DE9421390U1

DE9421390U1 - Solarzellenstruktur

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Publication number: DE9421390U1
Application number: DE9421390U
Authority: DE
Original assignee: Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Current assignee: Zentrum fuer Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung Baden Wuerttemberg
Priority date: 1994-12-24
Filing date: 1994-12-24
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2004-12-25

Description

WILHELM

PATENTANWÄLTE - ß^ ^

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70565 Stuttgart

Solarzellenstruktur

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzellenstruktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die transparente Abdeckung dient als schützender, frontseitiger Abschluß, der die darunterliegenden Schichten, insbesondere die photoelektrisch aktive Schicht, vor schädigenden Umgebungseinflüssen schützt.

Ein bekanntes Problem dieser Solarzellenstrukturen besteht in den Lichtverlusten, die durch die nichttransparente Kontaktbahnstruktur, die meist aus reflektierendem Metallmaterial besteht, verursacht werden. Selbst bei sogenannten Flachzellen {&ldquor;flat plate cells") beträgt der Bedeckungsgrad durch die Kontaktbahnstruktur mindestens fünf Prozent, meist sogar erheblich mehr, verbunden mit entsprechend großen Lichtverlusten des auf die Kontaktbahnen auftreffenden Lichtes. Eine Verringerung des Bedeckungsgrades durch die Kontaktbahnstruktur würde zwar die Lichtverluste verringern, führt jedoch zu elektrischen Verlusten durch erhöhten Serienwiderstand, die durch den Gewinn an Lichtausbeute nicht mehr kompensiert werden können. Bei sogenannten Konzentratorzellen, die kollimiertes Licht von einem Vielfachen ihres eigenen Flächenbedarfs, typischerweise von einer um den Faktor 20 bis 1000 größeren Fläche, nutzen können und daher bei Anwendungen zum

Einsatz kommen, bei denen mit möglichst wenig Zellenfläche möglicht viel Licht photoelektrisch umgewandelt werden soll, ist zur Erzielung zufriedenstellender Wirkungsgrade meist ein noch höherer Bedeckungsgrad der Kontaktbahnstruktur von über 20% erforderlich. Für diesen Zellentyp wirken sich daher die Lichtverluste aufgrund von Reflexionen in der Kontaktbahnstruktur noch stärker aus.

Es sind bereits unterschiedliche Vorschläge bekannt geworden, um die Lichtverluste aufgrund von Reflexionen an der Kontaktbahnstruktur zu reduzieren. Eine bekannte Vorgehensweise besteht in der Anordnung einer sogenannten prismatischen Abdekkung, wie sie z.B. in der Patentschrift US 4.711.972 beschrieben ist. Diese Abdeckung über der Kontaktbahnstruktur und der photoelektrisch aktiven Schicht ist an ihrer Außenseite mit einer Prismenstruktur versehen, die das einfallende Licht durch Brechung vorzugsweise auf die Bereiche zwischen den jeweiligen Kontaktbahnen lenkt. Zu diesem Zweck sind die einzelnen Prismenelemente der Abdeckung geeignet zu den Kontaktbahnen justiert angeordnet, damit das einfallende Licht vermehrt in die Bereiche zwischen den Kontaktbahnen abgelenkt oder fokussiert wird. Problempunkte bei dieser Art von Abdekkung bestehen darin, daß die Gefahr inhomogener Intensitätsverteilungen des in die photoelektrisch aktive Schicht einfallenden Lichtes besteht, daß die Lichtführung in die Bereiche zwischen Kontaktbahnen aufgrund der Verwendung des Lichtbrechungseffektes wellenlängenabhängig ist und daß die Abdekkung für offene Systeme, d.h. solche, bei denen sie direkt an die Umgebung grenzt, wenig geeignet ist, da die für die Lichtführung maßgebliche Grenzfläche außen liegt und folglich den Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist. Letzteres birgt die Gefahr einer Beeinträchtigung der lichtführenden Funktion der Abdeckung aufgrund von Verschmutzung, Kondensation und anderer Außeneinflüsse. Verschmutzungen an der Außenseite sind zudem aufgrund der strukturierten, unebenen Außenseite dieser Abdeckung nur relativ aufwendig zu entfernen.

Als weitere Maßnahme zur Verringerung von Lichtverlusten durch Kontaktbahnreflexionen wird von A.W. Blakers in der Veröffentlichung &ldquor;Low Loss Metallisation of Solar Cells" IEEE, 1993, Seite 347, die Bildung von Kontaktbahnen mit gerundeter, etwa halbzylindrischer Oberseite vorgeschlagen. Auf Seitenbereiche dieser Kontaktbahnen auftreffendes Licht wird von der halbzylindrischen, hochreflektierenden Kontaktbahnaußenfläche zum Teil direkt auf die photoelektrisch aktive Schicht und zum Teil unter einem so flachen Winkel zurückreflektiert, daß dieser letztgenannte Lichtanteil an der Glas/Luft-Grenzfläche an der Zellenvorderseite totalreflektiert und auf diese Weise wieder in Richtung photoelektrisch aktiver Schicht umgelenkt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen, im Querschnitt rechteckigen Kontaktbahnen, deren effektive Lichtabschirmfläche bei steilem Lichteinfall deren Grundfläche entspricht, besitzen diese halbzylindrischen Kontaktbahnen bei gleicher Grundfläche folglich eine geringere effektive Abschirmfläche und verursachen daher geringere Lichtverluste durch Rückreflexion. Ein Problem dieser Methode ist die aufwendigere Erzeugung der halbzylinderförmigen Kontaktbahnen anstelle der üblichen, quaderförmigen Kontaktbahnen .

In der Patentschrift US 4 379 202 ist eine gattungsgemäße Solarzellenstruktur beschrieben, bei der die Dachflächen als Begrenzungsflächen V-förmiger Nuten gebildet sind, die an der Innenseite der Abdeckung angeordnet sind. Der Raum zwischen den Kontaktbahnen und den sie überdeckenden Dachflächen ist mit einem Medium gefüllt, dessen Brechungsindex kleiner als derjenige des Materials der Abdeckung ist. Dadurch tritt an den Dachflächen Totalreflexion oder jedenfalls eine Brechung des einfallenden Lichtes vom Bereich der Kontaktbahnen weg auf, das dadurch zur photoelektrischen Umwandlung zur Verfügung steht. Die Abdeckung ist einlagig und besteht aus einem einheitlichen transparenten Material, wie einem Glas oder einem geeigneten Polymer, z.B. Polymethylmethacrylat oder Polystyrol. Die Einbringung der Nuten in Glas ist allerdings ver-

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gleichsweise aufwendig. Bei Wahl eines Kunststoffmaterials entsteht die Schwierigkeit, daß sich aufgrund des gegenüber dem darunterliegenden Halbleitermaterial der photoelektrisch aktiven Schicht, zum Beispiel Silizium, unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens des Kunststoffmaterials die Abdeckung leicht verziehen kann, was zu einer Dejustierung der Dachflächenstruktur gegenüber der Kontaktbahnstruktur führen würde.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Solarzellenstruktur der eingangs genannten Art zugrunde, bei der die von der Kontaktbahnstruktur bedingten Lichtverluste relativ gering sind und die oben erwähnten Schwierigkeiten der zu diesem Zweck bekannten Maßnahmen vermieden werden.

Dieses Problem wird durch eine Solarzellenstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 3 oder 4 gelöst. Die dergestalt charakterisierten Solarzellenstrukturen besitzen eine innenseitige Strukturierung mit reflektierenden Dachflächen, welche die Kontaktbahnen in Richtung Zellenfrontseite dachförmig überdecken. Dies bewirkt, daß einfallendes Licht an den Dachflächen reflektiert wird, bevor es auf die Kontaktbahnen trifft. Durch die Dachflächen wird das auftreffende Licht in hohem Maße in Richtung des einer jeweiligen Kontaktbahn benachbarten Bereichs der photoelektrisch aktiven Schicht wegreflektiert und nicht entgegen der Lichteinfallsrichtung nach außen, so daß das auf diese Weise vom Auftreffen auf die Kontaktbahnstruktur abgehaltene Licht größtenteils zur photoelektrischen Umwandlung zur Verfügung steht.

Da das Licht bei dieser Solarzellenstruktur durch Reflexion und nicht durch Brechnung vom Auftreffen auf die Kontaktbahnstruktur abgehalten wird, ist der lichtverlustsenkende Effekt hier viel weniger wellenlängenabhängig als bei einer prismatischen Abdeckung. In weiterem Unterschied zu letzterer besteht vorliegend keinerlei Einschränkung hinsichtlich der Ge-

staltung der außenseitigen Grenzfläche der Abdeckung. Insbesondere kann diese Außenseite vollkommen plan und parallel zur Oberfläche der photoelektrisch aktiven Schicht verlaufen, so daß sie leicht sauber gehalten werden kann. Da außerdem Veränderungen der Beschaffenheit der Abdeckung an der Außenseite keine beeinträchtigende Auswirkung auf die Funktion der Lichtabschirmung der Kontaktbahnen haben, ist die erfindungsgemäße Solarzellenstruktur auch gut zur Anwendung in offenen, der Witterung ausgesetzten Zellensystemen geeignet. Ein weiterer Vorteil gegenüber einer prismatischen Abdeckung besteht darin, daß die zur Lichtabschirmung der Kontaktbahnen verwendete Reflexion an den Dachflächen keinen fokussierenden Effekt hat und daher eine vergleichsweise homogenere Intensitätsverteilung des insgesamt auf die von der Kontaktbahnstruktur freigelassenen Bereiche der photoelektrisch aktiven Schicht auffallenden Lichtes bewirkt. Als zusätzlicher Vorteil ist diese Art der Abschirmung der Kontaktbahnstruktur vor auftreffendem Licht unempfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen und besitzt bei geeigneter Formgebung einen wesentlich größeren Akzeptanzwinkel als die erwähnte, bekannte prismatische Abdeckung, d.h. auch bei merklich schrägem Lichteinfallswinkel anstelle senkrechten Lichteinfalls wird noch eine merkliche Reduktion der Lichtverluste gegenüber einer Zellenstruktur mit unstrukturierter Abdeckung erreicht. Umgekehrt können bei gegebenem Akzeptanzwinkel des einfallenden Lichtes wesentlich höhere Kontaktbedeckungsgrade toleriert werden.

Diese Solarzellenstrukturen lassen sich mit vergleichsweise geringem Aufwand dadurch herstellen, daß die transparente Abdeckung zunächst für sich unabhängig von der übrigen Zellenstruktur vorgefertigt wird, wobei sie auf einer Seite mit Ausnehmungen gebildet wird, deren Breite an der Oberfläche wenigstens so groß wie die Breite der zugehörigen Kontaktbahn ist und mit zunehmender Tiefe bis auf null abnimmt. Die Bereitstellung einer transparenten Abdeckung mit einer solchen Dachflächenstruktur ist z.B. mittels Prägetechnik oder

Spritzgußtechnik möglich und relativ unempfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen, z.B. hinsichtlich Anpassung an die Breite und den Abstand der Kontaktbahnen. Denn während bei einer prismatischen Abdeckung bereits eine geringe Fehlanpassung dazu führen kann, daß ein merklicher Lichtanteil auf die Kontaktbahn fokussiert wird, führt dies bei der vorliegenden Solarzellenstruktur höchstens zu einem weniger gravierenden Lichtverlust dadurch, daß ein geringer Teil einer Kontaktbahn möglicherweise nicht ganz abgeschirmt wird.

Die solchermaßen vorbereitete Abdeckung wird dann an der übrigen Zellenstruktur angebracht, und zwar mit derjenigen Seite, in welche die Ausnehmungen eingebracht sind, als der Zellenstruktur zugewandter Innenseite. Dabei wird die durch die Ausnehmungen erzeugte Dachflächenstruktur der Abdeckung bezüglich der gegenüberliegenden Kontaktbahnstruktur ausgerichtet, so daß die Kontaktbahnen dachförmig von den Dachflächen überdeckt werden. Wenn keine anderen diesbezüglichen Maßnahmen getroffen werden, entsteht ein luftgefüllter Raum zwischen jeder Kontaktbahn und der sie überdeckenden Dachfläche. Die Reflexionseigenschaft der Dachflächen ergibt sich in diesem Fall durch die auftretende Totalreflexion des einfallenden Lichtes an der Grenzfläche zwischen transparenter Abdekkung, z.B. aus Glas, mit dem höheren Brechungsindex und dem luftbefüllten Raum zwischen Dachfläche und Kontaktbahn. Durch entsprechende topographische Gestaltung der Dachflächen kann dafür gesorgt werden, daß diese Totalreflexion für einen großen Bereich von Einfallswinkeln des Lichtes relativ zur Zellenebene auftritt.

Das Anbringen der vorgefertigten, mit der Dachflächenstruktur versehenen transparenten Abdeckung an der vorgefertigten, mit der Kontaktbahnstruktur versehenen, übrigen Zellenstruktur kann durch vorzugsweise ganzflächiges oder alternativ punktuelles Zwischenfügen eines transparenten Klebemittels, vorzugsweise einer EVA-Klebefolie, eines Silikonklebers oder eines Gießharzes, erfolgen.

Bei der Zellenstruktur nach Anspruch 1 besteht die Abdeckung aus einer Mehrschichtstruktur mit wenigstens zwei Schichten, nämlich einer innenseitigen, die Dachflächenstruktur beinhaltenden Schicht aus einem transparenten Kunststoffmaterial, z.B. Acrylglas, und einer außenseitigen Trägerschicht aus Glas, wobei die Herstellung vorzugsweise dadurch erfolgt, daß eine Schicht aus transparentem Kunststoffmaterial mit einer Dicke, die wenigstens so groß wie die Tiefe der Ausnehmungen für die Dachflächenstruktur ist, auf einer Glasschicht angeordnet wird, wobei die Ausnehmungen entweder bereits bei der Fertigung der Schicht aus transparentem Kunststoffmaterial oder nachträglich in selbige eingebracht werden. Diese Mehrschichtstruktur hat den Vorteil, daß die Ausnehmungen in der Kunststoffschicht technisch einfacher herzustellen sind als in normalem Glas. Die Trägerschicht aus Glas verhindert andererseits das Auftreten nachteiliger Materialspannungen aufgrund des gegenüber dem darunterliegenden Halbleitermaterial der photoelektrisch aktiven Schicht eventuell merklich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens des transparenten Kunststottmaterials. Die Dicke der transparenten Kunststoffschicht wird daher bevorzugt nur wenig größer als die erforderliche Tiefe der Ausnehmungen gewählt, die unter anderem vor allem von der Kontaktbahnbreite und den zu erfassenden Lichteinfallswinkeln abhängt. Die frontseitig nachgeordnete Trägerschicht aus normalem Glas fängt dann die mechanischen Spannungen der an das Halbleitermaterial der photoelektrisch aktiven Schicht angrenzenden transparenten Kunststoffschicht bei Temperaturänderungen ab, so daß sich letztere nicht gegenüber der übrigen, die Kontaktbahnstuktur enthaltenden Zellenstruktur verzieht.

Außer dem besonders einfach zu realisierenden Fall eines luftbelassenen Raumes zwischen Kontaktbahnstruktur und Dachflächenstruktur kann dieser Raum gemäß Anspruch 3 auch ein anderes Medium enthalten, dessen Brechungsindex kleiner als derjenige des Materials der transparenten Abdeckung ist, da-

mit der Effekt der Totalreflexion an den Dachflächen auftritt.

Als Alternative zu einer totalreflektierenden Dachflächenstruktur kann entlang der Dachflächengrenzschicht ein hochreflektierendes Material, z.B. Silber oder Aluminium, vorgesehen sein. Dies ist bei der Solarzellenstruktur nach Anspruch 3 durch eine dünn aufgebrachte Schicht realisiert, die selektiv auf die Dachflächenbereiche aufgebracht wird. Bei der Solarzellenstruktur nach Anspruch 4 ist hingegen der gesamte Raum zwischen Kontaktbahnstruktur und Dachflächenstruktur mit dem hochreflektierenden Material gefüllt. Letzteres erfolgt vorzugsweise dadurch, daß die zur Bildung der Dachflächenstruktur in die noch separate, transparente Abdeckung eingebrachten Ausnehmungen vor dem Anbringen der Abdeckung an der vorgefertigten Zellenstruktur mit dem hochreflektierenden Material aufgefüllt werden. Im Fall der Verwendung einer ganzflächigen Klebeschicht kann letztere eine elektrische Isolierung der Kontaktbahnstruktur gegenüber dem gegebenenfalls elektrisch leitfähigen, als dünne Schicht oder in der die Ausnehmungen vollständig füllenden Form verwendeten Material zur Bereitstellung der hochreflektierenden Dachflächen bereitstellen. Jedoch schadet auch eine gegebenenfalls fehlende oder schadhafte elektrische Isolation zwischen dem hochreflektierenden Material für die Dachflächenstruktur und der Kontaktbahnstruktur i.a. nicht.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Explosionsansicht einer vorgefertigten transparenten Abdeckung mit innenseitiger Dachflächenstruktur und der zugehörigen Oberseite einer vorgefertigten, mit einer Kontaktbahnstruktur versehenen Zellenstruktur,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Solarzellenstruktur von Fig. 1 nach Aufbringen der transparenten Abdeckung auf der vorgefertigten Zellenstruktur,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Bereichs der transparenten Abdeckung gemäß Fig. 1 mit typischen Lichtstrahlverlaufen,

Fig. 4 ein Diagramm, das den nutzbaren Lichtanteil in Abhängigkeit vom Lichteinfallswinkel für V-förmige Dachflächenstrukturen bei verschiedenen Kerbwinkeln wiedergibt ,

Fig. 5 eine Ansicht entsprechend Fig. 2, jedoch mit einer Dachflächenstruktur, die eine dünne, hochreflektierende Schicht beinhaltet, und

Fig. 6 eine Ansicht entsprechend Fig. 2, jedoch von einer Variante, bei der die dachflächenbildenden Ausnehmungen an der Innenseite der transparenten Abdeckung mit einem hochreflektierenden Material gefüllt sind.

In Fig. 1 ist schematisch ein zur Erläuterung der Erfindung ausreichender Teil einer Solarzellenstruktur in einem vorgefertigten Stadium dargestellt, bei der einerseits eine transparente, frontseitige Abdeckung (3) und andererseits die restliche Zellenstruktur einschließlich einer photoelektrisch aktiven Schicht (1) und einer darauf zu deren frontseitiger Kontaktierung aufgebrachten Kontaktbahnstruktur (2) je für sich vorgefertigt sind. Die transparente Abdeckung (3) besitzt eine vollkommen plane Außenseite (7) und ist an ihrer der übrigen Zellenstruktur (1, 2) zugewandten Innenseite (6) mit einer Struktur aus V-förmigen Dachflächen (4) versehen, die als Begrenzungsflächen entsprechender Ausnehmungen in Form von V-förmigen Nuten (5) gebildet sind. Die Nuten (5) können hierbei nachträglich durch ein geeignetes herkömmli-

ches Verfahren in einen Glasträgerrohling eingebracht werden. Alternativ kann die Abdeckung (3) sofort in dieser strukturierten Form hergestellt werden, was besonders bei Verwendung eines transparenten Kunststoffmaterials für den innenseitigen Teil der Abdeckung in einfacher Weise durch ein Gießverfahren möglich ist.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird die vorgefertigte, transparente Abdeckung (3) unter Zwischenfügung einer EVA-Klebefolie (9) auf die Oberseite der mit der Kontaktbahnstruktur (2) versehenen, photoelektrisch aktiven Schicht (1) der vorgefertigten Zellenstruktur aufgebracht und dort fixiert, wobei die Dachflächenstruktur {4) in bezug auf die Kontaktbahnstruktur (2) ausgerichtet ist. Die Basisbreite (B) der V-förmigen Nuten (5) an der Oberfläche der Abdeckung (3), d.h. an deren Innenseite (6), ist, wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, geringfügig größer als die Breite (B_k) der Kontaktbahnen (2) gewählt, so daß jede Kontaktbahn (2) ganz von den zwei zugehörigen Dachflächen (4) überdeckt ist, wobei der zwischen den Dachflächen (4) und den Kontaktbahnen (2) verbleibende Raum (8) luftgefüllt bleibt. Dies hat zur Folge, daß die Dachflächen (4) eine Grenzfläche eines Übergangs von dem Material der Abdeckung (3) mit einem höheren Brechungsindex, z.B. demjenigen einer typischen Glassorte, von Acrylglas oder eines anderen transparenten Kunststoffmaterials, zum luftbefüllten Raum (8) mit dem niedrigeren Brechungsindex von Luft bilden, an welchem Licht, das ausreichend schräg auf die Dachflächen (4) einfällt, wie in Fig. 2 anhand eines exemplarisch gezeigten Lichtstrahls (10) demonstriert, totalreflektiert wird. Der Lichtanteil, der ansonsten auf die Kontaktbahnstruktur (2) auftreffen und von dort ungenutzt zurückreflektiert würde, wird auf diese Weise durch Totalreflexion an den Dachflächen (4) zu nicht von der Kontaktbahnstruktur (2) bedeckten Bereichen der photoelektrisch aktiven Schicht (1) hin abgelenkt und steht daher für eine photoelektrische Umwandlung zur Verfügung.

Anhand von Fig. 3 ist veranschaulicht, daß sich diese Dachflächenstruktur (4) nicht nur zur Ablenkung von senkrecht auf die Außenseite (7) der transparenten Abdeckung (3) einfallendem Licht durch Totalreflexion zwecks Abschirmung der Kontaktbahnstruktur (2) und Umlenkung dieses Lichts in die photoelektrisch aktive Schicht (1) eignet, sondern auch für Falle mit einem merklich von null verschiedenen Lichteinfallswinkel (ß). In Fig. 3 sind speziell die Verhältnisse bei einem Lichteinfallswinkel von ß=60° illustriert, wobei die Abdeckungsaußenseite (7) abweichend von den Fig. 1 und 2 der Einfachheit halber in die Ebene der Dachspitzen der Dachflächenstruktur (4) gelegt ist, ohne daß dies Änderungen der typischen Lichtführungsverhältnisse bedeutet. Der Kerbwinkel (&agr;), d.h. der Winkel zwischen zusammengehörigen Dachflächen (4), beträgt hier ca. 43°, die Basisbreite der V-Nuten ist mit B und der Mittenabstand benachbarter Dachflächen, der dem Mittenabstand benachbarter Kontaktbahnen (2) gemäß Fig. 1 und 2 entspricht, ist mit R angegeben. Der Lichtstrahlverlauf des unter dem Winkel ß=60° einfallenden Lichtes läßt sich im wesentlichen in die drei folgenden Fälle gliedern. Ein erster, durch einen Lichtstrahl (Ll) repräsentierter Lichtanteil fällt nach Brechung an der Abdeckungsaußenseite (7) auf die in Einfallsrichtung vordere Dachfläche (4a) unter einem Winkel auf, der bei diesem großen äußeren Lichteinfallswinkel (ß) von 60° kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist. Dadurch wird ein gewisser Lichtanteil (Ll_v) an der Dachfläche (4a) in den Lufthohlraum (8) transmittiert und geht daher eventuell nach Rückreflexion an der darunterliegenden Kontaktbahn ungenutzt verloren. Hingegen wird der an der Dachfläche (4a) reflektierte Lichtanteil (L1_R) zur photoelektrisch aktiven Schicht (1) zwischen zwei benachbarten Kontaktbahnen umgelenkt und steht daher zur photoelektrischen Umwandlung zur Verfugung. Ein zweiter, durch einen Lichtstrahl (L2) repräsentierter, auf die Solarzellenstruktur einfallender Lichtanteil gelangt nach Brechung an der Abdekkungsaußenseite (7) ungehindert durch die transparente Abdekkung (3) hindurch direkt in einen nicht von der Kontaktflä-

chenstruktur bedeckten Bereich der photoelektrisch aktiven Schicht und trägt damit voll zur photoelektrischen Konversion bei. Ein dritter Anteil des von außen einfallenden Lichtes, repräsentiert durch einen Lichtstrahl (L3), fällt nach Brechung an der Frontseite (7) der Abdeckung (3) unter einem Winkel (&dgr;) , der größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, auf die in Einfallsrichtung rückseitige Dachfläche (4b) auf. Dieses Licht (L3) wird folglich an der rückseitigen Dachfläche (4b) totalreflektiert und gelangt dadurch ebenfalls vollständig in den nicht von der Kontaktbahnstruktur bedeckten Bereich der photoelektrisch aktiven Schicht und kann dort voll genutzt werden.

Verglichen mit einer unstrukturierten Abdeckung können daher mit der innenseitig dachförmig strukturierten Abdeckung der an den Dachvorderflächen (4a) reflektierte Lichtanteil (L1_R) und der an den Dachrückflächen (4b) totalreflektierte Lichtanteil (L3) zusätzlich zur photoelektrischen Konversion genutzt werden. Erst wenn der Einfallswinkel so groß wird, daß das in die Abdeckung (3) hinein gebrochene Licht flacher verläuft als die Dachrückflächen (4b) , kann eine Verminderung des nutzbaren Lichtanteils gegenüber einer unstrukturierten Abdeckung dadurch auftreten, daß durch die Dachvorderflächen (4a) einerseits Licht zur Kontaktbahnstruktur durchgelassen und andererseits der von ihnen reflektierte Lichtanteil durch Mehrfachreflexionen zu einem gewissen Anteil verlorengehen kann. Dies läßt sich jedoch jeweils durch geeignete Wahl des Kerbwinkels (&agr;) der Dachflächenstruktur (4) vermeiden. Für geringere Lichteinfallswinkel verbessert sich hingegen die Situation zugunsten der dachflächenstrukturierten Abdeckung (3) sehr rasch, insbesondere sobald der Lichteinfall so steil erfolgt, daß der Auftreffwinkel (&ggr;) des auf die Dachvorderflächen (4a) auftreffenden Lichts größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, da dann auch dieser Lichtanteil (Ll) durch Totalreflexion vollständig in die von der Kontaktbahnstruktur freigelassenen Bereiche der photoelektrisch aktiven Schicht umgelenkt wird.

· · · 4 &Lgr; &Lgr; &Lgr; &Lgr;

In Fig. 4 sind diese Verhältnisse diagrammatisch für Solarzellenstrukturen mit V-förmiger Dachflächenstruktur an der Innenseite der transparenten Abdeckung wiedergegeben, wobei der nutzbare Lichtanteil in Abhängigkeit vom Lichteinfallswinkel (ß) für verschiedene Dachflächenkerbwinkel (&agr;) verglichen mit einer unstrukturierten Abdeckung ohne Kerbung wiedergegeben sind. Das Diagramminsert zeigt schematisch den Lichtstrahlverlauf mit dem vorausgesetzten Schichtaufbau, wobei das Licht unter dem Winkel (ß) von der außenseitigen Atmosphäre unter Brechung in die Abdeckung aus Glas gelangt, von dort gegebenenfalls an der Glas/Luft-Dachflächengrenzschicht der Dachflächenstruktur mit Kerbwinkel (&agr;) reflektiert und in einen Bereich der photoelektrisch aktiven Zellenschicht geleitet wird, anstatt auf eine Kontaktbahn aufzutreffen. Die Kennlinie für den Solarzellenaufbau mit unstrukturierter Abdeckung ist als durchgezogene, mit Punkten versehene Linie gezeigt. Im Vergleich dazu sind vier Kennlinien von Solarzellenstrukturen mit V-Dachflächenstruktur über der Kontaktbahnstruktur gezeigt, deren Kerbwinkel (&agr;) 20° (durchgezogene Linie), 3 0° (gestrichelte Linie mit kürzeren Teilstrichen), 40° (gepunktete Linie) bzw. 50° (gestrichelte Linie mit längeren Teilstrichen) betragen. Dabei ist jeweils dieselbe Kontaktflächenstruktur vorausgesetzt, die bei unstrukturierter Abdeckung einen Lichtverlust von etwa 20% verursacht, was einem nutzbaren Lichtanteil von etwa 80% entspricht .

Es ist aus Fig. 4 zu erkennen, daß bis zu Einfallswinkeln (ß) kleiner als ungefähr 40° in allen Fällen eine deutliche Reduzierung dieses Lichtverlustes erreicht wird, wenn die reflektierende Dachflächenstruktur an der Abdeckungsinnenseite vorgesehen ist. Unabhängig vom Kerbwinkel (&agr;) liegt der nutzbare Lichtanteil bei kleinem Einfallswinkel (ß) für die Zellen mit strukturierter Abdeckung bei ca. 93%. Mit größer werdendem Lichteinfallswinkel (ß) fällt dann der nutzbare Lichtanteil jeweils ab, wobei wegen der oben zu Fig. 3 genannten

Effekte jede zu einer strukturierten Abdeckung gehörige Kennlinie unter diejenige für die unstrukturierte Abdeckung abfällt. Je geringer der Kerbwinkel (&agr;) der jeweiligen Dachflächenstruktur ist, um so länger bleibt die zugehörige Kennlinie bei steigendem Einfallswinkel (ß) über der Kennlinie für die unstrukturierte Abdeckung und um so stärker fällt die Kennlinie für die strukturierte Abdeckung unter diejenige der unstrukturierten Abdeckung bei Einfallswinkeln (ß) nahe 90° ab.

Bei gegebener Kontaktbahnbreite steigt mit kleiner werdendem Kerbwinkel (&agr;) die erforderliche Tiefe der Dachflächenstruktur und damit die für die Bildung der Dachflächenstruktur benötigte Dicke der transparenten Abdeckung an. Bei Anwendungen mit kleinem Lichteinfallswinkel in der Nähe senkrechten Lichteinfalls ist folglich die Bereitstellung einer Dachflächenstruktur mit vergleichsweise großem Kerbwinkel (&agr;) ausreichend, während Dachflächenstrukturen mit geringerem Kerbwinkel (&agr;) zweckmäßig für solche Fälle zum Einsatz kommen, in denen ein hoher Akzeptanzwinkel zur photoelektrischen Nutzung von über einen großen Einfallswinkelbereich einfallenden Lichtes gewünscht wird. Es versteht sich, daß zur Bereitstellung des Totalreflexionseffektes der Dachflächenstruktur (4) der Raum (8) zwischen den Dachflächen (4) und der Kontaktbahnstruktur (2) auch mit einem anderen Medium anstelle von Luft ausgefüllt sein kann, das einen gegenüber demjenigen der transparenten Abdeckung {3) merklich geringeren Brechungsindex aufweist.

Während bei den oben beschriebenen Beispielen die Lichtabschirmung der Kontaktbahnstruktur durch die Dachflächenstruktur auf dem Effekt der Totalreflexion beruht, zeigen die Fig. 5 und 6 Ausführungsformen, bei denen die Dachflächen (4) das einfallende Licht (10) aufgrund eines aufgebrachten Materials mit hohem Reflexionsvermögen reflektieren, um es vom Auftreffen auf die Kontaktbahnstruktur (2) abzuhalten. Für funktionell gleiche Elemente sind hierbei in den Fig. 5 und 6, deren

Ansichten derjenigen der Fig. 2 entsprechen, gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 2 gewählt. Im Beispiel von Fig. 5 beinhaltet die reflektierende Dachflächenstruktur eine dünne Schicht (11) aus hochreflektierendem Material, z.B. Aluminium oder Silber. Diese Reflexionsschicht (11) wird durch selektives Beschichten der Seitenflächen (4) der V-Nuten vor dem Anbringen der transparenten Abdeckung (3) auf der übrigen Zellenstruktur (1, 2) realisiert. Durch eine beim Aufbringen der Abdeckung (3) auf der übrigen Zellenstruktur (1) ganzflächig eingefügte, aus elektrisch isolierendem Material bestehende Klebeschicht (9) ist die Kontaktbahnstruktur (2) elektrisch von der dünnen Reflexionsschicht (11) isoliert. Es bringt jedoch keinen Nachteil mit sich, wenn eine solche Isolation fehlt oder die Isolation an bestimmten Stellen schadhaft ist. Das Licht (10) wird, wie in Fig. 5 gezeigt, an der dünnen, hochreflektierenden Schicht (11) reflektiert, ohne in den luftgefüllten Raum unterhalb der Dachflächenstruktur einzudringen und auf die Kontaktbahnstruktur (2) aufzutreffen. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 ist diese Variante zwar technologisch aufwendiger in der Herstellung, dafür jedoch unabhängiger vom Material der transparenten Abdeckung (3), da die Notwendigkeit einer bestehenden Totalreflexion entfällt. Zudem ergibt sich dadurch ein größerer Akzeptanzwinkel, d.h. das durch Nichteinhaltung der Totalreflexionsbedingungen bedingte Einknicken der Kennlinien von Fig. 4 bei größeren Einfallswinkeln (ß) wird hier vermieden.

Auch im Beispiel von Fig. 6 bestehen die das einfallende Licht (10) reflektierenden Dachflächen (4) aus einer an die Seitenwände der V-Nuten an der Innenseite (6) der transparenten Abdeckung (3) angrenzenden, hochreflektierenden Metallfläche aus z.B. Aluminium oder Silber. In diesem Beispiel wird die reflektierende Metalldachflächenstruktur (4) durch vollständiges Füllen der V-Nuten mit dem entsprechenden, reflektierenden Material (8a) vor dem Anbringen der Abdeckung (3) auf der übrigen Zellenstruktur (1, 2) bereitgestellt. Alternativ kommt in Betracht, das den Raum zwischen der Kon-

taktbahnstruktur und der Dachflächenstruktur ausfüllende Material auf die Kontaktflächenstruktur und danach die transparente Abdeckung auf die so erhaltene Struktur aufzubringen. Das ganzflächige Auffüllen der V-Nuten mit dem reflektierenden Metallmaterial (8a) ist unter Umständen mit weniger Herstellungsaufwand verbunden als das Aufbringen der dünnen reflektierenden Schicht (11) gemäß Fig. 5, wobei dasselbe Resultat hinsichtlich Abschirmung der darunterliegenden Kontaktbahnstruktur (2) vor dem einfallenden Licht (10) erreicht wird. Wiederum kann das die reflektierenden Dachflächen (4) bereitstellende Metallmaterial (8a) in den V-Nuten an der Innenseite der transparenten Abdeckung (3) bei Bedarf gegenüber der darunterliegenden Kontaktbahnstruktur (2) durch Zwischenfügung einer elektrisch isolierenden Klebeschicht (9) elektrisch isoliert sein.

Die in Fig. 6 gezeigte Abdeckung (3) besteht des weiteren aus zwei Schichten, nämlich einer innenseitigen Schicht (3b) aus Acrylglas und einer außenseitigen Schicht (3a) aus normalem Glas. Die Dicke der Acrylglasschicht (3b) ist so gewählt, daß sie zur Bildung der innenseitigen V-Nutenstruktur ausreicht. Die Erzeugung dieser Nutenstruktur ist in Acrylglas einfacher realisierbar als in normalem Glas, z.B. durch eine Prägeoder Spritzgußtechnik. Damit das thermisch gegenüber dem darunterliegenden Halbleitermaterial der photoelektrisch aktiven Schicht (1), z.B. Silizium, unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten der Acrylglasschicht (3b) nicht zum Verzug derselben und damit zu einer Dejustierung der Dachflächenstruktur (4) gegenüber der Kontaktbahnstruktur (2) führt, schließt sich frontseitig an die Acrylglasschicht (3b) die Schicht (3a) aus normalem Glas an. Diese frontseitige Trägerabschlußschicht (3a) ist in ihrem thermischen Ausdehnungsverhalten bekanntermaßen gut an das photoelektrisch aktive Halbleitermaterial angepaßt und daher in der Lage, mechanische Spannungen in der Acrylglasschicht (3b) so aufzufangen, daß sich letztere (3b) nicht gegenüber der photoelektrisch aktiven Schicht (1) verzieht. Die Acrylglasschicht (3b) kann

hierbei mittels einer herkömmlichen Technik mit der Trägerglasschicht (3a) verbunden werden.

Die obigen Beispiele zeigen, wie sich Lichtverluste aufgrund der frontseitigen Kontaktbahnstruktur durch eine technologisch verhältnismäßig einfach herstellbare Dachflächenstruktur an der der übrigen Zellenstruktur gegenüberliegenden Innenseite einer transparenten Abdeckung beträchtlich verringern lassen. Die Dachflächenstruktur überdeckt die jeweilige Kontaktflächenstruktur und lenkt das ansonsten auf die darunterliegende Kontaktbahnstruktur einfallende Licht in die photoelektrisch aktive Schicht ab. Die Ausnutzung von Reflexion anstelle von Brechung zur Ablenkung des Lichts macht diese Methode unabhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes. Die Bildung der Dachflächenstruktur, geschützt an der Abdeckungsinnenseite, läßt völlige Freiheit in der Gestaltung der außenseitigen Abschlußfläche der Zellenstruktur. Insbesondere kann die Außenseite der Solarzellenstruktur folglich vollständig plan und parallel zur darunterliegenden photoelektrisch aktiven Schicht (1) gestaltet sein, so daß sich diese der Umgebung ausgesetzte Fläche leicht reinigen läßt. Außerdem haben mechanische und chemische Einflüsse auf diese außenseitige Fläche keine die Lichtabschirmfunktion der Dachflächenstruktur beeinträchtigende Wirkung.

Es versteht sich, daß sich je nach Anwendungsfall neben der gezeigten V-förmigen Dachflächenstruktur auch andersartige Dachflächenstrukturen verwenden lassen, z.B. aus gekrümmten Flächen, solange nur gewährleistet ist, daß die einzelnen Dachflächen die zugehörige Kontaktbahn jeweils dachförmig überdecken und das Licht vom Bereich über der Kontaktbahn weg in einen angrenzenden, nicht von der Kontaktbahnstruktur bedeckten Bereich der photoelektrisch aktiven Schicht reflektieren. Da die reflektierende Dachflächenstruktur keinen fokussierenden Effekt besitzt, wird das von den Kontaktbahnstrukturbereichen abgehaltene Licht zudem relativ gleichmäßig auf die angrenzenden Bereiche der photoelektrisch aktiven

Schicht verteilt, ohne daß ungünstige, merkliche Inhomogenitäten in der Lichtverteilung auf der photoelektrisch aktiven Schicht auftreten. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Solarzellenstruktur für Solarzellen vom Konzentratorzellentyp, da sich dort Lichtverluste aufgrund von Rückreflexion an der Kontaktbahnstruktur besonders nachteilig auf den Wirkungsgrad auswirken.

Claims

• · SchutzanSPruche

1. Solarzellenstruktur mit

- einer photoelektrisch aktiven Schicht (1),

- einer Kontaktbahnstruktur (2) zur frontseitigen Kontaktierung der photoelektrisch aktiven Schicht und

- einer transparenten Abdeckung (3) über der Kontaktbahnstruktur, wobei die Abdeckung (3) an ihrer der Kontaktbahnstruktur (2) gegenüberliegenden Innenseite (6) eine Struktur mit reflektierenden Dachflächen (4) aufweist, welche die Kontaktbahnen in Richtung Zellenfrontseite dachförmig überdecken,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Abdeckung (3) aus einer Mehrschichtstruktur mit einer innenseitigen, die Dachflächenstruktur (4) beinhaltenden Schicht (3b) aus einem transparenten Kunststoffmaterial und einer außenseitigen Glasschicht (3a) besteht.

2. Solarzellenstruktur nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (8) zwischen den Kontaktbahnen (2) und den sie überdeckenden Dachflächen (4) ein Medium enthält, dessen Brechungsindex kleiner als derjenige des Materials der Abdeckung (3) ist.

3. Solarzellenstruktur, insbesondere nach Anspruch 1, mit

- einer photoelektrisch aktiven Schicht (1),

dadurch gekennzeichnet, daß

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- die Dachflächenstruktur eine dünne Schicht (11) aus einem hochreflektierenden Material beinhaltet.

4. Solarzellenstruktur, insbesondere nach Anspruch 1, mit

- einer photoelektrisch aktiven Schicht (1) ,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Raum zwischen den Kontaktbahnen {2) und den sie überdeckenden Dachflächen (4) mit einem hochreflektierenden Material (8a) gefüllt ist.