DE4337694A1 - Solarmodul mit verbesserter Lichtausnutzung - Google Patents

Solarmodul mit verbesserter Lichtausnutzung

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Description

Solarzellen aus amorphem Silizium weisen wegen ihrer hohen De­ fektdichte des Materials gegenüber anderen kristallinen Halblei­ termaterialien höhere Verluste bei der Ladungsträgersammlung auf. Ein weiterer Nachteil ist die Photoinstabilität (Staebler-Wrons­ ki-Effekt), die bereits nach kurzer Zeit zu Leistungsverlusten der Solarzellen führt. Die Auswirkungen beider Effekte werden in Solarzellen mit Siliziumschichtdicken bis ca. 300 nm verringert. Werden bei solchen Zellen für den Front- und Rückkontakt trans­ parente, leitfähige Oxide benutzt, erhält man wegen der nicht vollständigen Lichtabsorption in der Siliziumschicht eine semit­ ransparente Solarzelle.
In der Fig. 1 ist eine typische Transmissionskurve für einen Zellenaufbau Glas/Zinkoxid/a-Si:H/Zinkoxid dargestellt. Daraus ist zu entnehmen, daß in der Zelle das blaue Licht (Wellenlänge kleiner 500 nm) beim ersten Durchgang durch den Zellenaufbau vollständig absorbiert wird, das rote Licht (Wellenlänge größer 500 nm) dagegen nur zum Teil. Bei einer Wellenlänge von 700 nm liegt die Transmission T zum Beispiel bei ca. 40 Prozent. In der gleichen Figur ist auch eine typische Kurve für die Quantenaus­ beute Q (Q = Anteil der in Ladungsträgerpaare umgesetzten Photo­ nen) einer Einfachsolarzelle aus amorphem Silizium dargestellt. Der Überlapp der beiden Kurven T und Q im Bereich zwischen 500 und 800 nm zeigt den Anteil des Lichtes, der theoretisch noch von der Zelle ausgenutzt werden könnte.
Zur vollständigen Nutzung der im Empfindlichkeitsbereich der So­ larzellen liegenden Lichtanteile des Sonnenspektrums werden me­ tallische Reflektoren eingesetzt. Möglich ist es beispielsweise, die Rückelektrode aus einem hochreflektierenden Metall wie bei­ spielsweise Silber auszuführen, oder eine solche hochreflektie­ rende Metallschicht mit einer üblichen Elektrode zu kombinieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, auch für semitransparente Dünnschichtsolarzellen und Dünnschichtsolarmodu­ le eine Möglichkeit anzugeben, nicht absorbiertes Licht besser auszunützen und dadurch Solarzellen und Solarmodule mit verbes­ serter Leistung zu schaffen.
Die Erfindung löst dieses Problem mit einem Solarmodul, welches die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Weiße Pigmente zeigen ein hohes Reflexionsvermögen für Licht, welches insbesondere im fraglichen Bereich zwischen 500 und 800 nm bis 100 Prozent betragen kann. Das Licht wird dabei vollstän­ dig in die aktive Schicht reflektiert und kann dort absorbiert werden. Ein erfindungsgemäßes Solarmodul mit Reflektorschicht zeigt daher gegenüber einem semitransparenten Solarmodul ohne Re­ flektorschicht einen um bis zu 10 Prozent erhöhten Kurzschluß­ strom und je nach Moduldesign (Zellbreite) eine um bis zu 10 Pro­ zent verbesserte Leistung.
Die Reflektorschicht kann mit beliebigen semitransparenten So­ larmodulen kombiniert werden. Es ist dabei nicht erforderlich, den optimierten Aufbau bekannter Solarzellen zu verbessern, da die Reflektorschicht elektrisch nicht aktiv ist, bzw. mit elek­ trisch aktiven Bereichen des Solarzellenaufbaus nicht in Wechsel­ wirkung treten kann. Daher ist es möglich, ein semitransparentes Solarmodul wechselweise mit und ohne Reflektorschicht zu betrei­ ben, je nachdem ob Semitransparenz (zum Beispiel bei einer Ver­ wendung als Fenster im weitesten Sinn) oder optimale Leistung bei gleichzeitiger Lichtundurchlässigkeit gewünscht ist.
Die Auswahl eines geeigneten weißen Pigments richtet sich nach den Reflexionseigenschaften des Pigments und nach der Verarbeit­ barkeit zu einer Reflektorschicht. Geeignete Pigmente können Mi­ neralien sein und sind beispielsweise ausgewählt aus Bariumsul­ fat, Titanoxid und Zinksulfid. Zur Optimierung der Eigenschaften können auch unterschiedliche weiße Pigmente gemischt werden. Eine Pigmentmischung mit sehr guten Reflexionseigenschaften ist beispielsweise Lithopone®, welches eine Mischung aus Bariumsul­ fat und Zinksulfid ist. Die Reinsubstanz zeigt im Wellenlängen­ bereich von 400 nm bis 700 nm einen Reflexionsgrad von 98 Pro­ zent.
Noch besser geeignet ist Titanoxid TiO₂, insbesondere in seiner rutilen Modifikation, wegen seiner hohen UV-Stabilität und der im Wellenlängenbereich 500 nm bis 1000 nm durchgängig hohen Re­ flexion (< 90 Prozent).
Wegen der besseren Verarbeitbarkeit besteht die Reflektorschicht üblicherweise neben dem weißen Pigment auch aus einem Binder. Möglich ist es beispielsweise, Pigmentpartikel in eine sinterfä­ hige Paste einzuarbeiten und diese Paste auf einer Glasscheibe aufzubringen und einzusintern. Eine solche Scheibe mit allerdings dünnerer Reflektorschicht findet bereits als Diffusorscheibe bei Leuchtkörpern Verwendung. In vorteilhafter Weise kann daher eine solche Scheibe mit höherer Reflexion anstelle der bekannten Fensterglasscheibe für die Rückseitenabdeckung eines se­ mitransparenten Solarmoduls verwendet werden.
Da die Reflektorschicht üblicherweise im Inneren des Solarmoduls, das heißt unter der Rückseitenabdeckung angebracht wird, können auch weniger abriebfeste Reflektorschichten verwendet werden. Möglich ist es daher, die weißen Pigmente als Dispersion einzusetzen und beispielsweise als Anstrich auf der Innenseite der Rückseitenabdeckung der Solarzelle bzw. des Solarmoduls auf­ zubringen. Geeignete Dispersionen sind daher an die Zusammenset­ zung von weißen Anstrichfarben angelehnt.
Geeignete organische Binder für die Dispersion sind Po­ lyacryl/Polyurethan-Mischungen oder Epoxy-Lacke. Letztere zeigen im Klimatest vor allem bezüglich der Haftung sehr gute Eigen­ schaften. Ein hohes Reflexionsvermögen und hervorragende Schichtstabilität wird durch eine Reflektorschicht erzielt, die als Dispersion auf der Basis eines Epoxy-Lackes mit bis zu 60 Gewichtsprozent Pigmentanteil aufgebaut ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, als Reflektorschicht eine Pigmente enthaltende Kunststoffolie zu verwenden. Diese kann unter der Rückseitenabdeckung angeordnet sein, oder tiefer in den Solarzellenaufbau integriert sein, beispielsweise zwischen Rück­ elektrode und thermoplastischer Schmelzklebefolie. Möglich ist es auch, in die letztgenannte Folie weiße Pigmente zu integrieren, wobei diese bereits in einem bekannten Aufbau vorhandene Folie mit Pigmenten versehen nun zusätzlich als Reflektorschicht dient.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der zugehörigen zwei Figuren näher erläutert. Die Fig. 2 und 3 zeigen erfindungsgemäße Solarmodule im schematischen Quer­ schnitt.
Fig. 2: Erfindungsgemäße Solarmodule sind auf einem transparen­ ten Substrat 1 aufgebaut, beispielsweise auf 4 mm dickem Fenster­ glas. Direkt darüber befindet sich die transparente Frontelektro­ de 2, die aus einem dünnen leitfähigen Oxid bestehen kann und beispielsweise aus Zinkoxid ist, welches zusätzlich noch mit Aluminium oder Bor dotiert sein kann. Darüber ist die (photovoltaisch) aktive Schicht 3 angeordnet, welche aus einem beliebigen Dünnschichthalbleitermaterial bestehen kann, übli­ cherweise aus amorphem Silizium oder einer amorphes Silizium enthaltenden Legierung. Die aktive Schicht 3 ist weiter in zu­ mindest zwei Bereiche von unterschiedlicher Dotierung aufgeteilt und weist zumindest einen Halbleiterübergang auf. Für amorphes Silizium als aktive Schicht 3 ist beispielsweise ein pin-Aufbau bevorzugt. Die Dicke der aktiven Schicht ist dünner gewählt, als zur vollständigen Absorption einfallenden Lichtes im Empfind­ lichkeitsbereich der aktiven Schicht erforderlich ist. Bei einer Einfachsolarzelle (mit nur einem pn-Übergang) aus amorphem Sili­ zium beträgt die Schichtdicke der aktiven Schicht 3 maximal 300 nm, um den genannten Staebler-Wronski-Effekt zu minimieren, das heißt einen möglichst hohen, stabilen Endwirkungsgrad zu erhal­ ten. Über der aktiven Schicht 3 ist die Rückelektrode 4 angeord­ net, welche wie die Frontelektrode 2 transparent ausgebildet ist und zum Beispiel aus einer 2 µm dicken ZnO-Schicht besteht.
Über dem bis dahin bekannten Solarzellenaufbau wird nun erfin­ dungsgemäß die Reflektorschicht 5 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel kann dies eine über der Rückelektrode 4 aufgebrachte Lackschicht sein, in der ein weißes Pigment eindispergiert ist. Möglich ist es auch, für diesen Aufbau eine Schmelzklebefolie zu verwenden, welche ein weißes Pigment enthält, beispielsweise eine mit Titanoxid gefüllte Tedlar® Folie.
Vervollständigt wird der Aufbau durch eine Rückseitenabdeckung 7, welche ebenfalls eine Glasplatte sein kann. Sie wird mit Hilfe einer dazwischenliegenden Schmelzklebefolie 6 mit dem bisherigen Aufbau verbunden. Durch Aufschmelzen der Schmelzklebefolie 6, welche beispielsweise aus Polyvinylbutyral besteht, wird ein me­ chanisch fester und klimastabiler Verbund erzeugt.
Fig. 3: Das hier dargestellte Solarmodul weist vom Glassubstrat bis zur Rückelektrode den gleichen Aufbau auf, wie er bereits im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. Im Unterschied zu letzterem ist im vorliegenden Aufbau jedoch die Reihenfolge der Reflektorschicht 5 und der Schmelzklebefolie 6 vertauscht. Bei dieser Anordnung besteht die Möglichkeit, die Reflektorschicht 5 direkt mit der Rückseitenabdeckung 7 zu verbinden, beispielsweise durch Aufsintern einer weiße Pigmente enthaltenden Druckpaste auf die Rückseitenabdeckung 7, welche beispielsweise eine Glasscheibe ist. Die mit der Reflektorschicht 5 versehene Rückseitenabdeckung 7 kann dann in bekannter Weise mit dem darunterliegenden Verbund mit Hilfe einer Schmelzklebefolie 6 laminiert werden. Anstelle des Aufsinterns der Reflektorschicht 5 auf die Rückseitenab­ deckung 7 ist es auch möglich, einen ein weißes Pigment enthal­ tenden Lack auf der Rückseitenabdeckung 7 aufzubringen und wie beschrieben mit dem übrigen Verbund zu laminieren. Möglich ist es auch, als Reflektorschicht 5 eine ein weißes Pigment enthaltende Schmelzklebefolie zu verwenden, welche den Laminierprozeß zusätz­ lich unterstützen kann.
Die Ausführungsformen, in denen die Reflektorschicht 5 in einem ersten Schritt auf der Rückseitenabdeckung aufgebracht wird, hat den Vorteil, daß die so beschichtete Rückseitenabdeckung in be­ kannter Weise in einem gebräuchlichen Laminierverfahren zur Her­ stellung einer Solarzelle bzw. des Solarmoduls eingesetzt werden kann. So können mit ein und demselben bis auf die Rückseitenab­ deckung 7 kompletten Aufbau durch die Wahl einer transparenten oder mit einer Reflektorschicht 5 versehenen Rückseitenabdeckung sowohl semitransparente als auch optisch undurchlässige Solarmo­ dule erzeugt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, die direkt mit der Schmelzklebefolie 6 in Kontakt stehende Seite der Reflektorschicht 5 zu strukturieren bzw. oberflächlich aufzurau­ hen. Damit wird ein verbessertes Reflexionsverhalten der Reflek­ torschicht erzielt. Diese Ausführungsform eignet sich insbeson­ dere für die Anordnungen, bei denen eine Lackschicht auf dem So­ larzellenaufbau oder auf der Rückseitenabdeckung 7 aufgebracht ist, oder bei der auf der Rückseitenabdeckung 7 eine Reflektor­ schicht 5 aufgesintert ist.
Für ein komplettes Solarmodul ist der in den Figuren dargestellte Aufbau natürlich in bekannter Weise z. B. streifenförmig struktu­ riert, wobei Front- und Rückelektroden der streifenförmigen Ein­ zelsolarzellen so miteinander verbunden sind, daß sich eine Seri­ enverschaltung der Einzelsolarzellen ergibt. Wegen der besseren Übersichtlichkeit ist diese Modulstruktur in den Figuren nicht dargestellt.

Claims (9)

1. Solarmodul mit einer semitransparenten aktiven Schicht (3), einer ebenfalls transparenten Rückelektrode (4) aus einem dünnen leitfähigen Oxid und einer hinter der Rückelektrode (4) angeord­ neten Reflektorschicht (5), welche ein weißes Pigment enthält.
2. Solarmodul nach Anspruch 1, bei dem die Reflektorschicht (5) zumindest eines der Pigmente um­ faßt, welche ausgewählt sind aus Bariumsulfat, Titanoxid und Zinksulfid.
3. Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Reflektorschicht (5) Lithopone als Pigment enthält.
4. Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Reflektorschicht (5) rutiles Titanoxid als Pigment enthält.
5. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Reflektorschicht (5) eine weiße Pigmente enthaltende Lackschicht ist.
6. Solarmodul nach Anspruch 5, bei dem die Reflektorschicht (5) eine weiße Pigmente enthaltende Epoxylackschicht ist.
7. Solarmodul nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die als Lackschicht ausgebildete Reflektorschicht (5) 40 bis 65 Gewichtsprozent weißer Pigmente enthält.
8. Solarmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Reflektorschicht (5) auf einer Glasscheibe aufge­ bracht ist, die gleichzeitig als Rückseitenabdeckung (7) des So­ larmoduls dient.
9. Solarmodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches einen die folgenden Schichten umfassenden Schichtaufbau aufweist:
Glassubstrat (1)/Zinkoxidfrontelektrode (2)/photovoltaisch aktive Schicht (3) aus amorphem Silizium oder einer, amorphes Silizium enthaltenden Legierung/Zinkoxid-Rückelektrode (4)/thermoplastische Schmelzkleberfolie (6) und eine Glasscheibe als Rückseitenabdeckung (7), bei der auf der Innenseite als Re­ flektorschicht (5) ein ein weißes Pigment enthaltender Lack auf­ gebracht ist.
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