WO2010012259A2 - Einseitig kontaktiertes dünnschicht-solarmodul mit einer inneren kontaktschicht. - Google Patents

Einseitig kontaktiertes dünnschicht-solarmodul mit einer inneren kontaktschicht. Download PDF

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Klaus Lips
Bernd Rech
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Definitions

  • the invention relates to a thin-film solar module contacted on one side with a carrier layer, a photoactive absorber layer and at least one doping layer deposited on one side of the absorber layer and further functional layers, wherein the thin-film packet formed therefrom is subdivided into solar cell regions by insulating isolation trenches, and with a contact system and a contact layer having this first contact system and a contact layer having a second contact system on the carrier layer side facing away from the absorber layer for the separate dissipation of light generated in the absorber layer excess charge carriers (p, n), both contact systems within Verschaltungs Symposiumen in Series are connected and electrically isolated from each other outside the Verschaltungs Symposiume, and to a method for producing such a thin-film solar module.
  • Solar modules manufactured using thin-film technology are based on semiconductors, which are preferably applied over a large area to mostly inexpensive carrier layers, such as glass, metal or plastic films.
  • carrier layers such as glass, metal or plastic films.
  • Expensive semiconductor material is used in Saved compared to conventional wafer technology. In the case of crystalline silicon, this is particularly important because the capacity to produce silicon to meet demand is currently insufficient.
  • thin-film solar modules do not require the assembly of individual solar cells.
  • the large-area deposited thin-film packages are divided into smaller areas (mostly parallel strip-shaped solar cell areas) and then integrated in series. It can be coated up to square meter carrier layers, which significantly reduces the handling effort in the factory.
  • the challenge with thin-film solar modules lies in the achievement of efficient efficiencies through sufficient light absorption in the functional layers.
  • the solar cell areas of the thin-film solar modules convert light into electrical energy. They usually consist of direct or indirect semiconductor materials, which by doping contain layers or regions of different conductivity for positive (p, holes, p-type) and negative (n, electron, n-type) charge carriers. These layers are referred to below as “doping layers” for the collection of the charge carriers.A positive and negative excess charge carriers generated by incident light are mainly generated in the absorber layer, this is not (intrinsically, i) or only weakly doped and pin-configuration If the absorber layer is doped, the at least one strongly counter-doped layer is referred to as the emitter layer and there is a pn configuration
  • Emitter layer still be with highly gleichdot striv functional layers in contact. This results in field passivation layers which serve at the front or back side of the backscatter of unspecified charge carriers (BSF or FSF layers or areas).
  • the excess charge carriers are either at the pn junction between emitter and absorber layer (pn configuration using a doped absorber layer) or by the electric field in the intrinsic or weakly doped Absorber Mrs which is spanned by the arranged on both sides of the absorber layer n-type and p-type doping layers (pin configuration using an intrinsic absorber layer), separated and can be collected by contact with the respective areas / layers electrically connected contact systems and be dissipated.
  • the pin configuration may be considered as a limiting case of the pn configuration with a special doping profile. However, only those excess charge carriers which reach the contact systems and do not recombine beforehand contribute to the usable electrical power of thin-film solar modules.
  • Thin-film solar cells with an ultrathin absorber layer are about 100 times thinner than conventional monocrystalline or multicrystalline solar cells made of silicon wafers.
  • various industrial production processes are available, from vapor deposition of the substrate in a high vacuum to spray processes.
  • Thin-film solar cells are expected to significantly reduce the price of photovoltaic systems in the long term. Saving materials, researching new semiconductor materials, low-temperature processes that are significantly more energy-efficient, simple module production through structuring of flat solar cell areas and a high level of automation enable lower production costs.
  • thin-film solar cells made of amorphous silicon (a-Si: H) or chalcogenide compound semiconductors (CI (G) S (e), CdTe)
  • thin-film solar cells made of micro or polycrystalline silicon ⁇ c-Si, polyc-Si ; c-Si stands for both varieties
  • microcrystalline or polycrystalline silicon as absorber and amorphous silicon as emitter is particularly promising, since its band gap is greater than that of crystalline silicon (c-Si / a-Si: H) and a-Si due to the hydrogen contained therein : H can passivate the absorber interface well.
  • crystalline silicon c-Si / a-Si: H
  • H crystalline silicon
  • commercially available thin-film solar modules have a two-sided series connection, in which a flat contact of the solar cell backside is connected to a flat contact of the solar cell front side. This requires a two-sided contacting of the isolated solar cell areas. However, this results in a relatively large, efficiency-reducing dead zone in the finished solar module. Due to the two-sided surface contacting are efficiency-enhancing concepts, such as the introduction of punctiform contacts or an exclusive back contact while avoiding
  • both contact systems for the separate collection of the charge carriers lie on a common side of the absorber layer.
  • This initially has the advantage that only one page must be edited for contacting.
  • the term "front-side contact” is used when both contact systems are located on the side of the solar module ("front side") exposed to the incidence of light during operation of the solar module.
  • the term “back contact” is used when both contact systems are arranged on the side of the solar module ("backside”) of the solar module which is not exposed to light during operation of the solar module.
  • Important in the arrangement of the contact systems is primarily their efficiency in the collection of charge carriers. In the case of a pn configuration: is the
  • the emitter layer should generally be advantageously on the back of the thin-film solar module ("backside contact")
  • back contact the advantages that firstly no shading or absorption losses occur through a front contact system, resulting in an efficiency Improvement leads, and that secondly, a simple full-surface coverage of the exposed to light in the operation of the solar module side of the thin-film Soiarmoduls with other functional layers is possible.
  • These may be, for example, anti-reflection or surface passivation layers, but also a front-side field passivation layer (FSF) for backscattering of migrated charge carriers.
  • FSF front-side field passivation layer
  • the absorber layer is of relatively low electronic quality, ie if the effective bulk diffusion length of the minority carriers is on the order of or smaller than the absorber layer thickness, then the emitter layer should advantageously be on the front of the module ("front-side contact") All minority carriers of the absorber layer generated at a depth less than the effective bulk diffusion length of the absorber layer can then be reliably collected.
  • front-side contacting requires unavoidable adverse absorption or shading losses by the front-side contact systems In the case of a pin configuration, analogous considerations apply in a somewhat weakened form.
  • the present invention is based on the known from WO 03/019674 A1 thin-film solar module with a rear-side training of both contact systems (see FIGURES 1A, 1 B TO THE STATE OF THE ART, hereinafter referred to as "colon concept” called) as the closest prior art (see also the publication I of PA Basore: "Simplified Processing and Improved Efficiency of Crystalline Silicon on Glass Modules", Proc. EPVSEC-19, Paris, France, June 2004).
  • both rear contact systems are formed with punctiform contacts of different structuring.
  • structure sizes are required that are significantly smaller than the effective diffusion length of the absorber layer. With a poorer absorber quality very small structure sizes are needed.
  • the TASK for the present invention is compared to the above-appreciated WO 03/019674 A1 is to provide a one-sided contacted thin-film solar module of the generic type described above, in which there are no alignment problems in the serial module connection and the necessary structuring measures in principle technically manageable and reduced to a minimum. Furthermore, equally pn configurations and pin configurations with extremely small feature sizes should be technically feasible. This should apply to both homogeneous as well as heterogeneous material systems and both for a front-side contact as well as for back contact with superstrate and substrate structures. The solution according to the invention for this task can be found in the main claim. A preferred production method for the claimed thin-film solar module is also shown. Advantageous developments are to be taken from the respective subclaims and are explained in more detail below in connection with the invention.
  • the second contact system consists exclusively of an inner contact layer which covers the entire surface of the thin-film solar cell regions facing away from the surface and has only structuring (in the sense of recesses such as holes, slots, etc.) for the contacts of the first contact system ,
  • structuring in the sense of recesses such as holes, slots, etc.
  • the contact layer of the first contact system is external
  • Contact layer formed covers the entire thin film package and detects all contacts. These are electrically isolated by the Structures in the inner contact layer therethrough.
  • the inner contact layer and the outer contact layer are arranged one above the other. Outside the interconnection areas, the two contact layers are electrically insulated from one another by means of the interposition of an insulation layer. Within the interconnection areas, they are electrically conductively connected to one another by means of series contacts.
  • the thin-film solar module according to the invention thus implements a one-sided contacting with a punctiform first contact system and a flat second contact system for the first time in a technically consistent manner for a thin-film system.
  • a punctiform contact system By eliminating a second punctiform contact system, the structuring effort is considerably reduced compared to the known colon concept.
  • only one structuring step is required.
  • the inner contact layer of the second contact system is structured to the contacts of the first
  • the second contact system exclusively has an inner contact layer, which is arranged between the absorber layer and the outer contact layer of the first contact system and - depending on the structure of the thin film package - the contacting of the absorber layer itself, but also any other charge carrier-carrying functional layer can serve.
  • the two contact systems are electrically insulated from one another by means of an insulation layer which covers the entire thin-film solar cell surface in a planar manner outside the interconnection regions.
  • Functional layers and the outer contact layer of the first contact system can be applied without any further structuring.
  • the series connection the preferably strip-shaped individual thin-film solar cell regions in the module is in this case already integrated into the structuring.
  • any type of functional layer can be used with both contact systems by appropriate arrangement of the contact layers and execution of the contacts and by providing plated-through holes (extensions of the contacts through the absorber layer) (Emitter layer, field passivation layer BSF or FSF, absorber layer, dopant layers of opposite doping and intrinsic layer) are contacted.
  • the absorption or Abschattungs polee the front ie facing the light contact system can be completely avoided.
  • vias through the absorber layer to underlying functional layers process technology significantly easier.
  • the front-side arrangement of the contact systems are the Contact surfaces transparent or grid-shaped and the contacts surface minimized, in particular point or line to execute.
  • the series contacts are preferably linear.
  • the outer contact layer of the first contact system in the interconnection areas is then structured by linear isolation trenches.
  • the series contacts may also be punctiform, wherein the outer contact layer of the first contact system is then structured in the Verschaltungs Schemeen by meandering isolation trenches.
  • the contacts of the first contact system and the structuring of the inner contact layer of the second contact system may preferably be formed point-like or linear.
  • both back contact can be formed when the carrier layer is formed as Superstrat and the two contact systems are arranged on the side facing away from the light incident side of the thin-film solar module, as well as a Vorderprocessrome ist be formed when the carrier layer as Substrate is formed and the two contact systems are arranged on the light incident side facing the thin-film solar module.
  • a superstrate design with front-side contacting or a substrate design with back-side contacting requires an arrangement of the contact systems between the absorber layer and the carrier layer. While these embodiments are technically feasible, they are less interesting in application.
  • a pn configuration with a doped absorber layer and at least one counter-doped emitter layer as doping layer for the separation of the excess charge carriers generated by the incidence of light in the absorber layer can be implemented.
  • the absorber layer or an associated charge carrier-carrying functional layer on the overlying layers isolated by penetrating contacts of the first Contact system and the emitter layer or an associated charge carrier-carrying functional layer can be contacted with the inner contact layer of the second contact system.
  • the emitter layer is arranged either on the side of the thin-film solar module facing or away from the light incidence.
  • a pin configuration with an intrinsic or lightly doped absorber layer and at least two doping layers of opposite doping on both sides of the absorber layer can also be implemented to separate the excess charge carriers generated by the incidence of light in the absorber layer. Then, one of the two doping layers or an associated charge carrier-carrying functional layer can be contacted with the inner contact layer of the second contact system via the contacts of the first contact system that penetrate the overlying layers and the other doping layer or an associated charge carrier-carrying functional layer. Further details of possible embodiments can be found in the specific description part.
  • Invention can be advantageously provided as at least one further functional layer, an antireflection layer, seed layer, bruisenpassivi fürstik, FeId passivation layer, conductive layer and / or buffer layer.
  • both homo embodiments, in which the at least one doping layer of the semiconductor material of the absorber layer of the same semiconductor material, as well as hetero-embodiments can be realized with different semiconductor material.
  • the absorber layer of crystalline silicon (c-Si) or of polycrystalline silicon (poly-Si) the emitter layer or doping layers of hydrogen-enriched amorphous silicon (a-Si: H) or of polycrystalline silicon (poly-Si) may be preferred.
  • a-Si Hydrogenated amorphous silicon
  • ia-Si intrinsic amorphous buffer layers Silicon
  • the insulating layer of resin or silicon oxide the conductive conductive oxide (TCO) or molybdenum conductive layer
  • SiN silicon nitride
  • TCO transparent, conductive oxide
  • the first contact system with its contacts and its outer contact layer can be prepared by
  • the contacts of the first contact system and / or the electrical series contacts for the series connection of the solar cell areas can also be generated by laser firing.
  • FIGURE 1A Colon connection concept to the back
  • FIG. 1B B colon connection concept for the backside series connection of thin-film solar modules according to FIG. 1A in plan view
  • FIG. 2 shows an embodiment with a backside emitter layer and field passivation layer
  • FIG. 3 shows an embodiment with a backside emitter layer
  • FIGURE 4 an embodiment with back emitter layer without
  • FIGURE 5 an embodiment with front-side emitter layer without a conductive layer
  • FIGURE 6 shows an embodiment with front-side emitter layer
  • FIG. 7A shows a plan view with line-shaped series contacts
  • FIG. 7B shows a plan view with point-shaped series contacts
  • FIG. 7A shows a plan view with line-shaped series contacts
  • FIG. 7B shows a plan view with point-shaped series contacts
  • FIGURES 8A-J Fabrication of a thin-film solar module according to FIG. 2
  • the state of the art in FIGURES 1A (cross-section), 1B (top view with cut data) is the only technically realized one-sided (back) module interconnection concept in thin-film technology ("colon concept") according to the description already mentioned in the introduction
  • a rear-side first contact system 100 and a rear-side second contact system 200 both have point contacts 300, 400 for contacting an emitter layer 500 and a field passivation layer 600 on both sides of an absorber layer 700 on a superstrate 770.
  • the point contacts 300, 400 are aligned with each other and electrically connected by narrow contact strips 800 with each other so that a series connection of the strip-shaped solar cell regions 900 results. Otherwise, the two contact systems 100, 200 are electrically insulated from each other by an insulating layer 990.
  • FIGURES of the invention show superstrate configurations in which the light is incident through the superstrate as a carrier layer.
  • substrate configurations are identical in their thin-film package construction to the superstrate configurations shown.
  • the light is incident through the two contact systems and no longer through the carrier layer into the thin-film package. Consequently, the two contact systems and the insulation layer must be made transparent.
  • both contact systems can be made of transparent conductive oxide (TCO), the insulating layer can-instead of resin-consist, for example, of transparent silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN).
  • the insulating passivation layer or the conductive layer may be necessarily transparent, as is required in the superstrate configuration.
  • the conductive layer may be metal.
  • FIGURES 2-8 show pn configurations. However, all embodiments shown can be carried out in a corresponding manner in each case also as a pin configuration, since the contacting scheme is identical to the outside. Only each other functional layers in the thin-film package are contacted by the first and second contact system.
  • the emitter and field passivation layers shown in pn configurations correspond to the charge carriers (electron n-type, p-type p-type) doping layers in pin configurations, the absorber layer is then not heavily doped, but undoped (intrinsic) or only slightly doped. All doping layers may consist, for example, of a single layer of doped a-Si: H or of a double layer of intrinsic and doped a-Si: H. The intrinsic layer then fulfills the function of a buffer layer (not shown). Reference numerals, not shown or described below in the FIGURES, can be taken from the preceding figures and descriptions.
  • FIG. 2 shows a series-connected thin-film solar module 00 made of strip-shaped solar cell regions 01 in a pn configuration.
  • a carrier layer 02 is formed as a superstrate 03, which lies above a thin film package 04.
  • the incidence of light 05 takes place through the superstrate 03.
  • Shown is an absorber layer 06, to which an emitter layer 07 is adjacent. This can be designed as a single or as a double layer (see above).
  • the emitter layer 07 is arranged on the rear side of the absorber layer 06.
  • an electrically conductive FeId passivation layer 11 (BSF on the back) is provided. This can in turn be designed as a single or double layer (see above). However, the field passivation layer 11 is also optional. Shown in FIGURE 2 are a first contact system 12 and a second contact system 13, both of which are arranged on the rear side of the thin-film solar module 00 (relative to the light incidence 05) and accordingly do not have to be transparent.
  • the first contact system 12 consists of mostly point or line-shaped contacts 14 and a flat or grid-shaped outer contact layer 15. The point or line-shaped contacts 14 contact the absorber layer 06 on its side facing away from the light 05 and are therefore not formed as plated-through holes.
  • the second contact system 13 consists solely of a flat, inner contact layer 16, which is structured to carry out the point or line-shaped contacts 14 of the first contact system 12 accordingly.
  • an insulating layer 17 is arranged between the first contact system 12 and the second contact system 13.
  • connection region 21 defined by a series connection 20 of the solar cell regions 01 is shown.
  • the outer contact layer 15 of the first contact system 12 extending into the interconnection region 21 is a solar cell region 09 adjoining the interconnection region 21 with the inner contact layer 16 of the second contact system reaching into the interconnection region 21 on the other side Connection area 21 adjacent solar cell area 10 electrically connected by means of series contacts 22.
  • the two contact systems 12, 13 are electrically insulated from one another by the insulation layer 17.
  • the series contacts 22 define a contact region 23 in the interconnection region 21.
  • a dead region 24 which is particularly small in the interconnection concept according to the invention.
  • a Isoliergraben 25 for Interruption of the outer contact layer 15 of the first contact system 12 and thus for the electrical insulation of the adjacent solar cell areas 09, 10 are provided.
  • the thin-film package 04 is subdivided by separating trenches 26 into the strip-shaped solar cell areas 01.
  • FIG. 3 shows a construction of a thin-film solar module 30 with a first contact system 31, the contacts 32 of which are formed as through-contacts 33 through the absorber layer 06.
  • the plated-through holes 33 contact a transparent conductive layer 34, for example TCO.
  • a structured transparent conductive field passivation layer 35 FSF is arranged between the absorber layer 06 and the superstrate 03. Due to the plated-through holes 33, further dead zones 57 result in the photoactive absorber layer 06 next to the dead zone 24 in the connection region 21.
  • FIG. 4 shows a construction of a thin-film solar module 36 with a first contact system 37, whose contacts 38 are formed as plated-through holes 39 through the absorber layer 06 and contact an unstructured transparent conductive field passivation layer 40 (FSF). Between the absorber layer 06 and the superstrate 03, an insulating transparent surface passivation layer 41 is arranged. This is optional because the field passivation layer 40 already exists. Due to the plated-through holes 39, further dead zones 57 result in the photoactive absorber layer 06 in addition to the dead zone 24 in the interconnection zone 21.
  • FSF transparent conductive field passivation layer 40
  • FIG. 5 shows a thin-film solar module 50, in which an unstructured emitter layer 51 is arranged on the front side of the absorber layer 06 provided with respect to the incident light.
  • a structured field passivation layer 52 BSF
  • the first contact system 53 has contacts 54 which contact the unstructured emitter layer 51 as plated-through holes 55.
  • an electrically insulating transparent surface passivation layer 56 is arranged, which is however optional.
  • an arrangement of the emitter layer 51 on the front side of the absorber layer 06 lying with respect to the light incidence 05 however, in addition to the dead region 24 in the interconnection region 21, further dead regions 57 arise outside the interconnection region 21.
  • FIG. 6 shows a thin-film solar module 60 with a structured emitter layer 61 on the front side of the absorber layer 06.
  • the first contact system 62 has contacts 63 in the form of plated-through holes 64 that contact an unstructured transparent conductive layer 65 (TCO).
  • FIGS. 2 to 6 show pn configurations with absorber layer 06 and emitter layer 07, 51, 61.
  • an intrinsic or lightly doped absorber layer 70 is used between two oppositely doped doping layers 71, 72. Depending on the doping of the emitter layer and the field passivation layer, these layers correspond to both sides of the absorber layer 06.
  • the pin configuration is indicated by the corresponding reference numbers 70, 71 and 72 in FIGS. 5 and 6, for example.
  • FIGS. 7A and 7B show two possible plan views of thin-film solar modules 00 according to the invention (shown in FIG.
  • FIG. 7A shows the series contacts 22 in the embodiment of line-shaped series contacts 84 for series connection of the two contact systems 12, 13 of adjacent solar cell areas 09, 10. Isolation trenches 25 result in the embodiment of line-shaped isolation trenches 85.
  • the series contacts 22 are in the form of punctiform series contacts 86 for series connection of the two contact systems of adjacent solar cell areas 09,10 shown. Isolation trenches 25 result in the embodiment of meander-shaped isolation trenches 87.
  • the linear separation trenches 26 between the solar cell areas 09, 10 are indicated.
  • contacts 14 of the first contact system 12 in the embodiment of punctiform contacts 88.
  • FIG 7 A with linear series contacts 84 and the contacts 14 can also be designed as linear contacts (not shown).
  • linear contacts 84 and the contacts 14 can also be designed as linear contacts (not shown).
  • These mentioned embodiments are identical for all transitions between the solar cell areas 01 and apply to all other embodiments of thin-film solar modules according to the invention.
  • the production of a thin-film solar module 00 with strip-shaped solar cell regions 01 according to FIG. 2 including integrated module interconnection is described in FIGS. 8A.
  • FIG. 8A Provision of the Thin Film Package 04:
  • Superstrate 03 e.g., glass
  • Passivation layer 08 eg 80 nm SiN
  • optional antireflection layer not shown
  • optional field passivation layer BSF, not shown
  • optional conductive layer not shown
  • absorber layer 06 eg recrystallized poly-Si, which is deposited via an annealing of amorphous 2 ⁇ m a-Si: H was produced
  • emitter layer 07 eg PECVD-deposited 30 nm a-Si: H
  • metallic inner contact layer 16 of the second contact system 13 eg 500 ⁇ m electron-beam evaporated Al
  • Module structuring of the thin film package 04 into individual solar cell areas 09, 10 in this case strips), creation of separation trenches 26, for example by mechanical scratching or laser scribing.
  • FIG. 8C Application of Insulation Layer 17 (Electrical Isolation of Second Contact System 13)
  • an insulating layer 17 is deposited on the inner contact layer 16 of the second contact system 13. This is done either over the entire surface (eg by PECVD deposition of SiO 2 ) and subsequent structuring or even by structured application (eg screen printing, inkjet printing of a, for example, organic resin (cast resin) or of insulating pastes).
  • structured application eg screen printing, inkjet printing of a, for example, organic resin (cast resin) or of insulating pastes.
  • FIGURE 8D Dot Structuring of the Insulating Layer 17
  • the insulating layer 17 arranged on the back side is now patterned in a punctiform manner. That is, in the insulation layer 17 regularly arranged patterns 75 (for example, holes with 100 microns in diameter) are introduced.
  • the structuring takes place either already during the application of the insulating layer 17 itself (for example by screen printing / inkjet printing of the insulating layer 17) or by inkjet printing of an etching solution or by screen printing / inkjet printing of a masking layer and a subsequent etching process.
  • FIGURE 8E punctiform exposure of the absorber layer 06
  • the now punctiform structured insulation layer 17 now serves as a masking layer to expose the back of the absorber layer 06 via an etching solution.
  • Both the inner contact layer 16 of the second contact system 13 and the emitter layer 07 are removed in a punctiform manner.
  • the absorber layer can also be removed in a punctiform manner, which results in plated-through holes.
  • an areally applied insulating layer 17 can also be exposed step by step to the rear side of the absorber layer 06 by means of laser structuring (stepwise laser drilling of structurings 75 through the insulating layer 17, the contact layer 16 of the second contact system 13 and the emitter layer 07).
  • FIGURE 8F Inner Insulation of Structures 75
  • the insides of the fabricated structures 75 are covered with an insulating liner 76. This is most easily done by using an organic resin (Resin) as an insulation lining
  • Insulating layer 17 applied (this then covers the insulating layer 17, the walls and the bottoms of the structuring 75) and by means of a screen-printed / inkjet print applied masking layer, the floors are exposed (etch) again.
  • the material of the insulating layer 17 and the insulating lining 76 may be identical.
  • Line-shaped contacting openings 77 (these can also be punctiform, compare FIG. 7B) to the contact layer 16 (13) of the second contact system 13 (contacting the emitter layer 07 here) are exposed on the insulation layer 17 for the series contacts 22 of the series connections of the thin-film module 00, analogously to FIG Process step according to FIG. 5d.
  • the exposure can be dispensed with and the series contacts 22 between the first contact system 12 and the second contact system 13 for the serial connection between the adjacent solar cell regions 09, 10 can later be produced via laser-fired contacting.
  • FIGURE 8H optional, full-surface, unstructured deposition of a field passivation layer
  • a field passivation layer 11 e.g., PECVD deposited 30nm a-Si: H is deposited on top of the now-patterned isolation layer 17. This thus covers the insulating layer 17 as well as the exposed hole bottoms of the back of the absorber layer 12 and thus forms contacts 14 (here punctiform, analogous also linear) to the absorber back side.
  • FIGURE 81 unstructured full-surface deposition of the first contact system
  • the metallic outer contact layer 15 of the first contact system 12 (for example electron beam-evaporated Al or screen-printed / ink-jet printed metallic pastes) is deposited on the optionally deposited field passivation layer 11 or on the rear-side structured insulating layer 17.
  • the contact layer 15 thus covers the field passivation layer 11 or the insulation layer 17.
  • the contacts 14 and series contacts 22 are automatically formed without the need for intricate structuring steps of their own.
  • the filling of the separation trench 26 shown in the insulation layer 17 is without function.
  • isolation trenches 25 are subsequently removed again via laser ablation or via a masking process with subsequent etching from the outer contact layer 15 and the optionally deposited field passivation layer 11.
  • the metallic outer contact layer 15 can also be deposited in the same structured manner (eg via screen-printed or inkjet-printed metallic pastes), so that the contacts 14 contact contact layer sections 27 which are structured in a structured manner in such a manner (stripe-like or lattice-shaped) they contact all contacts 14 belonging to a solar cell area 09, 10 and in each case a grid web of one solar cell area 10 collects the series contacts 22 of the adjacent solar cell area 09 (not shown in FIG. 8J). If the method step according to FIG. 8G has been omitted, the electrically conductive connection of the first contact system 12 to the second contact system 13 must now be produced subsequently, for example via laser-fired contacting.
  • the method step according to FIG. 8G has been omitted, the electrically conductive connection of the first contact system 12 to the second contact system 13 must now be produced subsequently, for example via laser-fired contacting.

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Abstract

Das nächstliegende bekannte Dünnschicht-Solarmodul mit einer rückseitigen Kontaktierung basiert auf zwei Kontaktsystemen mit unterschiedliche Punktkontaktierungen, deren Strukturierung jedoch der Qualität des verwendeten Absorbermaterials Grenzen setzt, sodass insbesondere pin-Konfigurationen nur schwer zu realisieren sind. Zur Serienverschaltung müssen die Punktkontaktierungen des ersten und zweiten Kontaktsystems exakt zueinander ausgerichtet sein. Das erfindungsgemäße Dünnschicht-Solarzellmodul (00) weist dagegen ein zweites Kontaktsystem (13) mit nur einer flächig ausgebildeten inneren Kontaktschicht (16) auf. Das erste Kontaktsystem (12) weist Kontaktierungen (14) auf, die von einer äußeren Kontaktschicht (15) erfasst werden. Zur Serienverschaltung werden die Kontaktierungen (14) mit der inneren Kontaktfläche (16) in Verschaltungsbereichen (21) zwischen benachbarten Solarzellenbereichen (09, 10) mittels Serienkontaktierungen (22) verbunden. Außerhalb der Verschaltungsbereiche (22) sind die beiden Kontaktsysteme (12, 13) durch Zwischenlage einer Isolationsschicht (17) gegeneinander elektrisch isoliert. Das erfindungsgemäße Dünnschicht-Solarmodul (00) kann in allen möglichen Ausführungsformen (pn- oder pin-Konfiguration, Rückseiten- oder Vorderseitenkontaktierung, Super- oder Substrat, Einbau zusätzlicher Funktionsschichten) ohne jegliche Alignment-Probleme einfach realisiert werden und erbringt größtmögliche Effizienz.

Description

BEZEICHNUNG
Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul mit einer inneren Kontaktschicht.
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein einseitig kontaktiertes Dünnschicht- Solarmodul mit einer Trägerschicht, einer photoaktiven Absorberschicht und zumindest einer auf einer Seite der Absorberschicht ganzflächig abgeschie- denen Dotierschicht sowie weiteren Funktionsschichten, wobei das daraus gebildete Dünnschichtpaket durch isolierende Trenngräben in Solarzellenbereiche unterteilt ist, und mit einem Kontaktierungen und eine diese verbindende Kontaktschicht aufweisenden ersten Kontaktsystem und einem eine Kontaktschicht aufweisenden zweiten Kontaktsystem auf der trägerschichtab- gewandten Seite der Absorberschicht zur getrennten Ableitung von durch Lichteinfall in der Absorberschicht erzeugten überschüssigen Ladungsträgern (p, n), wobei beide Kontaktsysteme innerhalb von Verschaltungsbereichen in Serie geschaltet und außerhalb der Verschaltungsbereiche elektrisch gegeneinander isoliert sind, und auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Dünnschicht-Solarmoduls.
In Dünnschichttechnologie gefertigte Solarmodule basieren auf Halbleitern, die vorzugsweise großflächig auf zumeist preiswerte Trägerschichten, wie Glas, Metall- oder Plastikfolien, aufgebracht werden. Die verschiedenen Techno- logievarianten sind zwar noch nicht in gleicher Weise zur Serienreife gebracht worden wie die Silizium-Wafer-Technologie, bieten aber mittelfristig das größere Kostenreduktionspotenzial. Teures Halbleitermaterial wird im Vergleich zur konventionellen Wafer-Technologie eingespart. Im Fall von kristallinem Silizium ist dies besonders wichtig, weil die Kapazitäten zur Herstellung des Siliziums zur Deckung der Nachfrage derzeit nicht ausreichen. Außerdem entfällt bei Dünnschicht-Solarmodulen das Zusammensetzen aus einzelnen Solarzellen. Die großflächig abgeschiedenen Dünnschichtpakete werden in kleinere Bereiche (zumeist parallele streifenförmige Solarzellenbereiche) unterteilt und dann integriert serienverschaltet. Es lassen sich so bis zu Quadratmeter große Trägerschichten beschichten, was den Handhabungsaufwand in der Fabrik signifikant reduziert. Die Herausforderung bei Dünn- schicht-Solarmodulen liegt in der Erreichung effizienter Wirkungsgrade durch eine ausreichende Lichtabsorption in den Funktionsschichten.
Die Solarzellenbereiche der Dünnschicht-Solarmodule wandeln Licht in elektrische Energie um. Üblicherweise bestehen sie aus direkten oder indirekten Halbleitermaterialien, die durch Dotierung Schichten oder Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeit für positive (p, Löcher, p-typ) und negative (n, Elektronen, n-typ) Ladungsträger enthalten. Diese Schichten sollen im Folgenden als „Dotierschichten" zur Sammlung der Ladungsträger bezeichnet werden. Durch einfallendes Licht erzeugte positive und negative überschüssige Ladungsträger werden hauptsächlich in der Absorberschicht generiert, diese ist bei einer pin-Konfiguration nicht (intrinsisch, i) oder nur schwach dotiert und steht beiderseits sowohl mit stark n-typ als auch mit stark p-typ leitenden Dotierschichten im Kontakt. Ist die Absorberschicht dotiert, so wird die zumindest eine stark gegendotierte Schicht als Emitterschicht bezeichnet und es liegt eine pn-Konfiguration vor. Optional können Absorber- und
Emitterschicht noch mit stark gleichdotierten Funktionsschichten im Kontakt sein. Es entstehen Feldpassivierungsschichten, der an der Front- oder Rückseite der Rückstreuung ungesammelter Ladungsträger dienen (BSF- bzw. FSF-Schichten oder -Bereiche). Die überschüssigen Ladungsträger werden entweder am pn-Übergang zwischen Emitter- und Absorberschicht (pn- Konfiguration unter Verwendung einer dotierten Absorberschicht) oder durch das elektrische Feld in der intrinsischen oder schwach dotierten Absorberschicht, das durch die auf beiden Seiten der Absorberschicht angeordneten n-typ- und p-typ- Dotierschichten aufgespannt wird (pin- Konfiguration unter Verwendung einer intrinsischen Absorberschicht), getrennt und können durch mit den jeweiligen Bereichen/Schichten elektrisch leitend verbundenen Kontaktsystemen gesammelt und abgeführt werden. Die pin- Konfiguration kann als Grenzfall der pn-Konfiguration mit einem speziellen Dotierungsprofil angesehen sein. Zur nutzbaren elektrischen Leistung von Dünnschicht-Solarmodulen tragen jedoch nur solche überschüssigen Ladungsträger bei, die die Kontaktsysteme auch erreichen und nicht vorher rekombinieren.
Dünnschicht-Solarzellen mit einer ultradünnen Absorberschicht sind im Gegensatz zu konventionellen mono- oder multikristallinen Solarzellen aus Silizium- Wafern etwa um den Faktor 100 dünner. Für die jeweiligen Solarzellen- materialien sind unterschiedliche industrielle Herstellungsverfahren vom Bedampfen des Trägermaterials im Hochvakuum bis zu Sprühverfahren verfügbar. Durch Dünnschicht-Solarzellen wird langfristig eine wesentliche Preissenkung von Photovoltaikanlagen erwartet. Materialeinsparung, Erforschung neuer Halbleitermaterialien, Niedertemperaturprozesse, die deutlich energieeffizienter sind, einfache Modulherstellung durch Strukturierung flächiger Solarzellenbereiche und ein hoher Automatisierungsgrad ermöglichen niedrigere Herstellungskosten. Neben den Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium (a-Si:H) oder Chalkogenid-Verbindungshalbleitern (CI(G)S(e), CdTe) sind insbesondere Dünnschicht-Solarzellen aus mikro- oder polykristallinem Silizium (μc-Si, polyc-Si; c-Si steht für beide Sorten) auf längere Sicht sehr attraktiv, weil sie das Potenzial zu hohen Wirkungsgraden besitzen, ökologisch unbedenklich sind und das Ausgangsmaterial ausreichend vorhanden ist. Besonders viel versprechend ist auch die Kombination aus mikro- oder polykristallinem Silizium als Absorber und amorphem Silizium als Emitter, da dessen Bandlücke aufgrund des enthaltenen Wasserstoffs größer ist als die des kristallinem Siliziums (c-Si/a- Si:H) und a-Si:H die Absorbergrenzfläche gut passivieren kann. In der Regel weisen kommerziell erhältliche Dünnschicht-Solarmodule eine zweiseitige Serienverschaltung auf, bei der ein flächiger Kontakt der Solarzellen-Rückseite mit einem flächigen Kontakt der Solarzellen-Vorderseite verbunden wird. Dies bedingt eine beidseitige Kontaktierung der vereinzelten Solarzellenbereiche. Hieraus resultiert jedoch ein verhältnismäßig großer, effizienzmindernder Totbereich im fertigen Solarmodul. Aufgrund der beidseitig-flächigen Kontaktierung sind den Wirkungsgrad steigernde Konzepte, wie z.B. die Einführung von punktförmigen Kontaktierungen oder einer ausschließlichen Rückseitenkontaktierung unter Vermeidung von
Absorptionsverlusten durch das vorderseitige Kontaktsystem, nicht anwendbar.
Im Gegensatz hierzu liegen bei Dünnschicht-Solarmodulen mit einer einseitigen Serienverschaltung beide Kontaktsysteme zum getrennten Einsammeln der Ladungsträger auf einer gemeinsamen Seite der Absorberschicht. Dies hat zunächst grundsätzlich den Vorteil, dass nur eine Seite zur Kontaktierung bearbeitet werden muss. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Vorderseitenkontaktierung" verwendet, wenn sich beide Kontaktsysteme auf der im Betrieb des Solarmoduls dem Lichteinfall aus- gesetzten Seite („Vorderseite") des Solarmoduls befinden. Der Begriff „Rückseitenkontaktierung" wird hingegen verwendet, wenn beide Kontaktsysteme auf der im Betrieb des Solarmoduls nicht dem Lichteinfall ausgesetzten Seite („Rückseite") des Solarmoduls angeordnet sind. Wichtig bei der Anordnung der Kontaktsysteme ist in erster Linie ihre Effizienz bei der Ladungsträgersammlung. Im Falle einer pn-Konfiguration gilt: ist die
Absorberschicht von hinreichend guter elektronischer Qualität, d.h. ist die effektive Bulk-Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger wesentlich größer als die Schichtdicke der Absorberschicht, so sollte die Emitterschicht in der Regel vorteilhafterweise auf der Rückseite des Dünnschicht-Solarmoduls liegen („Rückseitenkontaktierung"). Hieraus ergeben sich dann insbesondere die Vorteile, dass erstens keine Abschattungs- oder Absorptionsverluste durch ein vorderseitiges Kontaktsystem auftreten, was zu einer Effizienzver- besserung führt, und dass zweitens eine einfache ganzflächige Bedeckung der im Betrieb des Solarmoduls dem Lichteinfall ausgesetzten Seite der Dünn- schicht-Soiarmoduls mit weiteren Funktionsschichten möglich ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um Antireflex- oder Oberflächenpassivierungsschichten, aber auch um eine frontseitige Feldpassivierungsschicht (Front Surface Field FSF) zur Rückstreuung abgewanderter Ladungsträger handeln. Ist die Absorberschicht jedoch von relativ geringer elektronischer Qualität, d.h. ist die effektive Bulk-Diffusionslänge der Minoritäts-Ladungsträger in der Größenordnung oder kleiner als die Schichtdicke der Absorberschicht, so sollte die Emitterschicht vorteilhafterweise auf der Vorderseite des Moduls („Vorder- seitenkontaktierung") liegen. Alle Minoritäts-Ladungsträger der Absorberschicht, die in einer Tiefe generiert werden, die kleiner als die effektive Bulk- Diffusionslänge der Absorberschicht ist, können dann zuverlässig gesammelt werden. Bei der Vorderseitenkontaktierung kann zur effizienzverbessernden Ladungsrückstreuung eine rückseitige Feldpassivierungsschicht (Back Surface Field, BSF) vorgesehen sein (analog bei der Rückseitenkontaktierung eine frontseitige Feldpassivierungsschicht (Front Surface Field, FSF)). Eine Vorderseitenkontaktierung bedingt jedoch unvermeidbare nachteilige Absorptions- oder Abschattungsverluste durch die vorderseitigen Kontakt- Systeme. Im Falle einer pin-Konfiguration gelten analoge Überlegungen in einer etwas abgeschwächten Form.
Bisher sind jedoch einseitenkontaktierte Dünnschicht-Solarmodule kaum realisiert worden, was insbesondere mit dem durch eine Einseitenkontaktierung bislang bedingten erhöhten Strukturierungsaufwand und mit einer damit kompatiblen Serienverschaltung im Dünnschicht-Solarmodul zusammenhängt. Das einzig bekannte und industriell umgesetzte einseitig (rückseitig) kontaktierte Dünnschicht-Solarmodul verwendet eine speziell entwickelte Serienverschaltung („Doppelpunktkonzept"). STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung geht von dem aus der WO 03/019674 A1 bekannten Dünnschicht-Solarmodul mit einer rückseitigen Ausbildung beider Kontaktsysteme (vergleiche FIGUREN 1A, 1 B ZUM STAND DER TECHNIK, im weiteren „Doppelpunktkonzept" genannt) als nächstliegendem Stand der Technik aus (vergleiche auch die Veröffentlichung I von P.A. Basore: „Simplified Processing and Improved Efficiency of Crystalline Silicon on Glass Modules", Proc. EPVSEC-19, Paris, France, June 2004). Bei diesem Doppelpunktkonzept sind beide rückseitige Kontaktsysteme mit punktförmigen Kontaktierungen unterschiedlicher Strukturierung ausgebildet. Um die überschüssigen Ladungsträger effizient sammeln zu können, sind somit Strukturgrößen erforderlich, die bedeutsam kleiner als die effektive Diffusionslänge der Absorberschicht sind. Bei einer schlechteren Absorberqualität sind somit sehr kleine Strukturgrößen nötig. Diese können derzeit - wenn überhaupt - technologisch nur sehr aufwändig, beispielsweise durch Photolithographie, realisiert werden. Um die effektive Diffusionslänge so groß wie möglich zu gestalten, wird beim dem bekannten Doppelpunktkonzept deshalb auch rekristallisiertes Silizium für die Absorberschicht verwendet, das eine für Dünnschicht-Solarmodule verhältnismäßig hohe effektive Diffusionslänge aufweist. Somit können bei dem bekannten Doppelpunktkonzept nur Absorber mit großen Diffusionslängen eingesetzt werden.
Bei dem bekannten Doppelpunktkonzept werden die verschieden ausgeführten punktförmigen Kontaktierungen beider Kontaktsysteme miteinander serien- verschaltet. Dies bedingt eine Kontaktierung der streifenförmigen Solarzellenbereiche ausschließlich über Punktkontakte. Hierbei steigt jedoch der Strukturierungsaufwand an, da zwei verschiedenartige Punktkontaktierungen realisiert werden müssen. Weiterhin ergeben sich bei dem bekannten Doppelpunktkonzept auch Probleme bei der Ausrichtung der gefertigten Dünnschicht-Solarmodule während des Produktionsprozesses zur Serienverschaltung. Es besteht das technologisch äußerst schwierig zu beherrschende Problem des Alignments kleiner Strukturen auf großen Flächen, da die unterschiedlichen punktförmigen Kontaktierungen auf großen Flächen exakt zueinander ausgerichtet sein müssen, um sie elektrisch verbinden zu können.
Ausschließlich auf dem Gebiet der waferbasierten (Dickschicht-)Solarzellen- Technologie ist die DE 11 2005 002 592 T2 bekannt, bei der für einen Absorberwafer eine Rückseitenkontaktierung mit einem ersten Kontaktsystem mit punktförmigen Kontaktierungen und einer äußeren Kontaktschicht und einem zweiten Kontaktsystem mit ausschließlich einer flächigen, inneren Kontaktschicht für eine pn-Konfiguration mit einer rückseitig angeordneten Emitterschicht beschrieben wird. Beide Kontaktsysteme liegen auf der emitterzugewandten Seite des Absorberwafers übereinander und sind durch eine Isolationsschicht elektrisch voneinander getrennt. Der Absorberwafer wird punktförmig durch das erste Kontaktsystem, die Emitterschicht wird flächig kontaktiert. Die praktische Umsetzung dieses Konzepts ausschließlich für waferbasierte (Dickschicht-)Solarzellen ist aus der Veröffentlichung Il von R.Stangl et al. „Planar Rear Emitter Back Contact Amorphous/Crystalline Silicon Heterojunction Solar CeIIs (RECASH/PRECASH)" (Paper IEEE- PVSEC-33. Konf., San Diego, USA, 12.-16.05.08, eingereicht 08.05.2008) bekannt. Beiden Veröffentlichungen sind jedoch keine Informationen über eine mögliche Modulverschaltung zu entnehmen. Grundsätzlich sind aber die in der Wafertechnologie vorgestellten Kontaktierungs- und Modulverschaltungs- konzepte nicht ohne weiteres in die Dünnschichttechnologie übertragbar, weil sich die elektronischen Verhältnisse in der Absorberschicht und damit die Randbedingungen und Anforderungen für die die Ladungsträger sammelnden Kontaktsysteme grundlegend unterscheiden. Hierin ist auch der Grund zu sehen, warum bislang keine kostengünstigen und effizienten Kontaktierungs- Systeme für Dünnschicht-Solarmodule am Markt verfügbar sind. AUFGABENSTELLUNG
Die AUFGABE für die vorliegende Erfindung ist gegenüber der oben gewürdigten WO 03/019674 A1 darin zu sehen, ein einseitig kontaktiertes Dünnschicht- Solarmodul der gattungsgemäßen, eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei dem sich keine Alignmentprobleme bei der seriellen Modulverschaltung ergeben und die erforderlichen Strukturierungsmaßnahmen grundsätzlich technisch beherrschbar und auf ein Minimum reduziert sind. Weiterhin sollen gleichermaßen pn-Konfigurationen und pin-Konfigurationen mit extrem kleinen Strukturgrößen technisch realisierbar sein. Dies soll sowohl für homogene als auch für heterogene Materialsysteme und sowohl für eine Vorderseiten- kontaktierung als auch für eine Rückseitenkontaktierung bei Superstrat- und Substrataufbauten gelten. Die erfindungsgemäße LÖSUNG für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Aufgezeigt wird auch ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für das beanspruchte Dünnschicht-Solarmodul. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen und werden im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
Bei dem erfindungsgemäßen Dünnschicht-Solarmodul besteht das zweite Kontaktsystem ausschließlich aus einer inneren Kontaktschicht, die die gesamte trägerschichtabgewandte Seite der Dünnschicht-Solarzellenbereiche flächig zusammenhängend überdeckt und lediglich Strukturierungen (im Sinne von Aussparungen wie Löchern, Schlitzen etc.) für die Kontaktierungen des ersten Kontaktsystems aufweist. Aus der inneren Kontaktfläche herausragende, dem Erreichen tiefer liegender Funktionsschichten dienende Kontaktierungen, die wiederum Strukturierungen in den zwischen liegenden Funktionsschichten erforderlich machen würden, sind nicht vorhanden. Folglich entfallen bei der Erfindung die dafür vorzusehenden Strukturierungsschritte völlig. Die Kontaktschicht des ersten Kontaktsystems ist als äußere
Kontaktschicht ausgebildet, überdeckt das gesamte Dünnschichtpaket und erfasst alle Kontaktierungen. Diese greifen elektrisch isoliert durch die Strukturierungen in der inneren Kontaktschicht hindurch. Die innere Kontaktschicht und die äußere Kontaktschicht sind übereinander liegend angeordnet. Außerhalb der Verschaltungsbereiche sind die beiden Kontaktschichten mittels Zwischenlage einer Isolationsschicht elektrisch gegeneinander isoliert. Inner- halb der Verschaltungsbereiche sind sie mittels Serienkontakte miteinander elektrisch leitend verbunden.
Das erfindungsgemäße Dünnschicht-Solarmodul setzt damit erstmals technisch konsequent für ein Dünnschichtsystem eine einseitige Kontaktierung mit einem punktuellen ersten Kontaktsystem und einem flächigen zweiten Kontaktsystem um. Durch das Entfallen eines zweiten punktuellen Kontaktsystems verringert sich gegenüber dem bekannten Doppelpunktkonzept der Strukturierungsaufwand erheblich. Bei der Erfindung ist nurmehr ein Strukturierungsschritt erforderlich. Es wird die innere Kontaktschicht des zweiten Kontaktsystems strukturiert, um die Kontaktierungen des ersten
Kontaktsystems auszubilden. Alignmentprobleme bei der Modulverschaltung treten nicht auf, da nunmehr die punktuellen Kontaktierungen mit einer flächigen Kontaktschicht verbunden werden.
Zur Umsetzung der Erfindung weist das zweite Kontaktsystem ausschließlich eine innere Kontaktschicht auf, die zwischen der Absorberschicht und der äußeren Kontaktschicht des ersten Kontaktsystems angeordnet ist und - je nach Aufbau des Dünnschichtpakets - der Kontaktierung der Absorberschicht selbst, aber auch jeder anderen ladungsträgerführenden Funktionsschicht dienen kann. Außerdem sind die beiden Kontaktsysteme mittels einer die gesamte Dünnschicht-Solarzellenfläche flächig überdeckenden Isolationsschicht außerhalb der Verschaltungsbereiche elektrisch gegeneinander isoliert. Nach einer gemeinsamen Strukturierung der inneren Kontaktschicht des zweiten Kontaktsystems gemeinsam mit der Isolationsschicht sowie den Funktionsschichten im Dünnschicht-Solarmodul können dann weitere
Funktionsschichten sowie die äußere Kontaktschicht des ersten Kontaktsystem ohne jede weitere Strukturierung aufgebracht werden. Die Serienverschaltung der vorzugsweise streifenförmig ausgebildeten einzelnen Dünnschicht-Solarzellenbereiche im Modul ist hierbei in die Strukturierung bereits integriert. Mit beiden Kontaktsystemen können durch entsprechende Anordnung der Kontaktschichten und Ausführung der Kontaktierungen sowie durch Vorsehen von Durchkontaktierungen (Verlängerungen der Kontaktierungen durch die Absorberschicht) je nach Ausführung der Trägerschicht, der Anordnung der Funktionsschichten, der Ausführung der Konfiguration (pn oder pin) jede Art von Funktionsschicht (Emitterschicht, Feldpassivierungsschicht BSF oder FSF, Absorberschicht, Dotierschichten gegensätzlicher Dotierung und intrinsische Schicht) kontaktiert werden.
Es wird mit der Erfindung ein einseitenkontaktiert.es Dünnschicht-Solarmodul mit einer einseitigen Serienverschaltung vorgestellt, bei der Kontaktierungen des ersten Kontaktsystems mit der Kontaktschicht des zweiten Kontaktsystems zwischen benachbarten Dünnschicht-Solarzellenbereichen in äußerst einfacher Weise serienverschaltet sind. Für die Modulverschaltung werden dabei nur elektrische Serienkontakte sowie linienförmig oder mäanderförmig gestaltete Isoliergräben benötigt. Ein derart einfach verschaltetes einseitenkontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul weist gegenüber allen bekannten einseitigen Modul- verschaltungen einen erheblich geringeren Strukturierungsaufwand auf. Zudem entfällt das Problem des Alignments kleiner Strukturen auf großen Flächen, da keine verschiedenartigen Punktkontaktierungen zueinander ausgerichtet werden müssen. Im Vergleich zu der bisher bei nahezu allen anderen Dünnschicht-Solarmodulen eingesetzten konventionellen Verschaltung beidseitiger Kontaktsysteme wird außerdem der ineffiziente Totbereich im Modul deutlich reduziert. Im Falle einer Rückseitenkontaktierung können bei der Erfindung die Absorptions- oder Abschattungsverluste des vorderseitigen, d.h. dem Lichteinfall zugewandten Kontaktsystems vollständig vermieden werden. Zudem werden auch Durchkontaktierungen durch die Absorberschicht zu darunter liegenden Funktionsschichten prozesstechnisch wesentlich erleichtert. Bei vorderseitiger Anordnung der Kontaktsysteme sind die Kontaktflächen transparent bzw. gitterförmig und die Kontaktierungen flächenminimiert, insbesondere punkt- oder linienförmig, auszuführen.
Bevorzugt sind zur Serienverschaltung der Dünnschicht-Solarzellenbereiche die Serienkontakte linienförmig ausgebildet. Dabei ist dann die äußere Kontaktschicht des ersten Kontaktsystems in den Verschaltungsbereichen durch linienförmige Isoliergräben strukturiert. Alternativ können die Serienkontakte auch punktförmig ausgebildet sein, wobei die äußere Kontaktschicht des ersten Kontaktsystems in den Verschaltungsbereichen dann durch meanderförmigen Isoliergräben strukturiert ist. Weiterhin können die Kontaktierungen des ersten Kontaktsystems und die Strukturierungen der inneren Kontaktschicht des zweiten Kontaktsystems bevorzugt punkt- oder linienförmig ausgebildet sein.
Bei dem Dünnschicht-Solarmodul nach der Erfindung kann sowohl eine Rückseitenkontaktierung ausgebildet werden, wenn die Trägerschicht als Superstrat ausgebildet ist und die beiden Kontaktsysteme auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite des Dünnschicht-Solarmoduls angeordnet sind, als auch eine Vorderseitenkontaktierung ausgebildet werden, wenn die Trägerschicht als Substrat ausgebildet ist und die beiden Kontaktsysteme auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite des Dünnschicht-Solarmoduls angeordnet sind. Eine Superstratausführung mit Vorderseitenkontaktierung bzw. eine Substratausführung mit Rückseitenkontaktierung bedingt eine Anordnung der Kontaktsysteme zwischen der Absorberschicht und der Trägerschicht. Diese Ausführungsformen sind zwar technisch realisierbar, in der Anwendung jedoch weniger interessant. Weiterhin kann eine pn- Konfiguration mit einer dotierten Absorberschicht und zumindest einer gegendotierten Emitterschicht als Dotierschicht zur Trennung der durch Lichteinfall in der Absorberschicht erzeugten überschüssigen Ladungsträger umgesetzt werden. Dabei können dann die Absorberschicht oder eine zugehörige ladungsträgerführende Funktionsschicht über die die darüber liegenden Schichten isoliert durchdringenden Kontaktierungen des ersten Kontaktsystems und die Emitterschicht oder eine zugehörige ladungsträgerführende Funktionsschicht mit der inneren Kontaktschicht des zweiten Kontaktsystems kontaktiert sein. Eine umgekehrte Zuordnung ist genauso möglich. Weiterhin ist bei einer pn-Konfiguration die Emitterschicht entweder auf der dem Lichteinfall zu- oder abgewandten Seite des Dünnschicht- Solarmoduls angeordnet. Zum anderen kann bei dem Dünnschicht-Solarmodul nach der Erfindung auch besonders vorteilhaft eine pin-Konfiguration mit einer intrinsischen oder schwach dotierten Absorberschicht und zumindest zwei Dotierschichten gegensätzlicher Dotierung beiderseits der Absorberschicht zur Trennung der durch Lichteinfall in der Absorberschicht erzeugten überschüssigen Ladungsträger umgesetzt werden. Dann kann eine der beiden Dotierschichten oder eine zugehörige ladungsträgerführende Funktionsschicht über die die darüber liegenden Schichten isoliert durchdringenden Kontaktierungen des ersten Kontaktsystems und die andere Dotierschicht oder eine zugehörige ladungsträgerführende Funktionsschicht mit der inneren Kontaktschicht des zweiten Kontaktsystems kontaktiert sein. Weitere Einzelheiten zu möglichen Ausführungsformen sind dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.
In anderen Ausführungsformen des Dünnschicht-Solarmoduls nach der
Erfindung können noch vorteilhaft als zumindest ein weitere Funktionsschicht eine Antireflexschicht, Saatschicht, Oberflächenpassivierungsschicht, FeId- passivierungsschicht, Leitschicht und/oder Pufferschicht vorgesehen sein. Darüber hinaus können sowohl Homoausführungen, bei der die zumindest eine Dotierschicht aus zum Halbleitermaterial der Absorberschicht gleichem Halbleitermaterial, als auch Heteroausführungen mit unterschiedlichem Halbleitermaterial realisiert werden. Materialtechnisch können bevorzugt die die Absorberschicht aus kristallinem Silizium (c-Si) oder aus polykristallinem Silizium (poly-Si), die Emitterschicht oder Dotierschichten aus wasser- stoffangereichertem amorphem Silizium (a-Si:H) oder aus polykristallinem Silizium (poly-Si), Feldpassivierungsschichten aus wasserstoffangereichertem amorphem Silizium (a-Si:H), Pufferschichten aus intrinsischem amorphem Silizium (i-a-Si), die Isolationsschicht aus Harz oder Siliziumoxid, die Leitschicht aus transparentem, leitfähigem Oxid (TCO) oder Molybdän, Oberflächenpassivierungs-, Reflexions- und Antireflexschicht aus Siliziumnitrid (SiN), das Superstrat oder Substrat aus Glas und die Kontaktsysteme aus Aluminium oder aus transparentem, leitfähigem Oxid (TCO) bestehen.
Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung des zuvor beschrieben einseitig kontaktierten Dünnschicht-Solarmoduls nach der Erfindung in seinen unterschiedlichen Ausführungsformen kann das erste Kontaktsystem mit seinen Kontaktierungen und seiner äußeren Kontaktschicht hergestellt werden durch
• Erzeugen von Strukturierungen im Dünnschichtpaket bis zu der zu kontaktierenden Dotier- oder Funktionsschicht mittels Bohren, Ätzen oder Laserablation, • elektrisches Isolieren der Strukturierungen durch Einfließenlassen von flüssigem Isoliermaterial und
• ganzflächige, unstrukturierte Metallisierung der Oberfläche des Dünnschichtpakets und der Strukturierungen.
Dabei kann es sich bei dem fließfähigen isoliermaterial um Harz (Resin) handeln. Weiterhin kann vorteilhaft vor der Metallisierung noch eine ganzflächige, unstrukturierte Abscheidung einer weiteren Funktionsschicht durchgeführt werden. Alternativ können die Kontaktierungen des ersten Kontaktsystems und/oder die elektrischen Serienkontakte für die Serienverschaltung der Solarzellenbereiche auch durch Laserfeuern erzeugt werden. AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Das einseitig kontaktierte Dünnschicht-Solarmodul nach der Erfindung in seinen verschiedenen Ausführungsformen wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in den schematischen, nicht maßstabsgerechten (alle Schichten aus Gründen der Darstellbarkeit in keinem maßstabsgerechten Verhältnis zueinander) FIGUREN ZU Querschnitten und Aufsichten von Dünnschicht-Solarmodulen näher erläutert.
ZUM STAND DER TECHNIK ZEIGT DIE
FIGUR 1A Doppelpunkt- Verschaltungskonzept zur rückseitigen
Serienverschaltung von Dünnschicht-Solarmodulen in Querschnitt,
FIGUR 1 B Doppelpunkt- Verschaltungskonzept zur rückseitigen Serienverschaltung von Dünnschicht-Solarmodulen gemäß FIGUR 1A in der Aufsicht
ZUR ERFINDUNG ZEIGT DIE
FIGUR 2 eine Ausführungsform mit rückseitiger Emitterschicht und Feldpassivierungsschicht,
FIGUR 3 eine Ausführungsform mit rückseitiger Emitterschicht und
Leitschicht, FIGUR 4 eine Ausführungsform mit rückseitiger Emitterschicht ohne
Leitschicht, FIGUR 5 eine Ausführungsform mit vorderseitiger Emitterschicht ohne Leitschicht, FIGUR 6 eine Ausführungsform mit vorderseitiger Emitterschicht und
Leitschicht,
FIGUR 7A eine Aufsicht mit linienförmigen Serienkontakten, FIGUR 7B eine Aufsicht mit punktförmigen Serienkontakten und
FIGUREN 8A-J Herstellung eines Dünnschicht-Solarmoduls gemäß FIG. 2 Zum Stand der Technik ist in den FIGUREN 1A (Querschnitt), 1B (Aufsicht mit Schnittangabe) das bislang einzige technisch realisierte einseitige (rückseitige) Modulverschaltungskonzept in Dünnschichttechnik ( „Doppelpunktkonzept") gemäß der in der Beschreibungseinleitung bereits gewürdigten
WO 03/019674 A1 für eine technisch realisierbare pn-Konfiguration mit Superstratausführung dargestellt. Ein rückseitiges erstes Kontaktsystem 100 und ein rückseitiges zweites Kontaktsystem 200 weisen beide Punktkontakte 300, 400 zur Kontaktierung einer Emitterschicht 500 und einer Feldpassivie- rungsschicht 600 beiderseits einer Absorberschicht 700 auf einem Superstrat 770 auf. Die Punktkontakte 300, 400 sind zueinander ausgerichtet und durch schmale Kontaktstreifen 800 so mit einander elektrisch leitend verbunden, dass sich eine Serienverschaltung der streifenförmigen Solarzellenbereiche 900 ergibt. Ansonsten sind die beiden Kontaktsysteme 100, 200 durch eine Isolationsschicht 990 elektrisch gegeneinander isoliert.
Alle FIGUREN zur Erfindung zeigen Superstratkonfigurationen, bei denen der Lichteinfall durch das Superstrat als Trägerschicht hindurch erfolgt. Substratkonfigurationen sind jedoch in ihrem Dünnschichtpaketaufbau identisch mit den gezeigten Superstratkonfigurationen. Das Licht fällt bei Substratkonfigurationen durch die beiden Kontaktsysteme und nicht mehr durch die Trägerschicht in das Dünnschichtpaket ein. Folglich müssen die beiden Kontaktsysteme sowie die Isolationsschicht transparent ausgeführt sein. Beide Kontaktsystem können beispielsweise aus transparentem leitfähigen Oxid (TCO) sein, die Isolationsschicht kann - anstelle von Harz - beispielsweise aus transparentem Siliziumoxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (SiN) bestehen. Im Gegenzug muss nun allerdings nicht mehr die isolierende Passivierungsschicht bzw. die Leitschicht notwendigerweise transparent ausgeführt sein, wie dies bei der Superstratkonfiguration erforderlich ist. Somit kann die Leitschicht bei der Substratkonfiguration beispielsweise anstelle aus leitfähigem Oxid aus Metall sein. Des Weiteren zeigen die FIGUREN 2 bis 8 pn-Konfigurationen. Es können jedoch alle gezeigten Ausführungsformen in entsprechender Weise jeweils auch als pin-Konfiguration ausgeführt werden, da das Kontaktierungsschema nach außen identisch ist. Es werden nur jeweils andere Funktionsschichten im Dünnschichtpaket vom ersten und zweiten Kontaktsystem kontaktiert. Die gezeigten Emitter- und Feldpassivierungsschichten in pn-Konfigurationen entsprechen den Ladungsträger (Elektronen n-typ, Löcher p-typ) sammelnden Dotierschichten in pin-Konfigurationen, die Absorberschicht ist dann nicht stark dotiert, sondern undotiert (intrinsisch) oder nur gering dotiert. Alle Dotierschichten können beispielsweise als Einzelschicht aus dotiertem a-Si:H oder aus einer Doppelschicht aus intrinsischem und dotiertem a-Si:H bestehen. Die intrinsische Schicht erfüllt dann die Funktion einer Pufferschicht (nicht dargestellt). In den FIGUREN nachfolgend nicht gezeigte oder beschriebene Bezugszeichen sind den vorangehenden Figuren und Beschreibungen zu entnehmen.
Die FIGUR 2 zeigt ein serienverschaltetes Dünnschicht-Solarmodul 00 aus streifenförmigen Solarzellenbereichen 01 in pn-Konfiguration. Eine Träger- Schicht 02 ist als Superstrat 03 ausgebildet, die oberhalb eines Dünnschichtpakets 04 liegt. Der Lichteinfall 05 erfolgt durch das Superstrat 03 hindurch. Dargestellt ist eine Absorberschicht 06, an die eine Emitterschicht 07 angrenzt. Diese kann als Einzel- oder als Doppelschicht ausgebildet sein (s.o.). Bezüglich des Lichteinfalls 05 ist die Emitterschicht 07 auf der Rückseite der Absorberschicht 06 angeordnet. Auf der Vorderseite, d.h. zwischen der Absorberschicht 06 und dem Superstrat 03 befindet sich eine elektrisch isolierende, transparente Oberflächenpassivierungsschicht 08, beispielsweise aus SiN, welche optional ist. Weiterhin ist eine elektrisch leitende FeId- passivierungsschicht 11 (rückseitig BSF) vorgesehen. Diese kann wiederum als Einzel- oder Doppelschicht ausgebildet sein (s.o.). Die Feldpassivierungs- schicht 11 ist jedoch ebenfalls optional. Gezeigt sind in der FIGUR 2 ein erstes Kontaktsystem 12 und ein zweites Kontaktsystem 13, die beide auf der Rückseite des Dünnschicht-Solarmoduls 00 (bezogen auf den Lichteinfall 05) angeordnet sind und dementsprechend nicht transparent ausgeführt sein müssen. Das erste Kontaktsystem 12 besteht aus zumeist punkt- oder linienförmigen Kontaktierungen 14 und einer flächig oder gitterförmig ausgebildeten äußeren Kontaktschicht 15. Die punkt- oder linienförmigen Kontaktierungen 14 kontaktieren die Absorberschicht 06 an ihrer vom Lichteinfall 05 abgewandten Seite und sind dementsprechend nicht als Durchkontaktierungen ausgebildet. Das zweite Kontaktsystem 13 besteht hingegen einzig aus einer flächig ausgebildeten, inneren Kontaktschicht 16, die zur Durchführung der punkt- oder linienförmigen Kontaktierungen 14 des ersten Kontaktsystems 12 entsprechend strukturiert ist. Zwischen dem ersten Kontaktsystem 12 und dem zweiten Kontaktsystem 13 ist eine Isolationsschicht 17 angeordnet.
Im Dünnschicht-Solarmodul 00 ist ein durch eine Serienverschaltung 20 der Solarzellenbereiche 01 definierter Verschaltungsbereich 21 dargestellt. Innerhalb dieses Verschaltungsbereichs 21 ist die in den Verschaltungsbereich 21 hineinreichende äußere Kontaktschicht 15 des ersten Kontaktsystems 12 eines auf der einen Seite an den Verschaltungsbereich 21 angrenzenden Solarzellenbereichs 09 mit der in den Verschaltungsbereich 21 hineinreichenden inneren Kontaktschicht 16 des zweiten Kontaktsystems eines auf der anderen Seite an den Verschaltungsbereich 21 angrenzenden Solarzellen- bereichs 10 mittels Serienkontakten 22 elektrisch leitend verbunden. Außerhalb des Verschaltungsbereichs 21 sind die beiden Kontaktsysteme 12, 13 durch die Isolationsschicht 17 elektrisch gegeneinander elektrisch isoliert. Die Serienkontakte 22 definieren im Verschaltungsbereich 21 einen Kontaktbereich 23. Daneben befindet sich im Verschaltungsbereich 21 ein Totbereich 24, der bei dem Verschaltungskonzept nach der Erfindung besonders klein ist. Weiterhin ist innerhalb des Verschaltungsbereichs 21 ein Isoliergraben 25 zur Unterbrechung der äußeren Kontaktschicht 15 des ersten Kontaktsystems 12 und damit zur elektrischen Isolation der benachbarten Solarzellenbereiche 09, 10 vorgesehen. Das Dünnschichtpaket 04 wird durch Trenngräben 26 in die streifenförmigen Solarzellenbereiche 01 unterteilt.
Die FIGUR 3 zeigt eine Ausbildung eines Dünnschicht-Solarmoduls 30 mit einem ersten Kontaktsystem 31 , dessen Kontaktierungen 32 als Durch- kontaktierungen 33 durch die Absorberschicht 06 hindurch ausgebildet sind. Die Durchkontaktierungen 33 kontaktieren im gezeigten Ausführungsbeispiel eine transparente Leitschicht 34, beispielsweise TCO. Zwischen der Absorberschicht 06 und dem Superstrat 03 ist eine strukturierte transparente leitende Feldpassivierungsschicht 35 (FSF) angeordnet. Aufgrund der Durchkontaktierungen 33 ergeben sich in der photoaktiven Absorberschicht 06 neben dem Totbereich 24 im Verschaltungsbereich 21 noch weitere Totbereiche 57.
Die FIGUR 4 zeigt eine Ausbildung eines Dünnschicht-Solarmoduls 36 mit einem ersten Kontaktsystem 37, dessen Kontaktierungen 38 als Durchkontaktierungen 39 durch die Absorberschicht 06 hindurch ausgebildet sind und eine unstrukturierte transparente leitende Feldpassivierungsschicht 40 (FSF) kontaktieren. Zwischen der Absorberschicht 06 und dem Superstrat 03 ist eine isolierende transparente Oberflächenpassivierungsschicht 41 angeordnet. Diese ist optional, da bereits die Feldpassivierungsschicht 40 vorhanden ist. Aufgrund der Durchkontaktierungen 39 ergeben sich in der photoaktiven Absorberschicht 06 neben dem Totbereich 24 im Verschaltungs- bereich 21 noch weitere Totbereiche 57.
In der FIGUR 5 ist ein Dünnschicht-Solarmodul 50 dargestellt, bei dem eine unstrukturierte Emitterschicht 51 auf der bezüglich des Lichteinfalls vorgesehenen Vorderseite der Absorberschicht 06 angeordnet ist. Auf der Rückseite der Absorberschicht 06 ist nunmehr eine strukturierte Feldpassivierungsschicht 52 (BSF) vorgesehen. Das erste Kontaktsystem 53 weist Kontaktierungen 54 auf, die als Durchkontaktierungen 55 die unstrukturierte Emitterschicht 51 kontaktieren. Unterhalb der unstrukturierten Emitterschicht 51 ist eine elektrisch isolierende transparente Oberflächenpassivierungsschicht 56 angeordnet, die jedoch optional ist. Bei einer Anordnung der Emitterschicht 51 auf der bezüglich des Lichteinfalls 05 liegenden Vorderseite der Absorberschicht 06 ergeben sich jedoch neben dem Totbereich 24 im Verschaltungs- bereich 21 noch weitere Totbereiche 57 außerhalb des Verschaltungsbereichs 21.
Die FIGUR 6 zeigt ein Dünnschicht-Solarmodul 60 mit einer strukturierten Emitterschicht 61 auf der Vorderseite der Absorberschicht 06. Das erste Kontaktsystem 62 weist Kontaktierungen 63 in Form von Durchkontaktierungen 64, die eine unstrukturierte transparente Leitschicht 65 (TCO) kontaktieren.
In den FIGUREN 2 bis 6 sind pn-Konfigurationen mit Absorberschicht 06 und Emitterschicht 07, 51, 61 dargestellt. Bei einer pin-Konfiguration wird eine intrinsische oder schwach dotierte Absorberschicht 70 zwischen zwei gegensätzlich dotierten Dotierschichten 71, 72 verwendet. Diese Schichten entsprechen je nach Dotierung der Emitter- und der Feldpassivierungsschicht beiderseits der Absorberschicht 06. Die pin-Konfiguration ist durch Kennzeichnung der entsprechenden Schichten mit den Bezugszeichen 70, 71 und 72 beispielsweise in den FIGUREN 5 und 6 angedeutet.
In den FIGUREN 7A und 7B sind zwei mögliche Aufsichten auf Dünnschicht- Solarmodule 00 nach der Erfindung gezeigt (eingezeichnet sind die
Schnittlinien für die Querschnittsansichten in den FIGUREN 2 bis 6). In der FIGUR 7A sind die Serienkontakte 22 in der Ausführung linienförmiger Serienkontakte 84 zur Serienverschaltung der beiden Kontaktsysteme 12, 13 benachbarter Solarzellenbereiche 09,10 dargestellt. Es ergeben sich Isoliergräben 25 in der Ausführung linienförmiger Isoliergräben 85. In der FIGUR 7B sind die Serienkontakte 22 in der Ausführung punktförmiger Serienkontakte 86 zur Serienverschaltung der beiden Kontaktsysteme benachbarter Solarzellenbereiche 09,10 dargestellt. Es ergeben sich Isoliergräben 25 in der Ausführung mäanderförmiger Isoliergräben 87. Jeweils daneben sind die linearen Trenngräben 26 zwischen den Solarzellenbereichen 09, 10 angedeutet. Angedeutet sind auch Kontaktierungen 14 des ersten Kontaktsystems 12 in der Ausführungsform von punktförmigen Kontaktierungen 88. Insbesondere bei der Ausführungsform gemäß FIGUR 7 A mit linienförmigen Serienkontakten 84 können auch die Kontaktierungen 14 auch als linien- förmige Kontaktierungen ausgeführt sein (nicht weiter dargestellt). Diese genannten Ausführungsformen sind jeweils identisch für alle Übergänge zwischen den Solarzellenbereichen 01 und gelten für alle anderen Ausführungsformen von Dünnschicht-Solarmodulen nach der Erfindung. In den FIGUREN 8A...J wird die Herstellung eines Dünnschicht-Solarmoduls 00 mit streifenförmig ausgebildeten Solarzellbereichen 01 gemäß FIGUR 2 einschließlich integrierter Modulverschaltung beschrieben.
(FIGUR 8A) Bereitstellung des Dünnschichtpakets 04:
Abscheiden des Dünnschichtpakets 04: Superstrat 03 (z.B. Glas)/ (optionale)
Passivierungsschicht 08 (z.B. 80 nm SiN)/ optionale Antireflex-Schicht (nicht dargestellt)/ optionale Feldpassivierungsschicht (BSF, nicht dargestellt) / optionale Leitschicht (nicht dargestellt) / Absorberschicht 06 (z.B. rekristallisiertes poly-Si, das über eine Temperung von amorph abgeschiedenem 2 μm a-Si:H erzeugt wurde) / Emitterschicht 07 (z.B. PECVD- abgeschiedenes 30 nm a-Si:H) / metallische innere Kontaktschicht 16 des zweiten Kontaktsystems 13 (z.B. 500 μm elektronenstrahlverdampftes AI)
(FIGUR 8B) Modul-Strukturierung:
Modul-Strukturierung des Dünnschichtpakets 04 in einzelne Solarzellenbereiche 09, 10 (hier Streifen), Erzeugung von Trenngräben 26, z.B. durch mechanisches Kratzen oder Laser-Scribing. (FIGUR 8C) Aufbringen der Isolationsschicht 17 (elektrische Isolierung des zweiten Kontaktsystems 13)
Auf der inneren Kontaktschicht 16 des zweiten Kontaktsystems 13 wird eine Isolationsschicht 17 abgeschieden. Dies geschieht entweder ganzflächig (z.B. durch PECVD-Abscheidung von SiO2) und anschließender Strukturierung oder bereits durch strukturiertes Auftragen (z.B. Siebdruck, Inkjetdruck eines z.B. organischen Resins (Gießharz) bzw. von isolierenden Pasten).
(FIGUR 8D) Punkt-Strukturierung der Isolationsschicht 17 Die rückseitig angeordnete Isolationsschicht 17 wird nun punktförmig strukturiert. Das heißt, in die Isolationsschicht 17 werden regelmäßig angeordnete Strukturierungen 75 (beispielsweise Löcher mit 100 μm Durchmesser) eingebracht. Die Strukturierung geschieht entweder bereits beim Auftragen der Isolationsschicht 17 selbst (z.B. durch Siebdruck/l nkjet-Druck der Isolations- schicht 17) oder durch Inkjet-Druck einer Ätzlösung oder durch Siebdruck/Inkjetdruck einer Maskierungsschicht und einem nachfolgenden Ätzvorgang.
(FIGUR 8E) punktförmiges Freilegen der Absorberschicht 06 Die nunmehr punktförmig strukturierte Isolationsschicht 17 dient nun als Maskierungsschicht, um über eine Ätzlösung die Rückseite der Absorberschicht 06 freizulegen. Sowohl die innere Kontaktschicht 16 des zweiten Kontaktsystems 13 als auch die Emitterschicht 07 werden punktförmig entfernt. Optional kann bei Vorhandensein einer Feldpassivierungsschicht (BSF) auch die Absorberschicht punktförmig entfernt werden, es entstehen dann Durchkontaktierungen.
Alternativ hierzu kann auch eine flächig angebrachte Isolationsschicht 17 mittels Laserstrukturierung schrittweise bis auf die Rückseite der Absorber- schicht 06 freigelegt werden (schrittweise Laserbohrung von Strukturierungen 75 durch die Isolationsschicht 17, die Kontaktschicht 16 des zweiten Kontaktsystems 13 und die Emitterschicht 07).
(FIGUR 8F) Innenisolierung der Strukturierungen 75 Die Innenseiten der hergestellten Strukturierungen 75 werden mit einer Isolationsauskleidung 76 bedeckt. Dies geschieht am einfachsten unter Verwendung eines organischen Gießharzes (Resin) als Isolationsauskleidung
76 durch kurzzeitige Temperung. Die Isolationsauskleidung 24 (Resin) verflüssigt sich dann und rinnt die Strukturierungen 75 herunter. Alternativ kann eine weitere Isolationsschicht ganzflächig auf die rückseitig angeordnete
Isolationsschicht 17 aufgebracht (diese bedeckt dann die Isolationsschicht 17, die Wandungen und die Böden der Strukturierungen 75) und vermittels einer über Siebdruck/Inkjetdruck aufgebrachten Maskierungsschicht die Böden wieder freigelegt werden (ätzen). Das Material der Isolationsschicht 17 und der Isolationsauskleidung 76 kann identisch sein.
(FIGUR 8G) Freilegen von Kontaktierungsöffnungen 77 für die späteren
Serienkontakte 22 der Serienverschaltungen
Auf der Isolationsschicht 17 werden linienförmige Kontaktierungsöffnungen 77 (diese können auch punktförmig sein, vergleiche FIGUR 7B) ZU der Kontaktschicht 16 (13) des zweiten Kontaktsystems 13 (hier Kontaktierung der Emitterschicht 07) für die Serienkontakte 22 der Serienverschaltungen des Dünnschichtmoduls 00 freigelegt, analog zum Verfahrensschritt gemäß FIGUR 5d. Alternativ kann auf die Freilegung verzichtet werden und die Serien- kontakte 22 zwischen dem ersten Kontaktsystems 12 zum zweiten Kontaktsystem 13 zur seriellen Verbindung zwischen den benachbarten Solarzellenbereichen 09, 10 später über lasergefeuerte Kontaktierung hergestellt werden. (FIGUR 8H) optionales, ganzflächiges, unstrukturiertes Abscheiden einer Feldpassivierschicht
Auf die rückseitig angeordnete, nunmehr strukturierte Isolationsschicht 17 wird optional eine Feldpassivierungsschicht 11 (z.B. PECVD abgeschiedenes 30 nm a-Si:H) abgeschieden. Diese bedeckt somit die Isolationsschicht 17 als auch die freigelegten Lochböden der Rückseite der Absorberschicht 12 und bildet damit Kontaktierungen 14 (hier punktförmig, analog auch linienförmig) zur Absorberrückseite aus.
(FIGUR 81) unstrukturiertes ganzflächiges Abscheiden des ersten Kontaktsystems
Auf die optional abgeschiedene Feldpassivierungsschicht 11 bzw. auf die rückseitig angeordnete, strukturierte Isolationsschicht 17 wird die metallische äußere Kontaktschicht 15 des ersten Kontaktsystems 12 (z.B. elektronenstrahl- verdampftes AI oder siebgedruckte/inkjetgedruckte metallische Pasten) abgeschieden. Die Kontaktschicht 15 bedeckt somit die Feldpassivierungsschicht 11 bzw. die Isolationsschicht 17. Im Bereich der vorher angelegten Strukturen entstehen dabei automatisch die Kontaktierungen 14 und Serienkontakte 22, ohne dass eigene aufwändige Strukturierungsschritte erforderlich sind. Die Befüllung des in der Isolationsschicht 17 abgebildeten Trenngrabens 26 ist dabei ohne Funktion.
(FIGUR 8J) Auftrennung der äußeren Kontaktschicht des ersten Kontaktsystems Zur Realisierung der Serienverschaltung der Solarzellenbereiche 09, 10 werden anschließend Isoliergräben 25 über Laserablation oder über einen Maskierungsvorgang mit anschließender Ätzung von der äußeren Kontaktschicht 15 und der optional abgeschiedenen Feldpassivierungsschicht 11 wieder weggenommen. Alternativ kann die metallische äußere Kontaktschicht 15 auch gleich strukturiert abgeschieden werden (z.B. über sieb- oder inkjetgedruckte metallische Pasten), so dass die Kontaktierungen 14 Kontaktschichtabschnitte 27 kontaktieren, die in einer solchen Weise strukturiert flächig (streifen- bzw. gitterförmig) abgeschieden werden, dass sie alle zu einem Solarzellenbereich 09, 10 gehörenden Kontaktierungen 14 kontaktieren und jeweils ein Gittersteg des einen Solarzellenbereichs 10 die Serienkontakte 22 des benachbarten Solarzellenbereich 09 sammelt (in der FIGUR 8J nicht dargestellt). Wurde der Verfahrensschritt gemäß FIGUR 8G weggelassen, so muss nun im Anschluss z.B. über lasergefeuerte Kontaktierung die elektrisch leitende Verbindung des ersten Kontaktsystems 12 zum zweiten Kontaktsystem 13 hergestellt werden.
Die Herstellung einer Modulverschaltung mit einem Dünnschichtpaket mit pin- Struktur erfolgt in völlig analoger Weise, wobei im Dünnschichtpaket eine intrinsische oder schwach dotierte Absorberschicht und zwei gegensätzlich dotierte Dotierschichten eingebracht werden. Alle Beschichtungs- und Strukturierungsschritte werden in gleicher weise zu den obigen Ausführungen durchgeführt. Der Aufbau des Dünnschichtpakets hat keinen Einfluss auf den grundsätzlichen Aufbau der Modulverschaltung mit den beiden Kontaktierungs- Systemen, die lediglich entsprechend unterschiedliche Schichten kontaktieren.
Im Vergleich der einseitigen flächig/punktförmigen seriellen Modulverschaltung nach der Erfindung gemäß FIGUR 8J mit einer aus dem Stand der Technik bekannten konventionellen, zweiseitig flächigen seriellen Modulverschaltung, bei der nahezu der gesamte Verschaltungsbereich auch gleichzeitig Totbereich ist, ergibt sich, dass bei der Erfindung der Totbereich bedeutsam kleiner ist. Dies hat einen höheren, flächenbezogenen Modulwirkungsgrad bei der Erfindung gegenüber konventionellen zweiseitigen Serienverschaltungen von Dünnschicht-Solarmodulen zur Folge. BEZUGSZEICHENLISTE
100 erstes Kontaktsystem
200 zweites Kontaktsystem 300 Punktkontakt
400 Punktkontakt
500 Emitterschicht
600 Feldpassivierungsschicht
700 Absorberschicht 770 Superstrat
800 Kontaktstreifen
900 Solarzellenbereich
990 Isolationsschicht
00 serienverschaltetes Dünnschicht-Solarmodul
01 Solarzellenbereich
02 Trägerschicht
03 Superstrat
04 Dünnschichtpaket 05 Lichteinfall
06 Absorberschicht
07 Emitterschicht
08 Oberflächenpassivierungsschicht (Funktionsschicht)
09 Solarzellenbereich (benachbart)
10 Solarzellenbereich (benachbart)
11 Feldpassivierungsschicht (Funktionsschicht))
12 erstes Kontaktsystem
13 zweites Kontaktsystem 14 Kontaktierungen (12)
15 äußere Kontaktschicht (12) 16 innere Kontaktschicht (13)
17 Isolationsschicht
20 Serienverschaltung
21 Verschaltungsbereich
22 Serienkontakt
23 Kontaktbereich
24 Totbereich
25 Isoliergraben
26 Trenngraben
27 Kontaktschichtabschnitte
30 Dünnschicht-Solarmodul
31 erstes Kontaktsystem
32 Kontaktierungen (31)
33 Durchkontaktierung (32)
34 Leitschicht
35 Feldpassivierungsschicht (Funktionsschicht)
36 Dünnschicht-Solarmodul
37 erstes Kontaktsystem
38 Kontaktierungen (37)
39 Durchkontaktierung (38)
40 Feldpassivierungsschicht (Funktionsschicht)
41 Oberflächenpassivierungsschicht (Funktionε
50 Dünnschicht-Solarmodul
51 Emitterschicht
52 Feldpassivierungsschicht (Funktionsschicht)
53 erstes Kontaktsystem
54 Kontaktierungen (53) 55 Durchkontaktierung (54)
56 Oberflächenpassivierungsschicht (Funktionsschicht)
57 weiterer Totbereich
60 Dünnschicht-Solarmodul
61 Emitterschicht
62 erstes Kontaktsystem
63 Kontaktierungen (62)
64 Durchkontaktierung (63) 65 Leitschicht (Funktionsschicht)
70 intrinsische oder schwach dotierte Absorberschicht
71 Dotierschicht (p- oder n-typ, gegensätzlich zu 72)
72 Dotierschicht (n- oder p-typ, gegensätzlich zu 71) 75 Strukturierung
76 Isolationsauskleidung
77 Kontaktierungsöffnung
84 linienförmiger Serienkontakt (22) 85 linienförmiger Isoliergraben (25)
86 punktförmiger Serienkontakt (22)
87 mäanderförmiger Isoliergraben (25)
88 punktförmige Kontaktierung (14)

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul mit einer Trägerschicht, einer photoaktiven Absorberschicht und zumindest einer auf einer Seite der Absorberschicht ganzflächig abgeschiedenen Dotierschicht sowie weiteren Funktionsschichten, wobei das daraus gebildete Dünnschichtpaket durch isolierende Trenngräben in Solarzellenbereiche unterteilt ist, und mit einem Kontaktierungen und eine diese verbindende Kontaktschicht aufweisenden ersten Kontaktsystem und einem eine Kontaktschicht aufweisenden zweiten Kontaktsystem auf der trägerschichtabgewandten Seite der Absorberschicht zur getrennten Ableitung von durch Lichteinfall in der Absorberschicht erzeugten überschüssigen Ladungsträgern (p, n), wobei beide Kontaktsysteme innerhalb von Verschaltungsbereichen in Serie geschaltet und außerhalb der Verschaltungsbereiche elektrisch gegeneinander isoliert sind, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS das zweite Kontaktsystem (13) ausschließlich aus einer inneren Kontaktschicht (16) besteht, die die gesamte trägerschichtabgewandte Seite der Dünnschicht- Solarzellenbereiche (01) flächig zusammenhängend überdeckt und Strukturierungen für die Kontaktierungen (14) des ersten Kontaktsystems (12) aufweist und dass die Kontaktschicht des ersten Kontaktsystems (12) als äußere Kontaktschicht (15) ausgebildet ist, die die Kontaktierungen (14) erfasst, die durch die Strukturierungen (75) in der inneren Kontaktschicht (16) elektrisch isoliert hindurchgreifen, wobei die innere Kontaktschicht (16) und die äußere Kontaktschicht (15) übereinander liegend angeordnet sind und außerhalb der Verschaltungsbereiche (21) mittels Zwischenlage einer Isolationsschicht (17) elektrisch gegeneinander isoliert und innerhalb der Verschaltungsbereiche (21) mittels Serienkontakte (22) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
2. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 1 ,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Serienkontakte (22) linienförmig (84) ausgebildet sind und die äußere Kontaktschicht (15) des ersten Kontaktsystems (12) in den Verschaltungs- bereichen (21) durch einen linienförmigen Isoliergraben (85) strukturiert ist.
3. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 1 ,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Serienkontakte (22) punktförmig (85) ausgebildet sind und die äußere Kontaktschicht (15) des ersten Kontaktsystems (12) in den Verschaltungs- bereichen (21) durch einen meanderförmigen Isoliergraben (87) strukturiert ist.
4. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 1 ,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Kontaktierungen (14) des ersten Kontaktsystems (12) und die Strukturierungen (75) der inneren Kontaktschicht (16) des zweiten Kontaktsystems (13) punkt- oder linienförmig ausgebildet sind.
5. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 1 , DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Trägerschicht (02) als Superstrat (03) ausgebildet ist und die beiden Kontaktsysteme (12,13) auf der dem Lichteinfall (05) abgewandten Seite des Dünnschicht-Solarmoduls (00) angeordnet sind. (Rückseitenkontaktierung)
6. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 1 ,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Trägerschicht (02) als Substrat ausgebildet ist und die beiden Kontaktsysteme (12, 13) auf der dem Lichteinfall (05) zugewandten Seite des Dünnschicht-Solarmoduls (00) angeordnet sind. (Vorderseitenkontaktierung)
7. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 1 ,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS eine pn-Konfiguration mit einer dotierten Absorberschicht (06) und zumindest einer gegendotierten Emitterschicht (07) als Dotierschicht zur Trennung der durch Lichteinfall (05) in der Absorberschicht (06) erzeugten überschüssigen Ladungsträger vorgesehen ist.
8. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 7,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Absorberschicht (06) oder eine zugehörige ladungsträgerführende
Funktionsschicht (11 , 34, 40) über die die darüber liegenden Schichten isoliert durchdringenden Kontaktierungen (14) des ersten Kontaktsystems (12) und die Emitterschicht (07, 51 , 72) oder eine zugehörige ladungsträgerführende Funktionsschicht (65) mit der inneren Kontaktschicht (16) des zweiten Kontaktsystems (13) kontaktiert sind oder umgekehrt.
9. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 7,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Emitterschicht (07, 51 , 61 , 72) entweder auf der dem Lichteinfall (05) zu- oder abgewandten Seite des Dünnschicht-Solarmoduls (00) angeordnet ist.
10. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 1 ,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS eine pin-Konfiguration mit einer intrinsischen oder schwach dotierten Absorber- Schicht (70) und zumindest zwei Dotierschichten (71 , 72) gegensätzlicher Dotierung beiderseits der Absorberschicht (70) zur Trennung der durch Lichteinfall (05) in der Absorberschicht (70) erzeugten überschüssigen Ladungsträger vorgesehen ist.
11. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 10,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS eine der beiden Dotierschichten (72) oder eine zugehörige ladungsträgerführende Funktionsschicht (65) über die die darüber liegenden Schichten isoliert durchdringenden Kontaktierungen (14) des ersten Kontaktsystems (12) und die andere Dotierschicht (71) oder eine zugehörige ladungsträgerführende Funktionsschicht mit der inneren Kontaktschicht (16) des zweiten Kontaktsystems (13) kontaktiert ist.
12. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 1 ,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS als weitere Funktionsschicht eine Antireflexschicht, Saatschicht, Oberflächenpassivierungsschicht (08, 41 , 56), Feldpassivierungsschicht (11 , 35, 40, 52), Leitschicht (34) und/oder Pufferschicht vorgesehen ist.
13. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 1 ,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die zumindest eine Dotierschicht (07, 71 , 72) aus zum Halbleitermaterial der Absorberschicht (06, 70) gleichem (Homoausführung) oder unterschiedlichem (Heteroausführung) Halbleitermaterial besteht.
14. Einseitig kontaktiertes Dünnschicht-Solarmodul nach Anspruch 1 ,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Absorberschicht (06, 70) aus kristallinem Silizium (c-Si) oder aus polykristallinem Silizium (poly-Si), die Emitterschicht (07, 51 , 61) oder
Dotierschichten (71 ,72) aus wasserstoffangereichertem amorphem Silizium (a- Si:H) oder aus polykristallinem Silizium (poly-Si), Feldpassivierungsschichten (35, 40, 52) aus wasserstoffangereichertem amorphem Silizium (a-Si:H), Pufferschichten aus intrinsischem amorphem Silizium (i-a-Si), die Isolationsschicht (17) aus Harz oder Silziumoxid, die Leitschicht (65) aus transparentem, leitfähigem Oxid (TCO) oder Molybdän, Oberflächenpassivierungs-, Reflexions- und Antireflexschicht (08, 41 , 56) aus Siliziumnitrid (SiN), das Superstrat (03) oder Substrat aus Glas und die Kontaktsysteme (12, 13) aus Aluminium oder aus transparentem, leitfähigem Oxid (TCO) bestehen.
15. Verfahren zur Herstellung eines einseitig kontaktierten Dünnschicht- Solarmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS das erste Kontaktsystem (12) mit seinen Kontaktierungen (14) und seiner äußeren Kontaktschicht (15) hergestellt wird durch
• Erzeugen von Strukturierungen (75) im Dünnschichtpaket (04) bis zu der zu kontaktierenden Dotier- oder Funktionsschicht (07, 35, 51 , 52, 61 , 70, 71) mittels Bohren, Ätzen oder Laserablation,
• elektrisches Isolieren der Strukturierungen (75) durch Einfließenlassen von flüssigem Isoliermaterial und
• ganzflächige, unstrukturierte Metallisierung der Oberfläche des Dünnschichtpakets (04) und der Strukturierungen (75).
16. Verfahren nach Anspruch 15, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS vor der Metallisierung eine ganzflächige, unstrukturierte Abscheidung einer weiteren Funktionsschicht (11) durchgeführt wird.
17. Verfahren zur Herstellung eines einseitig kontaktierten Dünnschicht- Solarmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Kontaktierungen (14) des ersten Kontaktsystems (12) und/oder die elektrischen Serienkontakte (22) für die Serienverschaltung der Solarzellenbereiche (01) durch Laserfeuern erzeugt werden.
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