WO1993015527A1 - Integriert verschaltetes stapelzellensolarmodul - Google Patents

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WO1993015527A1
WO1993015527A1 PCT/DE1993/000051 DE9300051W WO9315527A1 WO 1993015527 A1 WO1993015527 A1 WO 1993015527A1 DE 9300051 W DE9300051 W DE 9300051W WO 9315527 A1 WO9315527 A1 WO 9315527A1
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solar cell
electrode layer
thin
structuring
stack
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Wilhelm Kusian
Joze Furlan
Wolfgang Riedl
Hans Pfleiderer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01L31/06—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 adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
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    • H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells

Definitions

  • the object of the present invention is therefore to provide a to provide a complex structure for a stacked cell solar module, which can be easily produced using known thin-layer structuring techniques and thereby ensures technologically simple and reliable interconnection even with a minimal loss of active semiconductor area.
  • the solar cells each have a pn junction or a pin structure
  • the module according to the invention has only regular structures and therefore a simple structure, the manufacture of which does not require any additional technological effort compared to thin-film solar modules and is therefore compatible with known modules in terms of production technology.
  • the possible number n of thin-film solar cells stacked in the stack is variable in the structure according to the invention and is at least 2.
  • the individual solar cells can be made as thin as desired and light aging can thus be reduced.
  • high light absorption is guaranteed, since the lower absorption of a thinner layer can be compensated for by a higher number of solar cells in the stack.
  • the total layer thickness of the n thin-film solar cells in the stack is ultimately responsible for the total absorption.
  • the new module structure is suitable for all integrated, structurable semiconductor materials and thus for almost all semiconductors suitable for thin-film solar cells.
  • these are amorphous layers made of silicon (a-Si: H) or its alloys, for example with germanium (a-Si / Ge: H) and cells made of pure germanium (a-Ge: H) or polycrystalline chalcopyrite materials, for example from copper indium diselenide or copper gallium diselenide.
  • the module structure according to the invention is always particularly advantageous when semiconductor layers which are as thin as possible are desired, that is to say all materials which, for example, show light aging or in which the production of thicker layers is technological is difficult.
  • FIG. 6 shows a module according to the invention with three solar cell layers.
  • FIG. 2 A first thin-film solar cell DS1, in the present case an a-Si: H pin diode, is now generated over the entire surface of the strip of the first electrode layer ESI, a PECVD method being used.
  • the structuring of the first thin-film solar cell DS1 is likewise carried out using a laser, trenches G2 being produced parallel to the trenches G1, which are laterally offset by at least one trench width, so that the surface of the first electrode layer ESI is exposed at the bottom of the trenches G2 is.
  • FIG. 3 A second electrode layer ES2 is now applied over the entire surface of the solar cell DS1 and structured in the same way with a laser, trenches G3 being produced offset by at least one further trench width in the same direction with respect to G2 and thereby exposing the surface of the thin-film solar cell DS1 becomes.
  • FIG. 4 In the next step, a second thin-film solar cell DS2 is produced over the entire surface, which has an inverse structure, here nip, with respect to the direction of its semiconductor junction with respect to the first solar cell DS1. This is followed by a further laser structuring, trenches G4 being produced which are laterally offset in the other direction against the trenches G2 and thus lie directly over the trenches G2.
  • the exemplary structure shown in FIG. 5 for a tandem solar cell module according to the invention can be varied further within the scope of the invention.
  • solar cells of different thicknesses can be arranged one above the other in the stack, the second solar cell DS2 preferably having a higher layer thickness.
  • the first solar cell DS1 could have a thickness of 300 nm, for example, and the second solar cell DS2 could have a thickness of 300 to 500 nm.
  • the lower limit of a possible layer thickness is determined not by physical but by technological parameters.
  • a photocurrent is observed in a pin solar cell from a layer thickness of approx. 25 nm.
  • the outer comb structures EKS at the edge of the module are constructed analogously to the middle comb-like structures KS, but are only one solar cell Stacks are adjacent and therefore have teeth or electrode strips ES pointing only to one side. Contacting for connecting the module to a consumer or a storage unit also takes place at the end structures EKS.
  • the trench width G2 is significantly larger than the trench width G4, so that the laser beam incident through the substrate S only an interface between a solar cell layer DS and an electrode layer ES (here ES2 / DS2) "sees".
  • the trench width G2 must therefore be calculated at least from the sum of the trench widths G4 and G5 plus a tolerance value which results from the tolerance of the cutting device (laser) and the adjustment accuracy of the device.
  • FIG. 7 shows an equivalent circuit diagram for the stacked cell solar module shown in FIG. 5.
  • the solar cells are shown as diodes in accordance with the direction of their semiconductor transition, while the connecting lines drawn represent the comb-like electrode structures.

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Abstract

Es wird vorgeschlagen, für ein Stapelzellensolarmodul die Einzelsolarzellen alternierend pin, nip, pin und so weiter anzuordnen, die Solarzellenstapel streifenförmig zu strukturieren und die Verschaltung über kammartige Elektrodenstrukturen vorzunehmen, die die p-Seiten der Solarzellen eines Stapels mit den n-Seiten der Solarzellen des benachbarten Stapels verbinden. Das integriert herstellbare Solarmodul ist innerhalb eines Stapels parallel und zwischen den Stapeln in Serie geschaltet. Durch einfaches Wiederholen der Fertigungsschritte können so Stapel aus zwei und mehr Solarzellen aufgebaut werden, die gegenüber bekannten Solarmodulen eine verminderte Lichtalterung aufweisen.

Description

Integriert verschaltetes Stapelzellensolarmodul.
Solarzellen und Solarmodule aus amorphem Silizium (a-Si:H) zeigen unter Lichteinwirkung ein erhebliches Nachlassen der elektrischen Leistung, das bis zu 40 Prozent der ursprüngli- chen Leistung betragen kann. Dieser während des Betriebs der Solarzellen auftretende Alterungsprozeß läßt sich zwar durch Tempern bei 180*C rückgängig machen, setzt aber bei Lichtein¬ wirkung erneut ein.
Eine Möglichkeit, diesen auch als Staebler-Wronski-Effekt bei Solarzellen bezeichneten Alterungseffekt zu umgehen, besteht im Einsatz von Mischhalbleitern mit kleinerem Bandabstand für die Herstellung der aktiven i-Schicht. Auch ist es möglich, pin-Solarzellen aus amorphem Silizium mit dünneren i-Schichten herzustellen, die unterhalb einer Schichtdicke von ca. 300 nm kaum Alterung zeigen. Allerdings absorbiert eine derart dünne i-Schicht den Rotanteil des Sonnenspektrums nur unvollständig, so daß mit diesen Zellen ein zu niedriger Kurzschlußstrom er¬ halten wird.
Eine Möglichkeit, Solarzellen mit dünneren i-Schichten aber hoher Rotabsorption herzustellen, bieten Stapelzellen. Eine solche Stapelzelle, aus zwei oder mehr jeweils für sich dünnen Einzelzellen aufgebaut, absorbiert einen ausreichenden Teil des Sonnenlichts. Eine Doppelzelle hat die Struktur pin-pin, eine Tripeizelle pin-pin-pin und so weiter. Die i-Schichten der Teilzellen eines Stapels können aus ein und demselben Halb¬ leitermaterial bestehen, oder aus verschiedenen Halbleitermate¬ rialien hergestellt werden, zum Beispiel aus Silizium/Kohlen- stoff oder Silizium/Germaniumlegierungen.
Tandem- oder allgemein Stapelzellen zeigen in der Tat eine höhere Stabilität gegen Lichtalterung bei gleichbleibendem oder sogar höherem Wirkungsgrad. Die Zellen eines Stapels sind dabei optisch hintereinander geschaltet und im einfachsten Fall elektrisch in Serie geschaltet. Die Photospannungen über- einanderliegender Zellen addieren sich, während die Photoströ¬ me übereinstimmen müssen. Der maximal erreichbare Photostrom in einer solchen Stapelzelle wird vom Photostrom der schwäch¬ sten Einzelzelle bestimmt.
10
Die Stromabstimmung oder auch das "current matching" ist je¬ doch insbesondere bei der Produktion großflächiger Solarmodule nur schwierig durchzuführen. Schichtdickenschwankungen bei der Abscheidung der aktiven Halbleiterschicht treten mit größer 15 werdender Substratfläche verstärkt auf und beeinflussen den Photostrom.
Um das Problem der Stromanpassung zu umgehen, wird in der EP 0 326 857 erstmals vorgeschlagen, Stapelzellen mit einem 0 pinip oder nipin-Aufbau zu verwenden und in einem Modul inte¬ griert zu verschalten. In dieser Anordnung sind die beiden übereinanderliegenden Solarzellen der Tandemzelle elektrisch parallel geschaltet, wobei sich die Photoströme der Teilzellen addieren. Erforderlich ist nur noch eine Spannungsabstimmung
25 der Teilzellen, um möglichst identische Photospannungen zu ha¬ ben. Da im Arbeitsbereich einer Solarzelle jedoch nur eine ge¬ ringe Abhängigkeit der Photospannung vom Photostrom besteht, läßt sich die Spannungsanpassung einer Tandem- oder Stapelzelle mit Parallelverschaltung deutlich einfacher durchführen als
30 eine Stromanpassung bei Serienverschaltung.
Nachteilig an dem bekannten Tandemsolarmodul mit Parallelver¬ schaltung ist der gegenüber einem einfachen Dünnschichtsolar- odul komplizierte Aufbau, der in den Trenngräben zwischen den 35. Stapelzellen eine Flankenisolation erfordert und bei dem zur Verschaltung die Kontaktierung über Stufen in den Schichten vorgenommen wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verein- fachten Aufbau für ein Stapelzellensolarmodul anzugeben, wel¬ cher einfach mit bekannten Dünnschichtstrukturierungstechniken herstellbar ist und dabei eine technologisch einfache und sichere Verschaltung auch bei gleichzeitig minimalem Verlust an aktiver Halbleiterfläche gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein mehr¬ schichtiges Solarmodul, bei dem auf einem Substrat mehrere Solarzellenstapel mit jeweils n Dünnschichtsolarzellen strei- fenförmig nebeneinander angeordnet sind, mit folgenden Merk¬ malen:
a) die Solarzellen weisen jeweils einen pn-Übergang oder eine pin-Struktur auf,
b) die Richtung des Halbleiterübergangs kehrt sich jeweils von einer Solarzellenschicht zur darüberliegenden um,
c) die Elektroden der Solarzellen sind transparente Schichten und bilden zusammen mit ihrer Verschaltung im Querschnitt senkrecht zu den Streifen gesehen regelmäßige kammartige Strukturen, die jeweils n + 1 Zähne besitzen, welche alter¬ nierend beidseits des senkrecht zum Substrat zwischen je- weils zwei Stapeln stehenden Rückens angeordnet sind,
d) die n + 1 Elektrodenschichten jeweils eines Stapels werden abwechselnd von den Zähnen der dem Stapel beidseitig be¬ nachbarten kammartigen Strukturen gebildet, wobei diese be- rührungslos ineinandergreifen,
wobei eine jede der kammartigen Strukturen die p-Seiten der Solarzellen eines Stapels mit den n-dotierten Seiten im be¬ nachbarten Stapel elektrisch verbindet und so sämtliche So- larzellen eines Stapels elektrisch parallel und die Stapel über das Modul elektrisch in Serie verschaltet und wobei n=≥2.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur nehmen .
Das erfindungsgemäße Modul weist ausschließlich regelmäßige Strukturen und somit einen einfachen Aufbau auf, dessen Her¬ stellung gegenüber Dünnschichtsolarmodulen keinen zusätzlichen technologischen Aufwand erfordert und daher mit bekannten Mo¬ dulen fertigungstechnisch kompatibel ist.
Die mögliche Anzahl n von im Stapel geschichteten Dünnschicht¬ solarzellen ist beim erfindungsgemäßen Aufbau variabel und be¬ trägt mindestens 2. Dadurch können die einzelnen Solarzellen beliebig dünn hergestellt werden und die Lichtalterung somit reduziert werden. Gleichzeitig wird eine hohe Lichtabsorption garantiert, da die geringere Absorption einer dünneren Schicht durch eine höhere Anzahl von Solarzellen im Stapel ausgegli¬ chen werden kann. Für die Gesamtabsorption ist letzthin die Gesamtschichtdicke der n Dünnschichtsolarzellen im Stapel ver¬ antwortlich.
Im streifenförmigen Solarzellenstapel können die einzelnen So¬ larzellen exakt übereinander angeordnet sein, so daß durch die Verschaltung im Modul nur ein minimaler Verlust an aktiver Halbleiterfläche erforderlich ist, der pro Streifen bzw. pro Stapel nur einer Grabenbreite entspricht, also nicht mehr als bei bekannten Dünnschichtmodulen.
Der neue Modulaufbau ist prinzipiell für alle integriert struk¬ turierbaren Halbleitermaterialien und somit für nahezu alle für Dünnschichtsolarzellen geeignete Halbleiter geeignet. Ins¬ besondere sind dies amorphe Schichten aus Silizium (a-Si:H) oder dessen Legierungen, beispielsweise mit Germanium (a-Si/Ge:H) sowie Zellen aus reinem Germanium (a-Ge:H) oder polykristallinen Chalkopyrit-Materialien, beispielsweise aus Kupferindiu diselenid oder Kupfergalliumdiselenid. Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Modulaufbau stets dann, wenn möglichst dünne Halbleiterschichten gewünscht sind, also alle Materialien die beispielsweise eine Lichtalterung zeigen oder bei denen die Herstellung dickerer Schichten technologisch erschwert ist .
Im erfindungsgemäßen Solarmodul ist eine Spannungsanpassung erforderlich, um keine Verluste in der Modulleistung zu be¬ kommen. Dies erfordert nicht unbedingt identische Materialien für die Solarzellen im Stapel, macht es aber wünschenswert und vorteilhaft.
Somit kann das Licht im verwertbaren Teil des Spektrums nahezu vollständig absorbiert werden, ohne daß es zu einer Leistungs¬ einbuße des Moduls kommt. Es werden also hohe Photoströme und somit ein hoher Wirkungsgrad erhalten.
Obwohl auch die dem Substrat abgewandte Seite des Stapelauf¬ baus als Lichteinfallsseite dienen kann, so wird dennoch die Substratseite bevorzugt. Als Substratmaterial wird daher üb¬ licherweise Glas gewählt, während für die transparenten leit¬ fähigen Elektroden bekannte TCO-Materialien verwendet werden können, beispielsweise dotierte Metalloxide wie fluordotiertes Zinnoxid (Sn02:F), bordotiertes Zinkoxid (Zn0:B) oder Indium¬ zinnoxid (ITO) und andere. Die oberste Elektrodenschicht kann ebenfalls aus TCO oder aus einer Metallschicht bestehen, um im Stapel nicht absorbiertes Licht in die Solarzellen zu reflek- tieren.
Obwohl die Anzahl n der Solarzellenschichten im Stapel belie¬ big erhöht werden kann, so wird doch in der Praxis eine mini¬ male Anzahl an Zellen bevorzugt, um den Fertigungsaufwand für die vielen erforderlichen Schichten zu beschränken. Hinzu kommt, daß die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung bereits bei einem Tandemmodul (n = 2) vollständig ausgeprägt sind und mehr als zwei Schichten daher selten erforderlich sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei¬ spiels und der dazugehörigen acht Figuren näher erläutert. Da¬ bei zeigen
die Figuren 1 bis 5 verschiedene Verfahrensstufen bei der Her- Stellung eines Stapelmoduls mit zwei Solarzellen¬ schichten im schematischen Querschnitt, während
die Figur 6 ein erfindungsgemäßes Modul mit drei Solarzellen¬ schichten zeigt.
In den Figuren 7 und 8 sind die Ersatzschaltpläne für Module mit n = 2 und n = 3 dargestellt.
Figur 1: Auf einem Glassubstrat S von beispielsweise 2 mm Dicke wird ganzflächig eine erste Elektrodenschicht ESI abge¬ schieden, beispielsweise durch PECVD (plasma enhanced chemical vapour deposition) oder durch Sputtern von TCO-Materialien. Anschließend wird die erste Elektrodenschicht mit einem Laser strukturiert, wobei durch Abtragen von Elektrodenmaterial zu¬ einander parallele schmale Gräben Gl erzeugt werden, so daß Elektrodenstreifen beispielsweise von 1 bis 5 cm Breite ver¬ bleiben. Die Breite der Gräben Gl wird möglichst gering ge- wählt und beträgt bei einem verwendeten Laser beispielsweise 50 μm.
Figur 2: Über den Streifen der ersten Elektrodenschicht ESI wird nun ganzflächig eine erste Dünnschichtsolarzelle DS1 er- zeugt, im vorliegenden Fall eine a-Si:H pin-Diode, wobei ein PECVD-Verfahren verwendet wird. Die Strukturierung der ersten Dünnschichtsolarzelle DS1 erfolgt ebenfalls mit einem Laser, wobei Gräben G2 parallel zu den Gräben Gl erzeugt werden, die seitlich gegenüber diesen um zumindest eine Grabenbreite ver- setzt sind, so daß am Boden der Gräben G2 die Oberfläche der ersten Elektrodenschicht ESI freigelegt ist.
Figur 3: Über der Solarzelle DS1 wird nun ganzflächig eine zweite Elektrodenschicht ES2 aufgebracht und mit einem Laser in gleicher Weise strukturiert, wobei Gräben G3 um zumindest eine weitere Grabenbreite in gleicher Richtung gegenüber G2 versetzt erzeugt werden und dabei die Oberfläche der Dünn¬ schichtsolarzelle DS1 freigelegt wird. Figur 4: Im nächsten Schritt wird eine zweite Dünnschichtso¬ larzelle DS2 ganzflächig erzeugt die eine bezüglich der Rich¬ tung ihres Halbleiterübergangs gegenüber der ersten Solarzel¬ le DS1 inverse Struktur, hier nip, aufweist. Daran schließt sich eine weitere Laserstrukturierung an, wobei Gräben G4 er¬ zeugt werden, die seitlich in die andere Richtung gegen die Gräben G2 versetzt sind und so direkt über den Gräben G2 lie¬ gen.
Figur 5: Als letzter Schritt zur Herstellung eines fertigen Tandemsolarzellenmoduls wird eine dritte TCO-Elektrodenschicht ES3 in analoger Weise wie die erste Elektrodenschicht ESI er¬ zeugt und strukturiert.
Die in der Figur 5 dargestellte beispielhafte Struktur für ein erfindungsgemäßes Tandemsolarzellenmodul ist im Rahmen der Er¬ findung noch weiter variierbar. Beispielsweise lassen sich im Stapel Solarzellen unterschiedlicher Dicke übereinander anord- nen, wobei die zweite Solarzelle DS2 vorzugsweise eine höhere Schichtdicke aufweist. Im Ausführungsbeispiel könnte die erste Solarzelle DS1 beispielsweise eine Dicke von 300 nm und die zweite Solarzelle DS2 eine Dicke von 300 bis 500 nm aufweisen. Die Untergrenze einer möglichen Schichtdicke wird nicht durch physikalische sondern durch technologische Parameter bestimmt. Bereits ab ca. 25 nm Schichtdicke wird in einer pin-Solarzelle ein Photostrom beobachtet. Aufgrund von Schichtdickenschwankun¬ gen oder Unebenheiten in der Struktur des Substrates oder einer der darüber abgeschiedenen Schichten besteht jedoch bei dünnen Schichten die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen zwei Elek¬ trodenschichten in einem Stapel, welcher die Leistung des Mo¬ duls mindern könnte. Es werden daher größere technoligsch sicher herstellbare Schichtdicken bevorzugt.
Die Dicke der Elektrodenschichten ist entsprechend ihrer Leit¬ fähigkeit ausgelegt. Bei Verwendung von bordotiertem Zinkoxid ist eine Dicke von ca. 1 μm ausreichend. Jedoch kann auch eine größere Strukturbreite bzw. ein größerer Abstand zwischen zwei benachbarten Gräben G in einer Schicht eine höhere Leitfähig- keit einer Elektrodenschicht ES und somit eine höhere Schicht¬ dicke erfordern.
Die Strukturbreite wird im allgemeinen von der Größe des ge¬ wählten Substrats bestimmt. Es werden so viele streifenför ige Solarzellenstapel erzeugt, daß sich die Zellspannungen der elektrisch hintereinander geschalteten Solarzellenstapel im Arbeitspunkt zu einer Gesamtspannung von 12 bis 14 Volt addie- ren. Da die Spannung einer Einzelzelle aus a-Si:H bei ca. 0,6 bis 0,8 Volt liegt, sind für die gewünschte Endspannung ca. 20 oder mehr Streifen erforderlich. Dabei kann die Breite eines Streifens bis zu 5 cm betragen.
in Figur 6 ist ein erfindungsgemäßes Stapelzellensolarmodul mit drei Schichten von Dünnschichtsolarzellen im Stapel darge¬ stellt. Dazu wird auf der Tandemzellenstruktur (siehe Figur 5) eine weitere Dünnschichtsolarzelle DS3 mit einer pin-Struktur abgeschieden und in der gleichen Art und Weise strukturiert wie die erste und zweite Dünnschichtsolarzelle DSl bzw. DS2. Die Rückelektrode wird von einer vierten Elektrodenschicht ES4 gebildet, die in der gleichen Weise wie die zweite Elektroden¬ schicht ES2 erzeugt und deckungsgleich mit dieser strukturiert wird, um den Verlust an aktiver Halbleiterfläche gering zu halten.
Gut ist in dieser Darstellung zu erkennen, wie die Elektroden¬ streifen ES im Querschnitt kammartige Strukturen KS bilden. Die durch die ursprünglichen Gräben G2 und G4 gebildete Achse aus Elektrodenmaterial stellt den Kammrücken dar, dessen ab¬ wechselnd nach beiden Seiten weisende Zähne die Elektroden- sc'hichten für die Solarzellen darstellen. Oder anders ausge¬ drückt: es werden die Elektroden eines Solarzellenstapels SZ abwechselnd von einer ersten kammartigen Struktur KS1 und einer zweiten kammartigen Struktur KS2 gebildet, die berüh¬ rungslos (zur Vermeidung von Kurzschlüssen) ineinander bzw. in den Solarzellenstapel SZ eingreifen. Die äußeren Kammstruktu¬ ren EKS am Rand des Moduls sind analog den mittleren kammarti¬ gen Strukturen KS aufgebaut, sind jedoch nur einem Solarzellen- Stapel benachbart und besitzen daher nur nach einer Seite wei¬ sende Zähne bzw. Elektrodenstreifen ES. An den Endstrukturen EKS findet auch die Kontaktierung zum Anschließen des Moduls an einen Verbraucher oder eine Speichereinheit statt.
Wird als oberste Elektrodenschicht ES3 (n = 2) eine Metall¬ schicht ganzflächig aufgebracht, so ist eine direkte Struktu¬ rierung von oben mittels Lasers nicht oder nur sehr schwierig möglich, ohne dabei gleichzeitig die darunterliegende im Be¬ reich der Gräben G5 freigelegte Solarzellenschicht DS2 struk¬ turell zu ändern, wobei die Gefahr eines Kurzschlusses der So¬ larzelle besteht. Für diesen Strukturierungsschritt kann alter¬ nativ mittels eines Lasers von der Substratseite her durch das Glassubstrat hindurch eingestrahlt werden, wie es zum Beispiel in der älteren europäischen Anmeldung 91 11 70 61.1 vorgeschla¬ gen wird. Durch starke lokale Erhitzung an der Grenzfläche zwischen der zweiten Solarzelle DS2 und der zweiten Elektroden¬ schicht ES2 im Fokus des zur Strukturierung verwendeten Lasers kommt es zu einem Absprengen der zweiten Solarzellenschicht und der darüber liegenden dritten Elektrodenschicht ES3 im Bereich des Fokus. Für diesen Schritt ist es allerdings er¬ forderlich, daß die Grabenbreite G2 deutlich größer ist als die Grabenbreite G4, so daß der durch das Substrat S einfal- lende Laserstrahl nur eine Grenzfläche zwischen einer Solar¬ zellenschicht DS und einer Elektrodenschicht ES (hier ES2/DS2) "sieht". Die Grabeπbreite G2 muß daher für diese Verfahrens¬ variante mindestens aus der Summe der Grabenbreiten G4 und G5 zuzüglich eines Toleranzwertes errechnet werden, welcher sich aus der Toleranz der Schneidevorrichtung (Laser) und der Ju¬ stiergenauigkeit der Vorrichtung ergibt.
Bei fortgesetzter Schichtstapelung (n größer 2) ist jedoch eine Strukturierung durch das Substrat S hindurch nicht mehr möglich. Alternativ zum herkömmlichen Laserstrukturierungs- verfahren von "oben" kann wie auch bei allen übrigen Struktu- rierungsschritten eine Abhebetechnik verwendet werden. Dazu wird vor der Erzeugung bzw. Abscheidung einer zu strukturie¬ renden Schicht im Bereich der späteren Gräben G eine abhebe- fähige Strukturierungspaste aufgetragen, beispielsweise mit Hilfe von Siebdruck. Nach der Erzeugung der zu strukturieren¬ den Schicht über der aufgedruckten Paste wird diese mechanisch abgelöst, wobei die daruberliegende zu strukturierende Schicht im Bereich der Paste mit abgehoben wird. Ein jeder Laserstruk- turierungsschritt kann daher im Verfahren durch die für die Abhebetechnik nötigen Schritte "Aufdrucken" einer Strukturie¬ rungspaste im Bereich der Strukturierungslinien (Gräben) und "Abheben" von Strukturierungspaste samt darüberliegenden Schichtbereichen ersetzt werden. Diese beiden Schritte sind technologisch einfach durchzuführen und stellen daher eine echte Alternative zur Laserstrukturierung dar.
Figur 7 stellt ein Ersatzschaltbild für das in der Figur 5 dargestellte Stapelzellensolarmodul dar. Die Solarzellen sind entsprechend der Richtung ihres Halbleiterübergangs als Dioden dargestellt, während die eingezeichneten Verbindungslinien für die kammartigen Elektrodenstrukturen stehen.
In Figur 8 ist das Ersatzschaltbild für ein aus drei Solarzel¬ lenschichten bestehendes Stapelzellensolarmodul (siehe Figur 6) dargestellt. Gut zu erkennen ist, daß die Solarzellen (Dio¬ den) im Stapel parallel, über die Stapel jedoch hintereinander geschaltet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Mehrschichtiges Solarmodul, bei dem auf einem Substrat mehrere Solarzellenstapel mit jeweils n Dünnschichtsolarzellen streifenför ig nebeneinander angeordnet sind, mit folgenden Merkmalen:
a) die Solarzellen weisen jeweils einen pn-Übergang oder eine pin-Struktur auf,
b) die Richtung des Halbleiterübergangs kehrt sich jeweils von einer Solarzellenschicht zur darüberliegenden um,
c) die Elektroden der Solarzellen sind transparente Schichten und bilden zusammen mit ihrer Verschaltung im Querschnitt senkrecht zu den Streifen gesehen regelmäßige kammartige Strukturen, die jeweils (n + 1) Zähne besitzen, welche al¬ ternierend beidseits des senkrecht zum Substrat zwischen jeweils zwei Stapeln stehenden Rückens angeordnet sind,
d) die n + 1 Elektrodenschichten jeweils eines Stapels werden abwechselnd von den Zähnen der dem Stapel beidseitig be¬ nachbarten kammartigen Strukturen gebildet, wobei diese be- rührungslos ineinander greifen,
wobei eine jede der kammartigen Strukturen die p-Seiten der Solarzellen eines Stapels mit den n-dotierten Seiten im benach¬ barten Stapel elektrisch verbindet und so sämtliche Solarzel- len eines Stapels elektrisch parallel und die Stapel über das Modul elektrisch in Serie verschaltet und wobei n^ 2.
2. Solarmodul nach Anspruch 1, bei dem sich die Schichtdicken der Dünnschichtsolarzellen im Stapel zu einer Gesamtschicht- dicke addieren, die im Empfindlichkeitsbereich des Solarzel¬ lenmaterials eine Absorption im Maximum von mehr als 80 Pro¬ zent zeigt.
3. Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, bei dem für die Solarzel- len ein Halbleitermaterial verwendet wird, welches großflächig abscheidbar und integriert strukturierbar ist.
4. Solarmodul nach Anspruch 3, dessen Solarzellen aus amorphem Silizium bestehen.
5. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Substrat transparent ist und sämtliche Elektrodenschichten, gegebenenfalls mit Ausnahme der obersten Elektrodenschicht aus transparentem leitfähigem Oxid (TCO) bestehen.
6. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem jeder Stapel aus zwei Solarzellenschichten besteht (n = 2).
7. Verfahren zum Erzeugen eines integriert verschalteten Sta- pelzellensolarmoduls mit folgenden Schritten
a) ganzflächiges Erzeugen einer transparenten Elektroden- schicht auf einem transparenten Substrat
b) streifenförmige Strukturierung der ersten Elektrodenschicht
c) ganzflächiges Erzeugen einer ersten Dünnschichtsolarzelle mit pin- oder pn-Struktur über der streifenförmig struktu¬ rierten ersten Elektrodenschicht
d) Strukturierung der ersten Dünnschichtsolarzelle parallel und seitlich versetzt zu den Streifen der ersten Elektro- denschicht derart, daß in den die streifenförmigen Solar¬ zellen trennenden Gräben die Oberfläche der Streifen der ersten Elektrodenschicht freigelegt werden
e) ganzflächiges Abscheiden einer zweiten transparenten Elek- trodenschicht
f) streifenförmige Strukturierung der zweiten Elektroden¬ schicht parallel und in der gleichen Richtung seitlich versetzt zur streifenförmigen ersten Dünnschichtsolarzelle g) ganzflächiges Abscheiden einer zweiten Dünnschichtsolarzel¬ le mit einer gegenüber der ersten Dünnschichtsolarzelle inversen Struktur bezüglich der Richtung des Halbleiterüber- gangs
h) Strukturierung der zweiten Dünnschichtsolarzelle entspre¬ chend der ersten Dünnschichtsolarzelle
i) ganzflächiges Erzeugen einer dritten Elektrtodenschicht
j) Strukturierung der dritten Elektrodenschicht entsprechend der ersten Elektrodenschicht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem über der dritten Elek¬ trodenschicht zumindest eine weitere Dünnschichtsolarzelle und zumindest eine weitere Elektrodenschicht durch Wiederholung der Schritte g) bis j) erzeugt und strukturiert werden, wobei jede weitere Dünnschichtsolarzelle eine gegenüber der jeweils darunterliegenden Solarzelle inverse Struktur besitzt und wo¬ bei die Strukturierung sämtlicher Solarzellenschichten iden¬ tisch ist, während die Strukturierung einer Elektrodenschicht x entsprechend der Strukturierung der Elektrodenschicht x - 2 erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem zur Strukturie¬ rung der Solarzellen und der Elektrodenschichteπ ein Laser verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem zur Strukturie¬ rung von Elektroden- und/oder .Solarzellenschichten eine Abhe¬ betechnik verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem ein Substrat aus Glas verwendet wird, als Elektrodenmaterial do¬ tierte Metalloxide eingesetzt werden, die Dünnschichtsolarzel¬ len aus amorphem Silizium (a-Si:H) mit pin Struktur hergestellt werden und die Anzahl n der übereinanderliegenden Solarzellen 2 bis 4 beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem als oberste Elektrodenschicht eine Metallschicht erzeugt wird, bei dem die Strukturierung der obersten Elektrodenschicht ein¬ schließlich der darunterliegenden Solarzelle mit einem Laser erfolgt, wobei durch das Substrat und durch die unter der zu strukturierenden Schicht liegenden transparenten Elektroden¬ schichten eingestrahlt wird.
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