EP3782204A1 - Solarzelle und photovoltaikmodul - Google Patents

Solarzelle und photovoltaikmodul

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Publication number
EP3782204A1
EP3782204A1 EP19720511.5A EP19720511A EP3782204A1 EP 3782204 A1 EP3782204 A1 EP 3782204A1 EP 19720511 A EP19720511 A EP 19720511A EP 3782204 A1 EP3782204 A1 EP 3782204A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
solar cell
layer
metallization
layer stack
Prior art date
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Pending
Application number
EP19720511.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas BEINERT
Ulrich Eitner
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3782204A1 publication Critical patent/EP3782204A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
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    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a solar cell with a layer stack and to a photovoltaic module with solar cells. Further exemplary embodiments relate to a production method of the solar cell and to a production method for the photovoltaic module. Preferred embodiments relate to a solar cell or a photovoltaic module with integrated sensors.
  • Solar cells are the core of a photovoltaic module (PV module), failing this, the electrical performance of the entire module is minimized.
  • PV module photovoltaic module
  • the mechanical stress of a solar cell can not be measured in situ so far. Since the mechanical stress can lead to fractures in the solar cells and thus to (partial) failure, it is relevant to know the mechanical stress in the solar cells themselves. This is relevant in the development of PV modules, as it allows the design to be better tailored to the mechanical stress. In operation, operators are allowed to detect when a module has experienced critical stresses. This allows operators to carry out targeted inspections.
  • the temperature has an influence on the electrical power of the solar cells. Therefore, it is of particular interest in the development of PV modules of the temperature of the solar cell under certain conditions to know exactly. In addition, in the operation of PV modules by increased temperatures relative to adjacent PV modules, or solar cells certain failure mechanisms, such as delamination and hot spots through shaded, broken or electrically mismatched solar cells can be identified.
  • Moisture in the PV module can z. B. lead to corrosion of the solar cell and cell connectors or yellowing of the encapsulation. This minimizes the electrical power of the PV module. Therefore, it is desirable to detect prematurely increased moisture in the PV module in order to take countermeasures.
  • PV modules have not undergone preventive measurements of stress, temperature or humidity. So far, only the consequences of excessive mechanical stress and moisture are determined.
  • z As electroluminescence or infrared images used. To detect the reduction in electrical power, current-voltage characteristics are recorded. For this, the PV modules have to be partially removed in order to be examined in a test laboratory. Even with increased humidity so far only the consequences, such.
  • B "hot-spot" formation detected by infrared images.
  • strain gauges have hitherto been applied to the solar cell in order to measure the mechanical stress in situ.
  • laboratory methods exist, such as synchrotron micro-X-ray diffraction [1, 2] and micro-Raman spectroscopy [3-5].
  • synchrotron micro-X-ray diffraction [1, 2]
  • micro-Raman spectroscopy [3-5].
  • both methods are not suitable for in-situ measurements during operation or in usual degradation tests of the module.
  • the temperature can be determined according to the prior art as follows:
  • commercially available temperature sensors such as measuring resistors or thermocouples are used. As already described above, however, these can only be placed next to or between the solar cells. Therefore, not the temperature of the solar cell, but the encapsulation is measured.
  • the object of the present invention to provide a concept which, during production and / or during operation, enables the determination of environmental parameters which have an influence on the solar cell and the PV module.
  • Embodiments of the present invention provide a solar cell with a layer stack.
  • the layer stack has at least one substrate, a doped region and a metallization structure.
  • a sensor such as a thermocouple, a thermocouple, or a thermocouple, or a thermocouple, or a thermocouple, or a thermocouple, or a thermocouple, or a thermocouple, or a thermocouple, or a thermocoupleg., thermocoupleasonic sensor, or a thermocoupleas, a thermocoupleas, or a sensor for determining the mechanical stress.
  • Embodiments of the present invention are based on the recognition that the layers of the layer stack, of which the solar cell essentially consists, are suitable for being provided directly in the manufacturing process with regions or elements which together form a sensor.
  • temperature sensors eg resistance thermometer in a metallization
  • sensors for determining the mechanical stress strain gauge, sensor partially integrated in the doping layer or generally the substrate and partially integrated into the metallization layer.
  • the integration is cost-effective, since no additional manufacturing steps are necessary to the steps anyway applied for the solar cell processing and, as a result, enables a solar cell or, after additional steps, to produce a photovoltaic module having sensors which during operation and / or also during production (eg during processing of the solar cell to the photovoltaic module) can be read out.
  • a solar cell with a sensor that forms a strain gauge or a piezoresistive strain gauge.
  • the strain gauge sensor or the piezoresistive strain gauge sensor is formed by a (local) doping in a layer stack level of the layer stack. It is also conceivable that even a lateral region of the solar cell itself is used, so that advantageously no solar cell surface is claimed.
  • This strain gauge or piezoresistive strain gauge advantageously allows the monitoring of deformations of the solar cell, z. B. during the packaging of the photovoltaic module.
  • a particular advantage is that it determines exactly the mechanical stress that acts on the critical area, namely the substrate (and not just a mechanical stress in one of the lamination layers or an adjacent layer).
  • such strain gauges or piezoresistive strain gauges change depending on the prevailing mechanical stress, e.g. in the substrate, a resistance of the doped region in the substrate, which can be read by external means.
  • a solar cell with a temperature sensor as a sensor.
  • the temperature sensor may be integrated into the metallization structure, wherein the temperature sensor is formed, for example, by one or more metallization paths in the plane of the metallization structure.
  • This temperature sensor is simple and thus inexpensive to manufacture and allows good monitoring of the solar cell temperature in a relevant for the life or operation range (local area of the solar cell as opposed to a local area in another position of the photovoltaic module).
  • a solar cell with a humidity sensor as a sensor.
  • this moisture sensor is powered by a capacitor, such.
  • a capacitor As a comb capacitor, formed in conjunction with a moisture-sensitive material / polymer.
  • the moisture-sensitive polymer has one of the humidity dependent dielectric constant. As a result of a change in the dielectric constant, the capacitance of the capacitor changes, so that based on this, the ambient humidity can be determined.
  • the moisture-sensitive polymer may be realized by an encapsulating polymer in the form of a bonding layer to a laminating layer (see making the photovoltaic module) or formed in the form of the laminating layer of the photovoltaic module itself.
  • the polymer (encapsulation polymer) is introduced onto and in particular between metallization paths of the capacitor or of the comb capacitor.
  • this capacitor is formed in the layer of the metallization structure or by the Metailmaschines Modell itself. This is easily possible, for example, by arranging two metallization tracks laterally opposite one another in the layer of the metallization structure. Analogous to the other sensors, this sensor provides the advantages that it can be produced inexpensively and that the quantity to be measured is determined from a local point of view where the measured variable is relevant for the solar cell, namely at the core of the plurality of layers of a photovoltaic module.
  • the above-described sensors or generally integrated into the solar cell sensors can be powered by the solar cell itself with energy.
  • the sensor is then connected to the energy-generating structure of the solar cell, which is thus designed to supply the sensor with power.
  • the solar cell may also comprise a transmission unit, which is designed to z. B. by radio or via the existing anyway contacting tracks to transmit the sensor signal.
  • the sensor signal is coupled out via a radio module additionally integrated in the solar cell or the PV module, or the sensor signal is modulated onto a power signal of the solar cell and / or of the photovoltaic module.
  • This variant further increases the autonomy of the sensors, so that no additional read-out contacts are provided.
  • the doped region can, for example, have the function of an emitter layer.
  • the metallization structure is then arranged on the doped region in accordance with exemplary embodiments and forms the electrode.
  • the doped region in turn rests on the substrate or is formed in the substrate.
  • the substrate likewise has a doping that differs from the doped emitter region according to exemplary embodiments.
  • additional layers such as z. B. on the opposite side a further doped region and a further metallization be easilybiidet.
  • the layer stack has an antireflection layer.
  • an insulation layer to be provided in the region of the metallization paths between the doped region and the metallization paths, which isolates the metallization path from the doped region or from the substrate.
  • the insulating layer may comprise, for example, a silicon nitride and / or a silicon oxide. These materials are also suitable for forming the above-described antireflection coating.
  • the shaping of the doped region and / or the metallization structure takes place in such a way that a sensor is integrated into the layer stack.
  • the doping can be carried out so that a sensor, namely a strain gauge or piezoresistive strain gauge is mitgebge concerns.
  • the application of the metallization structure takes place in such a way that the temperature sensor is formed.
  • the step of forming the metallization structure is such that a capacitor or comb capacitor is formed in the layer stack or in a plane of the layer stack (lateral capacitor), in which case a polymer or an encapsulation polymer that passes through a connection layer of the laminating layer of a photovoltaic module or a laminating layer of the photovoltaic module itself may be shaped as moisture-sensitive Dielectric is introduced into the condenser to form in combination a moisture sensor.
  • Another method relates to the production of a photovoltaic module, in which just the step of applying the encapsulating polymer or the bonding layer is carried out accordingly.
  • one of the sensors produced can be read out during the method for producing the photovoltaic module in order to advantageously monitor which environmental influences occur in the packaging.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a solar cell according to a basic embodiment
  • 2a-2c are schematic representations and tables illustrating an integrated
  • Fig. 4a is a schematic representation of an integrated humidity sensor as
  • Fig. 5a-5d are schematic representations of solar cells for explaining individual
  • Fig. 6 is a schematic representation of a solar cell with integrated sensor according to extended embodiments.
  • PV module photovoltaic module
  • the term solar cell is understood to mean a component for photovoltaic energy conversion, ie a component which converts photons into electrons, which can be used as electrical energy.
  • a solar cell may consist of different materials, e.g. monocrystalline, polycrystalline or amorphous silicon, a combination of elements of the 3rd and 5th group of the periodic table, e.g. GaAs, InPJnGaP, so-called III-V solar cells, organic substances, perovskites or other thin film materials such as CIGS, CIS and CdTe, as well as any combination of two or more of these materials, e.g. crystalline and amorphous silicon, crystalline silicon with perovskites, crystalline silicon with III-V solar cells or crystalline silicon with organic substances. It is assumed that a rectangular or square shape, but it is also any other form conceivable.
  • PV module is understood as meaning any interconnection of any desired number of solar cells of any shape, which are encapsulated with any desired material.
  • crystalline silicon solar cells is thereby of a series connection of at least one solar cell, which are connected by an encapsulation on the front and the back with protective layers.
  • the front-side protective layer is a glass and the back is a film, but other layers are also conceivable, e.g. a glass sheet on the back, or a transparent polymer film on the front.
  • the layer stack comprises the substrate 22, a doped region, which here is arranged as a type of layer in the upper region of the substrate 22 and has been provided with the reference numeral 24.
  • the layer stack also comprises a metallization structure 26, which, for example, forms an electrode and is therefore arranged on the doped region 24.
  • the layer stack can also have a further doped region of the substrate opposite to the doped region 24, namely the doped region 24 '. In this area 24 'is then optionally also an additional electrode 26' is provided.
  • the finding of the invention is based on the fact that in a simple manner in the layer stack, a sensor can be integrated directly into the layer stack 20 during manufacture.
  • the sensor can be integrated, for example, in the doped region 24 or the metallization layer 26.
  • the sensor which is provided with the reference numeral 30, is integrated in the metallization layer 26.
  • An example of such a sensor that can be integrated into the metallization structure is a temperature sensor. This temperature sensor may be formed, for example, by a conductive portion that changes its resistance depending on the prevailing temperature.
  • the senor such.
  • a mechanical stress sensor is integrated into the layer 24, namely in the form of a piezoresistive element which changes a resistance value as a function of a prevailing deformation / mechanical stress.
  • a sensor is also contacted via the layer with the metallization structures 26, but is arranged essentially in the doped region or else formed by a doping.
  • a moisture sensor as a sensor.
  • This may be shaped, for example, as a capacitance (formed in the plane of the metallization structure 26) in combination with a moisture-sensitive polymer.
  • Fig. 2a shows a sectional view and a plan view of a mechanical stress sensor, which is provided with reference numeral 40.
  • the mechanical voltage sensor 40 is assumed to be essentially integrated into the substrate 22 or into the doped region of the substrate 24, wherein a contacting takes place via the plane of the metallization structures 26.
  • the voltage sensor essentially consists of a piezoresistive resistor, which is formed as a doped region 41. The resistor is contacted via the contacts 43. These contacts 43 are found in the plane of the metallization structures 26.
  • the metallization may be made of silver or other conductive material such as aluminum.
  • a grounding ring 42 is provided, which may also be formed by a region with a high doping. This grounding ring 42 is contacted via the contacts 45, which are electrically connected to a metallization of the grounding ring 44.
  • the metallization 44 extends along the entire grounding ring 42, not only in the plane of the grounding ring 24, but in the plane of the metallization 26.
  • the mechanical stress sensor 40 enables the in-situ measurement of the stress in the solar cell within a PV module. This makes it possible to measure the mechanical stress during the entire life of a PV module.
  • the following application areas are conceivable according to exemplary embodiments, inter alia: in the module production process, during climatic chamber testing, load tests, transport to the construction site or assembly and operation.
  • the piezoresistivity of silicon or another semiconductor is used to measure the mechanical stress.
  • a resistor 41 is introduced into the solar cell by high local doping. This results in two possible variants:
  • An n-doped resistor in a p-doped solar cell 2 A p-doped resistor in an n-doped solar cell, wherein the different doping of the solar cell relates in particular to the doping of the substrate 22.
  • a voltage can be determined which allows a conclusion on the prevailing in the substrate 22 mechanical stress / deformation.
  • the electrical contacting takes place, for example, via the (silver) metallizations 43 typically used in solar cells. a cable / strand are soldered (not shown).
  • the sensor is shielded from the remainder of the solar cell by an optional ground ring 42 and 44, i. isolated so that the sensor experiences a defined current / voltage. This is likewise realized by local doping (compare region 42) and by metallization structures 44 arranged on the local doping 42. In each case, the dopant of the solar cell is used in higher concentration. In this respect, the doping 41 differs from the doping 22 and 42.
  • the sensors can be realized in two versions, namely as a single sensor or in the form of a Wheatstone bridge, d. H. through the interconnection of four identical sensors.
  • This variant has the advantage that a temperature influence can be neglected.
  • Piezoresistive mechanical stress sensors are known in the field of microelectronics [7-9]. We transfer the process to p-type silicon solar cells and limit the technologies used to solar cell production technologies. More specifically, the mechanical stress sensor is realized by a rectangular piezoresistive resistor using local n-type doping by ion implantation and subsequent silver metallization.
  • the sensor resistance R a , o depends on the sheet resistance R a , its length / and width w:
  • the resistance change AR a can be expressed by the piezoresistive tensor p [7], which also reflects the anisotropy of silicon. Tensors are marked in bold.
  • variants or the sensors were produced, for example, on industrial p-type solar wafers.
  • the wafers are divided into individual strips of 10x100 mm 2 .
  • Each strip contains four different variants, two of which can be used to measure the current-voltage characteristic with a four-point probe.
  • the test range is limited to 65 MPa and divided into 13 load steps.
  • the current is measured at an applied voltage of 1V by a four-point probe. From this we calculate the resistance change DH s relative to 0 MPa.
  • the sensitivity S of the sensor is evaluated by the following equation:
  • Variation 1 shows a sensitivity of (-0.067 ⁇ 0.008)% / MPa.
  • the large error is mainly due to the deviation of two samples with a sensitivity of (-0.05657 ⁇ 0.00015)% / MPa (light and dark red). Without these two samples, the sensitivity is -0.0729 ⁇ 0.0006% / MPa.
  • the sensitivity of variant 2 (-0.0696 ⁇ 0.0004)% / MPa is in the same range as variant 1.
  • Variants 4 and 5 with a higher carrier concentration of 5 ⁇ 10 19 cm 3 show lower sensitivities of (- 0.0546 ⁇ 0.001 1)% / MPa or (-0.0527 ⁇ 0.0003)% / MPa. These values are also in the same range. Since the sensitivity is a relative value, the influence of the aspect ratio a disappears theoretically. Practically, it seems a little influence too probably due to deviations in the production process. However, this must be confirmed by the ongoing measurements.
  • Fig. 2c These preliminary results for changing the relative resistance as a function of axial stress are shown in Fig. 2c.
  • the upper diagram assumes a charge carrier concentration of 5 ⁇ 10 19 cm -3
  • the lower variant assumes 1 ⁇ 10 19 cm 3 .
  • Squares are sensors with an aspect ratio of 10, while sensors with an aspect ratio of 5 are marked with circles.
  • the lines show linear adjustments to each sensor.
  • the wafer strips break at about 90 MPa, which is a very low breaking stress. This is most likely due to the splitting process, in which the wafer is sawn with a chip saw. This process creates many defects in silicon that increase the probability of failure at low loads.
  • the temperature sensor is modeled on a Pt100 sensor.
  • the temperature sensor is preferably introduced into the layer stack so that it can directly measure the temperature of the solar cell.
  • the cell metallization used in the photovoltaic cell is used as a resistor.
  • the temperature is determined from the change in resistance.
  • the implementation is carried out according to embodiments by means of a meander-shaped resistor, as shown in Fig. 3a.
  • FIG. 3a shows a temperature sensor 32 which has a meandering section 32m.
  • This meandering section 32m connects the two contact points 32k with each other.
  • Both the contact points 32k and the meandering region 32m are arranged in one plane, namely in the plane of the metallization path and at the same time as the metallization structures introduced anyway for the solar cell production.
  • the sensor is electrically isolated from the solar cell. This can be realized, for example, as follows.
  • a contact field 32k which is also made of silver and is applied to the e.g. a cable / strand can be soldered.
  • a sensor was developed, for example, a commercially available Pt sensor, such. B. corresponds to a Pt100 sensor. Accordingly, the structure was designed so that the resistance Rr, o at 0 ° C corresponds to 100W. Depending on which Pt or Nt sensor is to be simulated, the resistance value can be chosen differently.
  • the resistor RT. O depends on the resistivity p, the length l, the width w and the height h:
  • the temperature dependence is expressed by the coefficient at.
  • the length of the sensor must be long according to equation (7) to achieve a resistance of 100 W. That's why we design the sensor in a meandering way.
  • the sensor is produced in-house using physical vapor deposition and calibrated in a climate chamber.
  • the resistance change is measured by a four-point probe in three temperature cycles in the range of -40 ... + 160 ° C.
  • the temperature is measured via an external Pt100 temperature sensor.
  • FIG. 3b shows the temperature-dependent resistance Rr of an exemplary temperature sensor.
  • the data represent three temperature cycles in use, with the lines corresponding to a linear fit.
  • the low variance of the characterized temperature sensors shows that the designed sensor is suitable for measuring the temperature of a solar cell.
  • the moisture sensor 34 can essentially be determined as a capacitor with a dielectric dependent on the ambient humidity.
  • the capacitor may be described as a comb capacitor having the two combs 34k 1 and 34k2.
  • the two combs 34k 1 and 34k2 engage each other and are both formed in the plane of the metallization layer.
  • Each of the capacitor banks 34k1 and 34k2 has a pad 34ko. Between the combs 34k 1 and 34k2, the moisture-sensitive dielectric 34p is provided.
  • the dielectric 34p is applied during the production of the solar cell as a single polymer or else during the completion of the photovoltaic module by a encapsulation or bonding layer.
  • the humidity sensor is designed to measure the moisture of the encapsulation.
  • the humidity sensor should measure the humidity of the encapsulation.
  • the dependence of the dielectric constant of the encapsulating polymers is utilized, wherein the measurement is capacitive.
  • a capacitor is applied to the solar cell. From the change in capacity, the water content of the encapsulation can be determined.
  • One possible embodiment of the capacitor is a comb capacitor. The capacitor must be electrically isolated from the solar cell. This results in the same design variants as in the temperature sensors.
  • insulating varnish For the electrical contacting there is a contact field 34ko, which also consists of silver and on which a cable / strand can be soldered.
  • Fig. 5a shows an intermediate step in the manufacture of a solar cell.
  • a p-type Si wafer 50w is assumed on which potted layers or doped regions n-type emitter 50e are applied.
  • the p-type fundamental doping may be provided, for example, by boron, while the n-type doping is achieved by phosphorus. Other dopants are of course possible.
  • the emitters 50e are provided both on the top and on the bottom, ie on both main surfaces.
  • an electrode is provided on this layer 50i.
  • This electrode can be provided, for example, like a grid, which can be described by individual fingers 50f. These fingers are through tracks, z. B. via metallizations 50s (also referred to as busbar) connected to each other.
  • the contact on the opposite side can be realized, for example, by a full-surface aluminum layer 50rc into which contact pads (eg AgAl) 50c are embedded.
  • the Al-BSF back surface field, corresponding to a highly doped p + ' zone
  • This stage illustrated in FIG. 5b can be described as a solar cell consisting of the layer stack of layers 50f, 50e, 50w, 50c, 50rc.
  • the layer 50e is to be equated with the doping layer or with the doped region, while the layer 50f coincides with the metallization structures.
  • a photovoltaic module is then assembled during lamination or encapsulation, which is illustrated by way of example with reference to FIG. 5 c.
  • FIG. 5c shows a plurality of solar cells composed of a matrix (eg 6 ⁇ 10 matrix), which are provided with the reference numeral 60.
  • This solar cell matrix 60s is laminated onto a glass pane 60g, with an encapsulation layer 60v also being used between the glass pane 60g and the solar cell matrix 60s.
  • This encapsulation layer has already been used in connection with the moisture sensor in the above exemplary embodiments, since this encapsulation layer can, for example, form the moisture-sensitive polymer.
  • the module After applying the solar cells 60s using the encapsulation layer 60v to the glass pane 60g, another encapsulation layer 60v is applied to then finalize the photovoltaic module with the backsheet 60rf.
  • the module has a frame, which is provided with the reference numeral 60r. This frame can also include, for example, the electrical contact, here junction box 60a.
  • FIG. 5d shows the solar cells 60s, which are laminated to the front glass 60g by means of the encapsulation 60v and sealed by means of the backsheet 60rf.
  • electrically conductive connectors such. B. silver connector 60e
  • the cells can be interconnected by soldering (eg SnPb Ag-coated Cu flat wires). This connection usually takes place before or during the lamination process, so that the contacts can be led outwards to the frame 60r.
  • soldering eg SnPb Ag-coated Cu flat wires
  • the metallization structures shown here as fingers in connection with the webs may vary.
  • the contact on the back, which is typically executed over the entire surface, may also be formed as a finger structure or as a full-surface structure.
  • doped layer 50e does not actually constitute a layer in the actual sense, but is produced by doping the substrate 50w.
  • FIG. 6 shows the layer stack with the layers 50f which are connected to one another via the conductor tracks 50s and together form the metallization structure.
  • This metallization structure is arranged on the insulating layer 50i, which in turn lies on the emitter 50e.
  • the layer 50i serves on the one hand the isolation and on the other hand the improvement of the optical properties, namely as an antireflection layer.
  • a temperature sensor 50t can be produced. This temperature sensor 50t is isolated from the emitter 50e by the layer 50i. In addition, the temperature sensor 50t is also insulated according to preferred embodiments with respect to the metallization structure 50f + 50s. Correspondingly illustrated embodiments, however, an electrical connection can also be provided, in particular when the temperature sensor is supplied with power by an evaluation unit for the temperature sensor of the solar cell.
  • a moisture sensor may also be formed in the same layer, namely the layer of the metallization structures 50f + 50s. This is, as already explained above, also by a metal structure, namely a capacitor (compared to the temperature sensor not a resistor) is formed, which additionally has a moisture-sensitive dielectric.
  • a mechanical voltage sensor 50m is also illustrated. This extends in the illustrated variant over three layers, namely the doping layer / emitter layer 50e, in which a doped region 50dm of the mechanical stress sensor is arranged, the metallization layer 50f + 50s and the insulating layer 10i. This doped region can be contacted via contacts 50 km, which lie in the layer of the metallization layer 50 f + 50 s and also pass through the insulation layer 50 i. Analogous to the temperature sensor 50t, the mechanical voltage sensor is also isolated from the metallization structure 50f + 50s, it being understood that an electrical connection can also be provided by a power supply unit.
  • Solar cell-integrated sensors have the advantage that the measured variable is measured directly in or on the surface of the solar cell. Since the implementation of the sensors can be integrated into the solar cell manufacturing process, there is the potential to integrate the above-mentioned sensors on each solar cell and thus achieve extremely low additional costs for the sensors, in comparison to a solar cell without a sensor. This enables continuous monitoring of PV modules. This has the advantage that PV Modui operators can monitor the state of each individual PV module using computer algorithms and only have to carry out targeted on-site checks for critical values. Measures z. For example, if a module is too humid, the PV module operator can preemptively inspect and, if necessary, replace the PV module. Likewise for the mechanical tension: if a high / critical mechanical tension is measured or was measured in individual PV modules, the operator can control these PV modules specifically for solar cell breaks. If solar cell fractures were found, the operator also knows exactly when they were created.
  • Silicon-based solar cells with integrated sensors eg. B .: mechanical stress
  • PV modules with the above solar cells for in-situ monitoring during operation Production (interconnection, lamination)
  • a manufacturing method for manufacturing a solar cell is provided with the steps of integrating the sensors.
  • the doping of the doped regions and / or the application of the metallization structures takes place in such a way that the corresponding desired sensors are produced at the same time.
  • a further exemplary embodiment relates to a method for producing a photovoltaic module, which includes, for example, the lamination steps and / or the contacting steps.
  • a method for producing a photovoltaic module which includes, for example, the lamination steps and / or the contacting steps.
  • high temperatures eg. B. 150 ° C for 8 minutes during lamination or 200 ° C for 2 minutes when soldering the individual solar cells, which are chosen so that the semiconductor structure of the solar cell or the layer stack is generally not damaged.
  • the already integrated temperature sensor can advantageously be used, so that the production method of the photovoltaic module now also includes the monitoring of process parameters determinable by means of the sensors.
  • the mechanical stress z. B.

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Abstract

Eine Solarzelle (10) umfasst einen Schichtstapel (20), der mindestens ein Substrat (22), zumindest einen dotierten Bereich (24) und zumindest eine Metallisierungsstruktur (26) aufweist. In diesem Schichtstapel ist ein Sensor (30) integriert.

Description

Solarzelle und Photovoltaikmodul
Beschreibung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Solarzelle mit einem Schichtstapel sowie auf ein Photovoltaikmodul mit Solarzellen. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Herstellungsverfahren der Solarzelle sowie auf ein Herstellungsverfahren für das Photovoltaikmodul. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Solarzelle bzw. ein Photovoltaikmodul mit integrierter Sensorik.
Solarzellen sind das Herzstück eines Photovoltaischen Moduls (PV-Modul), versagen diese, wird die elektrische Leistung des gesamten Moduls minimiert. Zum Versagen der Solarzellen können z. B. zu hohe mechanische Spannungen oder Ausfall der Zellverbinder durch z. B. Bruch der Zellverbinder oder Korrosion aufgrund von Feuchte führen. Daher ist es wichtig, den Zustand der Solarzellen jederzeit gut zu kennen. Durch den Laminat-Aufbau eines PV-Moduls ist es nicht möglich, die Solarzellen nach Herstellung zu erreichen. Des Weiteren haben die im PV-Modul verwendeten Materialien sehr unterschiedliche Materialeigenschaften, so dass eine Messung, z. B. der Temperatur, neben den Solarzellen durch inhomogene Temperaturfelder nur bedingt eine Aussage über die Temperatur der Solarzelle selbst geben kann. Daher sind eigenständige, nicht-Solarzellen-integrierte, Sensoren nur bedingt ersetzbar. Insbesondere die mechanische Spannung einer Solarzelle kann bisher in-situ- nicht gemessen werden. Da die mechanische Spannung zu Brüchen in den Solarzellen und damit zum (teilweisen) Versagen führen kann, ist es relevant die mechanische Spannung in den Solarzellen selber zu kennen. Dies ist bei der Entwicklung von PV- Modulen relevant, da so das Design gezielter auf die mechanische Spannung abgestimmt werden kann. Im Betrieb wird den Betreibern ermöglicht zu erkennen, wenn ein Modul kritische Spannungen erfahren hat. Hierdurch können die Betreiber gezielte Inspektionen durchführen.
Die Temperatur hat einen Einfluss auf die elektrische Leistung der Solarzellen. Daher ist es insbesondere in der Entwicklung von PV-Modulen von Interesse die Temperatur der Solarzellen unter bestimmten Einflüssen genau zu kennen. Zudem können im Betrieb von PV- Modulen durch erhöhte Temperaturen relativ zu benachbarten PV-Modulen, bzw. Solarzellen bestimmte Versagensmechanismen, wie Delamination und Hot Spots durch verschattete, gebrochene oder elektrisch nicht aufeinander abgestimmte Solarzellen, identifiziert werden.
Feuchtigkeit im PV-Modul kann z. B. zu Korrosion der Solarzellen und Zellverbinder oder Vergilbung der Verkapselung führen. Hierdurch wird die elektrische Leistung des PV- Moduls minimiert. Daher ist es wünschenswert, vorzeitig erhöhte Feuchtigkeit im PV-Modul zu erkennen, um Gegenmaßnahmen ergreifen zu können.
Bisher werden bei installierten PV-Modulen keine präventiven Messungen der mechanischen Spannung, Temperatur oder Feuchtigkeit durchgeführt. Es werden bisher nur die Folgen von zu hoher mechanischer Spannung und Feuchtigkeit ermittelt. Hierbei werden, um Solarzellbrüche aufzuspüren, z. B. Elektrolumineszenz oder Infrarot-Aufnahmen verwendet. Um die Verringerung der elektrischen Leistung zu detektieren, werden Strom- Spannungskennlinien aufgenommen. Hierfür müssen die PV-Module teilweise abmontiert werden, um in einem Testlabor untersucht werden zu können. Auch bei erhöhter Feuchtigkeit werden bisher nur die Folgen, wie z. B.„hot-spot“-Bildung durch Infrarot-Aufnahmen detektiert.
Die in-situ-Messung physikalischer Größen in PV-Modulen erfolgt bisher auf Basis kommerziell erhältlicher eigenständiger Sensoren. Wie oben beschrieben, wird damit die Messgröße recht ungenau erfasst. Zudem entstehen durch den Einsatz kommerzieller eigenständiger Sensoren Extrakosten auf Modulebene, sowohl durch den Einkauf der Sensoren als auch durch den Extraaufwand des Einbaus. Weiterhin beeinflusst diese Art von Sensoren durch ihre Bauform den geometrischen Aufbau des sehr flachen Moduls entscheidend selbst und damit auch die sich einstellenden Temperaturen, Spannungen und Feuchtezustände an der Messstelle. Daher werden solche Sensoren in installierten PV-Modulen nicht verwendet.
Für mechanische Spannungen werden gemäß dem Stand der Technik folgende Lösungen verwendet: Zur in-situ-Messung der mechanischen Spannung werden bisher Dehnungsmessstreifen (DMS) auf die Solarzelle angebracht. Da diese aber auch wiederum mit der Solarzelle und dem Laminat interagieren, wird der eigentlich zu messende Spannungszustand verändert. Des Weiteren existieren Labormethoden, wie die Synchrotron-Mikro-Rönt- genbeugung [1 , 2] und die Mikro-Raman-Spektroskopie [3-5]. Beide Methoden sind allerdings nicht für in-situ-Messungen im Betrieb oder in üblichen Degradationsprüfungen des Moduls geeignet. Die Temperatur kann gemäß dem Stand der Technik wie folgt ermittelt werden: Hier wird auf kommerziell erhältliche Temperatursensoren, wie Messwiderstände oder Thermoelemente zurückgegriffen. Wie oben schon beschrieben, können diese aber nur neben, bzw. zwischen den Solarzellen platziert werden. Daher wird nicht die Temperatur der Solarzelle, sondern der Verkapselung gemessen.
Für die Messung der Feuchte werden gemäß dem Stand der Technik folgende Lösungen verwendet: Die in-situ Feuchtemessung findet bisher nur Anwendung in der Entwicklung in Form von kommerziell erhältlichen Feuchtesensoren. Da diese von ihrer Geometrie nicht geeignet sind in PV-Modulen eingebaut zu werden, beschränkt sich der Einsatz aber i.d.R. auf Forschungszwecke.
Um während der Herstellung oder während des Betriebs besser die Umgebungsbedingun- gen überwachen zu können, besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
Deshalb ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konzept zu schaffen, das wäh- rend der Herstellung und/oder während des Betriebs die Ermittlung von Umgebungsparametern, die Einfluss auf die Solarzelle und das PV-Modul haben, ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Solarzelle mit einem Schichtstapel. Der Schichtstapel weist zumindest ein Substrat, einen dotierten Bereich sowie eine Metallisierungsstruktur auf. In einer oder mehreren Ebenen des Schichtstapels, d. h. also beispielsweise in der Metallisierungsstruktur und/oder in dem dotierten Bereich ist ein Sensor, wie z. B. ein Temperatursensor oder ein Sensor zur Ermittlung der mechanischen Spannung integriert.
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Schichten des Schichtstapels, aus welchen die Solarzelle im Wesentlichen besteht, geeignet sind, um direkt im Herstellungsprozess mit Bereichen oder Elementen versehen zu werden, die zusammen einen Sensor bilden. Mit diesem Ansatz lassen sich beispielsweise Temperatursensoren (z.B. Widerstandsthermometer in einer Metallisierungslage) oder auch Sensoren zur Ermittlung der mechanischen Spannung (= Dehnungsmesssensor, Sensor teilweise integriert in Dotierungsschicht bzw. allgemein das Substrat und teilweise integriert in die Metallisierungsschicht) realisieren. Die Integration ist kostengünstig, da keine zusätzlichen Herstellungsschritte zu den sowieso für die Solarzellenprozessierung angewendeten Schritten notwendig sind und ermöglicht im Resultat eine Solarzelle bzw. nach zusätzlichen Schritten, ein Photovoltaikmodul herzustellen, das Sensoren aufweist, die während des Betriebs und/oder auch während der Herstellung (z. B. während der Ver- arbeitung der Solarzelle zum Photovoltaikmodul) auslesbar sind.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Solarzelle mit einem Sensor, der einen Dehnungsmesssensor oder einen piezoresistiven Dehnungsmesssensor ausbildet. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der Dehnungsmesssensor bzw. der piezoresistive Dehnungsmesssensor durch eine (lokale) Dotierung in einer Schichtstapelebene des Schichtstapels gebildet. Hierbei ist es auch denkbar, dass sogar ein lateraler Bereich der Solarzelle selbst verwendet wird, so dass vorteilhafterweise keine Solarzellenfläche bean- sprucht wird. Dieser Dehnungsmesssensor bzw. piezoresistive Dehnungsmesssensor ermöglicht vorteilhafterweise das Überwachen von Verformungen der Solarzelle, z. B. während des Packaging des Photovoltaikmoduls. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass genau die mechanische Spannung ermittelt wird, die auf den kritischen Bereich, nämlich das Sub- strat einwirkt (und nur nicht eine mechanische Spannung in einer der Laminierungslagen oder einer angrenzenden Lage). Gemäß Ausführungsbeispielen ändert sich bei solchen Dehnungsmesssensoren bzw. piezoresistiven Dehnungsmesssensoren in Abhängigkeit von der vorherrschenden mechanischen Spannung, z.B. im Substrat, ein Widerstand des dotierten Bereichs im Substrat, der über externe Mittel auslesbar ist.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Solarzelle mit einem Temperatursensor als Sensor. Hierbei kann entsprechend Ausführungsbeispielen der Temperatursensor in die Metallisierungsstruktur integriert sein, wobei der Temperatursensor beispielsweise durch eine oder mehrere Metallisierungsbahnen in der Ebene der Metallisierungsstruktur gebildet ist. Dieser Temperatursensor ist einfach und damit kostengünstig herzustellen und ermöglicht eine gute Überwachung der Solarzellentemperatur in einem für die Lebensdauer bzw. dem Betrieb relevanten Bereich (örtlicher Bereich der Solarzelle in Abgrenzung zu einem örtlichen Bereich in einer anderen Lage des Photovoltaikmoduls).
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft eine Solarzelle mit einem Feuchtigkeitssensor als Sensor. Entsprechend den Ausführungsbeispielen ist dieser Feuchtigkeitssensor durch einen Kondensator, wie z. B. einen Kammkondensator, in Verbindung mit einem feuchtigkeitssensitiven Material / Polymer gebildet. Das feuchtigkeitssensitive Polymer hat eine von der Luftfeuchte abhängige Dielektrizitätskonstante. Infolge einer Veränderung der Dielektrizitätskonstante ändert sich die Kapazität des Kondensators, so dass anhand dieser die Umgebungsfeuchtigkeit bestimmbar ist. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann das feuchtigkeitssensible Polymer durch ein Verkapselungspolymer in Form einer Verbindungsschicht zu einer Laminierungslage (vgl. Herstellen des Photovoltaikmoduls) realisiert sein oder in Form der Laminierungslage des Photovoltaikmoduls selbst gebildet sein. Hierbei wird das Polymer (Verkapselungspolymer) auf und insbesondere zwischen Metallisierungsbahnen des Kondensators bzw. des Kammkondensators eingebracht. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist dieser Kondensator in der Schicht der Metallisierungsstruktur bzw. durch die Metailisierungsstruktur selber gebildet. Dies ist beispielsweise einfach möglich, indem zwei Metallisierungsbahnen in der Schicht der Metallisierungsstruktur lateral einander gegenüberliegend angeordnet werden. Dieser Sensor schafft analog zu den anderen Sensoren die Vorteile, dass er kostengünstig hergestellt werden kann und die zu messende Größe aus örtlicher Sicht dort bestimmt wird, wo die Messgröße für die Solarzelle relevant ist, nämlich im Kern der Vielzahl der Lagen eines Photovoltaikmoduls.
Entsprechend Ausführungsbeispielen können die oben erläuterten Sensoren bzw. allgemein die in die Solarzelle integrierten Sensoren durch die Solarzelle selber mit Energie versorgt werden. Hierzu ist dann der Sensor mit der Energie generierenden Struktur der Solarzelle verbunden, die also ausgebildet ist, um den Sensor mit Strom zu versorgen. Diese Variante ermöglicht vorteilhafterweise, dass der Sensor autark arbeiten kann. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Solarzelle auch eine Übertragungseinheit umfassen, die ausgebildet ist, um z. B. per Funk oder über die sowieso vorhandenen Kontaktierungsbahnen das Sensorsignal zu übertragen. Hierbei wird also entweder das Sensorsignal über ein zusätzlich in die Solarzelle oder das PV-Modul integriertes Funkmoduls ausgekoppelt oder das Sensorsignal auf ein Leistungssignal der Solarzelle und/oder des Photovoltaikmoduls aufmoduliert. Diese Variante erhöht weiter die Autarkheit der Sensoren, so dass keine zusätzlichen Auslesekontakte vorgesehen werden.
Bezüglich des Schichtstapels sei an dieser Stelle angemerkt, dass der dotierte Bereich beispielsweise die Funktion einer Emitterschicht aufweisen kann. Hierbei ist dann entsprechend Ausführungsbeispielen die Metallisierungsstruktur auf dem dotierten Bereich angeordnet und bildet die Elektrode. Der dotierte Bereich liegt seinerseits auf dem Substrat auf bzw. ist in dem Substrat geformt. Das Substrat weist entsprechend Ausführungsbeispielen ebenfalls eine Dotierung auf, die sich von dem dotierten Emitterbereich unterscheidet. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können auch noch zusätzliche Schichten, wie z. B. auf der gegenüberliegenden Seite ein weiterer dotierter Bereich sowie eine weitere Metallisierungsstruktur ausgebiidet sein. Zusätzlich wäre es auch denkbar, dass der Schichtstapel eine Antireflexionsschicht aufweist.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wäre es auch denkbar, insbesondere bei dem Feuchtigkeitssensor und dem Temperatursensor, dass im Bereich der Metallisierungsbahnen zwischen dem dotierten Bereich und den Metallisierungsbahnen eine Isolationsschicht vorgesehen ist, die die Metallisierungsbahn von dem dotierten Bereich bzw. von dem Substrat trennt. Die Isolationsschicht kann beispielsweise ein Siliziumnitrid und/oder ein Siliziumoxid aufweisen. Diese Materialien eignen sich auch für die Formung der oben erläuterten Antireflexionsschicht.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Photovoltaikmodul mit zumindest einer Solarzelle, wie sie oben bereits definiert wurde.
Ein weiteres Ausführungsbeispiei schafft ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit den Schritten:
Bereitstellen eines Substrats;
Formen eines dotierten Bereichs in oder auf dem Substrat; und
Formen einer Metallisierungsstruktur auf dem dotierten Bereich.
Das Formen des dotierten Bereichs und/oder der Metallisierungsstruktur erfolgt so, dass ein Sensor in den Schichtstapel mitintegriert wird. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das Dotieren so erfolgen, dass ein Sensor, nämlich ein Dehnungsmesssensor oder piezoresistiver Dehnungsmesssensor mitausgebildet wird. Entsprechend wiederum weiteren Ausführungsbeispielen erfolgt das Aufbringen der Metallisierungsstruktur so, dass der Temperatursensor gebildet wird. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen erfolgt der Schritt des Formens der Metallisierungsstruktur so, dass ein Kondensator oder Kammkondensator in dem Schichtstapel bzw. in einer Ebene des Schichtstapels (lateraler Kondensator) geformt wird, wobei dann ein Polymer oder ein Verkapselungspolymer, das durch eine Verbindungsschicht der Laminierungslage eines Photovoltaikmoduls oder eine Lami- nierungslage des Photovoltaikmoduls selbst geformt sein kann, als feuchtigkeitssensitives Dielektrikum in den Kondensator eingebracht wird, um in Kombination einen Feuchtigkeitssensor auszubilden.
Ein weiteres Verfahren bezieht sich auf die Herstellung eines Photovoltaikmoduls, bei dem eben der Schritt des Aufbringens des Verkapselungspolymers bzw. der Verbindungsschicht entsprechend durchgeführt wird.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann während des Verfahrens zur Herstellung des Photovoltaikmoduls einer der hergestellten Sensoren ausgelesen werden, um vorteilhafterweise zu überwachen, welche Umwelteinflüsse bei dem Packaging erfolgen.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Solarzelle gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
Fig. 2a-2c schematische Darstellungen und Tabellen zur Illustration eines integrierten
Spannungssensors als Sensor gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 3a und b schematische Darstellungen und Diagramme zur Illustration eines integrierten Temperatursensors als Sensor;
Fig. 4a eine schematische Darstellung eines integrierten Feuchtigkeitssensors als
Sensor;
Fig. 5a-5d schematische Darstellungen von Solarzellen zur Erläuterung von einzelnen
Features gemäß Ausführungsbeispielen; und
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Solarzelle mit integriertem Sensor gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
Bevor Ausführungsbeispiele erläutert werden, werden kurz die Begriffe Solarzelle und Pho- tovoltaikmodul (PV-Modul) definiert.
Unter dem Ausdruck Solarzelle wird ein Bauteil zur photovoltaischen Energiekonversion verstanden, also ein Bauteil, welches Photonen in Elektronen umwandelt, welche als elektrische Energie genutzt werden können. Eine Solarzelle kann dabei aus verschiedenen Materialien bestehen, z.B. monokristallines, polykristallines oder amorphes Silizium, einer Kombination von Elementen aus der 3. Und 5. Gruppe des Periodensystems, z.B. GaAs, InPJnGaP, sogenannte lll-V Solarzellen, Organischen Substanzen, Perowskiten oder anderen Dünnschichtmaterialien wie CIGS, CIS und CdTe, sowie eine beliebige Kombination zweier oder mehererer dieser Materialien, wie z.B. kristallines und amorphes Silizium, kristallines Silizium mit Perowskiten, kristallines Silizium mit lll-V Solarzellen oder kristallines Silizium mit organischen Substanzen. Es wird dabei von einer rechteckigen, bzw. quadratischen Form ausgegangen, es ist aber auch jegliche weitere Form denkbar.
Unter dem Ausdruck PV-Modul wird eine beliebige Verschaltung einer beliebiger Anzahl von Solarzellen mit beliebiger Form, welche mit einem beliebigen Material verkapselt sind, verstanden. Für kristalline Silizium Solarzellen wird dabei von einer Reihenschaltung von mindestens einer Solarzelle, welche durch eine Verkapselung auf der Vorderseite und der Rückseite mit Schutzschichten verbunden sind. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die vorderseitige Schutzschicht ein Glas und die Rückseitige eine Folie ist, es sind aber auch andere Schichten denkbar, z.B. eine Glasscheibe auf der Rückseite, oder eine transparente Polymerfolie auf der Vorderseite.
Fig. 1 zeigt eine Solarzelle 10, die aus einem Schichtstapel 20 geformt ist. Der Schichtstapel umfasst das Substrat 22, einen dotierten Bereich, der hier als Art Schicht im oberen Bereich des Substrats 22 angeordnet ist und mit dem Bezugszeichen 24 versehen wurde. Zusätzlich umfasst der Schichtstapel auch noch eine Metallisierungsstruktur 26, die beispielsweise eine Elektrode formt und deshalb auf dem dotierten Bereich 24 angeordnet ist. Darüber hinaus kann optional der Schichtstapel auch noch einen weiteren dotierten Bereich des Substrats gegenüberliegend zu dem dotierten Bereich 24, nämlich den dotierten Bereich 24‘ aufweisen. Auf diesem Bereich 24‘ ist dann auch noch optional eine zusätzliche Elektrode 26‘ vorgesehen. Wie bereits oben erläutert, basiert die Erkenntnis der Erfindung darauf, dass in einfacher Art und Weise in den Schichtstapel ein Sensor direkt beim Fertigen in den Schichtstapel 20 integriert werden kann. Hierbei kann der Sensor beispielsweise in den dotierten Bereich 24 oder die Metallisierungslage 26 integriert sein. Hier wird beispielsweise davon ausgegan- gen, dass der Sensor, der mit dem Bezugszeichen 30 versehen ist, in die Metallisierungslage 26 integriert ist. Ein Beispiel für einen derartig in die Metallisierungsstruktur integrierbaren Sensor ist ein Temperatursensor. Dieser Temperatursensor kann beispielsweise durch einen leitfähigen Abschnitt geformt sein, der in Abhängigkeit von der vorherrschenden Temperatur seinen Widerstand verändert.
Alternativ oder additiv wäre es auch denkbar, dass der Sensor, wie z. B. ein mechanischer Spannungssensor in die Schicht 24 integriert ist, nämlich in Form eines piezoresistiven Elements, das in Abhängigkeit einer vorherrschenden Verformung / mechanischen Spannung einen Widerstandswert ändert. Ein derartiger Sensor wird entsprechend Ausführungsbeispielen auch über die Schicht mit den Metallisierungsstrukturen 26 kontaktiert, ist aber im Wesentlichen in dem dotierten Bereich angeordnet bzw. auch durch eine Dotierung gebildet.
Alternativ oder additiv wäre es möglich, einen Feuchtigkeitssensor als Sensor vorzusehen. Dieser kann beispielsweise als Kapazität (gebildet in der Ebene der Metallisierungsstruktur 26) in Kombination mit einem feuchtigkeitssensitiven Polymer geformt sein.
An dieser Stelle sein angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen es nicht zwingend notwendig ist, dass separate dotierte Bereiche bzw. separate Metallisierungsstrukturen für die Sensoren vorgesehen werden, sondern dass auch bereits vorhandene Metallisierungsstrukturen, z. B. für den Kontakt als T emperatursensorelement verwendet werden können, oder dass ein sowieso zur Bildung der Solarzelle vorhandener dotierter Bereich als Bereich zur mechanischen Spannungsermittlung benutzt wird.
Alle oben erläuterten Sensorintegrationen haben gemein, dass diese Bestandteil der hier dargestellten Solarzelle 10 werden. Es werden übliche Solarzellenherstellungsprozesse ebenfalls für die Herstellung der Sensoren verwendet. Daher werden die Sensoren schon während der Solarzellenherstellung in die Solarzelle 10 integriert bzw. auf diese aufgebracht. Die Messgrößen können direkt in oder an der Solarzelle gemessen werden. Zur Versorgung mit Strom wäre es auch denkbar, dass die Sensoren von stromerzeugenden Bereich der Solarzelle mit Strom versorgt werden, wobei bezüglich der Signalauskopplung angemerkt sei, dass es hier unterschiedliche Varianten gibt, z. B. eine kabeilose Auskopp- lung per Funk oder eine Auskopplung über die sowieso vorhandenen Stromführungsstrukturen.
Bezugnehmend auf Fig. 2a wird nun ein mechanischer Spannungssensor zur Integration in die Solarzelle 10 erläutert.
Fig. 2a zeigt eine Schnittdarstellung und eine Draufsicht auf einen mechanischen Spannungssensor, der mit Bezugszeichen 40 versehen ist. Bei dem mechanischen Spannungs- sensor 40 wird davon ausgegangen, dass dieser im Wesentlichen in das Substrat 22 bzw. in den dotierten Bereich des Substrats 24 integriert ist, wobei eine Kontaktierung über die Ebene der Metallisierungsstrukturen 26 erfolgt. Der Spannungssensor besteht im Wesentlichen aus einem piezoresistiven Widerstand, der als dotierter Bereich 41 gebildet ist. Der Widerstand wird über die Kontakte 43 kontaktiert. Diese Kontakte 43 finden sich in der Ebene der Metallisierungsstrukturen 26. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Metallisierung aus Silber oder einem anderen leitfähigen Material wie Aluminium hergestellt sein. Um den piezoresistiven Widerstand 41 ist ein Erdungsring 42 vorgesehen, der ebenfalls durch einen Bereich mit einer hohen Dotierung gebildet sein kann. Dieser Erdungsring 42 wird über die Kontakte 45 kontaktiert, die mit einer Metallisierung des Erdungsrings 44 elektrisch verbunden sind. Die Metallisierung 44 erstreckt sich entlang des gesamten Erdungsrings 42, nur nicht in der Ebene des Erdungsrings 24, sondern in der Ebene der Metallisierung 26.
Nachfolgend wird die Funktionalität des mechanischen Spannungssensors 40 erläutert. Der mechanische Spannungssensor 40 ermöglicht die in-situ-Messung der mechanischen Spannung in der Solarzelle innerhalb eines PV-Moduls. Hierdurch wird ermöglicht, die mechanische Spannung während der gesamten Lebenszeit eines PV-Moduls zu messen. Folgende Anwendungsgebiete sind entsprechend Ausführungsbeispielen unter anderem denkbar: im Modulherstellungsprozess, während Klimakammerprüfung, Belastungsprüfungen, Transport zur Baustelle oder Montage und Betrieb. Bei der Realisierung des Span- nungssensors wird die Piezoresistivität von Silizium oder einem anderen Halbleiter verwendet, um die mechanische Spannung zu messen. Hierfür wird durch hohe lokale Dotierungen ein Widerstand 41 in die Solarzelle eingebracht. Daraus ergeben sich zwei mögliche Ausführungsvarianten:
1 Ein n-dotierter Widerstand in einer p-dotierten Solarzelle 2 Ein p-dotierter Widerstand in einer n-dotierten Solarzelle, wobei sich die unterschiedliche Dotierung der Solarzelle insbesondere auf die Dotierung des Substrats 22 bezieht.
Für beide Ausführungen ist das gleiche Prinzip anwendbar. Aus den Widerstandsänderungen kann eine Spannung bestimmt werden, die einen Rückschluss auf die im Substrat 22 vorherrschende mechanische Spannung / Verformung zulässt. Die elektrische Kontaktierung erfolgt beispielsweise über die bei Solarzellen typischerweise verwendeten (Silber-) Metallisierungen 43. Auf diese kann z.B. ein Kabel/eine Litze gelötet werden (nicht dargestellt). Der Sensor wird durch einen optionalen Erdungsring 42 und 44 von der restlichen Solarzelle abgeschirmt, d.h. isoliert, damit der Sensor einen definierten Strom/Spannung erfährt. Dies wird ebenfalls durch lokale Dotierung (vgl. Bereich 42) und über auf der lokalen Dotierung 42 angeordneten Metallisierungsstrukturen 44 realisiert. Hierbei wird jeweils der Dotierstoff der Solarzelle in höherer Konzentration verwendet. Insofern unterscheidet sich die Dotierung 41 von der Dotierung 22 und 42.
Die Sensoren können in zwei Ausführungen realisiert werden, nämlich als Einzelsensor oder auch in Form einer Wheatstone-Brücke, d. h. durch die Verschaltung von vier gleichen Sensoren. Diese Variante hat den Vorteil, dass eine Temperaturbeeinflussung vernachlässigt werden kann.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2b und 2c werden nachfolgend Details entsprechend Ausführungsbeispielen erläutert.
Piezoresistive mechanische Spannungssensoren sind im Gebiet der Mikroelektronik bekannt [7-9]. Wir übertragen das Verfahren auf Siliziumsolarzellen vom p-Typ und beschrän- ken die verwendeten Technologien auf Technologien der Solarzellenproduktion. Genauer gesagt wird der mechanische Spannungssensor durch einen rechteckigen piezoresistiven Widerstand unter Verwendung von lokaler n-Dotierung durch Ionenimplantation und darauffolgende Silbermetallisierung realisiert.
Der Sensorwiderstand Ra, o hängt von dem Flächenwiderstand Ra, seiner Länge / und Breite w ab:
Wird eine externe mechanische Spannung auf den Sensor ausgeübt, kann die Widerstandsänderung ARa durch den piezoresistiven Tensor p ausgedrückt werden [7], der auch die Anisotropie von Silizium wiederspiegelt. Tensoren sind fett markiert.
Wobei s in der sogenannten Voigtschen Notation der mechanische Spannungsvektor ist. Für eine uniaxiale mechanische Spannung, was bei einem Vier-Punkt-Biegeversuch der Fall ist, weist der mechanische Spannungsvektor scc nur eine Komponente auf und die Gleichung (2) reduziert sich auf:
DBs = 1s,o(®iis**) (3)
Der piezoresistive Faktor pii hängt von der Temperatur T und der Ladungsträgerkonzentration N ab, was am besten durch den dimensionslosen P-Faktor P beschrieben werden kann [10], nli(T, N) = nli ref P(T, N)
(4) wobei wuefder piezoresistive Faktor bei Zimmertemperatur und einer gegebenen Ladungsträgerkonzentration Nret ist. Mit den Gleichungen (1 ) und (4) wird die Widerstandsänderung ARo aufgrund einer uniaxialen mechanischen Spannung zu
Daher wird die Widerstandsänderung AR„ durch den Flächenwiderstand Ra , das Aspektverhältnis a = l/w, die Ladungsträgerkonzentration N und die Temperatur T beeinflusst. Letztere verschwindet bei ausreichend hohen Ladungsträgerkonzentrationen (> 1019 cm-3)
[10].
Aus den obigen Gleichungen, die unterschiedliche Einflüsse auf die Widerstandsänderung lRcrabdecken, wurden beispielsweise sechs verschiedene Sensorentwurfsvarianten entwickelt. Der Flächenwiderstand wird konstant bei einem Zielwert von 100 O/sq gehalten. Wir prüfen drei unterschiedliche Aspektverhältnisse a und zwei unterschiedliche Ladungsträgerkonzentrationen N. In der Tabelle aus Fig 2b sind alle Entwurfsvarianten aufgelistet. Zusätzlich sind alle Varianten in Wheatstonesche-Brücke-Konfigurationen realisiert, hier jedoch nicht gezeigt. Um einen parasitären Strom zu/von der Solarzelle zu vermeiden, ist das Substrat um den Sensor durch einen Erdungsring geerdet. Dies wird durch eine hohe lokale p-Dotierung realisiert.
Diese Varianten bzw. die Sensoren wurden beispielsweise auf industriellen p-Typ-Solar- wafern hergestellt. Für die Charakterisierung auf eine Vier-Punkt-Biegebrücke werden die Wafer in einzelnen Streifen von 10x100 mm2 aufgeteilt. Jeder Streifen enthält vier verschie- dene Varianten, von denen für zwei jeweils die Strom-Spannungs-Charakteristik mit einer Vier-Punkt-Sonde gemessen werden kann.
In vorab durchgeführten Tests haben wir festgestellt, dass die Sensorstreifen bei ca. 90 MPa brechen, daher ist der Testbereich auf 65 MPa begrenzt und in 13 Belastungsschritte unterteilt. Bei jeder Belastung wird der Strom bei einer angelegten Spannung von 1 V durch eine Vierpunktsonde gemessen. Daraus berechnen wir die Widerstandsänderung DHs relativ zu 0 MPa. Abschließend wird die Empfindlichkeit S des Sensors durch folgende Gleichung ausgewertet:
Die vorläufigen Ergebnisse der gemessenen Sensoren aus den Varianten 1 , 2, 5 und 6 sind in Fig. 1 dargestellt. Variante 1 zeigt eine Empfindlichkeit von (-0,067 ± 0,008) %/MPa. Der große Fehler ist hauptsächlich auf die Abweichung zweier Abtastwerte mit einer Empfindlichkeit von (-0,05657 ± 0,00015) %/MPa (hell- und dunkelrot) zurückzuführen. Ohne diese beiden Abtastwerte beträgt die Empfindlichkeit (-0,0729 ± 0,0006) %/MPa. Mit Blick auf die vorläufigen Ergebnisse gehen wir davon aus, dass die Abweichung auf Schwankungen im Produktionsprozess zurückzuführen ist. Wie erwartet, liegt die Empfindlichkeit der Variante 2 (-0,0696 ± 0,0004) %/MPa im gleichen Bereich wie Variante 1. Varianten 4 und 5 mit einer höheren Ladungsträgerkonzentration von 5 · 1019 cm 3 zeigen geringere Empfindlichkeiten von (-0,0546 ± 0,001 1) %/MPa bzw. (-0,0527 ± 0,0003) %/MPa. Auch diese Werte liegen im gleichen Bereich. Da die Empfindlichkeit ein relativer Wert ist, verschwindet der Einfluss des Aspektverhältnisses a theoretisch. Praktisch scheint es einen kleinen Einfluss zu haben, wahrscheinlich aufgrund von Abweichungen im Produktionsprozess. Dies muss jedoch durch die laufenden Messungen bestätigt werden.
Diese vorläufigen Ergebnisse zur Änderung des relativen Widerstands als Funktion von axialen mechanischer Spannung ist in Fig. 2c dargestellt. Das obere Diagramm geht von einer Ladungsträgerkonzentration von 5 · 1019 cm'3 aus, während die untere Variante von 1 · 1019 cm 3 ausgeht. Mittels Quadraten sind Sensoren mit einem Aspektverhältnis von 10 gekennzeichnet, während Sensoren mit einem Aspektverhältnis von 5 mit Kreisen gekennzeichnet sind. Mit den Linien sind lineare Anpassungen an jedem Sensor gezeigt.
Wie oben erwähnt, brechen die Waferstreifen bei ca. 90 MPa, was eine sehr geringe Bruchspannung darstellt. Dies ist höchstwahrscheinlich auf den Aufteilungsprozess zurückzuführen, bei dem der Wafer mit einer Chip-Säge gesägt wird. Dieser Prozess erzeugt viele Fehler im Silizium, die die Ausfallwahrscheinlichkeit bei geringen Belastungen erhöhen.
Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, mechanische Spannungssensoren in Solarzellenwafer zu integrieren. Dies ermöglicht die Spannungsmessung in-situ während des gesamten PV-Modul-Produktionsprozesses, während des Testings und im Feldeinsatz.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 3a ein Temperatursensor erläutert. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der Temperatursensor einem Pt100-Sensor nachempfunden. Wie bereits oben erläutert, wird der Temperatursensor vorzugsweise so in den Schichtstapel eingebracht, dass er direkt die Temperatur der Solarzelle messen kann. Hierzu wird die in der Photovoltaikzelle verwendete Zellmetallisierung als Widerstand verwendet. Die Temperatur wird aus der Widerstandsänderung bestimmt. Die Realisierung erfolgt entsprechend Ausführungsbeispielen mittels eines mäanderförmigen Widerstands, wie in Fig. 3a gezeigt.
Fig. 3a zeigt einen Temperatursensor 32, der einen mäanderförmigen Abschnitt 32m aufweist. Dieser mäanderförmige Abschnitt 32m verbindet die zwei Kontaktstellen 32k miteinander. Sowohl die Kontaktstellen 32k als auch der mäanderförmige Bereich 32m ist in einer Ebene angeordnet, nämlich in der Ebene der Metallisierungsbahn und gleichzeitig mit den sowieso für die Solarzellenherstellung eingebrachten Metallisierungsstrukturen herge- stellt. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Sensor elektrisch von der Solarzelle isoliert. Dies kann beispielsweise wie folgt realisiert sein.
1. Verwendung einer Metallisierung, welche die Si02-Schicht nicht durchbricht
2. Auftragung einer zusätzlichen Isolationsschicht, z. B. Isolationslack
Für die elektrische Kontaktierung gibt es ein Kontaktfeld 32k, welches ebenfalls aus Silber besteht und auf das z.B. ein Kabel/Litze gelötet werden kann.
Ausgehend von der Temperaturempfindlichkeit des für die Metallisierung verwendeten Silbers wurde ein Sensor entwickelt, der beispielsweise einem handelsüblichen Pt-Sensor, wie z. B. einem Pt100-Sensor entspricht. Entsprechend wurde die Struktur so ausgelegt, dass der Widerstand Rr,o bei 0 °C 100 W entspricht. Je nachdem, welcher Pt bzw. Nt-Sen- sor nachempfunden werden soll, kann der Widerstandswert anders gewählt werden. Der Widerstand RT. O ist abhängig vom spezifischen Widerstand p, der Länge I, der Breite w und der Höhe h:
Die Temperaturabhängigkeit wird durch den Koeffizienten at ausgedrückt.
RT(T)— i?T 0(i + 7") (8) wobei RT.O und at für die Temperatur 0°C definiert sind.
Aufgrund des relativ geringen spezifischen Widerstandes p von Silber von 1 ,6 · 105 Qmm
[1 1 ] muss die Länge des Sensors gemäß Gleichung (7) lang sein, um einen Widerstand von 100 W zu erreichen. Deshalb entwerfen wir den Sensor auf mäanderförmige Weise. Der Sensor wird im eigenen Haus unter Verwendung von physikalischer Gasphasenab- scheidung produziert und in einer Klimakammer kalibriert. Die Widerstandsänderung wird von einer Vier-Punkt-Sonde in drei Temperaturzyklen im Bereich von -40... +160°C gemes- sen. Die Temperaturmessung erfolgt über einen externen Pt100-Temperatursensor.
Bezugnehmend auf Fig. 3b werden die vorläufigen Ergebnisse von vier Sensoren erläutert. Die Varianz ist nicht signifikant, so dass es ausreicht, in Fig. 3b nur einen Sensor darzustellen. Fig. 3b zeigt den temperaturabhängigen Widerstand Rr eines beispielhaften Temperatursensors. Die Daten stellen drei Temperaturzyklen im Einsatz dar, wobei die Linien einer linearen Anpassung entsprechen.
Aus der linearen Anpassung RT = RT,O + RT,O aΐt T erhalten wir den Widerstandstemperaturkoeffizienten Orals die Steigung geteilt durch RT.O. Der Mittelwert aller vier Sensoren beträgt 3,672 ± 0,014 10-3K'1
Die geringe Varianz der charakterisierten Temperatursensoren zeigt, dass der entworfene Sensor geeignet ist, die Temperatur einer Solarzelle zu messen.
Bezugnehmend auf Fig. 4a wird ein Feuchtigkeitssensor erläutert. Der Feuchtigkeitssensor 34 kann im Wesentlichen als Kondensator mit einem von der Luftfeuchtigkeit der Umgebung abhängigen Dielektrikum bestimmt werden. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Kondensator als Kamm-Kondensator mit den zwei Kämmen 34k 1 und 34k2 beschrieben werden. Die beiden Kämme 34k 1 und 34k2 greifen ineinander ein und sind beide in der Ebene der Metallisierungsschicht gebildet. Jeder der Kondensatorkämme 34k1 und 34k2 hat eine Kontaktstelle 34ko. Zwischen den Kämmen 34k 1 und 34k2 ist das feuchtigkeitssensitive Dielektrikum 34p vorgesehen. Das Dielektrikum 34p wird, um auf das Herstellungsverfahren zurückzukommen, bei der Herstellung der Solarzelle als einzelnes Polymer aufgebracht oder auch bei der Fertigstellung des Photovoltaikmoduls durch eine Verkapse- lungs- oder Verbindungsschicht. Insofern ist der Feuchtigkeitssensor ausgebildet, um die Feuchtigkeit der Verkapselung zu messen.
Der Feuchtigkeitssensor soll die Feuchtigkeit der Verkapselung messen. Hierfür wird die Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstante der Verkapselungs-Polymere ausgenutzt, wobei die Messung kapazitiv erfolgt. Zur kapazitiven Messung wird auf die Solarzelle ein Kondensator aufgebracht. Aus der Änderung der Kapazität lässt sich der Wassergehalt der Verkapselung bestimmen. Eine mögliche Ausführung des Kondensators ist ein Kamm-Kondensator. Der Kondensator muss elektrisch isoliert von der Solarzelle sein. Hieraus ergeben sich die gleichen Ausführungsvarianten wie bei den Temperatursensoren.
1 . Verwendung einer Metallisierung, welche die Si02-Schicht nicht durchbricht.
2. Auftragung einer zusätzlichen Isolationsschicht, z. B. Isolationslack Für die elektrische Kontaktierung gibt es ein Kontaktfeld 34ko, welches ebenfalls aus Silber besteht und auf das ein Kabel/Litze gelötet werden kann.
Auch wenn obige Erläuterungen zum mechanischen Spannungssensor, zum Temperatursensor und zum Feuchtigkeitssensor anhand konkreter Ausführungsbeispiele erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass es dem Fachmann bekannt ist, dass eine Feuchtigkeit, eine Temperatur oder eine mechanische Spannung auch auf Basis anderer physikalischer Phänomene gemessen werden kann. Als erstes Beispiel sei hierfür der Seebeck-Effekt genannt, der es ermöglicht, eine T emperaturmessung bei Verwendung zweier unterschiedlicher Materialien durchzuführen. Ein zweites Variationsbeispiel ist die Verwendung von kapazitiven Strukturen zur Messung einer mechanischen Spannung. Hierfür werden mäanderförmige Strukturen verwendet, die in Abhängigkeit von einer anliegenden Kraft in ihrem Abstand variieren, so dass ausgehend hiervon eine mechanische Spannung ermittelt werden kann.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5a bis 5d der grundsätzliche Aufbau einer Solarzelle bzw. eines Photovoltaikmoduls erläutert, um dann anhand von Fig. 6 im Detail darauf einzugehen, wo die Sensoren angeordnet sein können.
Fig. 5a zeigt einen Zwischenschritt bei der Herstellung einer Solarzelle. Hier wird von einem p-Typ Si-Wafer 50w ausgegangen, auf welchem durchdotierte Schichten bzw. dotierte Bereiche n-Typ-Emitter 50e aufgebracht werden. Die p-typ-Grunddotierung kann beispielsweise durch Bor geschaffen werden, während die n-Dotierung durch Phosphor erreicht wird. Auch andere Dotierstoffe sind selbstverständlich möglich.
Die Emitter 50e sind sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite, d. h. auf beiden Hauptoberflächen vorgesehen. Bei dieser Variante wird auf einer der zwei Emitterschichten 50e eine Isolationsschicht 50S, z. B. eine SiNx-ARC-Schicht aufgebracht. Auf diese Schicht 50i wird dann, wie Bezug nehmend auf Fig. 5b dargestellt, eine Elektrode vorgesehen. Diese Elektrode kann beispielsweise wie ein Gitter vorgesehen sein, das sich durch einzelne Finger 50f beschreiben lässt. Diese Finger sind durch Bahnen, z. B. über Metallisierungen 50s (auch als Busbar bezeichnet) miteinander verbunden. Der Kontakt auf der ge- genüberliegenden Seite kann beispielsweise durch eine vollflächige Aluminium-Schicht 50rc realisiert sein, in welche Kontaktpads (z. B. AgAl) 50c eingelassen sind. Das sich während der Solarzellenprozessierung unterhalb der Aluminium-Schicht 50rc ausbildende Al- BSF (back surface field, entsprechend einer hochdotierten p+’Zone) sorgt für eine reduzierte Rekombination der freien Ladungsträger an der Zellrückseite und damit zu erhöhter Effizienz der Solarzelle. Diese in Fig. 5b dargestellte Stufe kann als Solarzelle bestehend aus dem Schichtstapel der Schichten 50f, 50e, 50w, 50c, 50rc beschrieben werden. Die Schicht 50e ist mit der Dotierschicht bzw. mit dem dotierten Bereich gleichzusetzen, während die Schicht 50f mit den Metallisierungsstrukturen übereinstimmt. In dieser in Fig. 5b dargestellter Solarzelle bzw. eine Vielzahl von derartiger zu einer Matrix angeordneter Solarzellen werden dann beim Laminieren bzw. Verkapseln zu einem Photovoltaikmodul zusammen- gesetzt, was exemplarisch anhand von Fig. 5c dargestellt ist.
Fig. 5c zeigt eine Vielzahl von aus einer Matrix (z. B. 6x10-Matrix) zusammengesetzten Solarzellen, die mit dem Bezugszeichen 60 versehen sind. Diese Solarzellenmatrix 60s wird auf eine Glasscheibe 60g auflaminiert, wobei zwischen der Glasscheibe 60g und der Solarzellenmatrix 60s auch noch eine Verkapselungsschicht 60v verwendet wird. Diese Verkapselungsschicht wurde bei obigen Ausführungsbeispielen schon im Zusammenhang mit dem Feuchtigkeitssensor verwendet, da diese Verkapselungsschicht beispielsweise das feuchtigkeitssensitive Polymer formen kann.
Nach dem Aufbringen der Solarzellen 60s unter Verwendung der Verkapselungsschicht 60v auf die Glasscheibe 60g wird eine weitere Verkapselungsschicht 60v aufgebracht, um dann das Photovoltaikmodul mit der Rückseitenfolie 60rf zu finalisieren. Zusätzlich weist im Regelfall das Modul einen Rahmen auf, der mit dem Bezugszeichen 60r versehen ist. Dieser Rahmen kann beispielsweise auch die elektrische Kontaktierung, hier Anschlussdose 60a umfassen.
Bezüglich der elektrischen Kontaktierung der einzelnen Solarzellen der Vielzahl zu einer Matrix angeordneten Solarzellen 60s, sei auf Fig. 5d verwiesen.
Fig. 5d zeigt die Solarzellen 60s, die mittels der Verkapselung 60v auf das Frontglas 60g laminiert sind und mittels der Rückseitenfolie 60rf verschlossen wurde. Über elektrisch leitfähige Verbinder, wie z. B. Silberverbinder 60e sind die einzelnen Zellen miteinander verbunden. Das Verschalten der Zellen untereinander kann durch Löten (z.B. SnPb Ag-be- schichtete Cu-Flachdrähte erfolgen). Dieses Verbinden erfolgt im Regelfall vor bzw. beim Laminierprozess, so dass die Kontakte nach außen zum Rahmen 60r geführt werden können. Auch wenn bei obiger Struktur von einem p-Typ-Wafer mit n-Emittern ausgegangen wurde, so kann die Solarzelle auch umgekehrt hergestellt sein: Basis eines n-Typ-Substrat und p- Typ-Emitter.
Ebenso können die Metallisierungsstrukturen variieren, die hier als Finger in Verbindung mittels der Bahnen dargestellt sind. Der Kontakt auf der Rückseite, der typischerweise vollflächig ausgeführt ist, kann ebenso als Fingerstruktur oder auch als vollflächige Struktur gebildet sein.
Selbstverständlich sind neben den dargestellten Schichten auch noch die Integration wei- terer Schichten, wie z. B. weiteren Antireflexionsschichten oder Ähnlichem denkbar.
Bezüglich der dotierten Schicht 50e sei angemerkt, dass diese im eigentlichen Sinne gar keine Schicht darstellt, sondern durch Dotierung des Substrats 50w hergestellt ist.
Ausgehend von dieser Struktur bzw. insbesondere ausgehend von der in Fig. 5b dargestellten Struktur wäre es nun denkbar, Sensoren in die Solarzelle einzubringen.
Fig. 6 zeigt den Schichtstapel mit den Schichten 50f, die über die Leiterbahnen 50s miteinander verbunden sind und zusammen die Metallisierungsstruktur bilden. Diese Metallisierungsstruktur ist auf der isolierenden Schicht 50i angeordnet, die wiederum auf dem Emitter 50e liegt. Die Schicht 50i dient einerseits der Isolation und andererseits der Verbesserung der optischen Eigenschaften, nämlich als Antireflexionsschicht.
In der Schicht der Metallisierung kann, wie hier dargestellt, ein Temperatursensor 50t hergestellt werden. Dieser Temperatursensor 50t ist durch die Schicht 50i von dem Emitter 50e isoliert. Darüber hinaus ist der Temperatursensor 50t auch noch entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen gegenüber der Metallisierungsstruktur 50f + 50s isoliert. Entsprechend dargestellten Ausführungsbeispielen kann allerdings auch eine elektrische Verbindung vorgesehen sein, insbesondere dann, wenn der Temperatursensor mit einer Auswerteeinheit für den Temperatursensor von der Solarzelle mit Strom versorgt wird.
Additiv oder anstelle des T emperatursensors 50t kann auch ein Feuchtigkeitssensor in derselben Schicht, nämlich der Schicht der Metallisierungsstrukturen 50f + 50s ausgebildet sein. Dieser ist, wie oben bereits erläutert, ebenfalls durch eine Metallstruktur, nämlich einen Kondensator (im Vergleich zum Temperatursensor nicht einen Widerstand) gebildet, der zusätzlich ein feuchtigkeitssensitives Dielektrikum aufweist.
Zusätzlich zu dem Temperatursensor 50t bzw. Feuchtigkeitssensor ist auch ein mechanischer Spannungssensor 50m illustriert. Dieser erstreckt sich bei der dargestellten Variante über drei Schichten, nämlich die Dotierungsschicht/Emitterschicht 50e, in welcher ein dotierter Bereich 50dm des mechanischen Spannungssensors angeordnet ist, die Metallisierungsschicht 50f + 50s und die Isolationsschicht 10i. Dieser dotierte Bereich ist über Kontakte 50km, die in der Schicht der Metallisierungslage 50f + 50s liegen und auch durch die Isolationsschicht 50i durchgehen, kontaktierbar. Analog zu dem Temperatursensor 50t ist der mechanische Spannungssensor auch von der Metallisierungsstruktur 50f + 50s isoliert, wobei selbstverständlich auch eine elektrische Verbindung durch eine Stromversorgungseinheit vorgesehen sein kann.
Solarzellen-integrierte Sensoren haben den Vorteil, dass die Messgröße direkt in, bzw. an der Oberfläche der Solarzelle gemessen wird. Da die Implementation der Sensoren in den Solarzellen-Herstellungsprozess integriert werden kann, besteht das Potential auf jede Solarzelle oben genannte Sensoren zu integrieren und damit extrem geringe Mehrkosten für die Sensoren zu erreichen, im Vergleich zu einer Solarzelle ohne Sensor. So wird eine kontinuierliche Überwachung von PV-Moduien ermöglicht. Dies hat den Vorteil, dass PV- Modui-Betreiber den Zustand jeden einzelnen PV-Moduls mittels Computer-Algorithmen überwachen können und nur noch bei kritischen Werten gezielt vor Ort Kontrollen durchführen müssen. Misst z. B. ein Modul eine zu hohe Feuchtigkeit, kann der PV-Modul- Betreiber präventiv das PV-Modul inspizieren und gegebenenfalls austauschen. Ebenso für die mechanische Spannung: wird oder wurde in einzelnen PV-Modulen eine hohe/kritische mechanische Spannung gemessen, kann der Betreiber diese PV-Module gezielt nach Solarzellbrüchen kontrollieren. Falls Solarzellbrüche gefunden wurden, weiß der Betreiber zudem genau, wann diese entstanden sind.
Mögliche technische Anwendungsgebiete sind: Silizium-basierte Solarzellen mit integrierten Sensoren, z. B.: mechanische Spannung
Temperatur
Feuchte
PV-Module mit obigen Solarzellen für in-situ-Monitoring während des Betriebs Herstellung (Verschaltung, Laminierung)
Zertifizierungstest nach IEC61215
Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen immer von Temperatur-, Feuchtigkeits-, oder mechanischem Spannungssensor ausgegangen wurde, so kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen auch die Integration von weiteren (zusätzlichen) Sensoren, wie z. B. Einstrahlungssensoren, geschaffen werden. Der Hintergrund hierzu ist, dass aufgrund des- sen, dass Solarzellen auf Basis von herkömmlichen Siliziumtechnologien hergestellt wer- den, und unterschiedliche auf Halbleiterbasis herstellbare Sensoren bekannt sind, die Integration derartiger Sensoren in den Schichtstapel einer Solarzelle dem Fachmann ausgehend von obiger Lehre klar sein sollte.
Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen diese insbesondere im Zusammenhang mit einer Vorrichtung erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass weitere Ausführungsbeispiele sich auf die entsprechenden Herstellungsverfahren beziehen.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel wird ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Solarzelle mit den Schritten des Integrierens der Sensoren geschaffen. Hierbei erfolgt das Dotieren der dotierten Bereiche und/oder das Aufbringen der Metallisierungsstrukturen derart, dass gleichzeitig die entsprechenden gewünschten Sensoren hergestellt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Pho- tovoltaikmoduls, das beispielsweise die Laminierungsschritte und/oder die Kontaktierungsschritte mitumfasst. Mittels dieses Herstellungsverfahrens treten hohe Temperaturen, z. B. 150 °C über 8 Minuten beim Laminieren oder 200 °C über 2 Minuten beim Verlöten der einzelnen Solarzellen auf, die so gewählt sind, dass die Halbleiterstruktur der Solarzelle bzw. der Schichtstapel allgemein nicht beschädigt wird. Um hier den Prozess ausreichend gut überwachen zu können, kann vorteilhafterweise der bereits integrierte Temperatursensor verwendet werden, so dass das Herstellungsverfahren des Photovoltaikmoduls nun auch das Überwachen von mittels der Sensoren bestimmbaren Prozessparametern umfasst. Neben der Temperatur bei den Schritten Laminieren und/oder Löten kann natürlich auch die mechanische Spannung, z. B. beim Laminieren vorteilhafterweise mitbestimmt werden. Ein weiterer wichtiger Prozessparameter ist die Feuchtigkeit, die so vorteilhafterweise mit überwacht werden kann. Auch wenn bei obigen Ausführungsbeispielen eben von einer Vorrichtung ausgegangen wurde, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Beschreibung eines Vorrichtungsmerkmals bzw. einer Struktur ebenso als korrespondierende Beschreibung für einen entsprechenden Verfahrensschritt zu werten sind.
[1] V.A. Handara et al.,„Probing stress and fracture mechanism in encapsulated thin Silicon solar cells by Synchrotron X-ray microdiffraction,“ Solar Energy Materials and Solar Cells, vo. 162, pp. 30-40, 2017.
[2] S.K. Tippabhotla et al.,“Synchrotron X-ray Micro-diffraction - Probing Stress State in Encapsulated Thin Silicon Solar Cells, '‘International Conference on Materials for Advanced Technologies (ICMAT2015), Symposium C - Solar PV (Photovoltaics) Materials, Manufacturing and Reliability, vol. 139, pp. 123-133, 2016.
[3] W. Mühleisen et al.,“Stress Measurements in Interconnected Solar Cells with Ra- man Spectroscopy", in Proceedings of the 31st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg, Germany, 2015, pp. 160-163.
[4] A. Büchler et al.,“Enabling stress determination on alkaline textured Silicon using Raman spectroscopy”, Energy Procedia, vol. 124, pp. 18-23, 2017.
[5] A. J. Beinert et al.,„Thermomechanical stress analysis of PV module production processes by Raman spectroscopy and FEM Simulation”, Energy Procedia, vol. 124, pp. 464-469, 2017.
[6] M. Jankovec et al., Ίh-Situ Monitoring of Moisture Ingress in PV Modules Using Digital Humidity Sensors”, IEEE J. Photovoltaics, vol. 6, no. 5, pp. 1 152-1 159, 2016.
[7] J. C. Suhling and R. C. Jaeger,“Silicon piezoresistive stress sensors and their ap- plication in electronic packaging”, Sensors Journal, IEEE, vol. 1 , no. 1 , pp. 14-30, 2001.
[8] P. Gieschke, B. Sbierski, and O. Paul,“CMOS-based piezo-FET stress sensors in Wheatstone bridge configuration”, in 2011 IEEE Sensors, Limerick, Ireland, pp. 93- 96.
[9] P. Gieschke and O. Paul,“CMOS-integrated Sensor Chip for in-plane and out-of- plane shear stress”, Procedia Engineering, vol. 5, pp. 1364-1367, http.y/www.sol· ön utiiiü a Vsoicn 7ui ti o/pii/S 1J7 /70b8 I 00OU i 5X, 2010. [10] Y. Kanda,“Piezoresistance effect of Silicon", Sensors and Actuators A, vol. 28, pp. 83-91 , 1991.
[1 1] J. R. Rumble, CRC handbook of Chemistry and physlcs, 98th ed. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2017.

Claims

Patentansprüche
1. Solarzelle (10) mit einem Schichtstapel (20), der zumindest folgende Merkmale aufweist: einem Substrat (22); zumindest einem dotierten Bereich (24, 24‘); zumindest einer Metallisierungsstruktur (26, 26'); einem Sensor (30) in Form eines Dehnungsmesssensor (40; 50m), eines kapaziti- ven Feuchtigkeitssensors (34; 50t) oder eines Temperatursensors (32; 50t); wobei der Sensor in einem separaten dotierten Bereich oder separaten Metallisierungsstrukturen in dem Schichtstapel (20) integriert ist.
2. Solarzelle (10) gemäß Anspruch 1 , wobei der Dehnungsmesssensor (40; 50m) einen piezoresistiven Dehnungsmesssensor (40; 50m) umfasst.
3. Solarzelle (10) gemäß Anspruch 2, wobei der Dehnungsmesssensor (40; 50m) oder der piezoresistive Dehnungsmesssensor (40; 50m) durch Dotierung (41) in einer Schichtstapelebene des Schichtstapels (20) integriert ist und/oder wobei der Dehnungsmesssensor (40; 50m) oder piezoresistive Dehnungsmesssensor (40; 50m) in einem beliebigen Bereich der Solarzelle (10) integriert ist.
4. Solarzelle (10) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Dehnungsmesssensor (40;
50m) oder der piezoresistive Dehnungsmesssensor (40; 50m) einen in Abhängigkeit von der vorherrschenden mechanischen Spannung in dem Substrat (22) sich einstellenden Widerstand aufweist.
5. Solarzelle (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Temperatursensor (32; 50t) in einer Schichtstapelebene der Metallisierungsstruktur (26, 26') des Schichtstapels (20) integriert ist; und/oder wobei der Temperatursensor (32; 50t) durch ein oder mehrere Metallisierungsbahnen geformt ist.
6. Solarzelle (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Feuchtigkeitssensor (34) einen Kondensator oder einen Kamm-Kondensator (34k1 , 34k2) sowie ein Polymer (34p) mit einer von der Luftfeuchtigkeit abhängenden Dielektrizitätskonstante aufweist.
7. Solarzelle (10) gemäß Anspruch 6, wobei der Kondensator oder der Kamm-Kondensator (34k1 , 34k2) in einer Schichtstapelebene der Metallisierungsstruktur (26, 26‘) des Schichtstapels (20) integriert ist; und/oder wobei der Kondensator oder der Kamm-Kondensator (34k1 , 34k2) durch ein oder mehrere Metallisierungsbahnen geformt ist.
8. Solarzelle (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei das Polymer durch ein Verkapselungspolymer (34p) in Form einer Verbindungsschicht zu einer Laminierungslage eines Photovoltaikmoduls oder aus einer Laminierungslage des Photovoltaikmoduls geformt ist; und/oder wobei das Polymer sich auf und/oder zwischen Metallisierungsbahnen des Kondensators oder des Kamm-Kondensators (34k1 , 34k2) erstreckt.
9. Solarzelle (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensor (30) elektrisch mit einer energiegenerierenden Struktur der Solarzelle (10) verbunden ist und die energiegenerierende Struktur ausgebildet ist, um den Sensor (30) mit Strom zu versorgen.
10. Solarzelle (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Solarzelle (10) eine Übertragungseinheit umfasst, die ausgebildet ist, um per Funk ein Sensorsignal des Sensors (30) zu übertragen, oder die ausgebildet ist, um das Sensorsignal auf ein Leistungssignal der Solarzelle (10) und/oder des Photovoltaikmoduls aufzumodulieren.
1 1. Solarzelle (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der dotierte Bereich (24, 24‘) in das Substrat (22) eingebracht ist, um einen Emitter der Solarzelle (10) zu formen; und/oder wobei die Metallisierungsstruktur (26, 26‘) auf den dotierten Bereich (24, 24') aufgebracht ist, um eine Elektrode der Solarzelle (10) zu formen; und/oder wobei das Substrat (22) dotiert ist und die Dotierung (41) sich von der Dotierung (41) des dotierten Bereichs (24, 24‘) unterscheidet.
12. Solarzelle (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schichtstapel (20) auf beiden Seiten des Substrats (22) einen dotierten Bereich (24, 24‘) aufweist; und/oder wobei der Schichtstapel (20) auf beiden Seiten des Substrats (22) eine Metallisierungsstruktur (26, 26') aufweist; und/oder wobei der Schichtstapel (20) eine Antireflexionsschicht (50i) aufweist.
13. Solarzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 6, 8, 9 oder 10, wobei der Kondensator oder der Kamm-Kondensator (34k 1 , 34k2) des Feuchtigkeitssensors (34) oder der Temperatursensor (32, 50t) oder die ein oder mehrere Metallisierungsbahnen des Feuchtigkeitssensors (34, 50t) der die ein oder mehrere Metallisierungsbahnen des Temperatursensors (32, 50t) durch eine Isolationsschicht von dem dotierten Bereich (24, 24') und/oder dem Substrat (22) getrennt sind.
14. Photovoltaikmodul mit zumindest einer Solarzelle (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
15. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, mit den Schritten:
Bereitstellen eines Substrats (22);
Formen eines dotierten Bereichs (24, 24‘) in oder auf dem Substrat (22); und
Formen einer Metallisierungsstruktur (26, 26‘) auf dem dotierten Bereich (24, 24‘); wobei beim Formen des dotierten Bereichs (24, 24‘) und/oder der Metallisierungsstruktur (26, 26') ein Sensor (30) in den Schichtstapel (20) integriert wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Formen des dotierten Bereichs (24, 24‘) ein Dotieren des Substrats (22) umfasst, um einen Dehnungsmesssensor (40; 50m) oder einen piezoresistiven Dehnungsmesssensor (40; 50m) zu formen, und/oder wobei der Schritt des Formens der Metallisierungsstruktur (26, 26‘) den Schritt des Formens eines Temperatursensors (32, 50t) in einer Schichtstapelebene der Metallisierungsstruktur (26, 26‘) umfasst; und/oder wobei der Schritt des Formens der Metallisierungsstruktur (26, 26') den Schritt des Formens eines Kondensators oder Kamm-Kondensators (34k1 , 34k2) in einer Schichtstapelebene der Metallisierungsstruktur (16, 26‘) umfasst, der zusammen mit einem Polymer oder einem Verkapselungspolymer (34p), das durch eine Verbindungsschicht zu einer Laminierungslage eines Photovoltaikmoduls oder eine Lami- nierungslage des Photovoltaikmoduls gebildet ist, einen Feuchtigkeitssensor (34, 50t) bildet.
17. Verfahren zum Herstellen eines Photovoltaikmoduls gemäß Anspruch 16, das den
Schritt des Auslesens des Sensors (30) während der Herstellung aufweist.
18. Verfahren zum Herstellen eines Photovoltaikmoduls gemäß Anspruch 16 oder 17, das den Schritt des Aufbringens einer Verbindungsschicht oder eines Verkapse- lungspolymers (34p) auf die Metallisierungsstruktur (26, 26‘) umfasst, sodass das
Verkapselungspolymer (34p) oder die Verbindungsschicht zusammen mit einem Kondensator oder Kamm-Kondensators (34k1 , 34k2) in einer Schichtstapelebene der Metallisierungsstruktur (26, 26‘) einen Feuchtigkeitssensor (34, 50t) bildet.
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