EP2671257A2 - Photovoltaik-baugruppe - Google Patents

Photovoltaik-baugruppe

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Publication number
EP2671257A2
EP2671257A2 EP12701139.3A EP12701139A EP2671257A2 EP 2671257 A2 EP2671257 A2 EP 2671257A2 EP 12701139 A EP12701139 A EP 12701139A EP 2671257 A2 EP2671257 A2 EP 2671257A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
solar cell
contact
metallization
photovoltaic module
protective diode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12701139.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Schilling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Azur Space Solar Power GmbH
Original Assignee
Azur Space Solar Power GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Azur Space Solar Power GmbH filed Critical Azur Space Solar Power GmbH
Publication of EP2671257A2 publication Critical patent/EP2671257A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/142—Energy conversion devices
    • H01L27/1421—Energy conversion devices comprising bypass diodes integrated or directly associated with the device, e.g. bypass diode integrated or formed in or on the same substrate as the solar cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02016—Circuit arrangements of general character for the devices
    • H01L31/02019—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02021—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H01L31/022441—Electrode arrangements specially adapted for back-contact solar cells
    • Y—GENERAL 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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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic assembly, comprising a carrier substrate made of silicon, a solar cell having a first and a second solar cell contact, in particular a concentrator solar cell, which is connected to the first solar cell contact on an upper side of the carrier substrate is a pn junction integrated in the carrier substrate to form a protection diode having a first protection diode contact and a second protection diode contact, which are connected in anti-parallel with the solar cell, wherein the first and the second protection diode contact each have a first and second surface area of the top of the carrier substrate forms.
  • a photovoltaic module known from DE-A-10 2008 055 475 comprises interconnected solar cells which emanate from a silicon substrate such that each of the solar cells is at least partially accommodated by the substrate surrounding the solar cell at least frame-like and in that the solar cells are connected via the carrier substrate or in the region uncovered by the carrier substrate. Furthermore, it is provided that a pn junction is formed in the carrier substrate to form a protective diode which is connected in antiparallel to the solar cell. The protective diode is connected on the one hand to a first solar cell contact (back contact) and, on the other hand, via a via contact to a second solar cell contact (front side contact).
  • bypass diodes are arranged on a circuit board, which emanate from a heat sink.
  • a lightweight solar module is described in DE-A-101 21 895. Several solar cells are arranged on a substrate.
  • a solar cell with a front side existing integrated protection diode is known from DE-A-100 56 214.
  • DE-A-10 2008 055 475 describes an arrangement of interconnected concentrator solar cells, which start from a receptacle over which the solar cells are connected.
  • the subject of DE-A-10 2010 027 747 is a photovoltaic module with back-contacted solar cells.
  • a solar cell is connected to a discrete protective diode which, in addition to a front and a back contact, has a third contact spaced from the front contact and electrically connected via a pn junction.
  • a solar module in integrated thin-film technology is described in EP-B-0 933 818.
  • Solar cells connected in series on the front side are known from US-A-2010/0089435.
  • the present invention is based on the object, a photovoltaic module of the type mentioned in such a way that the contacts of the protective diode to form a heat sink are designed as large as possible and a simple contacting of the solar cell is possible.
  • an application for concentrator solar cells should be possible.
  • the object is achieved according to the invention essentially in that the upper side of the carrier substrate is provided with an insulating layer, wherein in the first surface area a first contact window for the first protective diode contact and in the second surface area a second contact window for the second protective diode contact in that the first surface area has a first metallization conductively connected to the first contact window and the second surface area has a second metallization connected to the second contact window, the first and second metallization are formed as first and second metallization areas and the solar cell with the first solar cell contact flat on the first metallization surface and the second solar cell contact is connected via connectors to the second metallization.
  • the solar cell is located over the whole area or essentially over the entire area on a metallization forming a heat sink, which in turn is connected in an electrically conductive manner to one of the contacts of the protective diode.
  • the solar cell extends with its first solar cell contact such as backside contact on the first surface area, while the second solar cell contact such as front side contact with the second surface area, i. H. the second protective diode contact is connectable.
  • the invention provides that the upper side of the carrier substrate is provided with an insulating layer such as silicon oxide, wherein in the first surface area a first contact window for the first protective diode contact and in the second Surface area a second contact window for the second protection diode contact is formed.
  • an insulating layer such as silicon oxide
  • the first surface area has a first metallization which is conductively connected to the first contact window and the second surface area has a second metallization connected to the second contact window.
  • first and second metallization are preferably formed as lying in a plane first and second metallization, wherein the solar cell rests with its first solar cell contact over the entire surface on the first metallization and is connected via connectors to the second metallization.
  • a region of the first metallization area which receives the solar cell can preferably be enclosed at least in regions by the second metallization area, wherein the pn junction is preferably U-shaped in the carrier substrate and comprises a surface substantially corresponding to a contact area of the first solar cell contact equivalent.
  • the solar cell contacts and on the other hand, the protective diode contacts as surface areas of the carrier substrate ensures that the carrier substrate and in particular the metallization is also heat sink for the protective diode and the solar cell.
  • a back side of the carrier substrate may have a backside metallization, for example to allow a solder connection to another carrier.
  • the solar cell is designed as a concentrator solar cell, which can be covered with a secondary optic lens.
  • An outstanding and inventive feature is characterized in that the first protective diode contact in the form of an n- or p-conducting zone as the first surface region diffuses into the upper surface of the p- or n-conductive carrier substrate, in particular made of silicon, which forms the second surface region or implanted and has a U-shaped course.
  • the solar cell surrounds, wherein an edge of the substrate along the transverse leg and the adjacent edges at least partially, preferably completely along the side legs of the corresponding zone extend.
  • the n-type region is then electrically connected to the first metallization surface on which the solar cell is arranged.
  • a connection of the protective diode to the solar cell with simultaneous formation of a heat sink is possible in a simple manner.
  • the solar cell is covered by an optical element, in particular glued to it.
  • the front side of the carrier substrate and at least partially its peripheral sides can be covered by a sheathing, which is recessed at least above the solar cell, so that the solar cell can be acted upon with radiation.
  • the sheathing above the first and the second metallization should each have a recess such as windows in order to enable an interconnection of the solar cell.
  • the back side of the substrate on the other hand, should be jacket-free in order to allow heat dissipation to a heat sink downwards.
  • the photovoltaic assembly can be glued to an optical element such as lens, glass body, cover glass.
  • This optical element acts as Light catcher or entrance window for the solar cell.
  • the photovoltaic assembly can be surrounded by injection molding or molding with a suitable housing composition, in particular consisting of heat-resistant plastic, which is recessed in the area of the solar cell and is penetrated by it in particular in the presence of an optical element.
  • openings are provided in the region of the metallization, wherein in each case an opening such as contact window is embedded in the region of each metallization. The openings serve the electrical connection of the module.
  • the first and second metallization are separated in a plan view of the carrier substrate via a strip-shaped section of the insulating layer, that the portion of a center region of the substrate surrounding and parallel or approximately parallel to the U-shaped extending n- or p-type zone extending central portion with transverse and side legs and extending from the free ends of the side legs and parallel to the transverse leg outer portions, and that the solar cell is surrounded by the central portion.
  • the invention provides that at least from opposite sides of the second solar cell contact, in each case one connector, preferably in each case two connectors, extend or extend over one of the side limbs of the strip-shaped section of the insulation.
  • 1 is a plan view of a carrier substrate with integrated protection diode and surface side first and second protection diode contacts
  • 2a shows a top view of the photovoltaic module with carrier substrate with integrated protective diode and contacted solar cell
  • 2b shows a side view of the carrier substrate with integrated protective diode and contacted solar cell
  • 3a shows a plan view of the carrier substrate with insulation layer and contact windows
  • 3b is a side view of the carrier substrate in a sectional view along the
  • Fig. 4a is a plan view of the photovoltaic assembly according to FIG. 2a with partial sheathing and
  • Fig. 4b is a section along the line A-B in Fig. 4a.
  • FIGS. 2 a) and 2 b) show a photovoltaic module 10 in a schematic representation, comprising a carrier substrate 12, preferably of p-type silicon, a first and a second solar cell contact 28, 30 having solar cell 26, in particular concentrator solar cell, which runs with the first solar cell contact 28 on an upper side of the carrier substrate 12, and a pn junction integrated in the carrier substrate 12 to form a protective diode 14 having a first protective diode Contact 16 and a second protection diode contact 20, which is connected in anti-parallel with the solar cell 26.
  • FIG. 2 a shows a plan view of the photovoltaic module 10, wherein the solar cell 26 rests with the first solar cell contact 28 (rear contact) on the first surface area 18 and is conductively connected thereto.
  • the second solar cell contact 30 (front side contact) is connected via electrical connectors 32, 34 to the second surface region 22 and second protective diode contact 20, respectively, as soldered.
  • FIG. 3a) shows a schematic plan view
  • FIG. 3b) shows a schematic sectional view along the section line AB of the carrier substrate 12.
  • the carrier substrate 12 consists of p-type doped silicon 36, the top 38 and rear 40 each insulation layers 42, 44 preferably comprise silicon oxide.
  • an n-type region 46 is diffused or implanted, which together with the p-type substrate forms a pn junction of the protective diode 14.
  • FIG. 3 b shows that the silicon substrate 36 is made p-conductive as a whole, while in the upper side 38 the n-conducting zone 46 is diffused or implanted.
  • the first and second protection diode contacts 16, 20 are respectively formed as first and second contact windows 48, 50 in the insulating layer 42 of the silicon substrate 36, the first protection diode contact 16 as n-type contact and the second protection diode contact 20 as p-type contact is formed.
  • first and second surface regions 18, 22 each have a metallization 52, 54 which is conductive with the first or second contact window 48, 50 are connected.
  • the metallizations 52, 54 form the contact surfaces for, on the one hand, the first solar cell contact 28 and, on the other hand, the second solar cell contact 30 or the connectors 32, 34. Further, a backside metallization 56 may be provided on the back surface 40 of the silicon substrate 36 to facilitate solder connection of the carrier substrate 12 to another carrier (not shown).
  • the protective diode 14 is connected in reverse polarity parallel to the solar cell 26.
  • the pn junction 46 is U-shaped, comprising side legs 58, 62 and transverse legs 60, which limit the solar cell 26 substantially edge, and the insulation layer 24 separating the first and second surface regions 18, 22 or the metallizations 52, 54 surrounds a contour of the solar cell 26.
  • first and second metallizations 52, 54 extend over the surface of the insulating layer 42 running along the upper side 38, wherein a spacing is provided to the peripheral edge of the substrate 36, as illustrated in particular by FIGS. 3a and 3b.
  • the contacting with the respective U-shape contact windows 48, 50, which are nested, contacted flat metallizations 52, 54 have on the one hand a U-shape (metallization 54 of the p-type contact 20) and a T-shape (metallization 52 of the n-type contact 16), wherein the U-shape and the T-shape complement each other, that is, that the center leg of the T-shape extends within the area surrounding the legs of the U-shape.
  • the metallizations 52, 54 are separated by a strip-shaped portion 43 of the insulating layer 42, as the plan view of FIG. 3a illustrates.
  • the strip-shaped section 43 has a center section 45 extending in the center region of the substrate 36 with transverse limbs 47 and side limbs 49 and 51. From the free ends of the side legs 49 extend laterally projecting end portions 53, 55, which give parallel to the cross! 47 run. Within the portion 45 then extends the likewise a U-shaped aperture or the n-type contact 16 and outside of the central portion 45 of the p-type contact of the protective diode fourteenth
  • the solar cell 26 is then surrounded, as is apparent from the graphic representation of FIG. 2 a.
  • the solar cell 28 is arranged on the substrate 12 in the center region.
  • the invention offers over the prior art in addition to the integration of the protection diode 14 in the support substrate 12 has the advantage that first and second protective diode contact 16, 20 surface regions 18, 22 of the support substrate 12 form, so that in a simple way Solar cell 26 is mountable.
  • the carrier substrate serves as a heat sink, protective diode and carrier or circuit board.
  • a secondary optics can be mounted on the solar cell 26 on the solar cell 26, a secondary optics can be mounted.
  • FIGS. 4a, 4b a photovoltaic module 70 is shown which, according to the exemplary embodiment of FIGS. 1 to 3b, consists of a silicon substrate 12 with unprotected protective diode and protective diode contacts.
  • the solar cell 26 is arranged, the back-side contact extending flat on the metallization surface 52, which covers the surface region 18 of the substrate.
  • 4a also shows that the solar cell 26 is connected to the planar metallization region 54 via connectors 32, 34, whereby the metallization areas 52, 54 are electrically insulated from each other by the strip-shaped portion 43 of the insulating layer 42.
  • the photovoltaic assembly 70 is surrounded by a sheath 72 which extends along the top and at least partially along the peripheral sides of the substrate 12.
  • the jacket can be produced by injection molding or molding of heat-resistant plastic.
  • the sheathing 72 is recessed in order to place an optical element such as a lens, glass body or cover glass on the upper side of the solar cell 26 and preferably to adhere to it.
  • openings such as windows 74, 76 are located in the area of the metalizations 52, 54, in order to enable an interconnection of the solar cell 26.
  • an electrically conductive connection can be formed via a the window 74, which uncovered the metallization surface 54 in regions, with the n-side contact of the solar cell 26 and the window 76, which exposes the metallization surface 52 in regions, with the p-side contact of the solar cell 26, an electrically conductive connection can be formed.
  • the jacket 72 is also present to allow heat dissipation.

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Description

Photovoltaik-Baugruppe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Photovoltaik-Baugruppe, umfassend ein Träger- Substrat aus Silizium, eine einen ersten und einen zweiten Solarzellen- Kontakt aufweisende Solarzelle, insbesondere Konzentrator-Solarzelle, die mit dem ersten Solarzellen- Kontakt auf einer Oberseite des Träger-Substrates verbunden ist, einen in dem Träger- Substrat integrierten pn-Übergang zur Bildung einer Schutzdiode mit einem ersten Schutzdioden-Kontakt und einem zweiten Schutzdioden- Kontakt, die mit der Solarzelle antiparallel verschaltet sind, wobei der erste und der zweite Schutzdioden-Kontakt jeweils einen ersten und zweiten Oberflächenbereich der Oberseite des Träger-Substrats bildet.
Eine aus der DE-A-10 2008 055 475 bekannte Photovoltaik-Baugruppe umfasst untereinander verschaltete Solarzellen, die von einem Träger- Substrat aus Silizium derart ausgehen, dass jede der Solarzellen zumindest abschnittsweise von dem die Solarzelle zumindest rahmenartig umgebenden Träger-Substrat aufgenommen ist und dass die Solarzellen über das Träger-Substrat oder in von dem Träger-Substrat unbedecktem Bereich verschaltet sind. Des Weiteren ist vorgesehen, dass in dem Träger-Substrat zur Bildung einer Schutzdiode, die antiparallel zu der Solarzelle geschaltet ist, ein pn- Übergang ausgebildet ist. Die Schutzdiode ist zum einen mit einem ersten Solarzellenkontakt (Rückseitenkontakt) und zum anderen über eine Durchkontaktierung mit einem zweiten Solarzellenkontakt (Frontseitenkontakt) verbunden. Weitere Angaben zur Ausführung des pn-Übergangs und der Schutzdiode sind der DE-A-10 2008 055 475 nicht zu entnehmen. Eine Photovoltaik-Baugruppe der eingangs genannten Art ist der DE-T-689 23 061 zu entnehmen. Die Solarzelle liegt unmittelbar auf dem Substrat auf, so dass eine gute Wärmeableitung nicht möglich ist.
Bei einer Photovoltaik-Baugruppe nach der US-B-7,592,536 sind Bypass-Dioden auf einer Platine angeordnet, die von einem Kühlkörper ausgehen.
Ein leichtgewichtiges Solarmodul wird in der DE-A-101 21 895 beschrieben. Dabei sind mehrere Solarzellen auf einem Substrat angeordnet.
Eine Solarzelle mit einer frontseitig vorhandenen integrierten Schutzdiode ist aus der DE- A- 100 56 214 bekannt.
Die DE-A-10 2008 055 475 beschreibt eine Anordnung von untereinander verschalteten Konzentrator-Solarzellen, die von einer Aufnahme ausgehen, über die die Solarzellen verschaltet sind.
Gegenstand der DE-A-10 2010 027 747 ist ein Photovoltaik-Modul mit rückseitenkon- taktierten Solarzellen.
Bei einer Solarzellenanordnung nach der DE-A-10 2004 044 061 ist eine Solarzelle mit einer diskreten Schutzdiode verbunden, die neben einem Front- und einem Rückkontakt einen zu dem Frontkontakt beabstandeten und elektrisch über einen pn-Übergang verbundenen dritten Kontakt aufweist.
Ein Solarmodul in integrierter Dünnschichttechnik wird in der EP-B-0 933 818 beschrieben.
Auf der Rückseite einer Solarzelle nach der US-A-2004/0089339 ist eine Schutzdiode angeordnet.
Frontseitig seriell verschaltete Solarzellen sind aus der US-A-2010/0089435 bekannt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Photovoltaik- Baugruppe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Kontakte der Schutzdiode zur Bildung einer Wärmesenke möglichst großflächig ausgebildet sind und eine einfache Kontaktierung der Solarzelle ermöglicht wird. Auch soll insbesondere eine Anwendung für Konzentrator-Solarzellen möglich sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Oberseite des Träger-Substrats mit einer Isolationsschicht versehen ist, wobei in dem ersten Oberflächenbereich ein erstes Kontaktfenster für den ersten Schutzdioden-Kontakt und in dem zweiten Oberflächenbereich ein zweites Kontaktfenster für den zweiten Schutzdioden-Kontakt ausgebildet ist, dass der erste Oberflächenbereich eine mit dem ersten Kontaktfenster leitend verbundene erste Metallisierung und der zweite Oberflächenbe- reich eine mit dem zweiten Kontaktfenster verbundene zweite Metallisierung aufweist, dass die erste und die zweite Metallisierung als erste und zweite Metallisierungsfläche ausgebildet sind und dass die Solarzelle mit dem ersten Solarzellen-Kontakt flächig auf der ersten Metallisierungsfläche aufliegt und der zweite Solarzellen-Kontakt über Verbinder mit der zweiten Metallisierungsfläche verbunden ist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre liegt die Solarzelle vollflächig oder im Wesentlichen vollflächig auf einer eine Wärmesenke bildenden Metallisierung auf, die ihrerseits elektrisch leitend mit einem der Kontakte der Schutzdiode verbunden ist. Somit verläuft die Solarzelle mit ihrem ersten Solarzellenkontakt wie Rückseitenkontakt auf dem ersten Oberflächenbereich, während der zweite Solarzellenkontakt wie Frontseitenkontakt mit dem zweiten Oberflächenbereich, d. h. dem zweiten Schutzdiodenkontakt verbindbar ist.
Um eine möglichst große Kontaktfläche für die ersten und zweiten Solarzellenkontakte zu erhalten, sieht die Erfindung vor, dass die Oberseite des Träger- Substrats mit einer Isolationsschicht wie Siliziumoxid versehen ist, wobei in dem ersten Oberflächenbe- reich ein erstes Kontaktfenster für den ersten Schutzdioden-Kontakt und in dem zweiten Oberflächenbereich ein zweites Kontaktfenster für den zweiten Schutzdioden- Kontakt ausgebildet ist.
Zur weiteren Verbesserung der Kontaktierung und Wärmeableitung ist vorgesehen, dass der erste Oberflächenbereich eine mit dem ersten Kontaktfenster leitend verbundene erste Metallisierung und der zweite Oberflächenbereich eine mit dem zweiten Kontaktfenster verbundene zweite Metallisierung aufweist.
Dabei sind die erste und zweite Metallisierung als vorzugsweise in einer Ebene liegende erste und zweite Metallisierungsflächen ausgebildet, wobei die Solarzelle mit ihrem ersten Solarzellen-Kontakt vollflächig auf der ersten Metallisierungsfläche aufliegt und über Verbinder mit der zweiten Metallisierungsfläche verbunden ist.
Ein die Solarzelle aufnehmender Bereich der ersten Metallisierungsfläche kann vorzugsweise zumindest bereichsweise von der zweiten Metallisierungsfläche eingeschlossen sein, wobei vorzugsweise der pn-Übergang U-förmig in dem Träger-Substrat ausgebildet ist und eine Fläche umfasst, die im Wesentlichen einer Kontaktfläche des ersten Solarzellen-Kontaktes entspricht.
Aufgrund der großflächigen Ausbildung einerseits der Solarzellen-Kontakte und andererseits der Schutzdioden-Kontakte als Oberflächenbereiche des Träger-Substrates ist gewährleistet, dass das Träger- Substrat und insbesondere die Metallisierungsflächen gleichzeitig auch Wärmesenke für die Schutzdiode und die Solarzelle ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann eine Rückseite des Träger- Substrats eine Rückseiten-Metallisierung aufweisen, um beispielsweise eine Lötverbindung zu einem weiteren Träger zu ermöglichen.
Vorzugsweise ist die Solarzelle als Konzentrator- Solarzelle ausgebildet, wobei diese mit einer Sekundäroptiklinse abdeckbar ist. Ein hervorzuhebendes und eigenerfinderisches Merkmal zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Schutzdioden- Kontakt in Form einer n- oder p- leitende Zone als erster Oberflächenbereich in die den zweiten Oberflächenbereich bildende Oberseite des p- oder n- leitenden Träger-Substrats insbesondere aus Silizium eindiffundiert oder implantiert ist und einen U-förmigen Verlauf aufweist.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die einen U-förmigen Verlauf aufweisende Zone, also z. B. eine n-leitende Zone, wenn das Substrat p-leitend ist, die Solarzelle umgibt, wobei eine Kante des Substrats sich entlang des Querschenkels und die angrenzenden Kanten zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig entlang der Seitenschenkel der entsprechenden Zone erstrecken.
Die n-leitende Zone ist sodann elektrisch leitend mit der ersten Metallisierungsfläche verbunden, auf der die Solarzelle angeordnet ist. Somit ist auf einfache Weise ein Verschalten der Schutzdiode mit der Solarzelle bei gleichzeitiger Bildung einer Wärmesenke möglich.
In weiterer hervorzuhebender Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Solarzelle von einem optischen Element abgedeckt, insbesondere mit diesem verklebt ist.
Ferner können die Frontseite des Trägersubstrats und zumindest bereichsweise dessen Umfangsseiten von einer Ummantelung abgedeckt sein, die zumindest oberhalb der Solarzelle ausgespart ist, so dass die Solarzelle mit Strahlung beaufschlagt werden kann.
Des Weiteren sollte die Ummantelung oberhalb der ersten und der zweiten Metallisierung jeweils eine Aussparung wie Fenster aufweisen, um eine Verschaltung der Solarzelle zu ermöglichen. Die Rückseite des Substrats sollte demgegenüber ummantelungs- frei sein, um eine Wärmeableitung zu einer Wärmesenke nach unten hin zu ermöglichen.
Mit anderen Worten kann die Photovoltaik-Baugruppe mit einem optischen Element wie Linse, Glaskörper, Deckglas verklebt sein. Dieses optische Element wirkt als Lichtfänger oder Eintrittsfenster für die Solarzelle. Durch Spritzguss oder Molding kann des Weiteren die Photovoltaik-Baugruppe mit einer geeigneten Gehäusemasse, insbesondere bestehend aus wärmebeständigem Kunststoff, umgeben sein, der im Bereich der Solarzelle ausgespart ist und insbesondere bei Vorhandensein eines optischen Elements von diesem durchsetzt wird. Ferner sind Öffnungen im Bereich der Metallisierung vorgesehen, wobei vorzugsweise im Bereich jeder Metallisierung jeweils eine Öffnung wie Kontaktfenster eingelassen ist. Die Öffnungen dienen der elektrischen Verschaltung der Baugruppe.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste und zweite Metallisierung in Draufsicht auf das Trägersubstrat über einen streifenförmig verlaufenden Abschnitt der Isolationsschicht getrennt sind, dass der Abschnitt aus einem Mittenbereich des Substrats umgebenden und sich parallel oder in etwa parallel zu der U-förmig verlaufenden n- oder p-leitenden Zone erstreckenden mittleren Abschnitt mit Quer- und Seitenschenkeln und von den freien Enden der Seitenschenkel und parallel zu dem Querschenkel verlaufenden äußeren Abschnitten besteht, und dass die Solarzelle von dem mittleren Abschnitt umgeben ist.
Ferner sieht die Erfindung vor, dass zumindest von gegenüberliegenden Seiten des zweiten Solarzellenkontakts jeweils ein Verbinder, vorzugsweise jeweils zwei Verbinder ausgehen, der bzw. die sich über einen der Seitenschenkel des streifenförmigen Abschnitts der Isolation erstreckt bzw. erstrecken.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht eines Träger- Substrats mit integrierter Schutzdiode und oberflächenseitigen ersten und zweiten Schutzdioden-Kontakten, Fig. 2a eine Draufsicht der Photovoltaik-Baugruppe mit Träger-Substrat mit integrierter Schutzdiode und kontaktierter Solarzelle,
Fig. 2b eine Seitenansicht des Träger-Substrats mit integrierter Schutzdiode und kontaktierter Solarzelle,
Fig. 3a eine Draufsicht des Träger- Substrats mit Isolationsschicht und Kontaktfenstern,
Fig. 3b eine Seitenansicht des Träger-Substrats in Schnittdarstellung entlang der
Linie A-B mit Metallisierung, Isolations schichten und eingebauter Schutzdiode,
Fig. 4a eine Draufsicht auf die Photovoltaik-Baugruppe gemäß Fig. 2a mit teilweiser Ummantelung und
Fig. 4b einen Schnitt entlang der Linie A-B in der Fig. 4a.
Die Fig. 1 sowie die Fig. 2a) und 2b) zeigen eine Photovoltaik-Baugruppe 10 in sche- matischer Darstellung, umfassend ein Träger-Substrat 12, vorzugsweise aus p-leitendem Silizium, eine einen ersten und einen zweiten Solarzellen- Kontakt 28, 30 aufweisende Solarzelle 26, insbesondere Konzentrator-Solarzelle, die mit dem ersten Solarzellen- Kontakt 28 auf einer Oberseite des Träger-Substrates 12 verläuft, sowie einen in dem Träger- Substrat 12 integrierten pn-Übergang zur Bildung einer Schutzdiode 14 mit einem ersten Schutzdioden- Kontakt 16 und einem zweiten Schutzdioden- Kontakt 20 , die mit der Solarzelle 26 antiparallel verschaltet ist.
Der erste und zweite Schutzdioden- Kontakt 16, 20 bilden jeweils einen ersten und zweiten Oberflächenbereich 18, 22 der Oberseite 38 des Träger- Substrats 12. Fig. 2a zeigt eine Draufsicht der Photovoltaik-Baugruppe 10, wobei die Solarzelle 26 mit dem ersten Solarzellen-Kontakt 28 (Rückseitenkontakt) auf dem ersten Oberflä- chenbereich 18 aufliegt und mit diesem leitend verbunden ist. Der zweite Solarzellen- Kontakt 30 (Frontseitenkontakt) ist über elektrische Verbinder 32, 34 mit dem zweiten Oberflächenbereich 22 bzw. zweiten Schutzdioden-Kontakt 20 verbunden wie verlötet.
Die Fig. 3a) zeigt eine schematische Draufsicht und die Fig. 3b) eine schematische Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-B des Träger-Substrats 12. Das Träger- Substrat 12 besteht aus p-leitend dotiertem Silizium 36, deren Oberseite 38 und Rückseite 40 jeweils Isolations schichten 42, 44 aus vorzugsweise Siliziumoxid aufweisen. In die Oberseite 38 des vorzugsweise p-leitend ausgebildeten Silizium- Substrats 36 ist eine n-leitende Zone 46 eindiffundiert bzw. implantiert, welche zusammen mit dem p- leitenden Substrat einen pn-Übergang der Schutzdiode 14 bildet.
Die Fig. 3b) zeigt, dass das Silizium-Substrat 36 insgesamt p-leitend ausgebildet ist, während in der Oberseite 38 die n-leitende Zone 46 eindiffundiert bzw. implantiert ist.
Der erste und zweite Schutzdioden- Kontakt 16, 20 sind jeweils als ein erstes und zweites Kontaktfenster 48, 50 in der Isolationsschicht 42 des Siliziumsubstrats 36 ausgebildet, wobei der erste Schutzdioden- Kontakt 16 als n-leitender Kontakt und der zweite Schutzdioden-Kontakt 20 als p-leitender Kontakt ausgebildet ist.
Um eine möglichst großflächige Kontaktierung mit den ersten und zweiten Kontakten 28, 30 der Solarzelle 26 zu erreichen ist vorgesehen, dass der erste und zweite Oberflä- chenbereich 18, 22 jeweils eine Metallisierung 52, 54 aufweisen, die leitend mit dem ersten bzw. zweiten Kontaktfenster 48, 50 verbunden sind.
Die Metallisierungen 52, 54 bilden die Kontaktflächen für einerseits den ersten Solarzellen-Kontakt 28 und andererseits den zweiten Solarzellen- Kontakt 30 bzw. die Verbinder 32, 34. Ferner kann eine Rückseiten-Metallisierung 56 auf der Rückseite 40 des Silizium- Substrats 36 vorgesehen sein, um eine Lötverbindung des Träger- Substrats 12 mit einem weiteren Träger (nicht dargestellt) zu ermöglichen.
Die Schutzdiode 14 wird in umgekehrter Polarität parallel zu der Solarzelle 26 verschaltet.
Um eine möglichst großflächige Auflage für den ersten Solarzellenkontakt 28 (Unterseitenkontakt) zu erreichen, ist vorgesehen, dass der pn-Übergang 46 U-förmig ausgebildet ist, umfassend Seitenschenkel 58, 62 und Querschenkel 60, welche die Solarzelle 26 im Wesentlichen randseitig begrenzen, und die die ersten und zweiten Oberflächenbereiche 18, 22 bzw. die Metallisierungen 52, 54 trennende Isolierschicht 24 eine Kontur der Solarzelle 26 umrandet.
Man erkennt folglich, dass sich die erste und zweite Metallisierung 52, 54 flächig über der entlang der Oberseite 38 verlaufenden Isolationsschicht 42 erstreckt, wobei zum Umfangsrand des Substrats 36 eine Beabstandung gegeben ist, wie insbesondere die Fig. 3a und 3b verdeutlichen.
Die mit den jeweils eine U-Form aufweisenden Kontaktfenstern 48, 50, die ineinander geschachtelt sind, kontaktierten flächigen Metallisierungen 52, 54 weisen zum einen eine U-Form (Metallisierung 54 des p-leitenden Kontakts 20) bzw. eine T-Form (Metallisierung 52 des n-leitenden Kontakt 16) auf, wobei sich die U-Form und die T-Form einander ergänzen, d. h., dass der Mittelschenkel der T-Form sich innerhalb des von den Schenkeln der U-Form umgebenden Bereichs erstreckt. Die Metallisierungen 52, 54 sind durch einen streifenförmigen Abschnitt 43 der Isolations Schicht 42 getrennt, wie die Draufsicht gemäß Fig. 3a verdeutlicht. Dabei weist der streifenförmige Abschnitt 43 einen im Mittenbereich des Substrats 36 verlaufenden mittleren Abschnitt 45 mit Querschenkel 47 und Seitenschenkeln 49 und 51 auf. Von den freien Enden der Seitenschenkel 49 verlaufen seitlich abragende Endabschnitte 53, 55, die parallel zu dem Quer schenke! 47 verlaufen. Innerhalb des Abschnitts 45 erstreckt sich sodann die gleichfalls eine U-Form aufweisende Durchbrechung bzw. der n-leitende Kontakt 16 und außerhalb des mittleren Abschnitts 45 der p-leitende Kontakt der Schutzdiode 14.
Von den Quer- und Seitenschenkeln 47, 49, 51 des mittleren Abschnitts 45 ist sodann die Solarzelle 26 umgeben, wie sich aus der zeichnerischen Darstellung der Fig. 2 a ergibt.
Ferner erkennt man, dass die Solarzelle 28 im Mittenbereich auf dem Substrat 12 angeordnet ist.
Die Erfindung bietet gegenüber dem Stand der Technik neben der Integration der Schutzdiode 14 in das Träger- Substrat 12 den Vorteil, dass erster und zweiter Schutzdioden-Kontakt 16, 20 Oberflächenbereiche 18, 22 des Träger-Substrats 12 bilden, so dass in einfacher Weise die Solarzelle 26 montierbar ist. Gleichzeitig dient das Träger- Substrat als Wärmesenke, Schutzdiode und Träger bzw. Platine.
Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere Photovoltaik-Baugruppen 10 auf einer großen Halbleiterscheibe herzustellen, um den Nutzen zu erhöhen.
Auf die Solarzelle 26 kann eine Sekundäroptik aufmontiert werden.
Eine entsprechende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lehre soll prinzipiell anhand der Fig. 4a und 4b erläutert werden. So ist in den Figuren 4a, 4b eine Photovol- taik-Baugruppe 70 dargestellt, die entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3b aus einem Siliziumsubstrat 12 mit nicht gekennzeichneter Schutzdiode und Schutzdiodenkontakten besteht. Im Mittenbereich - wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.1 bis 3b - ist die Solarzelle 26 angeordnet, wobei sich der Rückseitenkontakt flächig auf der Metallisierungsfläche 52 erstreckt, die den Oberflächenbereich 18 des Substrats abdeckt. Insoweit wird auf die zuvor erfolgten Erläuterungen hingewiesen. Auch erkennt man aus der Draufsicht der Fig. 4a, dass die Solarzelle 26 über Verbinder 32, 34 mit dem flächigen Metallisierungsbereich 54 verbunden ist, wobei die Metallisierungs- bereiche 52, 54 durch den streifenförmigen Abschnitt 43 der Isolationsschicht 42 voneinander elektrisch isoliert sind.
Abweichend von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3b ist die Photovoltaik- Baugruppe 70 von einer Ummantelung 72 umgeben, die sich entlang der Oberseite und zumindest bereichsweise entlang der Umfangsseiten des Substrats 12 er-streckt. Die Ummantelung kann durch Spritzgießen oder Molding von wärmebeständigem Kunststoff hergestellt werden. Im Bereich der Solarzelle 26 ist die Ummantelung 72 ausgespart, um ein optisches Element wie Linse, Glaskörper oder Deckglas auf die Oberseite der Solarzelle 26 aufzusetzen und mit dieser vorzugsweise zu verkleben.
Ferner befinden sich im Bereich der Metallsierungen 52, 54 Durchbrechungen wie Fenster 74, 76, um eine Verschaltung der Solarzelle 26 zu ermöglichen. Über das Fenster 74, das die Metallisierungsfläche 54 bereichsweise freilegt, kann mit dem n-seitigen Kontakt der Solarzelle 26 und dem Fenster 76, das die Metallisierungsfläche 52 bereichsweise freilegt, mit dem p-seitigen Kontakt der Solarzelle 26 eine elektrisch leitende Verbindung gebildet werden.
Entlang der Unterseite 78 des Siliziumträgers 36 ist die Ummantelung 72 gleichfalls vorhanden, um eine Wärmeableitung zu ermöglichen.

Claims

Patentansprüche
Photovoltaik-Baugruppe
1. Photovoltaik-Baugruppe (10, 70), umfassend
- ein Träger- Substrat (12) aus Silizium,
- eine einen ersten und einen zweiten Solarzellen- Kontakt (28, 30) aufweisende Solarzelle (26), insbesondere Konzentrator-Solarzelle, die mit dem ersten Solarzellen-Kontakt (28) auf einer Oberseite (38) des Träger-Substrates (12) verbunden ist,
- einen in dem Träger-Substrat (12) integrierten pn-Übergang (46) zur Bildung einer Schutzdiode (14) mit einem ersten Schutzdioden-Kontakt (16) und einem zweiten Schutzdioden-Kontakt (20), die mit der Solarzelle (26) antiparallel verschaltet sind, wobei
der erste und zweite Schutzdioden- Kontakt (16, 20) jeweils einen ersten und zweiten Oberflächenbereich (18, 22) der Oberseite (38) des Träger-Substrats (12) bildet,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Oberseite (38) des Träger- Substrats (12) mit einer Isolationsschicht (42) versehen ist, wobei in dem ersten Oberflächenbereich (18) ein erstes Kontaktfenster (50) für den ersten Schutzdioden-Kontakt (16) und in dem zweiten Oberflä- chenbereich (22) ein zweites Kontaktfenster (48) für den zweiten Schutzdioden- Kontakt (20) ausgebildet ist,
dass der erste Oberflächenbereich (18) eine mit dem ersten Kontaktfenster (50) leitend verbundene erste Metallisierung (52) und der zweite Oberflächenbereich (22) eine mit dem zweiten Kontaktfenster (48) verbundene zweite Metallisierung (54) aufweist,
dass die erste und die zweite Metallisierung als erste und zweite Metallisierungsfläche ausgebildet sind und dass die Solarzelle (26) mit dem ersten Solarzellen- Kontakt (28) flächig auf der ersten Metallisierungsfläche aufliegt und der zweite Solarzellen- Kontakt (30) über Verbinder (34, 32) mit der zweiten Metallisierungsfläche verbunden ist.
2. Photovoltaik-Baugruppe von Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Metallisierungsflächen (52, 54) in einer Ebene verlaufen.
3. Photovoltaik-Baugruppe von Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Schutzdioden-Kontakt (16) in Form einer n- oder p- leitende Zone (46) als erster Oberflächenbereich (18) in die den zweiten Oberflächenbereich (22) bildende Oberseite (38) des p- oder n- leitenden Träger-Substrats (12) insbesondere aus Silizium eindiffundiert oder implantiert ist und einen U-förmigen Verlauf aufweist.
4. Photovoltaik-Baugruppe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die n- oder p-leitende Zone (46) eine Fläche begrenzt, die einer oder im Wesentlichen einer Kontaktfläche des ersten Solarzellen-Kontaktes (28) entspricht.
5. Photovoltaik-Baugruppe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Solarzelle (26) einen Bereich der ersten Metallisierungsfläche (52) abdeckt, der sich innerhalb der zweiten Metallisierungsfläche (54) erstreckt.
6. Photovoltaik-Baugruppe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Träger-Substrat (12) eine Rückseiten-Isolations Schicht (44) wie Siliziumoxid-Schicht und/oder eine Rückseiten-Metallisierung (56) aufweist.
7. Photovoltaik-Baugruppe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Solarzelle (26) eine CPV-Konzentrator-Solarzelle ist.
8. Photovoltaik-Baugruppe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Metallisierung bzw. Metallisierungen (52, 54, 56) eine Wärmesenke für zumindest die Solarzelle (26), insbesondere für die Schutzdiode (14) und die Solarzelle bildet bzw. bilden.
9. Photovoltaik-Baugruppe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Solarzelle (26) von einem optischen Element (80) abgedeckt, insbesondere mit diesem verklebt ist.
10. Photovoltaik-Baugruppe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Frontseite des Trägersubstrats (12, 36) und zumindest bereichsweise dessen Umfangs Seiten von einer Ummantelung (72) abgedeckt sind, die zumindest oberhalb der Solarzelle (26) ausgespart ist.
11. Photovoltaik-Baugruppe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ummantelung (72) oberhalb der ersten und der zweiten Metallisierung (52, 54) jeweils eine Aussparung (74, 76) aufweist.
12. Photovoltaik-Baugruppe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass Rückseite (74) des Substrats (12, 36) ummantelungsfrei ist.
13. Photovoltaik-Baugruppe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste und die zweite Metallisierung (52, 54) in Draufsicht auf das Träger- Substrat (12, 36) über einen streifenförmig verlaufenden Isolationsabschnitt (43) der Isolierschicht (42) getrennt sind, dass der Isolationsabschnitt aus einem Mittenbereich des Substrats umgebenden und sich parallel oder in etwa parallel zu der U-förmig verlaufenden n- oder p-leitenden Zone (46) erstreckenden mittleren Abschnitt (45) mit Quer- und Seitenschenkeln (48, 49, 51) und von freien Enden der Seitenschenkel und parallel zu dem Querschenkel verlaufenden äußeren Abschnitten (53, 55) besteht, wobei die Solarzelle von dem mittleren Abschnitt umgeben ist bzw. innerhalb von diesem verläuft.
Photovoltaik-Baugruppe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest von zwei gegenüberliegenden Seiten des zweiten Solarzellenkontakts (30) jeweils ein Verbinder (32, 34) ausgeht, der sich über einen der Seitenschenkel des streifenförmigen Abschnitts (43) der Isolierschicht (42) erstreckt.
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