EP0625286A1 - Integrated-circuit stacked-cell solar module - Google Patents

Integrated-circuit stacked-cell solar module

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EP0625286A1
EP0625286A1 EP93902041A EP93902041A EP0625286A1 EP 0625286 A1 EP0625286 A1 EP 0625286A1 EP 93902041 A EP93902041 A EP 93902041A EP 93902041 A EP93902041 A EP 93902041A EP 0625286 A1 EP0625286 A1 EP 0625286A1
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EP
European Patent Office
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solar cell
electrode layer
thin
structuring
stack
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP93902041A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Wilhelm Dr. Kusian
Joze Prof. Dr. Furlan
Wolfgang Dr. Riedl
Hans Dr. Pfleiderer
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L31/046PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548Amorphous silicon PV cells

Definitions

  • the new module structure is suitable for all integrated, structurable semiconductor materials and thus for almost all semiconductors suitable for thin-film solar cells.
  • these are amorphous layers made of silicon (a-Si: H) or its alloys, for example with germanium (a-Si / Ge: H) and cells made of pure germanium (a-Ge: H) or polycrystalline chalcopyrite materials, for example from copper indium diselenide or copper gallium diselenide.
  • the module structure according to the invention is always particularly advantageous when semiconductor layers which are as thin as possible are desired, that is to say all materials which, for example, show light aging or in which the production of thicker layers is technological is difficult.

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Abstract

Pour un module solaire à cellules empilées, il est proposé de disposer en alternance les cellules solaires en mode pin, nip, pin, etc., de structurer l'empilement de cellules solaires en forme de bandes et de réaliser le câblage par des structures d'électrode en peigne qui relient les côtés p des cellules solaires d'un empilement au côté n des cellules solaires de l'empilement voisin. Le module solaire pouvant être réalisé sous une forme intégrée est monté en parallèle à l'intérieur d'un empilement et en série entre les empilements. Par une répétition simple des opérations de fabrication, on peut ainsi réaliser des empilements de deux cellules solaires ou plus présentant une moindre altération à la lumière par rapport aux modules solaires connus.For a solar module with stacked cells, it is proposed to alternately arrange the solar cells in pin, nip, pin mode, etc., to structure the stack of solar cells in the form of strips and to carry out the wiring by structures d comb electrode which connects the sides p of the solar cells of a stack to the side n of the solar cells of the neighboring stack. The solar module, which can be produced in an integrated form, is mounted in parallel inside a stack and in series between the stacks. By a simple repetition of the manufacturing operations, it is thus possible to produce stacks of two or more solar cells having less light alteration compared to known solar modules.

Description

Integriert verschaltetes Stapelzellensolarmodul.Integrated stacked solar cell module.
Solarzellen und Solarmodule aus amorphem Silizium (a-Si:H) zeigen unter Lichteinwirkung ein erhebliches Nachlassen der elektrischen Leistung, das bis zu 40 Prozent der ursprüngli- chen Leistung betragen kann. Dieser während des Betriebs der Solarzellen auftretende Alterungsprozeß läßt sich zwar durch Tempern bei 180*C rückgängig machen, setzt aber bei Lichtein¬ wirkung erneut ein.Under the influence of light, solar cells and solar modules made of amorphous silicon (a-Si: H) show a considerable drop in electrical power, which can be up to 40 percent of the original power. This occurs during the operation of the solar cell aging process can be minimized by annealing at 180 * C undone, but relies Lichtein¬ effective again.
Eine Möglichkeit, diesen auch als Staebler-Wronski-Effekt bei Solarzellen bezeichneten Alterungseffekt zu umgehen, besteht im Einsatz von Mischhalbleitern mit kleinerem Bandabstand für die Herstellung der aktiven i-Schicht. Auch ist es möglich, pin-Solarzellen aus amorphem Silizium mit dünneren i-Schichten herzustellen, die unterhalb einer Schichtdicke von ca. 300 nm kaum Alterung zeigen. Allerdings absorbiert eine derart dünne i-Schicht den Rotanteil des Sonnenspektrums nur unvollständig, so daß mit diesen Zellen ein zu niedriger Kurzschlußstrom er¬ halten wird.One way to circumvent this aging effect, also known as the Staebler-Wronski effect in solar cells, is to use mixed semiconductors with a smaller band gap for the production of the active i-layer. It is also possible to manufacture pin solar cells from amorphous silicon with thinner i-layers that hardly show any aging below a layer thickness of approx. 300 nm. However, such a thin i-layer absorbs the red portion of the sun spectrum only incompletely, so that a short-circuit current which is too low is obtained with these cells.
Eine Möglichkeit, Solarzellen mit dünneren i-Schichten aber hoher Rotabsorption herzustellen, bieten Stapelzellen. Eine solche Stapelzelle, aus zwei oder mehr jeweils für sich dünnen Einzelzellen aufgebaut, absorbiert einen ausreichenden Teil des Sonnenlichts. Eine Doppelzelle hat die Struktur pin-pin, eine Tripeizelle pin-pin-pin und so weiter. Die i-Schichten der Teilzellen eines Stapels können aus ein und demselben Halb¬ leitermaterial bestehen, oder aus verschiedenen Halbleitermate¬ rialien hergestellt werden, zum Beispiel aus Silizium/Kohlen- stoff oder Silizium/Germaniumlegierungen.Stack cells offer one possibility for producing solar cells with thinner i-layers but high red absorption. Such a stacked cell, made up of two or more individual cells, each of which is thin, absorbs a sufficient part of the sunlight. A double cell has the structure pin-pin, a triple cell pin-pin-pin and so on. The i-layers of the partial cells of a stack can consist of one and the same semiconductor material, or can be produced from different semiconductor materials, for example from silicon / carbon or silicon / germanium alloys.
Tandem- oder allgemein Stapelzellen zeigen in der Tat eine höhere Stabilität gegen Lichtalterung bei gleichbleibendem oder sogar höherem Wirkungsgrad. Die Zellen eines Stapels sind dabei optisch hintereinander geschaltet und im einfachsten Fall elektrisch in Serie geschaltet. Die Photospannungen über- einanderliegender Zellen addieren sich, während die Photoströ¬ me übereinstimmen müssen. Der maximal erreichbare Photostrom in einer solchen Stapelzelle wird vom Photostrom der schwäch¬ sten Einzelzelle bestimmt.Tandem or generally stacked cells do indeed show one higher stability against light aging with constant or even higher efficiency. The cells of a stack are optically connected in series and, in the simplest case, electrically connected in series. The photo voltages of cells lying one above the other add up, while the photo currents must match. The maximum achievable photocurrent in such a stack cell is determined by the photocurrent of the weakest single cell.
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Die Stromabstimmung oder auch das "current matching" ist je¬ doch insbesondere bei der Produktion großflächiger Solarmodule nur schwierig durchzuführen. Schichtdickenschwankungen bei der Abscheidung der aktiven Halbleiterschicht treten mit größer 15 werdender Substratfläche verstärkt auf und beeinflussen den Photostrom.Current adjustment or "current matching" is, however, difficult to carry out, particularly in the production of large-area solar modules. Fluctuations in layer thickness during the deposition of the active semiconductor layer increasingly occur with a substrate area that becomes larger and influence the photocurrent.
Um das Problem der Stromanpassung zu umgehen, wird in der EP 0 326 857 erstmals vorgeschlagen, Stapelzellen mit einem 0 pinip oder nipin-Aufbau zu verwenden und in einem Modul inte¬ griert zu verschalten. In dieser Anordnung sind die beiden übereinanderliegenden Solarzellen der Tandemzelle elektrisch parallel geschaltet, wobei sich die Photoströme der Teilzellen addieren. Erforderlich ist nur noch eine SpannungsabstimmungIn order to avoid the problem of current adaptation, EP 0 326 857 proposes for the first time to use stacked cells with a 0 pinip or nipin structure and to connect them integrated in a module. In this arrangement, the two superimposed solar cells of the tandem cell are electrically connected in parallel, with the photocurrents of the sub-cells adding up. Only a voltage adjustment is required
25 der Teilzellen, um möglichst identische Photospannungen zu ha¬ ben. Da im Arbeitsbereich einer Solarzelle jedoch nur eine ge¬ ringe Abhängigkeit der Photospannung vom Photostrom besteht, läßt sich die Spannungsanpassung einer Tandem- oder Stapelzelle mit Parallelverschaltung deutlich einfacher durchführen als25 of the partial cells in order to have identical photo voltages. However, since there is only a slight dependence of the photo voltage on the photocurrent in the working area of a solar cell, the voltage adjustment of a tandem or stacked cell with parallel connection can be carried out much more easily than
30 eine Stromanpassung bei Serienverschaltung.30 a current adjustment with series connection.
Nachteilig an dem bekannten Tandemsolarmodul mit Parallelver¬ schaltung ist der gegenüber einem einfachen Dünnschichtsolar- odul komplizierte Aufbau, der in den Trenngräben zwischen den 35. Stapelzellen eine Flankenisolation erfordert und bei dem zur Verschaltung die Kontaktierung über Stufen in den Schichten vorgenommen wird.A disadvantage of the known tandem solar module with parallel connection is the complicated structure compared to a simple thin-film solar module, which requires flank insulation in the separating trenches between the 35th stack cells and in which the contact is made via layers in the layers for the connection.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verein- fachten Aufbau für ein Stapelzellensolarmodul anzugeben, wel¬ cher einfach mit bekannten Dünnschichtstrukturierungstechniken herstellbar ist und dabei eine technologisch einfache und sichere Verschaltung auch bei gleichzeitig minimalem Verlust an aktiver Halbleiterfläche gewährleistet.The object of the present invention is therefore to provide a to provide a complex structure for a stacked cell solar module, which can be easily produced using known thin-layer structuring techniques and thereby ensures technologically simple and reliable interconnection even with a minimal loss of active semiconductor area.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein mehr¬ schichtiges Solarmodul, bei dem auf einem Substrat mehrere Solarzellenstapel mit jeweils n Dünnschichtsolarzellen strei- fenförmig nebeneinander angeordnet sind, mit folgenden Merk¬ malen:This object is achieved according to the invention by a multilayer solar module, in which a plurality of solar cell stacks, each with n thin-film solar cells, are arranged next to one another in strips in a row, with the following features:
a) die Solarzellen weisen jeweils einen pn-Übergang oder eine pin-Struktur auf,a) the solar cells each have a pn junction or a pin structure,
b) die Richtung des Halbleiterübergangs kehrt sich jeweils von einer Solarzellenschicht zur darüberliegenden um,b) the direction of the semiconductor transition is reversed from one solar cell layer to the one above it,
c) die Elektroden der Solarzellen sind transparente Schichten und bilden zusammen mit ihrer Verschaltung im Querschnitt senkrecht zu den Streifen gesehen regelmäßige kammartige Strukturen, die jeweils n + 1 Zähne besitzen, welche alter¬ nierend beidseits des senkrecht zum Substrat zwischen je- weils zwei Stapeln stehenden Rückens angeordnet sind,c) the electrodes of the solar cells are transparent layers and, together with their interconnection, viewed in cross section perpendicular to the strips, form regular comb-like structures, each having n + 1 teeth, which alternate between the two stacks on both sides of the perpendicular to the substrate Back are arranged
d) die n + 1 Elektrodenschichten jeweils eines Stapels werden abwechselnd von den Zähnen der dem Stapel beidseitig be¬ nachbarten kammartigen Strukturen gebildet, wobei diese be- rührungslos ineinandergreifen,d) the n + 1 electrode layers of a stack are alternately formed by the teeth of the comb-like structures adjacent to the stack on both sides, these interlocking without contact,
wobei eine jede der kammartigen Strukturen die p-Seiten der Solarzellen eines Stapels mit den n-dotierten Seiten im be¬ nachbarten Stapel elektrisch verbindet und so sämtliche So- larzellen eines Stapels elektrisch parallel und die Stapel über das Modul elektrisch in Serie verschaltet und wobei n=≥2.wherein each of the comb-like structures electrically connects the p-sides of the solar cells of a stack with the n-doped sides in the adjacent stack and thus electrically connects all the solar cells of a stack in parallel and electrically connects the stacks in series via the module, and where n = ≥2.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur nehmen .Further refinements of the invention and a method for to take .
Das erfindungsgemäße Modul weist ausschließlich regelmäßige Strukturen und somit einen einfachen Aufbau auf, dessen Her¬ stellung gegenüber Dünnschichtsolarmodulen keinen zusätzlichen technologischen Aufwand erfordert und daher mit bekannten Mo¬ dulen fertigungstechnisch kompatibel ist.The module according to the invention has only regular structures and therefore a simple structure, the manufacture of which does not require any additional technological effort compared to thin-film solar modules and is therefore compatible with known modules in terms of production technology.
Die mögliche Anzahl n von im Stapel geschichteten Dünnschicht¬ solarzellen ist beim erfindungsgemäßen Aufbau variabel und be¬ trägt mindestens 2. Dadurch können die einzelnen Solarzellen beliebig dünn hergestellt werden und die Lichtalterung somit reduziert werden. Gleichzeitig wird eine hohe Lichtabsorption garantiert, da die geringere Absorption einer dünneren Schicht durch eine höhere Anzahl von Solarzellen im Stapel ausgegli¬ chen werden kann. Für die Gesamtabsorption ist letzthin die Gesamtschichtdicke der n Dünnschichtsolarzellen im Stapel ver¬ antwortlich.The possible number n of thin-film solar cells stacked in the stack is variable in the structure according to the invention and is at least 2. As a result, the individual solar cells can be made as thin as desired and light aging can thus be reduced. At the same time, high light absorption is guaranteed, since the lower absorption of a thinner layer can be compensated for by a higher number of solar cells in the stack. The total layer thickness of the n thin-film solar cells in the stack is ultimately responsible for the total absorption.
Im streifenförmigen Solarzellenstapel können die einzelnen So¬ larzellen exakt übereinander angeordnet sein, so daß durch die Verschaltung im Modul nur ein minimaler Verlust an aktiver Halbleiterfläche erforderlich ist, der pro Streifen bzw. pro Stapel nur einer Grabenbreite entspricht, also nicht mehr als bei bekannten Dünnschichtmodulen.In the strip-shaped solar cell stack, the individual solar cells can be arranged exactly one above the other, so that due to the connection in the module, only a minimal loss of active semiconductor area is required, which corresponds to only one trench width per strip or per stack, ie not more than in known thin-film modules .
Der neue Modulaufbau ist prinzipiell für alle integriert struk¬ turierbaren Halbleitermaterialien und somit für nahezu alle für Dünnschichtsolarzellen geeignete Halbleiter geeignet. Ins¬ besondere sind dies amorphe Schichten aus Silizium (a-Si:H) oder dessen Legierungen, beispielsweise mit Germanium (a-Si/Ge:H) sowie Zellen aus reinem Germanium (a-Ge:H) oder polykristallinen Chalkopyrit-Materialien, beispielsweise aus Kupferindiu diselenid oder Kupfergalliumdiselenid. Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Modulaufbau stets dann, wenn möglichst dünne Halbleiterschichten gewünscht sind, also alle Materialien die beispielsweise eine Lichtalterung zeigen oder bei denen die Herstellung dickerer Schichten technologisch erschwert ist .In principle, the new module structure is suitable for all integrated, structurable semiconductor materials and thus for almost all semiconductors suitable for thin-film solar cells. In particular, these are amorphous layers made of silicon (a-Si: H) or its alloys, for example with germanium (a-Si / Ge: H) and cells made of pure germanium (a-Ge: H) or polycrystalline chalcopyrite materials, for example from copper indium diselenide or copper gallium diselenide. The module structure according to the invention is always particularly advantageous when semiconductor layers which are as thin as possible are desired, that is to say all materials which, for example, show light aging or in which the production of thicker layers is technological is difficult.
Im erfindungsgemäßen Solarmodul ist eine Spannungsanpassung erforderlich, um keine Verluste in der Modulleistung zu be¬ kommen. Dies erfordert nicht unbedingt identische Materialien für die Solarzellen im Stapel, macht es aber wünschenswert und vorteilhaft.In the solar module according to the invention, a voltage adjustment is necessary in order not to get any losses in the module performance. This does not necessarily require identical materials for the solar cells in the stack, but makes it desirable and advantageous.
Somit kann das Licht im verwertbaren Teil des Spektrums nahezu vollständig absorbiert werden, ohne daß es zu einer Leistungs¬ einbuße des Moduls kommt. Es werden also hohe Photoströme und somit ein hoher Wirkungsgrad erhalten.Thus, the light can be almost completely absorbed in the usable part of the spectrum, without the module losing power. High photocurrents and thus high efficiency are obtained.
Obwohl auch die dem Substrat abgewandte Seite des Stapelauf¬ baus als Lichteinfallsseite dienen kann, so wird dennoch die Substratseite bevorzugt. Als Substratmaterial wird daher üb¬ licherweise Glas gewählt, während für die transparenten leit¬ fähigen Elektroden bekannte TCO-Materialien verwendet werden können, beispielsweise dotierte Metalloxide wie fluordotiertes Zinnoxid (Sn02:F), bordotiertes Zinkoxid (Zn0:B) oder Indium¬ zinnoxid (ITO) und andere. Die oberste Elektrodenschicht kann ebenfalls aus TCO oder aus einer Metallschicht bestehen, um im Stapel nicht absorbiertes Licht in die Solarzellen zu reflek- tieren.Although the side of the stack structure facing away from the substrate can also serve as the light incidence side, the substrate side is nevertheless preferred. Glass is therefore usually selected as the substrate material, while known TCO materials can be used for the transparent conductive electrodes, for example doped metal oxides such as fluorine-doped tin oxide (Sn0 2 : F), boron-doped zinc oxide (Zn0: B) or indium tin oxide (ITO) and others. The top electrode layer can also consist of TCO or a metal layer in order to reflect light that is not absorbed in the stack into the solar cells.
Obwohl die Anzahl n der Solarzellenschichten im Stapel belie¬ big erhöht werden kann, so wird doch in der Praxis eine mini¬ male Anzahl an Zellen bevorzugt, um den Fertigungsaufwand für die vielen erforderlichen Schichten zu beschränken. Hinzu kommt, daß die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung bereits bei einem Tandemmodul (n = 2) vollständig ausgeprägt sind und mehr als zwei Schichten daher selten erforderlich sind.Although the number n of solar cell layers in the stack can be increased as desired, in practice a minimum number of cells is preferred in order to limit the manufacturing outlay for the many layers required. In addition, the advantageous effects of the invention are fully pronounced even with a tandem module (n = 2) and more than two layers are therefore rarely required.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei¬ spiels und der dazugehörigen acht Figuren näher erläutert. Da¬ bei zeigenThe invention is explained in more detail below with the aid of an exemplary embodiment and the associated eight figures. Show at
die Figuren 1 bis 5 verschiedene Verfahrensstufen bei der Her- Stellung eines Stapelmoduls mit zwei Solarzellen¬ schichten im schematischen Querschnitt, währendFigures 1 to 5 different process stages in the manufacture Position of a stack module with two solar cell layers in a schematic cross section, during
die Figur 6 ein erfindungsgemäßes Modul mit drei Solarzellen¬ schichten zeigt.FIG. 6 shows a module according to the invention with three solar cell layers.
In den Figuren 7 und 8 sind die Ersatzschaltpläne für Module mit n = 2 und n = 3 dargestellt.The equivalent circuit diagrams for modules with n = 2 and n = 3 are shown in FIGS.
Figur 1: Auf einem Glassubstrat S von beispielsweise 2 mm Dicke wird ganzflächig eine erste Elektrodenschicht ESI abge¬ schieden, beispielsweise durch PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition) oder durch Sputtern von TCO-Materialien. Anschließend wird die erste Elektrodenschicht mit einem Laser strukturiert, wobei durch Abtragen von Elektrodenmaterial zu¬ einander parallele schmale Gräben Gl erzeugt werden, so daß Elektrodenstreifen beispielsweise von 1 bis 5 cm Breite ver¬ bleiben. Die Breite der Gräben Gl wird möglichst gering ge- wählt und beträgt bei einem verwendeten Laser beispielsweise 50 μm.1: A first electrode layer ESI is deposited over the entire surface of a glass substrate S, for example 2 mm thick, for example by PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) or by sputtering of TCO materials. The first electrode layer is then structured with a laser, narrow trenches G1 being produced parallel to one another by removing electrode material, so that electrode strips of, for example, 1 to 5 cm in width remain. The width of the trenches Gl is chosen to be as small as possible and is 50 μm, for example, in the case of a laser used.
Figur 2: Über den Streifen der ersten Elektrodenschicht ESI wird nun ganzflächig eine erste Dünnschichtsolarzelle DS1 er- zeugt, im vorliegenden Fall eine a-Si:H pin-Diode, wobei ein PECVD-Verfahren verwendet wird. Die Strukturierung der ersten Dünnschichtsolarzelle DS1 erfolgt ebenfalls mit einem Laser, wobei Gräben G2 parallel zu den Gräben Gl erzeugt werden, die seitlich gegenüber diesen um zumindest eine Grabenbreite ver- setzt sind, so daß am Boden der Gräben G2 die Oberfläche der ersten Elektrodenschicht ESI freigelegt ist.FIG. 2: A first thin-film solar cell DS1, in the present case an a-Si: H pin diode, is now generated over the entire surface of the strip of the first electrode layer ESI, a PECVD method being used. The structuring of the first thin-film solar cell DS1 is likewise carried out using a laser, trenches G2 being produced parallel to the trenches G1, which are laterally offset by at least one trench width, so that the surface of the first electrode layer ESI is exposed at the bottom of the trenches G2 is.
Figur 3: Über der Solarzelle DS1 wird nun ganzflächig eine zweite Elektrodenschicht ES2 aufgebracht und mit einem Laser in gleicher Weise strukturiert, wobei Gräben G3 um zumindest eine weitere Grabenbreite in gleicher Richtung gegenüber G2 versetzt erzeugt werden und dabei die Oberfläche der Dünn¬ schichtsolarzelle DS1 freigelegt wird. Figur 4: Im nächsten Schritt wird eine zweite Dünnschichtso¬ larzelle DS2 ganzflächig erzeugt die eine bezüglich der Rich¬ tung ihres Halbleiterübergangs gegenüber der ersten Solarzel¬ le DS1 inverse Struktur, hier nip, aufweist. Daran schließt sich eine weitere Laserstrukturierung an, wobei Gräben G4 er¬ zeugt werden, die seitlich in die andere Richtung gegen die Gräben G2 versetzt sind und so direkt über den Gräben G2 lie¬ gen.FIG. 3: A second electrode layer ES2 is now applied over the entire surface of the solar cell DS1 and structured in the same way with a laser, trenches G3 being produced offset by at least one further trench width in the same direction with respect to G2 and thereby exposing the surface of the thin-film solar cell DS1 becomes. FIG. 4: In the next step, a second thin-film solar cell DS2 is produced over the entire surface, which has an inverse structure, here nip, with respect to the direction of its semiconductor junction with respect to the first solar cell DS1. This is followed by a further laser structuring, trenches G4 being produced which are laterally offset in the other direction against the trenches G2 and thus lie directly over the trenches G2.
Figur 5: Als letzter Schritt zur Herstellung eines fertigen Tandemsolarzellenmoduls wird eine dritte TCO-Elektrodenschicht ES3 in analoger Weise wie die erste Elektrodenschicht ESI er¬ zeugt und strukturiert.FIG. 5: As the last step in the production of a finished tandem solar cell module, a third TCO electrode layer ES3 is generated and structured in a manner analogous to that of the first electrode layer ESI.
Die in der Figur 5 dargestellte beispielhafte Struktur für ein erfindungsgemäßes Tandemsolarzellenmodul ist im Rahmen der Er¬ findung noch weiter variierbar. Beispielsweise lassen sich im Stapel Solarzellen unterschiedlicher Dicke übereinander anord- nen, wobei die zweite Solarzelle DS2 vorzugsweise eine höhere Schichtdicke aufweist. Im Ausführungsbeispiel könnte die erste Solarzelle DS1 beispielsweise eine Dicke von 300 nm und die zweite Solarzelle DS2 eine Dicke von 300 bis 500 nm aufweisen. Die Untergrenze einer möglichen Schichtdicke wird nicht durch physikalische sondern durch technologische Parameter bestimmt. Bereits ab ca. 25 nm Schichtdicke wird in einer pin-Solarzelle ein Photostrom beobachtet. Aufgrund von Schichtdickenschwankun¬ gen oder Unebenheiten in der Struktur des Substrates oder einer der darüber abgeschiedenen Schichten besteht jedoch bei dünnen Schichten die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen zwei Elek¬ trodenschichten in einem Stapel, welcher die Leistung des Mo¬ duls mindern könnte. Es werden daher größere technoligsch sicher herstellbare Schichtdicken bevorzugt.The exemplary structure shown in FIG. 5 for a tandem solar cell module according to the invention can be varied further within the scope of the invention. For example, solar cells of different thicknesses can be arranged one above the other in the stack, the second solar cell DS2 preferably having a higher layer thickness. In the exemplary embodiment, the first solar cell DS1 could have a thickness of 300 nm, for example, and the second solar cell DS2 could have a thickness of 300 to 500 nm. The lower limit of a possible layer thickness is determined not by physical but by technological parameters. A photocurrent is observed in a pin solar cell from a layer thickness of approx. 25 nm. Due to layer thickness fluctuations or unevenness in the structure of the substrate or one of the layers deposited thereon, however, in thin layers there is a risk of a short circuit between two electrode layers in a stack, which could reduce the performance of the module. Larger, technologically safe layer thicknesses are therefore preferred.
Die Dicke der Elektrodenschichten ist entsprechend ihrer Leit¬ fähigkeit ausgelegt. Bei Verwendung von bordotiertem Zinkoxid ist eine Dicke von ca. 1 μm ausreichend. Jedoch kann auch eine größere Strukturbreite bzw. ein größerer Abstand zwischen zwei benachbarten Gräben G in einer Schicht eine höhere Leitfähig- keit einer Elektrodenschicht ES und somit eine höhere Schicht¬ dicke erfordern.The thickness of the electrode layers is designed according to their conductivity. When using boron-doped zinc oxide, a thickness of approx. 1 μm is sufficient. However, a larger structure width or a larger distance between two adjacent trenches G in a layer can also have a higher conductivity. of an electrode layer ES and thus require a higher layer thickness.
Die Strukturbreite wird im allgemeinen von der Größe des ge¬ wählten Substrats bestimmt. Es werden so viele streifenför ige Solarzellenstapel erzeugt, daß sich die Zellspannungen der elektrisch hintereinander geschalteten Solarzellenstapel im Arbeitspunkt zu einer Gesamtspannung von 12 bis 14 Volt addie- ren. Da die Spannung einer Einzelzelle aus a-Si:H bei ca. 0,6 bis 0,8 Volt liegt, sind für die gewünschte Endspannung ca. 20 oder mehr Streifen erforderlich. Dabei kann die Breite eines Streifens bis zu 5 cm betragen.The structure width is generally determined by the size of the selected substrate. So many stripe-shaped solar cell stacks are produced that the cell voltages of the electrically connected solar cell stacks add up to a total voltage of 12 to 14 volts at the operating point. Since the voltage of a single cell made of a-Si: H is about 0.6 to 0.8 volts, about 20 or more strips are required for the desired final voltage. The width of a strip can be up to 5 cm.
in Figur 6 ist ein erfindungsgemäßes Stapelzellensolarmodul mit drei Schichten von Dünnschichtsolarzellen im Stapel darge¬ stellt. Dazu wird auf der Tandemzellenstruktur (siehe Figur 5) eine weitere Dünnschichtsolarzelle DS3 mit einer pin-Struktur abgeschieden und in der gleichen Art und Weise strukturiert wie die erste und zweite Dünnschichtsolarzelle DSl bzw. DS2. Die Rückelektrode wird von einer vierten Elektrodenschicht ES4 gebildet, die in der gleichen Weise wie die zweite Elektroden¬ schicht ES2 erzeugt und deckungsgleich mit dieser strukturiert wird, um den Verlust an aktiver Halbleiterfläche gering zu halten.FIG. 6 shows a stacked cell solar module according to the invention with three layers of thin-film solar cells in the stack. For this purpose, a further thin-film solar cell DS3 with a pin structure is deposited on the tandem cell structure (see FIG. 5) and structured in the same way as the first and second thin-film solar cell DS1 or DS2. The back electrode is formed by a fourth electrode layer ES4, which is produced in the same way as the second electrode layer ES2 and structured congruently with it in order to keep the loss of active semiconductor area low.
Gut ist in dieser Darstellung zu erkennen, wie die Elektroden¬ streifen ES im Querschnitt kammartige Strukturen KS bilden. Die durch die ursprünglichen Gräben G2 und G4 gebildete Achse aus Elektrodenmaterial stellt den Kammrücken dar, dessen ab¬ wechselnd nach beiden Seiten weisende Zähne die Elektroden- sc'hichten für die Solarzellen darstellen. Oder anders ausge¬ drückt: es werden die Elektroden eines Solarzellenstapels SZ abwechselnd von einer ersten kammartigen Struktur KS1 und einer zweiten kammartigen Struktur KS2 gebildet, die berüh¬ rungslos (zur Vermeidung von Kurzschlüssen) ineinander bzw. in den Solarzellenstapel SZ eingreifen. Die äußeren Kammstruktu¬ ren EKS am Rand des Moduls sind analog den mittleren kammarti¬ gen Strukturen KS aufgebaut, sind jedoch nur einem Solarzellen- Stapel benachbart und besitzen daher nur nach einer Seite wei¬ sende Zähne bzw. Elektrodenstreifen ES. An den Endstrukturen EKS findet auch die Kontaktierung zum Anschließen des Moduls an einen Verbraucher oder eine Speichereinheit statt.It can be clearly seen in this illustration how the electrode strips ES form comb-like structures KS in cross section. By the original trenches G2 and G4 axis formed of electrode material represents the comb back of which ab¬ alternately to both sides facing teeth sc the electrode 'hichten represent for the solar cell. In other words, the electrodes of a solar cell stack SZ are alternately formed by a first comb-like structure KS1 and a second comb-like structure KS2, which engage in one another or in the solar cell stack SZ without contact (to avoid short-circuits). The outer comb structures EKS at the edge of the module are constructed analogously to the middle comb-like structures KS, but are only one solar cell Stacks are adjacent and therefore have teeth or electrode strips ES pointing only to one side. Contacting for connecting the module to a consumer or a storage unit also takes place at the end structures EKS.
Wird als oberste Elektrodenschicht ES3 (n = 2) eine Metall¬ schicht ganzflächig aufgebracht, so ist eine direkte Struktu¬ rierung von oben mittels Lasers nicht oder nur sehr schwierig möglich, ohne dabei gleichzeitig die darunterliegende im Be¬ reich der Gräben G5 freigelegte Solarzellenschicht DS2 struk¬ turell zu ändern, wobei die Gefahr eines Kurzschlusses der So¬ larzelle besteht. Für diesen Strukturierungsschritt kann alter¬ nativ mittels eines Lasers von der Substratseite her durch das Glassubstrat hindurch eingestrahlt werden, wie es zum Beispiel in der älteren europäischen Anmeldung 91 11 70 61.1 vorgeschla¬ gen wird. Durch starke lokale Erhitzung an der Grenzfläche zwischen der zweiten Solarzelle DS2 und der zweiten Elektroden¬ schicht ES2 im Fokus des zur Strukturierung verwendeten Lasers kommt es zu einem Absprengen der zweiten Solarzellenschicht und der darüber liegenden dritten Elektrodenschicht ES3 im Bereich des Fokus. Für diesen Schritt ist es allerdings er¬ forderlich, daß die Grabenbreite G2 deutlich größer ist als die Grabenbreite G4, so daß der durch das Substrat S einfal- lende Laserstrahl nur eine Grenzfläche zwischen einer Solar¬ zellenschicht DS und einer Elektrodenschicht ES (hier ES2/DS2) "sieht". Die Grabeπbreite G2 muß daher für diese Verfahrens¬ variante mindestens aus der Summe der Grabenbreiten G4 und G5 zuzüglich eines Toleranzwertes errechnet werden, welcher sich aus der Toleranz der Schneidevorrichtung (Laser) und der Ju¬ stiergenauigkeit der Vorrichtung ergibt.If a metal layer is applied over the entire surface as the top electrode layer ES3 (n = 2), direct structuring from above by means of a laser is not possible or is only possible with great difficulty, without at the same time the solar cell layer DS2 exposed underneath in the region of the trenches G5 to change structurally, with the risk of a short circuit of the solar cell. For this structuring step, it is alternatively possible to use a laser to irradiate from the substrate side through the glass substrate, as is proposed, for example, in the earlier European application 91 11 70 61.1. Due to strong local heating at the interface between the second solar cell DS2 and the second electrode layer ES2 in the focus of the laser used for structuring, the second solar cell layer and the third electrode layer ES3 lying above it come off in the area of the focus. For this step, however, it is necessary that the trench width G2 is significantly larger than the trench width G4, so that the laser beam incident through the substrate S only an interface between a solar cell layer DS and an electrode layer ES (here ES2 / DS2) "sees". For this process variant, the trench width G2 must therefore be calculated at least from the sum of the trench widths G4 and G5 plus a tolerance value which results from the tolerance of the cutting device (laser) and the adjustment accuracy of the device.
Bei fortgesetzter Schichtstapelung (n größer 2) ist jedoch eine Strukturierung durch das Substrat S hindurch nicht mehr möglich. Alternativ zum herkömmlichen Laserstrukturierungs- verfahren von "oben" kann wie auch bei allen übrigen Struktu- rierungsschritten eine Abhebetechnik verwendet werden. Dazu wird vor der Erzeugung bzw. Abscheidung einer zu strukturie¬ renden Schicht im Bereich der späteren Gräben G eine abhebe- fähige Strukturierungspaste aufgetragen, beispielsweise mit Hilfe von Siebdruck. Nach der Erzeugung der zu strukturieren¬ den Schicht über der aufgedruckten Paste wird diese mechanisch abgelöst, wobei die daruberliegende zu strukturierende Schicht im Bereich der Paste mit abgehoben wird. Ein jeder Laserstruk- turierungsschritt kann daher im Verfahren durch die für die Abhebetechnik nötigen Schritte "Aufdrucken" einer Strukturie¬ rungspaste im Bereich der Strukturierungslinien (Gräben) und "Abheben" von Strukturierungspaste samt darüberliegenden Schichtbereichen ersetzt werden. Diese beiden Schritte sind technologisch einfach durchzuführen und stellen daher eine echte Alternative zur Laserstrukturierung dar.With continued layer stacking (n greater than 2), however, structuring through the substrate S is no longer possible. As an alternative to the conventional laser structuring method from "above", as with all other structuring steps, a lifting technique can be used. For this purpose, before the generation or deposition of a layer to be structured in the area of the later trenches G, a capable structuring paste applied, for example with the help of screen printing. After the layer to be structured has been produced above the printed paste, the paste is mechanically detached, the layer to be structured above being lifted off in the region of the paste. Each laser structuring step can therefore be replaced in the method by the steps "printing" of a structuring paste in the area of the structuring lines (trenches) and "lifting off" of structuring paste including the layer areas above it, which are necessary for the lifting technique. These two steps are technologically easy to carry out and therefore represent a real alternative to laser structuring.
Figur 7 stellt ein Ersatzschaltbild für das in der Figur 5 dargestellte Stapelzellensolarmodul dar. Die Solarzellen sind entsprechend der Richtung ihres Halbleiterübergangs als Dioden dargestellt, während die eingezeichneten Verbindungslinien für die kammartigen Elektrodenstrukturen stehen.FIG. 7 shows an equivalent circuit diagram for the stacked cell solar module shown in FIG. 5. The solar cells are shown as diodes in accordance with the direction of their semiconductor transition, while the connecting lines drawn represent the comb-like electrode structures.
In Figur 8 ist das Ersatzschaltbild für ein aus drei Solarzel¬ lenschichten bestehendes Stapelzellensolarmodul (siehe Figur 6) dargestellt. Gut zu erkennen ist, daß die Solarzellen (Dio¬ den) im Stapel parallel, über die Stapel jedoch hintereinander geschaltet sind. FIG. 8 shows the equivalent circuit diagram for a stacked cell solar module consisting of three solar cell layers (see FIG. 6). It can be clearly seen that the solar cells (diodes) are connected in parallel in the stack, but are connected in series via the stack.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Mehrschichtiges Solarmodul, bei dem auf einem Substrat mehrere Solarzellenstapel mit jeweils n Dünnschichtsolarzellen streifenför ig nebeneinander angeordnet sind, mit folgenden Merkmalen:1. Multi-layer solar module in which a plurality of solar cell stacks, each with n thin-film solar cells, are arranged next to one another in strips on a substrate, with the following features:
a) die Solarzellen weisen jeweils einen pn-Übergang oder eine pin-Struktur auf,a) the solar cells each have a pn junction or a pin structure,
b) die Richtung des Halbleiterübergangs kehrt sich jeweils von einer Solarzellenschicht zur darüberliegenden um,b) the direction of the semiconductor transition is reversed from one solar cell layer to the one above it,
c) die Elektroden der Solarzellen sind transparente Schichten und bilden zusammen mit ihrer Verschaltung im Querschnitt senkrecht zu den Streifen gesehen regelmäßige kammartige Strukturen, die jeweils (n + 1) Zähne besitzen, welche al¬ ternierend beidseits des senkrecht zum Substrat zwischen jeweils zwei Stapeln stehenden Rückens angeordnet sind,c) the electrodes of the solar cells are transparent layers and, together with their interconnection when viewed in cross section perpendicular to the strips, form regular comb-like structures, each having (n + 1) teeth, which alternate between two stacks on both sides of the perpendicular to the substrate Back are arranged
d) die n + 1 Elektrodenschichten jeweils eines Stapels werden abwechselnd von den Zähnen der dem Stapel beidseitig be¬ nachbarten kammartigen Strukturen gebildet, wobei diese be- rührungslos ineinander greifen,d) the n + 1 electrode layers of a stack are alternately formed by the teeth of the comb-like structures adjacent to the stack on both sides, these interlocking without contact,
wobei eine jede der kammartigen Strukturen die p-Seiten der Solarzellen eines Stapels mit den n-dotierten Seiten im benach¬ barten Stapel elektrisch verbindet und so sämtliche Solarzel- len eines Stapels elektrisch parallel und die Stapel über das Modul elektrisch in Serie verschaltet und wobei n^ 2.wherein each of the comb-like structures electrically connects the p-sides of the solar cells of a stack with the n-doped sides in the adjacent stack, thus electrically connecting all the solar cells of a stack in parallel and electrically connecting the stacks in series via the module, and wherein n ^ 2.
2. Solarmodul nach Anspruch 1, bei dem sich die Schichtdicken der Dünnschichtsolarzellen im Stapel zu einer Gesamtschicht- dicke addieren, die im Empfindlichkeitsbereich des Solarzel¬ lenmaterials eine Absorption im Maximum von mehr als 80 Pro¬ zent zeigt.2. Solar module according to claim 1, in which the layer thicknesses of the thin-film solar cells in the stack add up to a total layer thickness which shows an absorption in the sensitivity range of the solar cell material of a maximum of more than 80 percent.
3. Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem für die Solarzel- len ein Halbleitermaterial verwendet wird, welches großflächig abscheidbar und integriert strukturierbar ist.3. Solar module according to claim 1 or 2, in which for the solar cell len a semiconductor material is used, which can be deposited over a large area and can be structured in an integrated manner.
4. Solarmodul nach Anspruch 3, dessen Solarzellen aus amorphem Silizium bestehen.4. Solar module according to claim 3, whose solar cells consist of amorphous silicon.
5. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Substrat transparent ist und sämtliche Elektrodenschichten, gegebenenfalls mit Ausnahme der obersten Elektrodenschicht aus transparentem leitfähigem Oxid (TCO) bestehen.5. Solar module according to one of claims 1 to 4, in which the substrate is transparent and all electrode layers, optionally with the exception of the uppermost electrode layer, consist of transparent conductive oxide (TCO).
6. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem jeder Stapel aus zwei Solarzellenschichten besteht (n = 2).6. Solar module according to one of claims 1 to 5, in which each stack consists of two solar cell layers (n = 2).
7. Verfahren zum Erzeugen eines integriert verschalteten Sta- pelzellensolarmoduls mit folgenden Schritten7. Method for producing an integrated interconnected stacked cell solar module with the following steps
a) ganzflächiges Erzeugen einer transparenten Elektroden- schicht auf einem transparenten Substrata) Creation of a transparent electrode layer over the entire surface on a transparent substrate
b) streifenförmige Strukturierung der ersten Elektrodenschichtb) strip-like structuring of the first electrode layer
c) ganzflächiges Erzeugen einer ersten Dünnschichtsolarzelle mit pin- oder pn-Struktur über der streifenförmig struktu¬ rierten ersten Elektrodenschichtc) Generating a whole area of a first thin-film solar cell with a pin or pn structure over the stripe-shaped structured first electrode layer
d) Strukturierung der ersten Dünnschichtsolarzelle parallel und seitlich versetzt zu den Streifen der ersten Elektro- denschicht derart, daß in den die streifenförmigen Solar¬ zellen trennenden Gräben die Oberfläche der Streifen der ersten Elektrodenschicht freigelegt werdend) structuring of the first thin-film solar cell parallel and laterally offset to the strips of the first electrode layer in such a way that the surface of the strips of the first electrode layer are exposed in the trenches separating the strip-shaped solar cells
e) ganzflächiges Abscheiden einer zweiten transparenten Elek- trodenschichte) deposition of a second transparent electrode layer over the entire surface
f) streifenförmige Strukturierung der zweiten Elektroden¬ schicht parallel und in der gleichen Richtung seitlich versetzt zur streifenförmigen ersten Dünnschichtsolarzelle g) ganzflächiges Abscheiden einer zweiten Dünnschichtsolarzel¬ le mit einer gegenüber der ersten Dünnschichtsolarzelle inversen Struktur bezüglich der Richtung des Halbleiterüber- gangsf) strip-shaped structuring of the second electrode layer parallel and laterally offset in the same direction to the strip-shaped first thin-film solar cell g) deposition of the entire surface of a second thin-film solar cell with a structure inverse to the first thin-film solar cell with respect to the direction of the semiconductor transition
h) Strukturierung der zweiten Dünnschichtsolarzelle entspre¬ chend der ersten Dünnschichtsolarzelleh) structuring of the second thin-film solar cell corresponding to the first thin-film solar cell
i) ganzflächiges Erzeugen einer dritten Elektrtodenschichti) Generating a third electrode layer over the entire surface
j) Strukturierung der dritten Elektrodenschicht entsprechend der ersten Elektrodenschicht.j) structuring of the third electrode layer corresponding to the first electrode layer.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem über der dritten Elek¬ trodenschicht zumindest eine weitere Dünnschichtsolarzelle und zumindest eine weitere Elektrodenschicht durch Wiederholung der Schritte g) bis j) erzeugt und strukturiert werden, wobei jede weitere Dünnschichtsolarzelle eine gegenüber der jeweils darunterliegenden Solarzelle inverse Struktur besitzt und wo¬ bei die Strukturierung sämtlicher Solarzellenschichten iden¬ tisch ist, während die Strukturierung einer Elektrodenschicht x entsprechend der Strukturierung der Elektrodenschicht x - 2 erfolgt.8. The method as claimed in claim 7, in which at least one further thin-film solar cell and at least one further electrode layer are produced and structured above the third electrode layer by repeating steps g) to j), each further thin-film solar cell having a structure which is inverse to that of the solar cell underneath owns and where the structuring of all solar cell layers is identical, while the structuring of an electrode layer x takes place in accordance with the structuring of the electrode layer x - 2.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem zur Strukturie¬ rung der Solarzellen und der Elektrodenschichteπ ein Laser verwendet wird.9. The method according to claim 7 or 8, in which a laser is used for structuring the solar cells and the electrode layers.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem zur Strukturie¬ rung von Elektroden- und/oder .Solarzellenschichten eine Abhe¬ betechnik verwendet wird.10. The method according to claim 7 or 8, in which a lifting technique is used for structuring electrodes and / or .solar cell layers.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem ein Substrat aus Glas verwendet wird, als Elektrodenmaterial do¬ tierte Metalloxide eingesetzt werden, die Dünnschichtsolarzel¬ len aus amorphem Silizium (a-Si:H) mit pin Struktur hergestellt werden und die Anzahl n der übereinanderliegenden Solarzellen 2 bis 4 beträgt. 11. The method according to any one of claims 7 to 10, in which a substrate made of glass is used, doped metal oxides are used as the electrode material, the thin-film solar cells are made from amorphous silicon (a-Si: H) with a pin structure and the Number n of the superimposed solar cells is 2 to 4.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem als oberste Elektrodenschicht eine Metallschicht erzeugt wird, bei dem die Strukturierung der obersten Elektrodenschicht ein¬ schließlich der darunterliegenden Solarzelle mit einem Laser erfolgt, wobei durch das Substrat und durch die unter der zu strukturierenden Schicht liegenden transparenten Elektroden¬ schichten eingestrahlt wird. 12. The method according to any one of claims 7 to 11, in which a metal layer is produced as the top electrode layer, in which the structuring of the top electrode layer, including the underlying solar cell, is carried out with a laser, through the substrate and through the layer to be structured Layer lying transparent electrode layers is irradiated.
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