontakt zwischen den beschichteten Glasfasern 16 unmittelbar durch eine zweite Wicklung mit dreieckigem Profildraht 17 hergestellt wird, der nicht mit Solarzellenmaterial beschichtet ist.

Über die beschriebenen Anordnungen hinaus sind zahlreiche geeignete Profilarten denkbar, die eine effektive Verknüpfung der teilweise beschichteten Faser-, Draht- oder Bänderelektroden ermöglichen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1a Solarzellenquerschnitt nach DE-OS 37 00 792,

Fig. 1b Solarzellenquerschnitt nach DE-OS 37 00 792,

Fig. 2 Detaildarstellung einer elliptischen Faserzelle,

Fig. 3a Schema einer einfach verknüpften Fasersolarzelle,

Fig. 3b Maschengewebe aus einseitig beschichteten Fasern,

Fig. 4a überlappend gewickelte Bandzelle,

Fig. 4b Detaildarstellung eines Bändermoduls,

Fig. 4c Querschnitt eines Bändermoduls,

Fig. 5 Querschnitt eines Fasermoduls aus zweiseitig beschichteten Glasfasern mit dreieckigem Faserprofil.

Im Gegensatz zu bekannten Lösungen zum Beispiel aus DE-OS 37 00 792, bei der eine Faserelektrode 1 mit p/n- oder n/p-Halbleiter 2/3 entweder direkt miteinander oder mit einer flächigen Gegenelektrode 4 verbunden sind, wird erfindungsgemäß eine profilierte Faserelektrode 1 mit p/n-Dünnschichthalbleiter 2/3 und einem transparent leitfähigen Oxid 5 (TCO) nur teilweise beschichtet.

So wird zum Beispiel ein 8 mm breites und 60 mm dickes Molybdänband einseitig in einer Durchlaufbedampfungsanlage aufeinanderfolgend mit Cu, In und Se beschichtet. Das Verhältnis Cu/In wird über die Steuerung der Schichtdicken auf etwa 0,85 eingestellt. Se wird in einem Überschuß von etwa 125%, bezogen auf die zur CIS-Umwandlung der gesamten CuIn-Schicht benötigten Menge, aufgedampft.

Die CIS-Bildung wird in situ durch ein schnelles thermisches Aufheizen bei ca. 450°C des durchlaufenden beschichteten Bandes über eine Halogenlampenheizung realisiert. Durch naßchemische Behandlung der CIS- Oberfläche mit einer wäßrigen Lösung von Thioharnstoff, Kadmiumsulfat und Ammoniak wird danach eine ca. 50 nm dicke CdS-Passivierungsschicht abgeschieden. Abschließend wird über RF-Sputtern die CIS-Oberfläche mit einer elektrisch leitfähigen, transparenten ZnO-Schicht (Al-dotiert) versehen.

Das so hergestellte bandförmige Solarzelleneinzelelement 8, bestehend aus der mit Dünnschichtsolarzelle 6 beschichteten Faserelektrode 1 wird nachfolgend durch gerichtetes Verweben mit einer durch eine Isolatorschicht 7 halbisolierten Abzugselektrode 9 verknüpft und dadurch dreifach serienverschaltet.

In einer anderen Verbindungstechnik wird das bandförmige Solarzelleneinzelelement 8 wie in Fig. 4a und b gezeigt, überlappend auf zwei mit Haftfolie versehene, zusammengepreßte einfache Glasplatten 11 gewickelt. Die Überlappung beträgt dabei ca. 1 mm. Danach werden auf die Ober- und Unterseite des umwickelten Preßlings zwei antireflexionsbeschichtete, geschliffene und gehärtete Glasabdeckungen auflaminiert. Nach dem Auftrennen der Wicklungen an den beiden Seiten 10 werden beide Module getrennt und gerahmt, wobei die jeweils erste und letzte aufgetrennte Einzelzelle in jedem Modul mit einem Anschlußkontakt versehen wird. Ein derartig hergestelltes Modul, bestehend aus den serienverschalteten Solarzellenbändern 14, der Laminat- oder Gießharzeinbettung 15 und der oberen 13 und unteren 14 Abdeckung zeigt Fig. c im Querschnitt.

Eine besondere Ausgestaltungsform zeigt Fig. 5, wo auf eine dreieckig profilierte, mit TCO 21 beschichtete transparente Faserelektrode 16 zweiseitig Dünnschichtsolarzellen aufgebracht werden, von denen die eine 19 einen größeren Bandabstand hat, als die andere 20. Die parallel gewickelten Fasern 16 werden nachfolgend durch eine zweite Wicklung mit ebenfalls dreieckigen metallischen Verbindungselektroden 17 miteinander verbunden, wobei der elektrische Kontakt wesentlich verbessert wird, wenn die nicht mit Solarzellen beschichtete Seite der transparenten Elektrode metallisiert 18 wird. Die eigentliche Modulherstellung wird dann analog der Fig. 4 aufgeführten Variante durchgeführt.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

 1 Faserelektrode
 2 p-Halbleiter
 3 n-Halbleiter
 4 flächige Gegenelektrode
 5 transparent leitfähiges Oxid (TCO)
 6 Dünnschichtsolarzelle
 7 Isolatorschicht
 8 mit Solarzelle beschichtete Band- oder Faserelektrode
 9 teilweise isolierte Faserelektrode
10 überlappend gewickeltes und an den Kanten aufgetrenntes Bändersolarzellenmodul
11 zwei zusammengepreßte untere Träger
12 unterer Träger
13 obere Abdeckung
14 serienverschaltete Solarzellenbänder
15 Laminat oder Gießharz
16 transparente Faserelektrode
17 metallische Verbindungselektrode
18 Metallisierungsschicht
19 Solarzelle 1 mit größerem Bandabstand
20 Solarzelle 2 mit geringerem Bandabstand
21 transparent leitfähiges Oxid

Claims (6)

1. Solarzellenanordnung aus Solarzelleneinzelelementen und Verfahren zu ihrer Herstellung, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere teilweise auf ihrem Umfang mit einer Solarzelle beschichtete langgestreckte faser-, draht- oder bandförmige Trägerelektroden zu flächenhaften Anordnungen miteinander verbunden sind, wobei durch das Verbindungsverfahren selbst eine Serienverschaltung der Solarzellenelemente realisiert wird, die größer als die doppelte Zellspannung eines Solarzelleneinzelelementes ist, auf der Trägerelektrode Dünnschichtsolarzellen aufgebracht sind und als Solarzellenmaterial insbesondere aSi, CdTe oder CuInSe₂, einschließlich der davon abgeleiteten Mischungen mit S und Ga eingesetzt sind.

2. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelektrode ein draht- oder bandförmiger metallischer Leiter, ein mit Metall beschichteter Nichtleiter, ein mit einem transparent leitenden Oxid beschichteter transparenter Nichtleiter oder ein Widerstandsdraht ist.

3. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerelektrode ein Querschnittsprofil mit mindestens einer geraden Kante aufweist, welches vorzugsweise rechteckig, dreieckig oder halbrund ist.

4. Solarzellenanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsglied zwischen Solarzelleneinzelelementen eine nicht mit Solarzellenmaterial beschichtete draht- oder bandförmige Elektrode ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die teilweise Beschichtung der draht- oder bandförmigen Elektroden mit Solarzellenmaterial kontinuierlich unter Verwendung von Beschichtungsverfahren mit starker Richtwirkung oder unter Verwendung von isotropen Beschichtungsverfahren mit nachträglichem Entfernen eines Teiles der aufgebrachten Schicht von einem genau definierten Bereich der Trägerelektrode erfolgt.

6. Verfahren zur Herstellung einer Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flächenhafte Anordnung der Solarzelleneinzelelemente bevorzugt durch gerichtetes Weben und berührendes oder überlappendes Wickeln erzeugt wird.